Лекция 11. Ethernet.

Придуман в 85-м году компанией Xerox. Человека, который его придумал зовут Бобби Медколф. Затем сделал свою компанию 3com. Затем Ethernet был стандартизирован IEEE комитетом 802.3. Этих технологий масса, но все реализованы стандарте 802.3. Все Ethernet’ы имеют один метод доступа Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, поэтому все сети называют CSMA/CD сети. На уровне 802.2 у всех один LLC - Logical Link Control. У всех Ethernet’ов один метод доступа в канал и один контроль управления. Но они отличаются физической реализацией модели OSI.

У Сетевого адаптера есть MAC контроллер, который связан шиной с процессом. Он специальным интерфейсом MII связана с чипами на адаптере. Чипы занимаются подсоединением к среде оптоволокну, витой парой к разным разъемам. Поэтому чипы в модели IEEE реализуются PMD - Physical Medium Dependent. С другой группой чипов, которые соединяют то что зависит от среды с тем, что от среды не зависит, эти чипы называются PMA- Physical Medium Attachment. Все Ethernet’ы отличаются этой частью. MAC контроллер осуществляет метод доступа в канал. Мы должны согласовать разные параметры среды, определенным образом кодировать сигнал и определится с временем.

Адаптер управляется драйвером, который в свою очередь работает с операционной системой.

Logical link controller одинаков не только у всех Ethernet’ов, но и у всех сетевых технологий.

С точки зрения OSI есть physical уровень, с точки зрения IEEE это тоже physical, но она разбита на три части, это PMA, PMD, PCS.

C точки зрения OSI мы просто задаем физический адрес и этот адрес есть MAC адрес устройства:

Data link – присваиваем физический адрес фрейму. Для передачи из одного адаптера другому.

С точки зрения OSI есть уровень network, это уровень на котором мы присваиваем компьютеру (или группе компьютеров) логический адрес (это не обязательно ip адрес), это его идентификатор в сети.

IEEE гласит, что на 3-м уровне модели OSI должны работать специальные протоколы управления, которые работают согласно протоколам 802.1X.

LLC – осуществляет контроль соединения и скорости делаем по 802.2

MAC - контроль доступа делаем по 802.3, 802.5, 802.11

На уровне 802.2 (LLC) будем контролировать соединение между адаптерами и будем контролировать скорость. Для того, чтобы это делать мы будем вырабатывать специальный фрейм, который будет иметь определенный формат:

MAC header

DSAP address 1 байт

SSAP address 1 байт

Contol 1 или 2 байта

Information

MAC CRC

А заканчивается проверкой, которую делает контроллер.

Процессы, которые вызываются на сетевом уровне специфицированы на ITI и все производители сетевого оборудования этого придерживаются. Последний Бит указывает запрос это или ответ к процессу. Такой контроль будет осуществляться для того, чтобы гарантировать, что есть соединение между устройствами. В случае потери соединения этот контроль позволяет его восстановить, тут же договариваются о скорости. На уровне хардвера работает установка скорости. Передавать можно как с подтверждением (используется очень редко), так и без подтверждения, это используется чаще, т.к. мы рассчитываем, что работаем по оптоволокну, которое находится в хорошем качестве. И мы не рассчитываем, что происходят какие-то сбои в кабельной системе. Если передача с установкой соединения и подтверждением – connection oriented. Если без подтверждения connectionless. Их комбинации называются классы контроля передачи.

1. Без подтверждения, без установки соединения.

2. С подтверждением, с установкой соединения.

3. Без установки соединения, но с подтверждением.

Это все определил LLC в этих протоколах.

На уровне MAC. Если технология Ethernet, то что делает контролер зависит от метода доступа в канал. Метод доступа в канал Ethernet всегда CSMA/CD. Он подразумевает следующее: Я постоянно слушаю несущую, если она свободна – начинаю передачу. Все передача осуществляется с помощью фреймов, между ними интервал 12 байт. После того как передал, слушаем, т.к. в противном случае мы можем заглушить передачу других забив канал. В том случае если я обнаружу, что я начал передавать, а кто-то уже передает мы ждем некоторое время, время измеряется в слотах и слот Ethernet -512 бит. Максимум ожидаем 16 раз, при этом интервал ожидания сокращается, но если за это время мы не пробились, то выдаст ошибку. Если освободились, то начинаем передавать. Если мы начали передавать и вдруг возникла передача у другого, то возникнет коллизия over voltage. Как только ее обнаруживаем, то всем остальным сообщаем, что у нас коллизия. Пробка «JAM» специальный сигнал 32-48 бит, он не стандартизирован с точки зрения длинны и содержания, но стандартизирован размер. Гарантировано, что она такая, чтобы дойти до самого конца сети. Чтобы там не началась передача. Значит должна быть достаточно большой, чтобы держать канал. Как только пробку передали мы понимаем, что сигнал надо остановить. Коллизии в Ethernet это норма. Если топология Ethernet звезда, то коллизии на порту коммутатора, если типа шина, то в шине. CSMA/CD предполагает полудуплексный метод или мы передаем или принимаем.

Какие Ethernet’ы бывают. Их гигантское количество. 10 Мбит’ные Ethernet’ы мы рассматривать не будем. Рассмотрим 100 Мбит Ethernet.

Гигабитный Ethernet имеет 2 вида 1000BASE – 2 вида X, T

Дести гигабитный Ethernet 10GBASE. Семь видов Ethernet’а.

40 гигабитный – 40GBASE. Семь видов Ethernet’а.

100 Гигабитный – 100GBASE. Семь видов Ethernet’а.

Новые топологии и новые технологии начались со 100BASE Ethernet. Поэтому рассмотрим его более внимательно.

Основная идея Fast Ethernet (быстрого Ethernet) заключается в том, чтобы оставить без изменений форматы кадров Ethernet, процедуры и лишь уменьшить битовый интервал со 100 нс (0,1 мкс) до 10 нс. 100-мегабитный Ethernet (100Base Ethernet, Fast Ethernet) использует абсолютно тот же формат кадра, метод доступа в канал CSMA/CD, топологию «звезда» и контроль соединения (LLC - подуровень), что и стандарт IEEE 802.3 (lOBaseT Ethernet). Принципиальная разница заключена на физическом уровне OSI - в реализации устройств PHY. Реально физическое устройство PHY - это чип на сетевом адаптере или на отдельном трансивере. Подробно мы их обсудим далее.

Существуют три основных версии Fast Ethernet: 100 Base-TX, 100 Base-74 и 100 Base-FX. Все версии обладают одинаковой скоростью передачи -100 Мбит/с, но используют разную среду передачи. (см. таблицу ниже)

Возможность использования для организации быстрого Ethernet витой пары категории 3 означает возможность не перекладывать кабель во всем здании при модернизации сети. Это было очень существенно для многих компаний в 1995 году, когда был принят стандарт на такие сети. Технология 100 Мбит Ethernet описывается стандартом IEEE 802.3u, который является просто добавлением к стандарту IEEE 802.3.100BASE Ethernet имеет 3 вида (fast Ethernet) TX, T4, FX

У всех видов Ethernet топология – звезда.

Канальный уровень

Подуровень LLC является интерфейсом между МАС-подуровнем и сетевым уровнем модели OSI. Как уже говорилось выше, он не изменился с появлением Fast Ethernet.

Подуровень MAC соответствует стандарту 802.3, метод доступа в канал - CSMA/CD, метод контроля ошибок - кодирование циклическим кодом (CRC) и посылка пробки, временной слот - 512 бит, длина фрейма 64- 1518 байт.

Таблица 4.1. Характеристики сетей Ethernet

	10Base-T	100Base- TX, Т4	100Base-FX	1000Base -X	1000Base-Т	10G-Base	10G-Base
Формат кадра Frame format	802.3	802.3	802.3	802.3	802.3	802.3	802.3
Метод доступа	CSMA/CD	CSMA/CD	CSMA/CD	CSMA/CD	CSMA/CD	CSMA/CD	CSMA/CD
Flow control 802.2 LLC	802.Зх	802.Зх	802.Зх	802. Зх	802.3х	802.Зх	802.3х
Скорость передачи информа­ции Data rate*	10 Мбит/с	100 Мбнт/с	100 Мбит/с	1000 Мбит/с	1000 Мбнт/с	10 Гбит/с	10 Гбнт/с
Скорость передачи двоичных символов Symbol rate**	20 Мбит/с	125 Мбнт/с	125 Мбит/с	1250 Мбит/с	1250 Мбит/с	1U Гбнт/с	11,2 Гбнт/с
Вид кодирования	Manchester	MLT-3 и 4В/5В (для ТХ); 8В/6Т (для Т4)	NRZI и 4В/5В	NRZIh 8В/10В	РАМ5	NR2I и 64/66В	РАМ16
Топология Topology	STAR	STAR	STAR	STAR	STAR	STAR	STAR
Среда передачи Media	Витая пара UTP,STP Две пары	UTP Две пары или четыре пары	Оптоволокно ММ (мульти-мод) 62,5/125 мкм 50/125 мкм	Оптоволокно- ММ и SM (сингл-мод) 62.5/125 и 50/125 Мкм, 9/125 мкм	UTP Четыре пары	Оптово­локно – мульти-мод и сингл-мод 62.5/125 и 50/125 мкм, 9/125 мкм	FUTP,STP,SFTP Четыре пары

• Скорость передачи полезной информации

•• Фактическая скорость передачи сигнала в сети (бодовая скорость, тактовая частота)

Группировка сигнала 4 бита в 5 бит, для того, чтобы передавать часы. Если оптоволокно – NRZI. Если витая пара – MLT3.

Среда передачи: Если это 100BASE-FX – волокно, 100BASE-TX- витая пара, 100BASE-T4 – старая (низкокатегорийная) витая пара. По стандарту IEEE это только multi-mode. ( хотя делают на single-mode тоже). Витая пара пятой категории. Кодирование MLT3.

Все Ethernet имею один формат фрейма (MAC фрейма). Это требуется для того, чтобы контролировать передачу и скорость. А вот формат фрейма для технологии, которые обозначают метод доступа в канал будут отличаться. 802.3 – 1 формат, 802.5 – другой формат

Мы рассматриваем только тот формат фрейма, который делается контроллером ethernet. Их существует 5 штук. Сначала идет преамбула, затем разделитель, затем Destination address, потом Source address, после чего идет длинна поля данных (от 46 до 1500 байт), после этого MAC CRC. Сами данные. Это формат фрейма 802.3

Есть стандарт фрейма Ethernet-II (для MAC адреса) предполагает, что вместо длинны мы передаем тип. И мы будем писать какой тип протокола обрабатывает этот фрейм. Если протокол IP, то там 0800, если ERP, 0806. Один и тот же адаптер и один и тот же драйвер может работать с кучей типов Ethernet. Всего размер фрейма 1518-1522, но минимально значение не 46, а 64 байта. Это связано с тем, что производители обнаружили, что они не успевают в противном случае обнаружить коллизию. Если данные не превышают 64 байта, то заполняются ноликами.

Ethernet -802.3 еще 1 формат Ethernet'а, используется в Novell NetWare, там первые 2 байта забиваются специальными символами.

Ethernet_snap. Он предназначен для того, чтобы работать с TCP/IP длинна не 1518, а 1522. Т.к. добавляются специальные байты, которые забиты символом АА, это сделано для того, чтобы понять, что протокол который дальше будет использовать этот фрейм это TCP/IP.

Ethernet -802.2 для старых версиях новела.

Формат IEEE 802.3

Преамбула 7 Байт

SFD 1 Байт

Destination Address 6 Байт

Source Address 6 байт

Length Длина 2 Байта

802.2 заголовок и данные 46-1500 Байт

FCS 4 Байта

Формат Ethernet-II

Преамбула 8 Байт

Destination Address 6 Байт

Source Address 6 байт

Type Тип 2 Байта

802.2 заголовок и данные 46-1500 Байт

FCS 4 Байта

Поле преамбулы состоит из семи байтов (IEEE 802.3). Каждый байт преамбулы содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность принимающим сетевым устройствам синхронизировать свои тактовые генераторы (часы) с принимаемыми тактовыми сигналами.

Начальный ограничитель кадра SFD состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на начало фрейма.

Адрес получателя (Destination Address, DA) - указывает физический адрес станции (МАС-адрес получателя, адрес ноды (node), для которой предназначен фрейм). Обычно имеет длину 6 байт. Это может быть одна станция (адрес индивидуальный - unicast), несколько станций (multicast) и множество станций (широковещательный адрес- broadcast).

Адрес отправителя (Source Address, SA) - 6 -байтовое поле, содержащее МАС-адрес станции-отправителя. Физические адреса станций в сетях ведутся IEEE. В первых трех байтах адреса содержится код производителя, определяемый IEEE. В остальных трех байтах – адрес устройства (прошит на адаптере или содержится во флэш-памяти), который задает производитель оборудования.

Поле типа кадра (Туре) или длины кадра (Length) имеет длину 2 байта. Для кадра IEEE 802.3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер поля данных. Если это число приводит к общей длине кадра меньшей, чем 64 байта, то к полю данных добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.

100 Мбит’ный Ethernet работает либо на витой паре, либо на оптоволокне, либо на старых кабельных системах. Поскольку разные среды передачи, то IEEE умудрился добавить дополнительные уровни, начиная со 100 Мбит’ного Ethernet, которые исполняют контроллеры. Функции, которые будут выполняться чипами адаптера и договариваются о скорости, на которой будем работать, а так же согласовываем кодирование. Между МАС контроллером и чипами организовали специальный интерфейс, это 50-пиновая шина и по этому кабелю по 4-м прием по 4-м передача. Имеются регистр контроля статуса и регистр контроля состояния. Они нужны для управления. Сама передача между контроллером и чипами будет начинаться контроллером. И они же будут кодировать.

Регистры. В регистрах контроля записывается информация о скорости передачи и о том какую передачу делаем (дуплекс или полудуплекс). В регистре статуса – что происходит с портом. Порт может работать в различных модах. И может быть как активным, так и пассивным (работать и не работать). Нам надо каким-то образом договориться о скорости и непрерывности передачи. Передача в LLC есть всегда, все время идут какие-то импульсы. Если это 100 Мбит’ный Ethernet, то он дает «Взрывные импульсы», которые говорят, что работает на 100 Мбитах. Если 10-ти, то взрывных импульсов нет. Если импульсов нет – значит и нет связи. На старых кабельных системах контроля передачи нету, во всех остальных случаях он есть. Авто переговоры присутствуют только на витых парах. Функция для волоконных систем нету. Коммутатор может по одному порту принимать и передавать, если это так – это полнодуплексный режим.

Виды коммутаторов и их характеристики:

Характеристики коммутаторов	Backbone (магистральный уровень)	Workgroup (уровень распределения)	Standby (уровень доступа)
Цена	Высокая	Средняя	Низкая
Скорость (определяется поддерживаемым протоколом)	100/1 000/10GBASE, ATM, FDD1	100/1 000	10/100
Количество МАС-адресов на порт	1 024 и более	512	1
Тип коммутации Ethernet	STA, full duplex, full bridging IP	STA, bridging	Bridging
Надежность	Дублирование портов, источников питания, вентиляторов	Дублирование источников питания	Нет
	Модульный (набирается адаптерами)	Стэкируемый (Stackable) (набирается блоками)	Коробка
Управляемость	SNMP, RMON,	SNMP, RMON,	-
Несанкционированный доступ	VLAN	VLAN	VLAN

Этой всей системой нужно управлять при помощи специальных протоколов. Они называются VLAN 802.1 – защита от несанкционированного доступа. Коммутаторы должны поддерживать виртуальные сети VLAN. И все операционные системы поддерживают эти протоколы. Разбиваем всех пользователей на виртуальные сети. Протокол 802.1U. Можем разбивать по протоколам или MAC адресам. 802.1x – мы контролируем порт коммутатора и говорим, что к порту могут подключаться только такие мак адреса или такой диапазон IP. Это протоколы контроля порта. Все магистральные поддерживают специальный протокол управления SNMP – Самый старый, самый неудачный. Ведется специальная база данных по статистикам портах, параметры коммутатора и мы можем с другого компьютера задавать эти параметры или смотреть что получилось.