Технология Ethernet Ethernet — это самый распространенный

Технология Ethernet • Ethernet - это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей • Под Ethernet понимают любой из вариантов этой технологии, в которую входят сегодня также Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10 G Ethernet • Ethernet появился в конце 70 -х годов как стандарт трех компаний — Digital, Intel и Xerox • В начале 80 -х Ethernet был стандартизован рабочей группой IЕЕЕ 802. 3 и с тех пор он является международным стандартом 1

Технология Ethernet (2) • В технологии Ethernet в качестве алгоритма разделения среды применяется метод случайного доступа • И хотя его трудно назвать совершенным — при росте нагрузки полезная пропускная способность сети резко падает, — он благодаря своей простоте послужил основной причиной успеха технологии Ethernet 2

Эволюция Ethernet • Популярность стандарта Ethernet 10 Мбит/с послужила мощным стимулом его развития. • В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet. • В 1998 году— Gigabit Ethernet. • В 2002 году — 10 G Ethernet. • Каждый из новых стандартов превышал скорость своего предшественника в 10 раз, образуя впечатляющую иерархию скоростей 10 Мбит/с — 1000 Мбит/с — 10 Гбит/с 3

Цель создания Ethernet • заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания • Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры — появившиеся и быстро распространявшиеся тогда мини-компьютеры стоимостью 10 000 -20 000 долларов 4

Цель создания Ethernet (2) • Количество компьютеров в одной организации было небольшим • Поэтому предел в несколько десятков компьютеров представлялся вполне достаточным для практически любой локальной сети 5

Цель создания Ethernet (3) • Задача связи локальных сетей с глобальными не была первоочередной, поэтому все технологии локальных сетей ее игнорировали • Для упрощения и соответственно удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании общей среды передачи данных 6

Разделяемая среда на коаксиальном кабеле 7

Стек протоколов локальных сетей • Технологии локальных сетей реализуют функции только двух нижних уровней модели OSI — физического и канального • Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN — звезда, общая шина, кольцо и дерево 8

Стек протоколов локальных сетей 9

Стек протоколов локальных сетей (2) • Однако из этого не следует, что компьютеры локальной сети не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального • Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN 10

Стек протоколов локальных сетей (3) • Сетевой и транспортный протоколы нужны узлу локальной сети для того, чтобы взаимодействовать с компьютерами, подключенными к другим локальным сетям, путь к которым проходит, возможно, через глобальные сети • Если бы нужно было обеспечить взаимодействие компьютеров только в пределах одной локальной сети, то прикладные протоколы могли бы работать непосредственно над канальным уровнем 11

Канальный уровень локальных сетей делится на два уровня • Уровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC) • Уровень управления доступом к среде (Media Access Control, МАС) • Функции уровня LLC обычно реализуются программно, соответствующим модулем операционной системы • Функции уровня МАС реализуются программно и аппаратно: сетевым адаптером и его драйвером 12

Функции уровня МАС • Обеспечение доступа к разделяемой среде • Передача кадров между конечными узлами, используя функции и устройства физического уровня 13

Метод случайного доступа • Метод не требует наличия в сети специального узла, который играл бы роль арбитра, регулирующего доступ к среде • Метод основан на том, что узел, у которого есть кадр для передачи, пытается его отправить без предварительной процедуры согласования времени использования разделяемой среды с другими узлами сети. 14

Метод случайного доступа (2) • Результатом этого является высокая вероятность коллизий, то есть случаев одновременной попытки передачи кадра несколькими станциями • Во время коллизии происходит наложение сигналов передатчиков, изза чего данные всех передаваемых на периоде коллизии кадров искажаются 15

Этапы транспортировки кадров МАС уровнем 1. Формирование кадра включает заполнение полей адресов источника и назначения, пользовательских данных, признака протокола верхнего уровня, отсылающего эти данные. После того, как кадр сформирован, уровень МАС подсчитывает контрольную сумму кадра и помещает ее в соответствующее поле. 16

Этапы транспортировки кадров МАС уровнем (2) 2. Передача кадра через среду - уровень МАС передает кадр на физический уровень, который побитно передает все поля кадра в среду • Функции физического уровня выполняет передатчик сетевого адаптера, который преобразует байты кадра в последовательность битов и кодирует их соответствующими электрическими или оптическими сигналами 17

Этапы транспортировки кадров МАС уровнем (2) • После прохождения сигналов по среде они поступают в приемники сетевых адаптеров, подключенных к разделяемой среде • Приемники выполняют обратное преобразование сигналов в байты кадра 18

Этапы транспортировки кадров МАС уровнем (3) 3. Прием кадра. Уровень МАС каждого узла сети проверяет адрес назначения поступившего кадра. Если адрес назначения совпадает с его собственным адресом, то продолжает его обработку, в противном случае кадр отбрасывается. Продолжение обработки заключается в проверке корректности контрольной суммы кадра. 19

Этапы транспортировки кадров МАС уровнем (4) • Кадр с корректной контрольной суммой передастся уровнем МАС вверх по стеку • На этом функции уровня МАС заканчиваются • Если же контрольная сумма кадра говорит о том, что данные при передаче через среду были искажены, то кадр отбрасывается • Ethernet реализует дейтаграммный полудуплексный режим передачи 20 данных

Доступ к среде и передача данных • В сетях Ethernet для доступа к среде передачи данных используется метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection— коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением коллизий) 21

Доступ к среде и передача данных (2) • Все компьютеры в сети с разделяемой средой имеют возможность немедленно получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду • В этом случае среда, к которой подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiple Access МА) 22

Доступ к среде и передача данных (3) • Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейсотправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна • Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (Carrier Sense - СS) 23

Доступ к среде и передача данных (4) • Признаком «незанятости» среды является отсутствие на ней несущей частоты, • При манчестерском способе кодирования, принятом для всех вариантов Ethernet 10 Мбит/с, несущая частота равна 5 -10 МГц в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент 24

Метод случайного доступа CSMA/CD 25

Метод случайного доступа CSMA/CD • Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр • Сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что их получают все узлы сети • Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из которых имеет значение 1010 26

Метод случайного доступа CSMA/CD • Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с передатчиком • 8 -й байт преамбулы, равный 10101011, носит название ограничителя начала кадра • Наличие двух единиц, идущих подряд, говорит приемнику о том, что преамбула закончилась и следующий бит является началом кадра 27

Метод случайного доступа CSMA/CD • Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы • Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения 28

Метод случайного доступа CSMA/CD • Станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой внутренний буфер, а остальные станции на этом прием кадра прекращают • Станция назначения обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку 29

Передача кадров • После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу (Inter Packet Gap, IРG) в 9, 6 мкс • Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией 30

Передача кадров • После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра 31

Возникновение коллизии • Коллизия происходит, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры • Содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение данных • Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet 32

Обработка коллизий • Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами • Если станции обнаружили, что передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (collision detection, CD) • Станция, которая обнаружила коллизию, посылает в сеть специальную последовательность из 32 бит, называемую jam - последовательностью 33

Обработка коллизий (2) • Передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. • Случайная пауза или усеченная двоичная экспоненциальная отсрочка выбирается по следующему алгоритму: P = RAND (0, 2 min(N, 10)) x 512 bt, где N — номер повторной попытки передачи данного кадра: 1, 2, . . . , 10 34

Обработка коллизий (3) • В технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах • Битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле • Для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0, 1 мкс или 100 нс. 35

Обработка коллизий (3) • После 10 -й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается • Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52, 4 мс • Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр 36

Недостаток метода CSMA/CD • Основным недостатком метода доступа CSMA/CD является то, что он вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде • Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным 37

Влияние коллизий на производительность сети Ethernet 38

Время двойного оборота и распознавание коллизий • Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet • Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение: Tmin ≥ PDV, где Tmin - время передачи кадра минимальной длины, PDV (Path Delay Value) - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого 39 дальнего узла сети.

Время двойного оборота и распознавание коллизий (2) • Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV). 40

Время двойного оборота и распознавание коллизий (3) • Для нормального функционирования сети передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра • Выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости 41 распространения сигнала в кабеле

Время двойного оборота и распознавание коллизий (4) • В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт, что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 72 байт или 576 бит • В 10 -мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов • Время двойного оборота должно быть меньше 57, 5 мкс 42

Время двойного оборота и распознавание коллизий (5) • В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий 43

Время двойного оборота и распознавание коллизий (6) • Полученное расстояние называют максимальным диаметром сети • Для всех типов сетей Ethernet оно не должно превышать 2500 м 44

Расчет максимальной производительности сети Ethernet • Производительность сети зависит от скорости передачи кадров по линиям связи и скорости обработки этих кадров коммуникационными устройствами • Скорость передачи кадров по линиям связи зависит от используемых протоколов физического и канального уровней, например Ethernet 10 Мбит/с, Ethernet 100 Мбит/с 45

Расчет максимальной производительности сети Ethernet (2) • Скорость, с которой протокол передает биты по линии связи называется номинальной скоростью протокола. • Для оценки требуемой производительности коммуникационных устройств необходимо оценить производительность сегмента Ethernet, но не в битах в секунду (ее мы знаем — это 10 Мбит/с), а в кадрах в секунду. 46

Расчет максимальной производительности сети Ethernet (3) • На обработку каждого кадра, независимо от его длины, мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно равное время, которое уходит на просмотр таблицы продвижения пакета, формирование нового кадра (для маршрутизатора) • Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка потока кадров минимальной 47 длины

К расчету пропускной способности протокола Ethernet 48

Расчет максимального количества кадров • Размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт или 576 бит, поэтому на его передачу затрачивается 57, 5 мкс • Межкадровый интервал составляет 9, 6 мкс • Период следования кадров минимальной длины составляет 67, 1 мкс • Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 106/67, 1 = 14 903 кадра/с. 49

Расчет количества кадров максимальной длины • Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле данных 1500 байт • Вместе со служебной информацией и преамбулой длина кадра составляет 1526 байт или 12 208 бит или 1220, 7 мкс. • Учитывая межкадровый интервал, период следования кадров составляет 1230, 3 мкс. • Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 106/1230, 3 = 813 кадров/с. 50

Расчет полезной пропускной способности протокола • Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. • Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна: Сп = 14903 х 46 х 8 = 5, 48 Мбит/с. • Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна: Сп = 813 х 1500 х 8 = 9, 76 Мбит/с. 51

Расчет пропускной способности протокола FAST ETHERNET • • • • ************** Размер кадра минимальной длины =74 байт Размер кадра максимальной длины =1526 байт ******************************* ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СЕГМЕНТА FAST ETHERNET для кадров минимальной длины=145518 кадр/с для кадров максимальной длины=8128 кадр/с ************** ПОЛЕЗНАЯ ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СЕГМЕНТА FAST ETHERNET для кадров минимальной длины =53. 5506 Мбит/с для кадров максимальной длины =97. 536 Мбит/с ************** 52

Коэффициент использования сети • Это отношение текущей пропускной способности сети к ее максимальной пропускной способности • Коэффициент использования сети (network utilization) зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0, 976 при передаче кадров максимальной длины 53

54

55

56

57

Адрес сайта • http: //model. exponenta. ru/cl_gva_05. html 58