M06. Podstawy działania sieci Ethernet.pdf

Moduł 6. Podstawy działania sieci Ethernet

Ethernet jest obecnie najpopularniejszą technologią LAN. Ethernet nie stanowi jednej technologii, lecz stanowi

zbiór technologii LAN, i może być najlepiej objaśniony z wykorzystaniem modelu odniesienia OSI. Wszystkie

sieci LAN muszą rozwiązać podstawowy problem dotyczący nazewnictwa pojedynczych stacji (węzłów), sieć

Ethernet nie jest tu wyjątkiem. Specyfikacje sieci Ethernet obejmują różne media, szerokości pasma oraz inne

elementy warstw 1 i 2. Niemniej jednak, podstawowy format ramki oraz schemat adresowania są takie same dla

wszystkich odmian standardu Ethernet.

W celu zapewnienia równoczesnego dostępu wielu stacji do fizycznego medium i innych urządzeń sieciowych

opracowano różne strategie dostępu do medium. Zapoznanie się ze sposobem, w jaki urządzenia sieciowe

uzyskują dostęp do medium sieciowego, jest niezbędne do zrozumienia mechanizmów działania całej sieci i

rozwiązywania problemów z nią związanych.

6.1 Podstawy działania sieci Ethernet

6.1.1Wprowadzenie do technologii Ethernet

Większość ruchu w Internecie jest zarówno generowana, jak i trafia do hostów pracujących w sieci Ethernet.

Poczynając od lat siedemdziesiątych, technologia Ethernet rozwijała się, starając się sprostać rosnącym

wymaganiom dotyczącym dużej szybkości działania sieci LAN. Po pojawieniu się nowego medium, którym był

światłowód, technologia Ethernet została przystosowana do wykorzystania oferowanej przez niego większej

szerokości pasma i niskiego współczynnika błędów. Ten sam protokół, który w roku 1973 transmitował dane z

szybkością 3 Mb/s, obecnie przesyła informacje z szybkością 10 Gb/s. Sukces technologii Ethernet jest związany

z następującymi czynnikami: - prostota i łatwość obsługi, - możliwość dostosowywania się do nowych

technologii, - niezawodność, - niski koszt instalacji i rozbudowy.

Wraz z wprowadzeniem gigabitowego Ethernetu standard, który początkowo był technologią przeznaczoną dla

sieci LAN, teraz rozciąga się na odległości czyniące Ethernet standardem dla sieci miejskich (MAN) oraz sieci

rozległych (WAN).

Pierwotny zamysł technologii Ethernet wyrósł z potrzeby rozwiązania następującego problemu: jak pozwolić

dwóm lub więcej hostom na wykorzystywanie tego samego medium i zapobiec zderzeniom sygnałów?

Problem dostępu wielu użytkowników do współdzielonego medium był na początku lat siedemdziesiątych

przedmiotem studiów na Uniwersytecie Hawajskim. System nazwany Alohanet został zaprojektowany po to, aby

pozwolić różnym stacjom na Wyspach Hawajskich na ustrukturalizowany dostęp do dzielonego pasma

częstotliwości radiowych w eterze. Badania te stały się później podstawą metody dostępu w technologii Ethernet

znanej jako CSMA/CD.

Pierwsza na świecie sieć LAN była oparta na pierwotnej wersji technologii Ethernet. Zaprojektował ją ponad

trzydzieści lat temu Robert Metcalfe wraz ze swoimi współpracownikami z firmy Xerox. Pierwszy standard

Ethernet został opublikowany w 1980 r. przez konsorcjum, w skład którego wchodziły firmy Digital Equipment

Company, Intel oraz Xerox (DIX). Pragnieniem Roberta Metcalfe'a było, aby technologia Ethernet stała się

rozwiązaniem, z którego każdy mógłby korzystać, tak więc został on zaprezentowany jako ogólnodostępny

standard otwarty. Pierwsze produkty zaprojektowane na podstawie standardu Ethernet zaczęły być sprzedawane

we wczesnych latach osiemdziesiątych. Transmisja w technologii Ethernet osiągała szybkość do 10 Mb/s i była

realizowana przez gruby kabel koncentryczny na odległościach do 2 kilometrów (km). Ten typ kabla

koncentrycznego był określany jako Thicknet (ang. thick — gruby) i miał mniej więcej grubość małego palca.

W roku 1985 standardy dotyczące sieci LAN zostały opublikowane przez komitet ds. standardów dla sieci

lokalnych i miejskich instytutu Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Numery tych standardów

rozpoczynają się od liczby 802. Technologii Ethernet przyznano numer 802.3. Specjaliści z instytutu IEEE chcieli

zachowania zgodności z modelem ISO (ang. International Standards Organization )/OSI. Aby to osiągnąć,

standard IEEE 802.3 musiał sprostać wymogom określonym w definicji warstwy 1 oraz dolnej części warstwy 2

modelu OSI. W rezultacie w standardzie 802.3 wprowadzono niewielkie modyfikacje w stosunku do początkowej

wersji standardu Ethernet.

Różnica pomiędzy tymi dwoma standardami jest tak niewielka, że każda karta sieciowa Ethernet może nadawać i

odbierać zarówno ramki Ethernet, jak i 802.3. Zasadniczo Ethernet oraz IEEE 802.3 są tymi samymi standardami.

Szerokość pasma w sieci Ethernet rzędu 10 Mb/s znacząco przewyższała wymagania powolnych komputerów

osobistych (PC) lat osiemdziesiątych. Do początku lat dziewięćdziesiątych komputery klasy PC stały się znacznie

szybsze, wzrosły rozmiary plików i zaczął się pojawiać problem wąskiego gardła w przepływie danych. W

większości wypadków problem ten był spowodowany niską dostępnością pasma. W roku 1995 instytut IEEE

zaprezentował standard dla technologii Ethernet 100 Mb/s. Następnie, w latach 1998 i 1999 zostały opublikowane

standardy dla technologii Ethernet o przepustowości jednego gigabita na sekundę (1 Gb/s, miliard bitów na

sekundę). Wszystkie te standardy są zasadniczo zgodne z pierwotnym standardem Ethernet. Ramka Ethernet może

zostać przez komputer PC wyposażony w starszą, opartą na kablu koncentrycznym 10 Mb/s kartę sieciową, zostać

przesłana przez łącze światłowodowe Ethernet o przepustowości 10 Gb/s, a na końcu trafić do karty sieciowej

100 Mb/s. Dopóki pakiet pozostaje w sieci Ethernet, nie ulega on modyfikacjom. Z tego powodu technologia

Ethernet jest uważana za wysoce skalowalną. Szerokość pasma w sieci może być wielokrotnie zwiększana bez

zmiany stosowanej technologii Ethernet. Pierwotny standard technologii Ethernet był wielokrotnie poprawiany w

celu dostosowania go do potrzeb nowych mediów transmisyjnych i wyższych prędkości transmisji. Poprawki te

stanowią źródło standardów dla nowych technologii i utrzymują zgodność pomiędzy wariantami sieci Ethernet.

6.1.2 Zasady nazewnictwa w standardzie IEEE Ethernet

Technologia Ethernet nie stanowi jednej technologii, lecz całą rodzinę technologii sieciowych obejmującą

tradycyjny Ethernet, Fast Ethernet oraz Gigabit Ethernet. Szybkości technologii Ethernet mogą wynosić 10, 100,

1000 lub 10 000 Mb/s. Podstawowy format ramki oraz mechanizm działania podwarstw IEEE w ramach warstw 1

i 2 modelu OSI pozostają spójne we wszystkich formach technologii Ethernet.

Kiedy zachodzi potrzeba rozszerzenia technologii Ethernet przez dodanie nowego medium lub nowej

funkcjonalności, instytut IEEE wydaje nowe uzupełnienie standardu 802.3. Takie nowe uzupełnienia otrzymują

jedno- lub dwuliterowe oznaczenie, np. 802.3u. Do uzupełnienia jest także przypisany skrócony opis (zwany

identyfikatorem). Skrócony opis składa się

*liczby określającej szybkość transmisji w

Mb/s;

*słowa „base", wskazującego, że jest

używana sygnalizacja pasma podstawowego;

*jednej lub więcej liter alfabetu,

określających rodzaj wykorzystywanego

medium (F = kabel światłowodowy, T =

miedziana skrętka nieekranowana).

Ethernet jest oparty na sygnalizacji pasma podstawowego, która wykorzystuje całą szerokość pasma medium

transmisyjnego. Sygnał danych jest przesyłany bezpośrednio przez medium transmisyjne.

W sygnalizacji szerokopasmowej, sygnał danych nigdy nie jest bezpośrednio umieszczany w medium

transmisyjnym. Ethernet używał sygnalizacji szerokopasmowej w standardzie 10BROAD36. Był to standard IEEE

dla sieci Ethernet 802.3, używającej sygnalizacji szerokopasmowej po grubym kablu koncentrycznym,

działającym z prędkością 10 Mbps. Dziś standard ten uważa się za nieaktualny. Sygnał danych moduluje sygnał

analogowy (sygnał nośnej) i tak zmodulowany sygnał nośnej podlega transmisji. Sygnalizacja szerokopasmowa

jest wykorzystywana w emisji radiowej i w telewizji kablowej.

Instytut IEEE nie może zmusić producentów sprzętu sieciowego do bezwzględnego stosowania się do wszystkich

szczegółowych rozwiązań w ramach każdego ze standardów. IEEE ma nadzieję osiągnąć następujące cele:

* dostarczanie fachowych informacji niezbędnych do budowy urządzeń zgodnych ze standardami Ethernet,

* promowanie innowacji wprowadzanych przez producentów.

6.3.1 Technologia Ethernet i model OSI

Technologia Ethernet funkcjonuje w dwóch obszarach modelu OSI: w dolnej połowie warstwy łącza

danych, znanej jako podwarstwa MAC, oraz w warstwie fizycznej.

Przy przesyłaniu danych pomiędzy dwiema stacjami sieci Ethernet informacje często przechodzą przez wtórnik.

Ruch przechodzący przez wtórnik jest widoczny dla wszystkich innych stacji z tej samej domeny kolizyjnej.

Domena kolizyjna jest więc zasobem współdzielonym. Problemy powstające w jednej części domeny kolizyjnej

zwykle mają wpływ na całą domenę kolizyjną.

Wtórnik jest odpowiedzialny za przesyłanie całego ruchu do wszystkich pozostałych portów. Ruch odbierany

przez wtórnik nigdy nie jest wysyłany na port, z którego pochodzi. Każdy wykryty przez wtórnik sygnał zostanie

przesłany. Jeśli sygnał jest osłabiony przez tłumienie lub szum, wtórnik spróbuje go odtworzyć i zregenerować.

Standardy gwarantują minimalną szerokość pasma i możliwość działania poprzez określenie maksymalnej liczby

stacji w segmencie, maksymalnej długości segmentu, maksymalnej liczby wtórników pomiędzy stacjami itd.

Stacje oddzielone wtórnikami pozostają w tej samej domenie kolizyjnej. Stacje oddzielone mostami lub routerami

znajdują się w różnych domenach kolizyjnych. Rysunek pokazuje odwzorowanie różnych technologii Ethernet na

niższą połowę warstwy 2 modelu OSI i całą warstwę 1. Ethernet w warstwie 1 dotyczy połączenia z mediami oraz

sygnałów, strumieni bitów transmitowanych przez media, elementów, które umieszczają sygnały w mediach i

różnych topologii sieciowych. Warstwa 1 technologii Ethernet odgrywa zasadniczą rolę w komunikacji, która

zachodzi pomiędzy urządzeniami, lecz każda z jej funkcji ma ograniczenia, którymi zajmuje się warstwa 2.

Podwarstwy warstwy łącza danych realizują zadania dotyczące zgodności technologicznej i komunikacji między

komputerami. Zadaniem podwarstwy MAC jest współpraca z elementami fizycznymi, które będą służyć do

przekazywania informacji. Podwarstwa LLC (ang. Logical Link Control ) pozostaje stosunkowo niezależna od

fizycznego sprzętu, który zostanie

użyty w procesie komunikacji.

Rysunek pokazuje odwzorowanie

różnych technologii Ethernet na

niższą połowę warstwy 2 oraz całą

warstwę 1 modelu OSI. Istnieje także

wiele innych rodzajów sieci Ethernet,

na rysunku przedstawiono te

najpopularniejsze.

6.1.4 Nazewnictwo

Aby umożliwić lokalne dostarczanie ramek w technologii Ethernet, musi istnieć system adresowania, tj. sposób

unikalnej identyfikacji komputerów i interfejsów. Technologia Ethernet wykorzystuje adresy fizyczne MAC, które

mają długość 48 bitów i w systemie szesnastkowym są zapisywane w postaci dwunastu cyfr. Wartość pierwszych

sześciu cyfr jest zarządzana przez instytut IEEE i identyfikuje producenta lub dostawcę. Ta część adresu MAC jest

znana jako unikalny identyfikator OUI (ang. Organizational Unique Identifier ). Pozostałe sześć cyfr w zapisie

szesnastkowym reprezentuje numer seryjny interfejsu lub inną wartość określaną przez producenta danego

sprzętu. Adresy MAC są czasami oznaczane jako adresy wbudowane (BIA), ponieważ są one wbudowane w

pamięć ROM i kopiowane do pamięci RAM w

momencie inicjowania karty sieciowej. W warstwie

łącza danych nagłówki i stopki MAC są dodawane do

danych wyższej warstwy. Nagłówek i stopka zawierają

informację kontrolną przeznaczoną dla warstwy łącza

danych w systemie odbiorcy. Dane z wyższych warstw

są enkapsulowane w ramkę warstwy łącza danych,

pomiędzy nagłówek a stopkę, a następnie wysłane do

sieci. Karta sieciowa wykorzystuje adresy MAC do

oceny, czy komunikat powinien być przekazany do

wyższych warstw modelu OSI. Karta sieciowa

przeprowadza tę ocenę, nie zajmując czasu procesora,

co umożliwia szybszą komunikację w sieci Ethernet.

Urządzenie w sieci Ethernet, rozpoczynając transmisję danych, może kierować dane do drugiego urządzenia za

pomocą jego adresu MAC jako adresu docelowego. Urządzenie źródłowe dołącza nagłówek z adresem MAC

żądanego adresata i wysyła dane do sieci. Podczas przesyłania danych w mediach sieciowych karta sieciowa

każdego urządzenia w sieci sprawdza, czy jej adres MAC odpowiada adresowi fizycznemu odbiorcy zawartemu w

ramce danych. Jeśli adresy nie są zgodne, ramka zostaje odrzucona przez kartę sieciową. Gdy dane osiągną węzeł

docelowy, karta sieciowa wykona ich kopię i prześle ramkę do wyższych warstw modelu OSI. W sieci Ethernet

nagłówek MAC musi być analizowany przez wszystkie węzły, nawet jeśli komunikujące się węzły sąsiadują

ze sobą . Wszystkie urządzenia, które są podłączone do sieci LAN bazującej na technologii Ethernet, m.in. stacje

robocze, drukarki, routery i przełączniki, mają interfejsy rozpoznawane za pomocą adresu MAC.

6.1.5 Proces podziału na ramki w warstwie 2

Zakodowane strumienie bitów (danych) w mediach fizycznych stanowią olbrzymie osiągnięcie technologiczne,

lecz one same nie są w stanie sprawić, by została nawiązana komunikacja. Podział na ramki pomaga uzyskać

niezbędne informacje, które nie mogłyby być pobrane z samych tylko zakodowanych strumieni bitów. Oto

przykłady takich informacji:

* Które komputery komunikują się ze sobą.

* Kiedy zaczyna się i kończy komunikacja pomiędzy poszczególnymi komputerami.

* Informacje pomocne w wykrywaniu błędów, które wystąpiły podczas komunikacji.

* Czyja kolej na „mówienie" podczas „rozmowy" komputerów.

Podział na ramki jest procesem enkapsulacji warstwy 2. Ramka jest jednostką danych protokołu warstwy 2.

Do wizualizacji bitów może służyć wykres napięcia w funkcji czasu. Jednakże, kiedy mamy do czynienia z

większymi jednostkami danych, adresowaniem i informacjami kontrolnymi, wykres napięcia w funkcji czasu

może stać się zawiły i mylący. Innym typem diagramu, który może być wykorzystany, jest diagram formatu ramki

oparty na wykresie napięcia w funkcji czasu. Diagramy formatu ramki są czytane od strony lewej do prawej, tak

jak wykres na oscyloskopie. Diagramy formatu ramki pokazują różne grupy bitów (pola) pełniące inne funkcje.

Jest wiele różnych typów ramek opisywanych przez różne standardy. Pojedyncza, ogólna ramka zawiera sekcje,

zwane polami, a każde pole składa się z bajtów. Nazwy tych pól są następujące:

* pole początku ramki, * pole adresu, * pole typu/długości, * pole danych, * pole kodu kontrolnego ramki.

Gdy komputery są podłączone do medium fizycznego, musi istnieć sposób, w jaki mogą zwrócić na siebie uwagę

innych komputerów, by nadać wiadomość: „Nadchodzi ramka". W różnych technologiach istnieją różne sposoby

realizacji tego procesu, lecz wszystkie ramki, niezależnie od technologii, zawierają na początku sygnalizacyjną

sekwencję bajtów. Wszystkie ramki zawierają informacje dotyczące nazw, takie jak nazwa węzła

źródłowego (adres MAC) i nazwa węzła docelowego (adres MAC). W większości ramek występują pewne

wyspecjalizowane pola. W niektórych technologiach pole długości określa dokładną długość ramki w bajtach. W

niektórych ramkach występuje pole typu, które określa protokół warstwy 3 odpowiedzialny za wysłanie żądania.

Urządzenie w sieci Ethernet, rozpoczynając transmisję danych, może kierować dane do drugiego urządzenia przy

użyciu jego adresu MAC jako adresu docelowego. Paczka danych zawiera w sobie wiadomość, którą trzeba

przesłać lub dane aplikacji użytkownika. Może zajść potrzeba dodania bajtów wypełniających, aby ramka

osiągnęła minimalną wymaganą długość. W skład pola danych ramek zgodnych ze standardami IEEE wchodzą

również bajty LLC (ang. logical link control ). Podwarstwa LLC pobiera dane protokołu sieciowego, pakiet IP, a

następnie dodaje informacje kontrolne pomocne w dostarczeniu danego pakietu IP do węzła docelowego.

Warstwa 2 komunikuje się z wyższymi warstwami poprzez podwarstwę LLC. Wszystkie ramki oraz zawarte w

nich bity, bajty i pola są podatne na błędy pochodzące z różnych źródeł. Pole kodu kontrolnego ramki (FCS)

zawiera liczbę, która jest obliczana przez węzeł źródłowy na podstawie danych w ramce. Pole FCS jest następnie

dodawane na końcu wysyłanej ramki. Kiedy ramka jest odbierana przez węzeł docelowy, liczba FCS jest

ponownie przeliczana i porównywana z liczbą FCS zawartą w ramce. Jeśli są one różne, zakłada się, że wystąpił

błąd i ramka jest odrzucana. Ponieważ źródło nie może wykryć czy ramka została faktycznie odrzucona, protokoły

zorientowane połączeniowo wyższych warstw muszą zainicjować ewentualną retransmisję. Ponieważ te

protokoły, jak np. TCP, żądają potwierdzenia otrzymania danych (ACK) przez stronę odbiorczą, w odpowiednim

czasie, zwykle dochodzi do takiej właśnie retransmisji.

Są trzy podstawowe sposoby obliczania kodu kontrolnego ramki FCS:

Cykliczna kontrola nadmiarowa (CRC): wykonuje obliczenia na danych.

Parzystość dwuwymiarowa: każdy kolejny bajt jest wstawiany do dwuwymiarowej tablicy, następnie

wykonywana jest kontrola nadmiarowości w każdej kolumnie i wierszu, tworząc tym samym dziewiąty bajt

wskazujący nieparzystą lub parzystą liczbę jedynek binarnych.

Internetowa suma kontrolna: dodawane są wartości wszystkich bitów danych, wynik jest sumą kontrolną.

Węzeł transmitujący dane musi pozyskać uwagę innych urządzeń, aby zacząć i zakończyć przesyłanie ramki. Pole

długości wyznacza koniec, a ramka jest uważana za zakończoną po wystąpieniu kodu FCS. Czasami występuje

formalna sekwencja bajtów nazywana znacznikiem końca ramki.

6.1.6 Struktura ramki w technologii Ethernet

Na poziomie warstwy łącza

danych struktura ramki jest

prawie identyczna dla

wszystkich szybkości

technologii Ethernet, od

10 Mb/s do 10 000 Mb/s. Na

poziomie warstwy fizycznej

prawie wszystkie wersje

technologii Ethernet różnią

się znacznie, gdyż dla każdej

szybkości transmisji przyjęte

zostały inne założenia

architektoniczne. W wersji

technologii Ethernet,

rozwijanej przez firmę DIX

przed przyjęciem wersji

Ethernet IEEE 802.3,

preambuła i znacznik

początku ramki (SFD) były

połączone w jedno pole,

mimo iż sekwencja bitów

była identyczna. Pole

długość/typ oznaczało jedynie długość ramki we wczesnych wersjach IEEE, zaś w wersji DIX wyłącznie typ

ramki. Te dwa sposoby wykorzystania pola zostały oficjalnie połączone w późniejszej wersji standardu IEEE,

ponieważ oba były powszechne używane. Pole typu w technologii Ethernet II zostało włączone do obecnej

definicji ramki 802.3. Węzeł odbierający musi ustalić protokół warstwy wyższej, którego dane są obecne w

przychodzącej ramce, poprzez analizę pola typ/długość. Jeżeli wartość dwóch oktetów jest równa lub większa niż

0x0600 szesnastkowo, czyli 1536 dziesiętnie, to zawartość pola danych jest dekodowana stosownie do

wskazanego typu protokołu. Ethernet II jest formatem ramki używanym zwykle w sieciach TCP/IP.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: