Technologie sieciowe Ethernet (IEEE 802.3) Jest najszerzej wykorzystywaną technologią w sieciach lokalnych (LAN). Warstwa 2 (Łącza danych) Warstwa 1 (Fizyczna) Podwarstwa LLC Podwarstwa MAC Ethernet IEEE 802.2 IEEE 802.3 100Base-T Token-Ring FDDI Ethernet IEEE 802.3 Działa w warstwie 1 i 2 Działa w warstwie 1 i częściowo w 2 Nie definiuje podwarstwy LLC (Logic Link Control) Ogólny schemat oznaczania przepływności oraz rodzaju medium stosowanego w sieciach Ethernet składa się z następujących części: przepustowości wyrażonej w Mb/s 10, 100, 1000 rodzaj transmisji o Base transmisja w paśmie podstawowym (Baseband Network) o Broad transmisja przy wykorzystaniu częstotliwości nośnej (Broadband Network) rodzaj zastosowanego medium o 2 cienki kabel koncentryczny (Thin Ethernet) o 5 gruby kabel koncentryczny (Thick Ethernet) o T skrętka (Twisted Pair) o F światłowód (Fiber Optic) dodatkowe oznaczenie o X transmisja po jednej parze w każdą stronę (dla 100Base-T i 100Base-F) o 4 transmisja przy wykorzystaniu 4 par na raz oraz kabla miedzianego kat. 3, 4 lub 5 (dla 100Base-T) o L zwiększona długość segmentu do 2000 m (dla 10Base-F) Nie są to oczywiście wszystkie możliwe oznaczenia, a jedynie te najczęściej stosowane. Standard sieci Ethernet został zdefiniowany przez IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) w normie o oznaczeniu 802.3. Oryginalna norma 802.3 definiuje
standard sieci oznaczony jako 10Base-5. Kolejne odmiany tej technologii oznaczane są dodatkowymi przyrostkami literowymi. Standardy definiujące poszczególne wersje Ethernetu to: 10 Mb/s (Ethernet) IEEE 802.3, 10Base5 Ethernet, topologia szyny, do 500m segment IEEE 802.3a, 10Base2 Ethernet, topologia szyny, do 185m segment IEEE 802.3i, 10Base-T Ethernet, topologia gwiazdy, do 100m segment IEEE 802.3j, 10Base-FL Ethernet, topologia gwiazdy, do 2000m segment 100 Mb/s (Fast Ethernet) IEEE 802.3u, 100Base-TX Fast Ethernet, topologia gwiazdy, do 100m segment IEEE 802.12, 100Base-T4 Fast Ethernet, topologia gwiazdy, do 100m segment IEEE 802.3u, 100Base-FX Fast Ethernet, topologia gwiazdy, do 100m segment 1 Gb/s (Gigabit Ethernet) IEEE 802.3z, 1000Base-LX Gigabit Ethernet, topologia gwiazdy, do 310m segment IEEE 802.3z, 1000Base-SX Gigabit Ethernet, topologia gwiazdy, do 310m segment IEEE 802.3z, 1000Base-CX Gigabit Ethernet, topologia gwiazdy, do 310m segment IEEE 802.3z, 1000Base-T Gigabit Ethernet, topologia gwiazdy, do 25m segment 10 Gb/s (10 Gigabit Ethernet) IEEE 802.3ae - 10 Gigabit Ethernet Budowa ramki Ethernet Preambuła 7 SFD 1 DA MAC 6 SA MAC 6 Dł./Typ 2 Dane 46-1500 Dop. ~46 FCS 4 Pole Zawartość Preambuła Preambuła jest sekwencją 7 bajtową (56 bitów) z naprzemiennymi wartościami 1 i 0, stosowanymi dla synchronizacji. Służy przede wszystkim po to by dać czas komponentom sieci na wykrycie sygnału i odczytanie go, zanim nadejdzie ramka z danymi. SFD (Start Frame Delimiter) SFD jest sekwencją 8 bitów w postaci 10101011, która wskazuje DA MAC SA MAC Dł/Typ Dane Dopełnienie FCS na początek ramki z danymi. Pole adresu przeznaczenia DA MAC (Destination Address Medium Access Control) identyfikuje urządzenie lub wiele urzadzeń, która mają odebrać ramkę. Pole adresu źródła SA MAC (Source Address MAC) identyfikuje urządzenie, które wysłało tą ramkę ethernet. Możemy wyróżnić trzy typy adresów MAC: unicast, czyli konkretny adres MAC pojedynczego urządzenia; multicast, czyli identyfikujący grupę urzadzeń; broadcast, czyli taki, który ma wszystkie bity ustawione na "1", taką ramkę odbiorą wszystkie urzadzenia w sieci LAN. Jeśli to pole ma wartość mniejszą lub równą 1500, to określa liczbę bajtów w polu Dane. Jeśli wartość jest większa niż 1536, wtedy pole określa naturę przesyłanego protokółu użytkownika Dane klienta transmitowane od stacji źródłowej do stacji przeznaczenia. Maksymalna wielkość tego pola to 1500 bajtów, a gdy wartość tego pola spada poniżej 46 bajtów to wykorzystywane jest pole Dopełnienia (Dop.), by ramka osiągnęła minimalną długość. Pole dopełnienia, wypełnione dodatkowymi bitami danych, stosowane tylko wtedy, gdy trzeba uzupełnić ramkę ethernet do minimalnej długości 64 bajtów, licząc od pola DA MAC do FCS Pole FCS (Frame Check Sequence) zawiera 4 bajty cyklicznej kontroli nadmiarowej CRC (Cyclic Redundancy Check). Przed wysłaniem ramki MAC, stacja źródłowa dokonuje kalkulacji CRC z wszystkich bitów ramki od pola DA MAC, aż do pola Dop. (czyli z wszystkich pól oprócz preambuły, SFD i FCS), następnie wpisuje ją do pola FCS. Gdy ramka zostanie odebrana przez stację przeznaczenia, wykonywana jest ponowna kalkulacja CRC i jeśli wartość przeliczenia nie jest identyczna z wartością w polu FCS
odebranej ramki, to uważa się taka ramkę za błędną i odrzuca Standard Ethernet zakłada minimalna długość ramki - 64 B maksymalna długość ramki 1518 B Standard 802.3ac dodaje 4 bajty dla tagowania VLAN, (łącznie 1522 bajtów). Urządzenia Ethernet dla poprawnego odebrania następnej ramki muszą pozostać w stanie bezczynności zwanym IPG (InterPacket Gap - przerwa między pakietami). Minimalny czas bezczynności musi być równoważny czasowi przesłania 96 bitów, a więc dla: 10 Mb/s Ethernetu ma wartość 9.6 mikrosekundy 100 Mb/s Ethernetu ma wartość 960 nanosekund 1 Gb/s Ethernetu wynosi 96 nanosekund. Okablowanie Ethernet 10-Base2, 10-Base5
terminator trójnik wtyk BNC kabel BNC max 185 m 10-BaseT, 100BaseTX kabel UTP (max 100m.) Hub (koncentrator) wtyk RJ-45 100Base-T4 Kategorie kabli miedzianych Standard EIA/TIA definiujący kable miedziane oraz ich przydatność do transmisji informacji.
CAT1 CAT2 CAT3 UTP nadająca się do przesyłania analogowego głosu, ale nie do przesyłania danych UTP nadająca się do przesyłania cyfrowego głosu z szybkością do 1 Mbit/s UTP, STP, ScTP do przenoszenia danych w paśmie do 16 MHz i przepływnością do 4 Mbit/s. Specyfikacja okablowania wg. ANSI/TIA/EIA-568-B. Popularny w dawnych sieciach Ethernet 10 Mbit/s CAT4 UTP, STP, ScTP do przenoszenia danych w paśmie do 20 MHz i przepływnością do 16 Mbit/s. Specyfikacja okablowania wg. ANSI/TIA/EIA-568-B. Stosowany w sieciach Token Ring 16 Mbit/s CAT5 UTP, STP, ScTP do przenoszenia danych w paśmie do 100 MHz i przepływnością do 1 Gbit/s. Specyfikacja okablowania wg. ANSI/TIA/EIA-568-B w 1991. Stosowany w sieciach half-duplex Fast Ethernet 100 Mbit/s, brak zastosowań do 1000Base-T CAT5e UTP, STP, ScTP do przenoszenia danych w paśmie do 100 MHz i przepływnością do 1 Gbit/s. Poprawiono parametry związane z FEXT, NEXT, tłumieniem i RL (Return Loss) w stosunku do tych w CAT 5. Specyfikacja okablowania wg. ANSI/TIA/EIA-568-B w 1999. Stosowany w sieciach full-duplex Fast Ethernet 100 Mbit/s oraz 1 Gbit/s CAT6 UTP, STP, ScTP do przenoszenia danych w paśmie do 250 MHz i przepływnością do 10 Gbit/s. Specyfikacja okablowania wg. ANSI/TIA/EIA-568-B.2-1 w 2002 CAT7 STP, ScTP do przenoszenia danych w paśmie do 600 MHz. Specyfikacja okablowania klasy F wg. ISO/IEC 11801 UTP - nieekranowana skrętka, STP ekranowana skrętka, ScTP - foliowana skrętka Większość nowych instalacji kablowych wykonywanych jest w standardzie CAT 5e, udoskonalonej wersji CAT 5. Koncentrator (ang. Hub) - urządzenie łączące wiele urządzeń sieciowych o topologii gwiazdy. Działa na poziomie warstwy fizycznej OSI. Kopiuje sygnał z jednego portu do wszystkich pozostałych, do których dołączone są urządzenia (przenosi z wejścia na wszystkie wyjścia sygnał bit po bicie). Natomiast interfejs (karta) sieciowa pracująca w normalnym trybie odbiera ramki adresowane tylko do niej ignorując pozostałe. Poszczególne interfejsy musza zatem podzielić się pasmem transmisyjnym. Przełącznik (ang. Switch ) - urządzenie łączące wiele urządzeń sieciowych o topologii gwiazdy. Pracuje w warstwie łącza danych modelu OSI. Odbiera ramkę z portu, analizuje jej nagłówek w celu wydobycia adresu MAC adresata. Następnie odnajduje we własnej pamięci do jakiego portu jest podłączony adresat. Po czym zestawia połączenie portu z którego ramka przyszła z portem do którego jest podłączony adresat (punkt punkt). Przełącznik wprowadza zatem pewne opóźnienie w transmisji sygnału (czas potrzebny na analizę ramki, odnalezienie adresata, zestawienia połączenia i właściwy transfer danych) Zastosowanie przełącznika ogranicza domenę kolizyjną do pojedynczego portu, dzięki czemu każdy interfejs podłączony do portu ma osobny kanał transmisyjny o pełnej przepustowości. Przekazywanie ramek przez przełącznik może się odbywać w kilku trybach. Cut-through bez sprawdzania poprawności transmitowanych ramek Przełącznik zaczyna przesyłać ramkę dalej przed otrzymaniem jej w całości czyli zwykle zaraz po przeczytaniu adresu docelowego (zmniejsza opóźnienie wprowadzane przez przełącznik kosztem poprawności transmisji, ponieważ nie są wykrywane ramki z błędnymi sumami kontrolnymi CRC) Wykorzystanie tego trybu jest możliwe tylko, gdy interfejs wyjściowy przełącznika ma co najmniej taką przepustowość jak interfejs wejściowy. Store and forward sprawdzanie poprawności transmitowanych ramek
Przełącznik odbiera całą ramkę, sprawdza jej poprawność i przesyła informację do adresata. Taki tryb przesyłania informacji można wykorzystać jeśłi: o Nadawca i odbiorca nie posiadają możliwości jednoczesnej komunikacji o Przesyłane informacje często są uszkodzone i wymagają retransmisji o Używane kanały transmisyjne mają rózną przepustowość Tryb ten wymaga odpowiedniej ilości pamięci buforowej oraz powoduje największe opóźnienia. Jest jednak najpewniejszy. Stosowany jest w większości produkowanych obecnie przełączników. Fragment free sprawdzanie poprawności nagłówka ramki. Przełączanie Fragment free jest rozwiązaniem pośrednim między przełączaniem store and forward, a cut-trough. Ramka jest przesyłana przez przełącznik odpowiednim portem natychmiast po sprawdzeniu adresów MAC. Taki tryb przesyłania jest zalecany w sieciach szkieletowych. Ramki są transmitowane jako jednostajny strumień danych. Konieczne jest zapewnienie takiej samej przepustowości interfejsu wejściowego i wyjściowego. Przełączanie w trybie fragment free zapewnia podstawową kontrolę błędów. Sprawdzane są pierwsze 64 bajty ramki co pozwala wykryć kolizje i wyeliminować nieprawidłowe ramki (krótsze niż 64 bajt). Wprowadzane opóźnienie to około 60µs. Stosowane gdy na którymś porcie przełącznika jest domena kolizyjna ( podłaczony jest hub a do niego kilka komputerów). Przełączanie adaptacyjne na podstawie intensywności ruchu wybierany jest jeden z powyższych trybów. W przełącznikach zarządzalnych istnieje możliwość wyboru odpowiedniego trybu. Przełącznik zarządzalny (ang. Management switch) Możliwość tworzenia wirtualnych podsieci LAN (VLAN). Maszyny należące do różnych VLAN-ów nie widzą się nawzajem, tak jakby były podłączone do fizycznie różnych sieci. Przenoszenie informacji o VLAN pomiędzy przełącznikami (połączenie trunk). W standardzie IEEE 802.1Q każda ramka wysyłana przez trunk opatrzona zostaje 4- bajtowym polem, w ramach którego przenoszony jest również identyfikator VLANu (tak, by odbierający ramki przełącznik był w stanie wysłać ramkę do odpowiedniego VLANu). W związku z tym ramki tzw. tagowane, czyli oznaczane, mogą mieć maksymalnie długość do 1523 bajtów. Spanning Tree Protocol (802.1d) - protokół budowy bezkolizyjnych tras, nie pozwala na zapętlanie się pakietów w przypadku przełączników mających do dyspozycji zapasowe połączenia. Rapid Spanning Tree Protocol (802.1w) rozbudowana wersja protokołu STP. Zapobiega powstawaniu pętli, bazuje jednak na szybszym algorytmie. 802.3ad - protokół pozwalający na agregację łączy, czyli tworzenie z kilku fizycznych połączeń jednego logicznego o wyższej przepustowości. 802.3x - protokół pozwalający na sterowanie ruchem w sieci przez faworyzowanie urządzeń o wyszczególnionych adresach MAC. Uplink - port przeznaczony do tworzenia połączeń pomiędzy przełącznikami, zazwyczaj działający w technologii szybszej niż pozostałe porty przełącznika. SFP/GBIC - standardy wymiennych modułów wykorzystywanych w portach uplink. W zależności od medium transmisyjnego, które chcemy zastosować (kabel miedziany, światłowód), instalujemy odpowiedni moduł transmisyjny.