Видеолекция:
Протокол Ethernet
История развития Ethernet и сред передачи данных. Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф(Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks». Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, — которые вскоре были раздавлены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.
Причины широкой распространенности и популярности Ethernet (достоинства):
Недостатки Ethernet:
Определение коллизии. Описание процесса и методология устранения. Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии — это следствие распределенного характера сети. ● Уточним основные параметры операций передачи и приема кадров Ethernet, кратко описанные выше. ● Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата. Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции, MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и в случае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра. ● Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, после чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня. ● Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam- последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр. ● В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня. ● Для того, чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки. ● Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети - окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:
***интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка***
● В стандартах 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита.
Определение домена коллизии. Адресация в Ethernet. Доме́н колли́зий (англ. Collision domain) — это часть сети ethernet, все узлы которой конкурируют за общую разделяемую среду передачи и, следовательно, каждый узел которой может создать коллизию с любым другим узлом этой части сети. Другими словами, это сегмент сети, имеющий общий физический уровень, в котором доступ к среде передачи может получать только один абонент одновременно. Задержка распространения сигнала между станциями, либо одновременное начало передачи вызывает возникновение коллизий, которые требуют специальной обработки и снижают производительность сети. Чем больше узлов в таком сегменте — тем выше вероятность коллизий. Для уменьшения домена коллизий применяется сегментация физической сети с помощью мостов и других сетевых устройств более высокого уровня. Основным преимуществом коммутации является то, что она позволяет разделить (логически сегментировать) сеть на несколько доменов коллизий. Доменом коллизий называется участок сети, на котором организован многостанционный доступ и поэтому могут возникать коллизии. Коллизии между фреймами происходят только при попытках одновременной передачи данных компьютерами, подключенными к одному и тому же домену коллизий.
Сегментация сети на домены коллизий предоставляет два основных преимущества: ● Первым из них, безусловно, является сокращение количества коллизий. ● Второе преимущество состоит в том, что сегментация сети с помощью коммутатора позволяет повысить доступную пропускную способность.
Адреса Ethernet представляют собой 48-разрядные значения, которые однозначно идентифицируют Ethernet-станции локальной сети. Ethernet-адреса отчасти назначаются в рамках глобальной системы идентификации курируемой IEEE, отчасти - производителями оборудования. Организация IEEE назначает каждому поставщику 24-разрядный уникальный организационный идентификатор (OUI, Organizationally Unique Identifier). Этот идентификатор включается в Ethernet-адрес в качестве первых 24-х разрядов. Благодаря этому гарантируется уникальность Ethernet-адреса. Поскольку при такой системе адресации используется физический интерфейс, ее также называют МАС-адресацией. В большинстве случаев МАС-адреса представляются в шестнадцатеричной форме, причем каждый байт отделяется дефисом или двоеточием, либо каждые два байта отделяются точкой:
**00-11-95-E4-85-4C, 00:11:95:E4:85:4C, 0011.95E4.854C**
Уникальный организационный идентификатор предоставляет в распоряжение производителя 10^24, или 16 777 216, возможных адресов.
Unicast (юникаст) – процесс отправки пакета от одного хоста к другому хосту.
Multicast – процесс отправки пакета от одного хоста к некоторой ограниченной группе хостов.
Broadcast – процесс отправки пакета от одного хоста ко всем хостам в сети.
Поддерживаемые и неподдерживаемые Ethernet топологии сети. Топология сети — это способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств. Топология сети позволяет увидеть всю ее структуру, сетевые устройства, входящие в сеть, и их связь между собой.
Выделяют несколько основных видов физических топологий сетей:
a. Шинная топология сети — топология, при которой все компьютеры сети подключаются к одному кабелю, который используется совместно всеми рабочими станциями. При такой топологии выход из строя одной машины не влияет на работу всей сети в целом. Недостаток же заключается в том, что при выходе из строя или обрыве шины нарушается работа всей сети.
b. Топология сети «Звезда» — топология, при которой все рабочие станции имеют непосредственное подключение к серверу, являющемуся центром "звезды". При такой схеме подключения, запрос от любого сетевого устройства направляется прямиком к серверу, где он обрабатывается с различной скоростью, зависящей от аппаратных возможностей центральной машины. Выход из строя центральной машины приводит к остановке всей сети. Выход же из строя любой другой машины на работу сети не влияет.
c. Кольцевая топология сети — схема, при которой все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется с входом другого. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении. Такая топология сети не требует установки дополнительного оборудования (сервера или хаба), но при выходе из строя одного компьютера останавливается и работа всей сети.
d. Ячеистая топология сети — топология, при которой каждая рабочая станция соединяется со всеми другими рабочими станциями этой же сети. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами. Поэтому обрыв кабеля не приведет к потере соединения между двумя компьютерами. Эта топология сети допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей.
e. При смешанной топологии применяются сразу несколько видов соединения компьютеров между собой. Встречается она достаточно редко в особо крупных компаниях и организациях.
Эволюция стандарта Ethernet и расширение пропускной способности канала. 22 мая 1973 г. является датой появления Ethernet. В этот день "отцы" Ethernet Роберт Меткалф и Дэвид Боггс предоставили на суд общественности описание своей экспериментальной сети, которую они создали в Исследовательском центре Xerox. Данные в этой сети передавались со скоростью 2,94 Мбит/с по толстому коаксиальному кабелю. Имя "Ethernet" (эфирная сеть) сеть получила благодаря схожему механизму разделения среды передачи, который использовался в радиосети Гавайского университета ALOHA.
Уже к началу 80-х годов Ethernet имела четкую теоретическую базу. В 1983 году разработанный ранее IEEE (совместными силами Xerox, DEC и Intel) был утвержден в качестве стандарта 802.3. Особенность Ethernet заключается в методе получения доступа к среде передачи информации. Он является множественным, с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). Это значит, что вся передаваемая информация (среда передачи) делится специальными устройствами случайным образом, хаотично. В результате, станции имеют различный доступ к среде, и он всегда будет носить характер не равноправного соперничества. Это все приводит к тому, что возникают задержки в доступе. Чаще всего это проявляется в экстренных случаях перегрузки. Иногда, в таких ситуациях, скорость может стать, равна нулю.
*Схема "классического Ethernet"*
В связи с недетерминированным методом передачи данных до сих пор считается, что Ethernet не может качественно передавать поток данных. Разрабатывались новые технологии, которые были призваны вытеснить технологию Ethernet. Ими стали Token Ring и АТМ. Но сегодня, мы понимаем, что сделать это им не удалось. Объясняется это, в основном, тем, что данная технология существует уже более 20-ти лет. За время своего существования она много раз видоизменялась и дополнялась. Прародитель семейства 10base5 сильно отличается от современного "гигабита" в полном дуплексе. Тем не менее, отметим, что когда был введен 10base-T, было сохранено взаимодействие кабельной инфраструктуры и всех устройств. Успех технологии часто объясняют тем, что инновации внедрялись параллельно с ростом потребностей пользователей и еще тем, что развитие происходило от простого к сложному. Вот несколько фактов в хронологическом порядке. В марте 1981 фирма 3com выпустила Ethernet-трансивер. Через год, в сентябре 1982 года уже был представлен первый сетевой адаптер для ПК. 1983 год ознаменовался появлением спецификации IEEE 802.3. В этом же году было определено предельное расстояние между точками одного сегмента
Следующий этап развития технологии начался в 1985 году, когда была запущена 2-я версия спецификации IEEE 802.3, названная Ethernet II. Спецификация предусматривала изменения в структуре заголовка пакета данных и жесткую идентификацию Ethernet устройств – МАС-адресов. Теперь каждый производитель мог зарегистрировать уникальный диапазон в списке адресов. Сегодня данная процедура стоит 1250 долларов. Через 5 лет IEEE утверждает технологию 10baseT (витая пара). Технология предусматривала физическую топологию «звезда» и концентраторы (hub), логическая же типология осталась не изменой (CSMA/CD). Основой стандарта послужили изобретения SynOptics Communications, которые объединены под названием LattisNet. 1990 год для сетевых технологий ознаменовался изобретением фирмы "Kalpana". Данный производитель предложил рынку технологию коммутации, которая предполагала отказ от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента. Спустя некоторое время, будущий гигант "Cisco" купил данную фирму и их разработку – коммутатор CPW16. Начиная с 1992 года, в мире активно применяются коммутаторы (switch). Суть технологии состоит в том, что коммутатор организует независимые виртуальные каналы между парами узлов благодаря использованию адресной информации. Данная информация содержится в МАС адресах. В итоге, пользователь имеет 7 Уже в 1993 году был предложен Fast Ethernet. Помимо этого, был введен еще ряд изменений: в стандарт IEEE 802.1p добавлена групповая адресация и восьми уровневая система приоритетов, а в IEEE 802.3x был введен полный дуплекс и контроль соединения для 10baseT. Закончить можно 1995 годом, когда был введен Fast Ethernet стандарт IEEE 802.3u (100BaseT). С введением этого стандарта технология приобрела современный вид.
Режим автоматического согласования типа передачи и скорости канала. Функция автоматического определения типа сети (или скорости передачи), предусмотренная стандартом Ethernet, не является обязательной. Однако ее реализация в сетевых адаптерах и концентраторах позволяет существенно облегчить жизнь пользователям сети. Особенно это важно на современном этапе, когда широко применяются как ранняя версия Ethernet со скоростью обмена 10 Мбит/с, так и более поздняя версия Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Функция автодиалога или автосогласования (так можно перевести Auto-Negotiation ) позволяет адаптерам, в которых предусмотрено переключение скорости передачи, автоматически подстраиваться под скорость обмена в сети, а концентраторам, в которых предусмотрен автодиалог, самим определять скорость передачи адаптеров, подключенных к их портам. При этом пользователь сети не должен следить за тем, на какую скорость обмена настроена его аппаратура: система сама выберет максимально возможную скорость. Сразу следует отметить, что режим автодиалога применяется только в сетях на основе сегментов, использующих витые пары: 10BASE-T, 100BASE-TX и 100BASE-T4. Для сегментов на базе коаксиального кабеля и оптоволоконного кабеля, автодиалог не предусмотрен. Шинные сегменты на коаксиальном кабеле не дают возможности двухточечной связи, поэтому в них невозможно попарное согласование абонентов. А в оптоволоконных сегментах применяется другая система служебных сигналов, передаваемых между пакетами. Как уже упоминалось, связь между абонентами бывает трех основных видов: ● симплексная (всегда только в одну сторону), ● полудуплексная (по очереди то в одну сторону, то в другую), ● полнодуплексная (одновременно в две стороны). Классический Ethernet использует полудуплексную связь: по его единственному кабелю в разное время может проходить разнонаправленная информация. Это позволяет легко реализовать обмен между большим количеством абонентов, но требует сложных методов доступа к сети (CSMA/CD). Полнодуплексная версия Ethernet гораздо проще. Она предназначена для обмена только между двумя абонентами по двум разнонаправленным кабелям, причем передавать могут оба абонента сразу, одновременно. Два преимущества такого подхода понятны сразу: ● не требуется никакого механизма доступа к сети, ● в идеале пропускная способность полнодуплексной линии связи оказывается вдвое выше, чем при полудуплексной передаче. До начала информирования устройство появлении нового устройства , а также объявления МАС-адреса автоматически определяется скорость и режим передачи данных. В этом нам поможет преамбула. Преамбула - это последовательность 1 и 0 которую отправляет сетевая карта с максимально поддерживаемой ею скоростью и наилучшим режимом работы . Если наилучший режим не поддерживается второй стороной , то скорость передачи снижается и режим переходит на половинчатый.