5_Ethernet

Технология Ethernet

История и развитие

По воле обстоятельств или из-за технических преимуществ, но на сегодня технология Ethernet не имеет конкурентов в области локальных сетей, занимая более 95% рынка. Кроме того, протоколы, созданные в свое время для локальных сетей, используются для организации городских сетей (MAN).

Принципы построения такой сети внешне просты и доступны пользователю, дешевле в реализации, а высокотехнологичную аппаратную часть и кабельную систему, за счет которых достигается высокая скорость передачи, пользователь просто не видит.

Днем рождения технологии Ethernet считается 22 мая 1973 г. Именно тогда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Сеть базировалась на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).

С 1980 г. стандартизацией в этой области занимается IEEE, а именно, отдельное подразделение IEEE (комитет Computer Society’s Project 802) Комитет 802 по стандартизации локальных сетей. Примеры стандартов, выпущенных этим комитетом:

• стандарт 802.3 описывает сеть с топологией «шина», с множественным доступом к среде передачи, контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), или сеть Ethernet со скоростью передачи 10Мбит/с;

• группа стандартов 802.3х описывает спецификации Ethernet для передачи данных по различным средам передачи – витая пара, оптоволокно, со скоростями 100Мбит/с и выше.

• стандарт 802.5 описывает сеть с логической топологией «кольцо» и метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), сеть Token Ring.

• группа стандартов 802.11х, которые описывают варианты построения беспроводной локальной сети WLAN (WI-FI).

• стандарт 802.16 (январь 2003) уровня МАС предназначен для реализации широкополосных беспроводных каналов последней мили в городских сетях (MAN); обеспечивает соединение стационарных объектов.

Для каждого из этих стандартов определена среда передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель, радиоволны в гигагерцовом диапазоне), параметры среды, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

Схема "классического Ethernet"

Технология Ethernet использует случайный метод доступа к среде передачи, который называется множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Этот алгоритм может приводить к длительным задержкам доступа, особенно в условиях перегрузки. В экстремальных случаях скорость передачи может упасть до нуля.

В 1990 году IEEE утверждает технологию 10Base T (витая пара 3 категории, 8-контактные разъемы RJ-45) с физической топологией пассивная звезда и концентраторами (hub). Логическая топология «шина» и метод доступа CSMA/CD не изменились. Скорость передачи 10Мбит/с, манчестерское кодирование.

В этом же году фирма "Kalpana" (впоследствии быстро купленная вместе с разработанным коммутатором CPW16 начинающим гигантом "Cisco") предлагает технологию коммутации, основанную на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента. Коммутатор (swich) использует адресную информацию в заголовке кадра (МАС адрес) и организует независимые виртуальные каналы между портами, к которым подключена пара узлов.

В 1993 году появляется дуплексная передача и контроль соединения для 10 Base-Т. Спецификация IEEE 802.1p добавляет групповую адресацию и 8-ми уровневую систему приоритетов.

В 1995 году введен стандарт IEEE 802.3u (100BaseT) - Fast Ethernet, 100-мегабитный Ethernet. Спецификации 100BaseT4, 100BaseTX, 100BaseFX. На базе 100Base-Ethernet были реализованы современные коммутируемые сети и развиты протоколы управления третьего (сетевого) уровня 802.1d, 802.1q, 802.1p.

В последующие годы были выпущены стандарты для Gigabit Ethernet, 10-гигабитного Ethernet (10GbE), 40GbE, 100GbE.

Формат кара 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

Поля имеют следующие назначения:

• Поле преамбулы состоит из семи байтов (IEEE 802.3). Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) войти в устойчивый синхронизм с принимаемыми сигналами.

• Начальный ограничитель кадра SFD состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.

• Адрес получателя (Destination Address, DA) – обычно имеет длину 6 байтов (физический адрес, MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным (unicast) или групповым (multicast): «0» - адрес указывает на определенную станцию, «1» - это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1.

• Адрес отправителя (Source Address, SA) - 6-ти байтовое поле, содержащее MAC-адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0.

В первых трех байтах MAC-адреса содержится код производителя сетевого адаптера, выданный IEEE. В остальных трех байтах – адрес собственно устройства=сетевой карты (прошит на адаптере или содержится во флэш-памяти), который задает производитель оборудования.

• Поле типа (Type) или длины кадра (Length) имеет длину 2 байта.

Для кадра Ethernet_II в этом поле содержится информация о типе протокола вышестоящего уровня (Т).

Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0x0800 для IP, 0x0806 для ARP, 0x0809B для AppleTalk, 0x0600 для XNS, 0x8137 для IPX/SPX.

Для кадра IEEE 802.3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля - поля данных (L).

В одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров.

• Поле данных (LLC Data) может содержать от 0 до 1500 байт. Если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения PAD, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины 72 байта.

В зависимости от значений первых нескольких байт поля данных, различными операционными системами и протоколами третьего уровня могут быть организованы дополнительные форматы кадра Ethernet для определенных целей.

Ethernet_SNAP (формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях со стеком протоколов TCP/IP) - первый байт LLC Data равен 0xAA;

• Поле заполнения Pad состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре отсутствует.

• Поле контрольной последовательности FCS (Frame Check Sequence) длиной 4 байта содержит значение, которое вычисляется по определенному алгоритму в процессе кодирования содержимого кадра помехоустойчивым циклическим кодом с образующим (порождающим) полиномом 32-й степени (CRC-32). После получения кадра принимающая станция выполняет собственное вычисление контрольной последовательности для этого кадра, сравнивает полученное значение с принятым значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр. Контрольная последовательность вычисляется по всем полям кадра за исключением преамбулы и SFD.

В поле данных кадра Ethernet размещается кадр подуровня LLC. Этот блок данных содержит четыре поля:

• адрес точки доступа к службе назначения (Destination Service Access Point, DSAP),

• адрес точки доступа к службе источника (Source Service Access Point, SSAP),

• управляющее поле (Control)

• поле данных (Data)

MAC header	DSAP address 1 байт	SSAP address 1 байт	Contol 1 или 2 байта	Data	MAC CRC
	Кадр LLC

Поля DSAP и SSAP позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра.

Программному обеспечению узлов сети при получении кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего кадра, для того, чтобы передать этот пакет нужному протоколу для последующей обработки. Например, в качестве значения DSAP и SSAP может выступать код протокола сетевого уровня IPX или же код протокола Spanning Tree. Другими словами, DSAP address и SSAP address – это адреса, по которым вызываются процессы сетевого уровня, получающие или отправляющие пакет, вложенный в данный кадр.

Адреса специфицируются IEEE. Адрес занимает один байт, 7 бит отводится непосредственно под адрес обрабатывающего процесса, а последний бит – носитель специальной информации. В SSAP он определяет тип информации, то есть указывает запрос или ответ содержится в данном кадре. В DSAP этот бит определяет, является ли местом назначения кадра одно устройство или группа устройств.

Поле управления (один байт) используется для обозначения типа кадра - информационный, управляющий или ненумерованный. Кроме того, если подуровень LLC работает по процедуре с установлением логического соединения, в этом поле указываются порядковые номера информационных кадров – номер данного кадра (номер на передачу) и ожидаемый отправителем номер для принимаемого кадра (номер на прием). Формат поля управления полностью совпадает с форматом поля управления кадра LAPB.

Поле данных кадра LLC предназначено для размещения пакетов протоколов верхних уровней - IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в редких случаях - прикладных протоколов, когда те не пользуются сетевыми протоколами, а вкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня.

MAC header – заголовок от MAC-подуровня;

MAC CRC – поле контрольной последовательности от MAC-подуровня.