Ethernet в локальных сетях

Лекция 6. Ethernet в локальных сетях

Первый этап – разделяемая среда
Коммутируемый Ethernet
Скоростные версии Ethernet

Первый этап – разделяемая среда

Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании общей разделяемой среды передачи данных. Разделяемость среды означает, что все узлы сети пользуются ею, но по очереди, и в любой момент времени по ней передается кадр только одного узла.

Простые стандартные топологии физических связей (звезда у коаксиального кабеля Ethernet и кольцо у Token Ring и FDDI) обеспечивают простоту разделения кабельной среды.

Специалисты рабочей группы 802.2, разработавшие протоколы уровня LLC, хотели обеспечить законченность технологиям локальных сетей, выражающуюся в способности самостоятельно, без помощи сетевого уровня обеспечивать транспортные услуги любого типа. На уровне LLC было определено три типа услуг:
Услуга LLC1 — услуга без установления соединения и без подтверждения получения данных.
Услуга LLC2 — услуга, позволяющая пользователю установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока блоков в рамках установленного соединения.
Услуга LLC3 — услуга без установления соединения, но с подтверждением получения данных.

На уровне МАС используются регламентированные стандартом IEEE 802.3 уникальные 6-байтовые адреса. Обычно МАС-адрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных дефисами или двоеточиями, например 11-A0-17-3D-BC-01. Каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один МАС-адрес

DA (Destination Address) — МАС-адрес узла назначения;
SA (Source Address) — МАС-адрес узла отправителя. Для доставки кадра достаточно одного адреса — адреса назначения; адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить. Принятие решения об ответе не входит в компетенцию протокола Ethernet — это дело протоколов верхних уровней, a Ethernet выполнит такое действие, если с сетевого уровня поступит соответствующее указание.
Поле Т (Type, EtherType) содержит условный код протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных кадра, например, шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует протоколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.
Поле данных может содержать от 46 до 1500 байт. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения. Эта операция требуется для корректной работы метода доступа Ethernet.
Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32

При первоначальной стандартизации технологии Ethernet рабочей группой IEEE 802.3 был выбран вариант Ethernet на «толстом» коаксиальном кабеле, который получил название 10Base-5

Данный подход к обозначению типа физического уровня Ethernet сохранился до настоящего времени, только вместо диаметра коаксиального кабеля в современных стандартах кодируется скорость, тип кабеля и некоторые другие параметры. Например, 1000Base-T определяет спецификацию скорости 10ОО Мбит/с для витой пары, a 400GBase-LR - спецификацию скорости 400 Гбит/с на одномодовом оптоволоконном кабеле длиной до 10 км

Коммутируемый Ethernet

Мост выполняет логическую структуризацию сети, то есть разделяет разделяемую среду на несколько сегментов и соединяет полученные сегменты, при этом мост не передает данные между сегментами побитно, как повторитель, а буферизует кадры и передает их затем в тот или иной сегмент (или сегменты) в зависимости от адреса назначения кадра

ВНИМАНИЕ
Каждый порт моста работает как конечный узел своего сегмента, за одним исключением — порт моста может не иметь собственного М АС-адреса. Порты мостов не нуждаются в адресах для продвижения кадров, так как они работают в неразборчивом режиме захвата кадров, когда все поступающие на порт кадры, независимо от их адреса назначения, запоминаются на время в буферной памяти. Работая в неразборчивом режиме, мост «слушает» весь трафик, передаваемый в присоединенных к нему сегментах, и использует проходящие через него кадры для изучения топологии сети и построения таблицы продвижения. В том случае, когда порт моста/коммутатора имеет собственный МАС-адрес, он используется для целей, отличных от продвижения кадров, чаще всего — для удаленного управления портом; в этом случае порт представляет собой конечный узел сети и кадры протокола управления адресуются непосредственно ему.

1. При получении кадра, направленного от компьютера 1 компьютеру 3, мост просматривает адресную таблицу на предмет совпадения адреса в какой-либо из ее записей с адресом назначения — МАС-адресом 3. Запись с искомым адресом имеется в адресной таблице.
2. Далее мост выполняет второй этап анализа таблицы — проверяет, находятся ли компьютеры с адресами источника и назначения в одном сегменте. В примере компьютер 1 (МАС-адрес 1) и компьютер 3 (МАС-адрес 3) находятся в разных сегментах. Следовательно, мост выполняет операцию продвижения (forwarding) кадра — передает кадр на порт 2, ведущий в сегмент получателя, получает доступ к сегменту и передает туда кадр.
3. Если бы оказалось, что компьютеры принадлежали одному сегменту, то кадр просто был бы удален из буфера. Такая операция называется фильтрацией (filtering).
4. Если бы запись о МАС-адресе 3 отсутствовала в адресной таблице, то есть, другими словами, адрес назначения был неизвестен мосту, то он передал бы кадр на все свои порты, кроме порта — источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения.

Таблица имеет поле Dispn — «disposition» (это распоряжение мосту о том, какую операцию нужно проделать с кадром, имеющим данный адрес назначения). Обычно при автоматическом составлении таблицы в этом поле ставится условное обозначение порта назначения, при ручном же задании адреса в это поле можно внести нестандартную операцию обработки кадра. Например, операция Flood (затопление) заставляет мост распространять кадр в широковещательном режиме, несмотря на то что его адрес назначения не является широковещательным. Операция Discard (отбросить) говорит мосту, что кадр с таким адресом не нужно передавать на порт назначения. Вообще говоря, операции, задаваемые в поле Dispn, определяют особые условия фильтрации кадров, дополняющие стандартные условия их распространения. Такие условия обычно называют пользовательскими фильтрами

Серьезным ограничением функциональных возможностей мостов и коммутаторов является отсутствие поддержки петлеобразных конфигураций сети

Производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов, — коммутаторы могут передавать до нескольких десятков, а иногда и сотен миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 тысяч кадров в секунду

Основной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров

Коммутатор называют неблокирующим, если он может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают.

В настоящее время в коммутаторах узел обмена строится на основе одной из трех схем:
Коммутационная матрица. Такая матрица состоит из двоичных переключателей, которые выполняют коммутацию канала между парой портов на время передачи данных пакета. Это наиболее простое решение, но работает оно только в случае фиксированного количества портов коммутатора: добавление портов требует изменения организации матрицы.
Общая шина. Это наиболее традиционный и гибкий метод объединения модулей вычислительного устройства, широко применяемый в компьютерах (шина PCI настольных компьютеров является наиболее известным примером).
Разделяемая многовходовая память. В памяти для каждого порта организуется отдельная очередь пакетов. Любой порт может поместить пришедший пакет в эту очередь, а порт, для которого очередь предназначена, выбирает из нее пакеты и передает в сеть. Для поддержания нужной скорости работы коммутатора разделяемая память должна обладать высоким быстродействием.

Скоростные версии Ethernet

Повышение скорости работы Ethernet было достигнуто за счет нескольких факторов:
улучшение качества кабелей, применяемых в компьютерных сетях;
совершенствование методов кодирования данных;
использование параллельных потоков данных.

Физический уровень Fast Ethernet состоит из следующих модулей:
Независимый от среды интерфейс (х Media Independent Interface, хMI). Этот интерфейс поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнями МАС и PHY. Обзначение «х» отражает тот факт, что для различных скоростей передачи данных этот интерфейс имеет свою специфику, например, для скорости 1 Гбит/с применяется интерфейс GMII, а для скорости 10 Гбит/с — интерфейс XGMII.
Модуль согласования (Reconciliation) нужен для того, чтобы уровень МАС, рассчитанный ранее на интерфейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс хМI.
Устройство физического уровня (Physical Layer Device, PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней:
подуровень кодирования данных (Physical Coding Sublayer, PCS), преобразующего поступающие от уровня МАС байты в символы логического кода, например 4В/5В или 64В/66В;
подуровень физического присоединения (Physical Media Attachment, РМА) и зависимости от физической среды (Physical Media Dependent, PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI, РАМ5 или РАМ4.

Спецификация Fast Ethernet была первой из серии спецификации скоростных версий Ethernet, поэтому она удостоилась названия «быстрой» (Fast). Разработчикам технологии Fast Ethernet удалось обеспечить ее преемственность с классической технологией Ethernet 10 Мбит/с. Fast Ethernet поддерживает три варианта физической среды:
волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна);
витая пара категории 5 (две пары);
витая пара категории 3 (четыре пары).

Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:
100Base-TX — для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5;
100Base-T4 — для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
100Base-FX — для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами

В результате дебатов были приняты следующие решения:
сохраняются все форматы кадров Ethernet;
по-прежнему существует полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD;
поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet, в том числе волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5, экранированная витая пара.

Обеспечение приемлемого диаметра сети для работы на разделяемой среде. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 м при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Так как существует большое количество применений, требующих диаметра сети 100 м, необходимо было каким-то образом решить эту задачу за счет минимальных изменений в технологии Fast Ethernet.
Достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на оптическом кабеле. Технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивала скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с.
Использование в качестве кабеля витой пары. Такая задача на первый взгляд кажется неразрешимой — ведь даже для 100-мегабитных протоколов требуются достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля.

В стандарте Gigabit Ethernet определены следующие типы физической среды:
одномодовый волоконно-оптический кабель;
многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;
многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;
экранированный сбалансированный медный кабель.