Technika sieciowa Ethernet

Transkrypt

1 Ethernet 1 Technika sieciowa Ethernet - 22 maja 1972 zostało odnotowane w historii powstanie pierwszej lokalnej sieci komputerowej w Palo Alto Research Center w USA laboratorium firmy XEROX. - Pomysł zaczerpnięty z sieci ALOHA, która pracowała już pod koniec lat 60-tych na Hawajach - sieć radiowa z rywalizacyjną metodą dostępu. - PARC Ethernet - początkowo sieć w Palo Alto nazywano w skrócie ALTO Aloha, ale została zmieniona przez twórcę koncepcji Boba Metcalfa na PARC Ethernet. Nazwa pochodzi z łac. Ether oraz net oznaczającego w jęz. ang. sieć Ether + net = Ethernet - Ethernet II - po zmianach w 1982 r. ukazał się standard jako tzw. DIX Ethernet (skróty od początków nazw firm Digital, Intel i Xerox), znany i powszechnie stosowany współcześnie pod nazwą Ethernet II. - Ethernet W 1981 r. IEEE wydało dokument opisujący ramkę podstawową oraz mechanizm dostępu CSMA/CD (ang. Carier Sense Multiple Access / Collision Detection). - ISO Standard IEEE został w 1989 r. uznany przez gremia międzynarodowe ISO i otrzymał swoją nazwę ISO Ważne etapy rozwoju sieci Ethernet: : pierwszy LAN w Xerox PARC; : DEC, Intel i Xerox wspólnie opracowują standard DIX Ethernet; : 3Com rozpoczyna produkcję urządzeń do sieci Ethernet; : Okablowanie strukturalne i 10BaseT; : przełączany Ethernet, Full-duplex; : Fast Ethernet; : sieci wirtualne VLAN i przełączane w warstwie 3; : Gigabit Ethernet;

2 Ethernet 2 Podwarstwa MAC W sieci Ethernet w podwarstwa łącza danych MAC (ang. Medium Access Cotrol) umieszczony jest - metoda dostępu do - mechanizm CSMA/CD - opis ramki Ethernet - adresacja MAC urządzeń dołączonych do fizycznego. odpowiada za jednoznaczne wskazanie przeznaczenia dla ramki. Mechanizm dostępu do CSMA/CD Dostęp do jest współdzielony wśród wielu użytkowników. Wrażliwość na nośną obecność sygnału (nośnej) w kablu uniemożliwia nadawanie, dopiero brak sygnału (cisza) w powoduje rozpoczęcie nadawania. Host A Host B Host C Tx propagacja Host D Host E Host F Host A Host B Host C Tx propagacja Host D Host E Host F Wykrywanie kolizji Podczas nadawania stacja monitoruje transmisję w. Jeśli przypadkowo więcej niż jedna stacja, obserwując ciszę w rozpocznie transmisję to nastąpi kolizja, która zniszczy wszystkie informacje w. Wykrywanie kolizji jest kluczową funkcją, która kontroluje bezbłędny transfer danych, a w przypadku wystąpienia kolizji wykonanie retransmisji zniszczonej ramki.

3 Ethernet 3 KOLIZJE w sieciach ETHERNET Kolizje są zjawiskiem naturalnym o charakterze losowym w sieci Ethernet, które występują w konsekwencji opóźnienia propagacji sygnałów i bezwładności elementów odbiorczych monitorujących fizyczne. Po zauważeniu kolizji urządzenie przestaje nadawać ramkę i nadaje sygnał JABBER specjalny ciąg binarny o długości 32 oktety, który ma wzmocnić interferencje, tak aby kolizja została zauważona przez wszystkich innych uczestników kolizji. Rywalizacja w dostępie do objawia się w sytuacji, gdy wystąpi kolizja i stacje biorące udział w kolizji chcą wykonać retransmisje. Retransmisje będą odbywały się po czasie oczekiwania wylosowanym dla wszystkich uczestników zgodnie z jednakowym algorytmem. Losowość różnicuje czasy oczekiwania i w ten sposób zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia następnej kolizji pomiędzy tymi samymi stacjami. Często zdarza się, że inne stacja akurat wykorzystają moment ciszy w kablu.

4 Ethernet 4 Powstawanie kolizji w sieci Ethernet Host A Host B Host C F nadaje Tx propagacja Tx Host D Host E Host F Host A Host B Host C kolizja Tx propagacja Tx Host D Host E Host F Host A Host B Host C propagacja kolizji Tx propagacja kolizji XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Tx Host D Host E Host F Host A Host B Host C podtrzymanie kolizji Tx propagacja kolizji XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Tx Host D Host E Host F podtrzymanie kolizji

5 Ethernet 5 Kod Manchester Bit V -V Kod Manchester jest nadmiarowy - wraz z informacją użyteczną przenosi sygnał zegarowy dla synchronizacji. Kodowanie Manchester przypisuje stanom logicznym sygnału oryginalnego zbocza zmian stanów w sygnale zakodowanym: - dla 1 zbocze opadające, - dla 0 zbocze narastające. Szybkość modulacji wynosi 20 Mbaud - co oznacza maksymalnie 20 milionów zmian stanów na sekundę - dla Ethernet 10 Mb/s. Sprawność kodu Manchester wynosi zatem ½, częstotliwość sygnału to 20 MHz. Duża niezawodność transmisyji jest zaletą kodu Manchester, a dodatkowo prostota realizacji sprzętowej. Ramka Ethernet Ramka Ethernet oktetów Preambuła Adres odbiorcy Adres nadawcy Dłg. D A N E CRC Oktety: Przykład kapsułkowania datagramu IP z komunikatem TCP Nagłówek IP Nagłówek TCP DANE Oktety: min. 20 min. 20 min. 6

6 Ethernet 6 Adresacja MAC Adresacja MAC urządzeń dołączonych do fizycznego - adresy Ethernet lub sprzętowe. Unikalne w skali świata Adres MAC składa się z 6 oktetów: - Pierwsze trzy oktety są ustalane przez IEEE dla poszczególnych producentów sprzętu aktywnego. - Pozostała część adresu jest przydzielana każdemu produkowanemu urządzeniu, np. karcie sieciowej do komputera. Przydzielany przez IEEE D E Dostępny dla producenta Producent Cisco DEC IBM Sun Proteon Wellfleet Przydzielone zakresy 00000Ch 08002B (et. al.) 08005A (et. al) h h 0000A2h Adres wywołania ogólnego - Broadcast posiada same jedynki (hex. FF FF FF FF FF FF)

7 Ethernet 7 Ograniczenia w sieci Ethernet Ograniczenie I Maksymalne opóźnienie propagacji sygnału w sieci Ethernet (ang. SlotTtime) w tą i z powrotem 512 BT (ang. Bit Time) lub 51,2 µs gdzie 1 BT = 0,1 µs dla Ethernet 10 Mb/s. Z powodów praktycznych stosuje się dodatkowo margines 32 BT, który uwzględnia bezwładność i opóźnienie reakcji układów wejściowych w odbiornikach. Zatem ograniczenie praktyczne to 480 BT (48 µs dla Ethernet 10 Mb/s). Ograniczenie II Pomiędzy dowolnymi dwoma stacjami nie występuje więcej niż dwie pary regeneratorów (ang. repeater). Hub z ang. punkt centralny jest urządzeniem aktywnym typu regenerator rozgałęziającym łącza Ethernet. Segment A Base2 Regenerator Serwer Para regeneratorów TP..... TP Regenerator HUB TP TP Regenerator TP..... Para regeneratorów 10BaseF (Fiber Optic) 10Base2 gwiazda (fizycznie), = (logicznie) Regenerator Serwer Segment B

8 Ethernet 8 Ograniczenia w sieci Ethernet Ograniczenie III Minimalna długość ramki Ethernet wynosi 64 oktety (512 bitów). Zrozumienie zjawiska propagacji kolizji i przyczyn ograniczenia dla minimalnej długości ramki pomaga rozważenie przypadku granicznego z ramką krótszą niż minimalna o jeden bit - o długości 511 bitów. Host A Bufor nadajnika Ethernet Opóźnienie = 256 BT Czas Host B Bufor nadajnika Ramka 511 bitów Kolizja nie została zauważona przez hosta A - kolizja Tuż przed nadejściem ramki od hosta A, host B rozpoczyna nadawanie i powoduje kolizję Ograniczenie IV Dla zapewnienia lepszych warunków rywalizacji i wydajnego wykorzystania łącza Ethernet przez wszystkie hosty wprowadzono ograniczenia na - maksymalną długość ramki na 1518 oktetów, gdzie 1500 oktetów przypada na pole danych. - minimalny odstęp czasu pomiędzy kolejno wysyłanymi ramkami przez tego samego hosta (ang. Inter Frame Gap) równy 96 BT (9,6 µs dla Ethernet 10 Mb/s).

9 Ethernet 9 Typy mediów Typy stosowanych mediów: - Thick Ethernet gruby kabel, który miał najlepsze parametry transmisyjne i największą długość segmentu, jednak był kosztowny i niewygodny w użyciu (wymagały transceiverów MAU). - Kabel RG58 i złącza BNC, który był masowo montowany wraz z regeneratorami, które kompensowały mniejsze rozmiary segmentów. - Na początku lat 90-tych wprowadzono standard okablowania strukturalnego z wykorzystaniem kabla miedzianego typu skrętka. Ostatecznie po obniżeniu kosztów stosowania technik światłowodowych powszechnie stosuje się także kable światłowodowe Technika Nazwa Maksymalna Zasięg Medium długość segmentu 10Base5 Thick Ethernet 500 m m Specjalny współosiowy 50Ω - żółty kabel 10Base2 Thin Ethernet 185 m (max. 30 hostów, co min. 0,5 m) ~1000 m Współosiowy RG 58, 50Ω 10BaseT 10BaseF 10Broad36 Okablowanie strukturalne Szerokopasmowy 100 m 400 m Kabel typu skrętka Ω w funkcji częstotliwości UTP, FTP, STP kat.3 (min.), MM m (FOIRL) MM m (firmowe) SM m m Światłowód MM:62/125 µm, 50/125 µm; SM: 9/125 µm; m Specjalny współosiowy 75Ω

10 Ethernet 10 Rodzaje urządzeń sieciowych Regenerator (ang. repeater) jest wzmacniaczem sygnału, który służy do realizacji połączeń pomiędzy sieciami tego samego typu w warstwie fizycznej Most (ang. bridge) w odróżnieniu od regeneratora dokonuje interpretacji nagłówka ramki MAC (adresy warstwy drugiej np. Ethernet, Token Ring, FDDI). Most odczytuje całą ramkę do bufora i podejmuje decyzję o skierowaniu ramki do odpowiedniego portu lub rezygnacji z rozsyłania ramki. Adresy wywołania ogólnego (ang. broadcast) są rozsyłane na wszystkie pozostałe porty. Przełącznik (ang. switch) jest urządzeniem, które łączy w sobie szybkość regeneratora oraz logikę mostu, dzięki specjalnym układom przełączającym, które dokonują przełączania niemalże w locie bez potrzeby buforowania całych ramek. Dodatkowo, w odróżnieniu od regeneratora umożliwiają pracę w trybie full-duplex. Ruter (ang. router) jest urządzeniem działającym w warstwie trzeciej modelu odniesienia. Przetwarza pakiety protokołów sieciowych (np. IP, IPX, Decnet). Rozpakowuje pakiety z ramek warstwy liniowej. Analizuje adresy nadawcy i odbiorcy i korzystając z tablic wyboru trasy kieruje pakiety do odpowiedniego interfejsu. System A System B WARSTWA WARSTWA 7 APLIKACJI APLIKACJI PREZENTACJI SESJI Infrastruktura telekomunikacyjna PREZENTACJI SESJI TRANSPORTOWA węzeł węzeł TRANSPORTOWA 4 3 SIECIOWA SIECIOWA 3 2 ŁĄCZA DANYCH ŁĄCZA DANYCH 2 1 FIZYCZNA FIZYCZNA 1 Legenda RUTER (ang. gateway) PRZEŁĄCZNIK (ang. switch) REGENERATOR (ang. repeater)

11 Ethernet 11 Sieci przełączane Ethernet - Full Duplex Wprowadzono przełączniki oraz tryb full-duplex - jednoczesna transmisja w obydwu kierunkach - wzrost wydajności do maksimum podwojonego dla każdego z kierunków, - połączenia punkt-punkt, - brak kolizji. INTERNET HP.55 SUN HP.54 10BaseT BaseTX 10BaseT NT s0.18 Przełącznik p5 p6 p FR NT p3 s0.17 hub 48b p1 p2 e0.62 Ruter e DNS serwer hub 48a Brak kolizji spowodował zniesienie ograniczenia na maksymalne opóźnienie, co w konsekwencji umożliwia pracę w trybie full-duplex na znacznie większe odległości ograniczone bilansem energetycznym łącza. Otworzyło to nowe możliwości stosowania techniki Ethernet w sieciach miejskich, a nawet rozległych.

12 Ethernet 12 Fast Ethernet Wykorzystano doświadczenia FDDI - kodowanie NRZI (ang. Non Return to Zero Inverted) oraz 4B/5B: - Szybkość modulacji 125Mbaud. - Częstotliwość sygnału 125 MHz. Do przesyłanie danych z szybkością 100Mb/s służy światłowód (100BaseFX) oraz kabel typu skrętka UTP, FTP, STP kat.5 (100BaseTX). Technika Typ kabla Tryb pracy Konfiguracja Zasięg połączeń 100BaseTX UTP, FTP, STP kat.5 Half-duplex dowolna Full-duplex regenerator 100 m zabroniony 100BaseFX Światłowód Half-duplex z regeneratorem 150 m MM:62/125 µm, bez regeneratora 412 m 50/125 µm; Full-duplex regenerator zabroniony m Światłowód Half-duplex z regeneratorem 150 m SM: 9/125 µm; Full-duplex regenerator zabroniony m ( m firmowe)

13 Ethernet 13 Gigabit Ethernet Wykorzystano doświadczenia Fibre Channel ze zmodyfikowanym kodowaniem 8B/10B osiągnięta szybkość transmisji 1 Gb/s. Standard jest dedykowany do użycia w łączach światłowodowych, ponieważ tak wysokie częstotliwości pracy wniosły znaczne ograniczenia. Dzięki najnowszym osiągnięciom metod DSP udało się również stworzyć standard dla kabla miedzianego. Technika Długość Kabel Przekrój kabla Zasięg fali 1000Base-LX nm Światłowód MM: 50/125 µm; 550 m 62/125 µm 550 m Światłowód SM: 9/125 µm m 1000Base-SX 850 nm Światłowód MM: 50/125 µm; m 62/125 µm 220 m 1000Base-CX Twinax 150Ω (jak w Token Ring) 25 m 1000Base-T UTP, FTP, STP kat.5 -cztery pary 25 m (dual-duplex, spec. układy DSP) 10Giga Ethernet... i co dalej?