Технология Ethernet

Из всех технологий КУ наибольшее распространение получила технология Ethernet, имеющая ряд модификаций. В Ethernet используется протокол CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). Этот протокол состоит из двух частей – множественный доступ и обнаружение коллизий. Ethernet – самая распространенная технологий. 80% всех локальных сетей построены на базе Ethernet. Все операционные системы поддерживают Ethernet. Для моделирования несущей в Ethernet используется дифференциальное манчестерское кодирование.

 

Протокол CSMA

Протокол CSMA являет широковещательным. Каждая рабочая станция с сетевым адаптером отслеживает момент, когда ей можно послать сообщение. В соответствии с протоколом CSMA рабочая станция вначале «прослушивает» сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другой сообщение. Если она обнаруживает несущий сигнал (carrier tone), то сеть – занята и рабочая станция переходит в режим ожидания до тех пор, пока сеть не освободится. После определения отсутствия carrier tone рабочая станция (РС) начинает передачу. Вторая часть протокола – CD – служит для разрешения ситуации, когда две или более рабочие станции начинают передавать сообщения одновременно. Термин «множественный доступ» определяет тот факт, что все станции имеют одинаковое право на доступ. При обнаружении CD выделяется случайное время на доступ. Переданные данные при этом уничтожаются. Случайное время выбирается из расчёта единичного времени 51,2 секунды. Может быть 1, 2 или 3 случайных времени. Если две станции выбрали одно случайное время, то этот интервал устанавливается от 0 до 7. Если опять обнаруживается коллизия, то интервал устанавливается от 0 до 1023. После 16 конфликтов коллизию разрешают протоколы верхнего уровня, сравнивая переданный и полученный сигнал. На приёме станция определяет, не ей ли послано сообщение. Скорость манипуляции в два раза ниже скорости несущей. Скорость несущей равна 20 Мбит/с. Домен коллизий – это часть сети Ethernet, все узлы которой конкурируют за общую разделяемую среду передачи и , следовательно, каждый узел которой может создать коллизию с каждым узлом этой части сети. Основными средствами физической структуризации локальных сетей являются повторители и концентраторы. Простейшее из коммуникационных устройств структуризации локальных сетей – повторитель- используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель улучшает физические характеристики – мощность и форму сигналов. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет ексколько сегментов часто называют концентратором или хабом. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

В связи с тем, что Ethernet имеет несколько разновидностей, происходит эволюция технологии Ethernet. Необходимо внимательно рассматривать вопрос соответствия кадров Ethernet. Существует 4 разновидности кадров. Это Ethernet II, Ethernet 802.3, Ethernet 802.2, Ethernet SNAP.

 

Общий вид формата кадров

Общий вид формата кадров для 4-х типов Ethernet

Флаг или преамбула	56 бит
Признак начала кадра	8 бит
Адрес получателя	48 бит
Адрес отправителя	48 бит
Длина /тип кадра (протокола)	16 бит
Данные переменной длины	не менее 64 байт
Контрольная сумма	32 бита

 

В Ethernet, согласно IEEE 802.3 и 802.2, существует 4 типа кадров: минимальная длина – 64 байта, а максимальная – 1518 байт.

Поля в кадре имеют следующее значение:

Поля Преамбулаи Признак начала кадрапредназначены для синхронизации оптравителя и получателя. Преамбула представляет собой 7-байтовую последовательность единиц и нулей. Поле признака начала кадра имеет размер 1 байт. Эти поля не принимаются в расчет при вычислении длины кадра.

 

· Поле «Адрес получателя»-состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которому адресован данный кадр. Значения этого И следующего поля являются уникальными. Каждому производителю адаптеров Ethernet назначаются первые три байта адреса, а оставшиеся три байта определяются непосредственно самим производителем. Например, для адаптеров фирмы 3Com физические адреса будут начинаться с 0020AF. Первый бит адреса получателя имеет специальное значение. Если он равен 0, то это адрес конкретного устройства (только в этом случае первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы), а если 1 — широковещательный. Обычно в широковещательном адресе все оставшиеся биты тоже устанавливаются равными единице (FF FF FF FF FF FF).

· Поле «Адрес отправителя»состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит адреса отправителя всегда равен нулю.

Поле «Длина/тип»может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле задает длину, она указывается в двух байтах. Если тип — то содержимое поля указывает на тип протокола верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IPX поле имеет значение 8137, а для протокола IP-0800. Для работы с INTERNET всегда указывается тип протокола и число это равно 0800.

· Поле «Данные»содержит данные кадра. Чаще всего — это информация, нужная протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксированной длины.

· Поле «Контрольная сумма»содержит результат вычисления контрольной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление выполняется отправителем и добавляется в кадр. Аналогичная процедура вычисления выполняется и на устройстве получателя. В случае, если результат вычисления не совпадает со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется.

Следует отметить, что минимальная допустимая длина для всех четырех типов кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальная — 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может иметь длину от 46 до 1500 байт. Если передаваемые по сети данные меньше допустимой минимальной длины, кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Столь жесткие ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.

 

Теоретическая производительность Ethernet 10 составляет 10Мбит/с, тогда как реальная производительность не превышает 70% от 10Мбит/с.

В сетях с совместным доступом общий объем трафика растет как квадрат от числа РС, тогда как объем полезного трафика растет линейно. Учитывая квадратичный рост трафика любое быстродействие быстро исчерпывается. Для снижения нагрузки сеть разбивают на сегменты. Это позволяет повысить производительность в число раз, равное числу сегментов. Поэтому было сделано принципиальное усовершенствование. Оно заключается в использовании коммутаторов, которые имеют большое количество портов и обеспечивают передачу между несколькими парами терминалов одновременно.

 

Коммутаторы Ethernet

Коммутатор ЛС- это устройство, позволяющее осуществлять сегментирование в ЛС, а также выделить полосу пропускания конечным пользователям а сети. В коммутаторе «на лету» используется общая адресная таблица или коммутационная матрица. При поступлении кадра в один из портов процессор определяет адрес назначения , по которому производится передача без дальнейшего анализа, т.е. «коммутация на лету». В этом коммутаторе системный модуль поддерживает общую адресную таблицу коммутатора. Коммутационная матрица отвечает за пересылку кадров между портами. Каждый порт имеет индивидуальный процессор кадров. При поступлении кадра в один из портов его процессор отправляет в буфер несколько первых байт кадра для того, чтобы прочитать адрес назначения. После определения адреса процессор принимает решение о передаче кадра, не анализируя остальные его байты. Чтобы определить куда передавать используется адресная таблица. Если данный адрес записан в таблице, выбирается соответствующий выходной порт. Выбор порта и формирование соединения осуществляется коммутационной матрицей. Если такого адреса нет, то кадр передается методом широковещания через все порты, за исключением принявшего. Используя технологию коммутируемого Ethernet каждый сервер использует выделенный канал между ним и портом коммутатора. Это позволило организовывать магистрали локальной сети, которая , как правило, связывает коммутаторы ЛС и маршрутизаторы IP. Дальнейшим развитием технологии Ethernet стал Fast Ethernet, имеющий скорость 100 Мбит.

 

Архитектура сети Ethernet

Несколько слов об. Малые сети имеют топологию типа шины, Более крупные сети, используют коммутаторы (hub) для сегментации сети. Сообщения, передаваемые в одном сегменте, не передаются в другом сегменте, что позволяет за счет сегментирования повысить общую нагрузку в сети. Широковещательный режим передачи имеет внутренние ограничения. Например, максимальным расстоянием, которое 512 битный кадр может пройти по сети за время, равное обработке этого кадра на рабочей станции. Для 10 Ethernet это расстояние равно 2500м. В сети Fast Ethernet при скорости 100 Мбит/c этот же самый 512-битный кадр за время, необходимое на его обработку на рабочей станции, пройдет всего 250м. Если станции будут удалены более, чем на 250 м, то кадр может вступить в конфликт с другим кадром на линии, а передающая станция кадр уже успела передать и опоздала с реакцией на этот конфликт. Концентраторы или повторители необходимо обязательно применять для спецификации 100 BASE-T, построенной на неэкранированной паре, так как в противном случае диаметр такой сети не превышает 250м. коммутаторы в Ethernet

Мост – устройство для связи между локальными сетями. Коммутатор – это узел сети, где установлена специальная рабочая станция и отличается от мота высокой производительностью, так как на каждом его порту устанавливается микропроцессор, производящий полный переприем кадра. Существует несколько видов коммутаторов, но мы будем рассматривать только прозрачные коммутаторы, которые объединяют сети с протоколом Ethernet. Для этих коммутаторов локальная сеть представляется как набор МАС адресов устройств, работающих в сети. Коммутаторы не работают с информацией, относящейся к сетевому уровню. Они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Поэтому коммутаторы абсолютно прозрачны для протоколов, начиная с сетевого уровня и выше. коммутаторы позволяют объединить несколько локальных сетей в единую логическую сеть.

Рассмотрим принцип работы коммутаторов. Для этих коммутаторов ЛС представляется как набор МАС адресов устройств. коммутаторы просматривают эти адреса для принятия решения о маршруте. коммутатор подключается к двум ЛС. Прозрачный коммутатор учитывает адрес отправителя и адрес получателя, которые берутся из получаемого кадра. Адрес отправителя необходим коммутатору для автоматического построения базы данных адресов устройств (рабочих станций).Эта база данных называется МАС-таблицей. В ней устанавливается соответствие адреса станции определенному порту коммутатора. На рис4.1 пиведена функциональная схема коммутатора.

 

 

 

Рис.4.1. Функциональная схема коммутатора

 

Все поступающие на порт кадры запоминаются в буферной памяти коммутатора. После получения кадров коммутатор проверяет их целостность при помощи контрольной суммы. Неправильные кадры отбрасываются. Если адрес отправителя еще не занесен в базу данных, то он заносится и таким образом происходит процесс обучения коммутатора. Это позволяет добавлять новые устройства без реконфигурирования сети.

Кроме адреса отправителя коммутатор анализирует и адрес получателя для принятия решения о дальнейшем пути передачи кадра. коммутатор сравнивает адрес получателя кадра с адресами, хранящимися в базе данных. Если адрес получателя принадлежит тому же сегменту, что и адрес отправителя, то коммутатор «фильтрует» этот кадр. Если адрес получателя присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту, коммутатор определяет какой из его портов связан с этим сегментом. После получения доступа к среде передачи этого сегмента, коммутатор передает в него кадр. На рис. 4.2 показана сеть, состоящая из трех сегментов.

 

Рис.4.2. Схема с ети с коммутаторами.

 

Знак % указывает на шестнадцатиричное представление физического МАС адреса. Предположим, что станция А посылает кадр станции Б. Так как станции А и Б принадлежат одному сегменту сети, коммутатор отбрасывает этот кадр (он сам проходит по шине). Если станция А посылает кадр станции В, находящейся в третьем сегменте, коммутатор А продвигает этот кадр во второй сегмент через свой порт 2 (П2). коммутатор Б получит кадр на П1 и продвинет его через П2 в третий сегмент сети, где расположена станция В. При адресации кадра коммутатор руководствовался таблицей, где каждому МАС адресу поставлен в соответствие номер порта коммутатора, по которому должен передаваться кадр. Если запись о каком-либо адресе получателя отсутствует, коммутатор передает кадр на все свои порты, за исключением принявшего. Таблица адресов все время корректируется. Если по истечении определенного промежутка времени станция не посылает кадры, то коммутатор удаляет этот адрес из базы данных. У некоторых коммутаторов время неактивности равно 300 с.

В корпоративных сетях Ethernet, как уже было указано, существует понятие «магистраль сети». Для компьютеров Intel 80286 и 80386 с шиной ISA 8Mбит/c или 32 Мбит/с пропускная способность составляла 1/8 или 1/32 часть канала память-диск, то с появлением процессоров Pentium с шиной 133 Мбайт/c эта скорость стала недостаточной. Поэтому сети Ethernet стали перегруженными. Поэтому был разработан Fast Ethernet, являющийся 100-Мегабитной версией Ethernet. В настоящее время разработана также новая версия Fast Ethernet, с помощью которого производится объединение потоков от коммутаторов Fast Ethernet. Возникает вопрос, могут ли серверы непосредственно присоединяться в Fast Ethernet. Приведем скорости работы современных серверов

Тип шины	Пропускная способность Мбит/c
ISA
EISA
PCI (33 бита 33 Мгц)
PCI (64 бита 66 Мгц)	4224 больше, чем 1000