Лекция 6 Коммутируемые сети Ethernet

Лекция 6 Коммутируемые сети Ethernet

1. Принцип работы коммутаторов Ethernet Мост локальной сети (LAN bridge) выполняет логическую структуризацию сети, разделяя единую разделяемую среду на несколько сегментов. Мост передает кадры с одного своего порта на другой, анализируя МАС-адреса назначения, помещенные в эти кадры. Передача происходит только в том случае, когда действительно необходимо передать кадр из одного сегмента в другой. В том случае, когда источник и приемник находятся в одном сегменте, мост игнорирует кадр. Применение моста приводит к снижению нагрузки на разделяемую среду, так как среда делится на несколько разделяемых сред по числу подключенных к мосту сегментов. 2

Сегментация локальной сети 3

Алгоритм работы моста стандартизирован IEEE в 1990 году в стандарте 802. 1 D. Он получил название прозрачного моста, так как наличие такого моста никак не сказывается на работе сетевых адаптеров компьютеров, то есть мост прозрачен для них. Алгоритм прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой он установлен. 4

Коммутатор локальной сети (LAN switch) функционально подобен мосту – он работает по тому же алгоритму. Коммутаторы отличаются от мостов потребительскими характеристиками: большим количеством портов, высокой скоростью передачи кадров с порта на порт, низкой стоимостью. Появление коммутаторов позволило отказаться от разделяемой среды. 5

Для продвижения кадров коммутатор использует таблицу продвижения Адрес Порт МАС-А 1 МАС-С 6 6

В исходном состоянии таблицы продвижения коммутаторов пусты. Коммутатор строит свою таблицу автоматически на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментам. Он запоминает адреса источников кадров данных, поступающих на его порты. По адресу источника кадра коммутатор делает вывод о принадлежности узла- источника тому или иному порту. 7

Алгоритм работы коммутатора. Начальный этап – адреса не изучены 8

Алгоритм работы коммутатора. Конечный этап – все адреса изучены 9

Основное преимущество коммутируемых сетей Ethernet: • увеличена производительность сетей за счет исключения периодов ожидания освобождения среды за счет параллельного продвижения кадров от всех компьютеров сети. 10

Недостатки коммутируемых сетей Ethernet: • Появление кадров с неизвестными ранее адресами приводит к широковещательным штормам, так как эти кадры затопляют сеть своими копиями; • Плоские адреса Ethernet не очень удобны для адресации узлов больших сетей, так как таблицы продвижения в этом случае содержат слишком много записей; • Самообучение коммутаторов Ethernet на основе наблюдения за проходящим трафиком приводит к тому, что коммутируемые сети Ethernet эффективно работают только при древовидной топологии сети, когда в сети нет петель. 11

Протокол покрывающего дерева (Spanning Tree Protocol, STP) предназначен для повышения надежности локальной сети на коммутаторах за счет использования произвольной топологии, обеспечивающей альтернативные пути между узлами сети. Граф покрывающего дерева - это связи, оставшиеся незаблокированными после работы алгоритма покрывающего дерева. 12

Локальная сеть с альтернативными путями и покрывающее дерево 13

2. Скоростные версии Ethernet • Fast Ethernet (скорость 100 Мбит/с) • Gigabit Ethernet (скорость 1000 Мбит/с) • 10 Gigabit Ethernet (скорость 10 Гбит/с). Технология Ethernet осталась прежней. Повышение скорости работы сетей достигнуто за счет улучшения качества кабелей, а также совершенствования методов кодирования данных при их передаче по кабелям. 14

Кабели локальных сетей 15

Кабели на витой паре наиболее популярны, так как являют собой хороший компромисс между стоимостью и характеристиками кабеля, позволяя передавать данные со скоростью до 1 Гбит/с на расстояние до 100 м. Различают кабели на витой паре экранированные и неэкранированные. Неэкранированные более популярны. 16

Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5 -60 микронов) гибких стеклянных волокон (волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Скорость передачи данных – 10 Гбит/с и выше. Высокая помехозащищенность. В зависимости от показателя преломления и диаметра сердечника различают многомодовое и одномодовое волокно. 17

В кабеле на основе одномодового волокна используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной света (от 5 до 10 микрон). Все лучи света распределяются вдоль оптической оси волновода без отражения. Одномодовый кабель достаточно дорог. Кроме того, в волокно маленького диаметра сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии. 18

Типы оптического кабеля 19

В кабеле на основе многомодового волокна используются более широкие внутренние сердечники. В них существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой. Возникающая интерференция лучей ухудшает качество передаваемого сигнала. Поэтому технические характеристики многомодовых кабелей хуже, чем одномодовых. 20

Многомодовые кабели используются для передачи данных на скоростях не более 1 Гбит/с на небольшие расстояния (до 2000 м). Одномодовые кабели используются для передачи данных со сверхвысокими скоростями в несколько десятков гигабитов в секунду на расстояния до нескольких десятков и даже сотен километров. В качестве источника света для одномодовых кабелей применяются только лазерные диоды. Более дешевые светодиодные излучатели используются для многомодовых кабелей. 21

Наиболее важными характеристиками линий связи являются : • затухание, • полоса пропускания. Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии. Полоса пропускания линии связи – это диапазон частот, в котором затухание сигнала не превышает некоторый заранее заданный предел. 22

Полосы пропускания линий связи 23

Оптическое волокно характеризуется сложной зависимостью затухания от длины волны, которая имеет три окна прозрачности. Область эффективного использования современных волокон ограничена волнами длин 850 нм, 1300 нм и 1550 нм. Окно 1550 нм обеспечивает наименьшие потери и наиболее широкую полосу пропускания, а окно 850 нм – наоборот. 24

Окна прозрачности оптического волокна 25

3. Стандарты физического уровня Стандарт IEEE 802. 3 для Ethernet со скоростью 10 Мбит/с: • 10 Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0, 5 дюйма – длина до 500 м; • 10 Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0, 25 дюйма – длина до 185 м; • 10 Base-Т – кабель на неэкранированной витой паре – длина до 100 м; • 10 Base-F – волоконно-оптический кабель – длина до 2000 м. 26

Стандарт IEEE 802. 3 для Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с: • 100 Base-FX – волоконно-оптический кабель с двумя волокнами – длина до 2000 м; • 100 Base- Т 4 – четырехпарный кабель на витой паре; • 100 Base-ТX – двухпарный кабель на витой паре. 27

Стандарт IEEE 802. 3 ab для Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с: • 1000 Base-LX – волоконно-оптический одномодовый и многомодовый кабель – длина десятки километров; • 1000 Base-SX – волоконно-оптический многомодовый кабель – длина 500 м; • 1000 Base-Т – кабель на витой паре – длина 100 м; • 1000 Base-CX – коаксиальный кабель – длина до 25 м. 28