Коммутируемый Ethernet Сети и системы телекоммуникаций Созыкин А.В.

ИМКН УрФУ2 План Классический и коммутируемый Ethernet Концентратор и коммутатор Основы коммутации Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet Дополнительные функции коммутаторов

ИМКН УрФУ3 Типы Ethernet Классический Ethernet Исторически появился первый Разделяемая среда Метод CSMA/CD Коммутируемый Ethernet Новая усовершенствованная технология Нет разделяемой среды Нет коллизий

ИМКН УрФУ4 Недостатки классического Ethernet Плохая масштабируемость: Сеть становится неработоспособной при загрузке общей среды больше, чем на 30% Работоспособное количество компьютеров - 30 При увеличении скорости передачи уменьшается длина сети: Сокращается время оборота Разное время доставки кадра: Причина – коллизии Плохо для трафика реального времени Низкая безопасность: Данные в разделяемой среде доступны всем

ИМКН УрФУ5 Пути развития Ethernet Сохранение метода CSMA/CD Увеличение скорости Добавление коммутируемого Ethernet Результат: FastEthernet (IEEE 802.3u) Усовершенствование метода доступа к разделяемой среде: Приоритетный доступ по требованию Разработчики: HP и AT&T Результат: 100VG-AnyLAN (IEEE ) Не используется на практике

ИМКН УрФУ6 Коммутация Причина проблем классического Ethernet – разделяемая среда передачи данных Чтобы решить проблемы – нужно перейти от разделяемой среды к соединениям точка-точка Для этого применяются специальные устройства – коммутаторы (switch)

ИМКН УрФУ7 Коммутаторы и концентраторы Концентратор (hub) Топология – общая шина Физический уровень Коммутатор (switch) Полносвязная топология Канальный уровень

ИМКН УрФУ8 Концентратор и коммутатор Концентратор работает на физическом уровне Выполняет электрическое соединение Не вникает в содержание кадров Коммутатор работает на канальном уровне: Анализирует содержимое кадров Извлекает адрес получателя Передает кадр только одному получателю

ИМКН УрФУ9 Алгоритм прозрачного моста Мост – устройство для объединения нескольких сетей Предшественник коммутатора Алгоритм прозрачного моста Прозрачный мост: Не заметен для сетевых устройств Не требует настройки

ИМКН УрФУ10 Алгоритм прозрачного моста Коммутатор: Мост с большим количеством портов Алгоритм работы как у моста Порты коммутатора не имеют своих MAC- адресов Коммутатор принимает все пакеты, поступающие на порт Маршрутизаторы такие адреса имеют Коммутатор знает, какие MAC-адреса к какому компьютеру подключены

ИМКН УрФУ11 Таблица коммутации Содержит данные о доступности MAC- адресов через порты коммутатора Порт коммутатораMAC-адрес 11C D B3-A7-49-D AC-85-E7-03

ИМКН УрФУ12 Таблица коммутации Типы записей в таблице коммутации: Статические – создаются вручную администраторами Динамические – создаются автоматически Алгоритм обратного обучения (backward learning): Коммутатор принимает все кадры, поступающие на порт По адресу отправителя в кадре коммутатор узнает, какие компьютеры подключены к порту

ИМКН УрФУ13 Алгоритм прозрачного моста Коммутатор получает кадр на порт с номером N и читает MAC-адрес получателя Коммутатор проверяет, есть ли MAC-адрес в таблице коммутации Если адрес есть, то коммутатор пересылает кадр на тот порт, через который доступен данный адрес Если адреса нет, то коммутатор передает кадр на все порты, кроме N

ИМКН УрФУ14 Алгоритм прозрачного моста ПортMAC-адрес 11C D B3-A7-49-D AC-85-E7-03 … Коммутатор Таблица коммутации Адрес получателя B3-A7-49-D1 Адрес получателя B3-87-A0-E6

ИМКН УрФУ15 Коммутация и коллизии К каждому порту коммутатора подключен только один компьютер/коммутатор Режим работы: Полный дуплекс – коллизии не возникают Полудуплекс – коллизия может возникнуть, если компьютер и коммутатор одновременно решат передавать данные

ИМКН УрФУ16 Коммутаторы и CSMA/CD К порту коммутатора может быть подключен концентратор Общая среда передачи, подключенная к порту коммутатора Коллизии возникают, как в классическом Ethernet

ИМКН УрФУ17 Типы коммутации Сквозная (напролет, в реальном времени, on the fly) C промежуточной буферизацией (с запоминанием, store-and-forward) Параллельная коммутация

ИМКН УрФУ18 Сквозная коммутация Коммутатор начинает принимать кадр на одном из портов Приняв первые 6 байт кадра, коммутатор определяет адрес получателя Если порт получателя свободен, коммутатор сразу начинает передавать данные получателю Преимущество: высокая скорость

ИМКН УрФУ19 Коммутация с буферизацией Если порт получателя занят, коммутатор записывает кадр во внутренний буфер После того, как порт получателя освободится, кадр пересылается из буфера Недостаток: задержка при передаче кадра Преимущество: работает, даже если порт получателя занят

ИМКН УрФУ20 Параллельная коммутация

ИМКН УрФУ21 Параллельная коммутация Коммутатор может передавать данные на разные порты параллельно, предоставляя каждому компьютеру выделенную пропускную способность канала Существенно повышает производительность работы сети Пример на предыдущем слайде: Сеть FastEthernet 100 Мб/с 4 параллельных потока кадров, 400 Мб/с суммарно Концентратор обеспечил бы только 100 Мб/с с коллизиями

ИМКН УрФУ22 Неблокирующие коммутаторы Неблокирующий коммутатор передает данные через порты с той же скоростью, с которой они поступают Средний входной поток кадров равен среднему выходному потоку кадров В противном случае кадры заполняют буфер и отбрасываются

ИМКН УрФУ23 Перегрузки Интернет

ИМКН УрФУ24 Управление потоком Для предотвращения перезарузок в Ethernet включили функцию управления потоком Стандарт IEEE 802.3x, 1997 г. Единственная функция Pause – приостановка передачи кадров отправителем на некоторое время Специальный тип кадра Ethernet Поле тип: Формат подуровня управления MAC Код операции PAUSE: (других пока нет) Можно задать время паузы

ИМКН УрФУ25 Управление потоком Что делать, если большой поток данных отправляет коммутатор? Какой MAC-адрес использовать в пакете с операцией PAUSE? Есть специально зарезервированный для этой цели групповой MAC-адрес: С

ИМКН УрФУ26 Магистральные порты (uplink) Интернет 100 Мб/с Гб/с

ИМКН УрФУ27 Скоростные Ethernet Fast Ethernet – 100 Мб/с Gigabit Ethernet – 1 Гб/с 10G Ethernet – 10 Гб/с Экспериментальные версии – 40 и 100 Гб/с

ИМКН УрФУ28 Fast Ethernet Появился в 1995 г. Стандарт IEEE 802.3u Скорость 100 Мб/с Изменения только в физическом уровне Канальный уровень (MAC и LLC) без изменений

ИМКН УрФУ29 Типы физического уровня Fast Ethernet 100BaseTX – витая пара категории 5 (две пары) 100BaseT4 – витая пара категории 3 (четыре пары) 100BaseFX – оптический кабель (два оптоволокна)

ИМКН УрФУ30 Кодирование в Fast Ethernet Избыточные коды: 4B/5B (100Base-TX и 100Base-FX) 8B/6T (100Base-T4) Потенциальные коды: NRZI (100Base-FX) MLT-3 (100Base-TX)

ИМКН УрФУ31 Кодирование в Fast Ethernet

ИМКН УрФУ32 Кодирование в Fast Ethernet Источник: Александр Воловодов. От тактовой частоты до информационной магистрали // Сети и системы связи, июль 1999 г.

ИМКН УрФУ33 Синхронизация Признак свободной среды в FastEthernet – передача запрещенного символа избыточного кода: Idle (1111) Другие управляющие символы: Начало кадра – пара символы J (11000) и K (10001) Конец кадра – символ T (01101)

ИМКН УрФУ34 Схема автопереговоров Режимы работы устройств Fast Ethernet: Скорость: 100 Мб/с или 10 Мб/с Дуплексный или полудуплексный режим Переговоры начинаются при подключении устройства Устройство предлагает режим в соответствии с приоритетом 10Мб/с полудуплекс – низший, 100Мб/с дуплекс – высший) Если другое устройство поддерживает данный режим, оно отвечает подтверждением В противном случае выбирается более медленный режим

ИМКН УрФУ35 Параметры сети Fast Ethernet Битовый интервал: 10 нс Межкадровый интервал: 0,96 мкс Максимальная длина сегмента: 100 м (витая пара) 2 км (оптоволокно, коммутируемый режим)

ИМКН УрФУ36 Gigabit Ethernet Появился в 1998 г. Скорость 1 Гб/с Стандарты IEEE: 802.3z – Gigabit Ethernet на оптике 802.3ab – Gigabit Ethernet на витой паре Проблемы создания: Обеспечить приемлемую длину сети (длина 25 м без изменения параметров методы CSMA/CD) Достижение скорости 1Гб/с

ИМКН УрФУ37 Увеличение длины сети Минимальная длина кадра увеличена до 512 байт Расширение – оборудование расширяет кадр до 512 байт, добавляя нули после контрольной суммы Добавление и удаление выполняется аппаратурой, ПО не меняется Пакетная передача кадров: Компьютер может передать несколько кадров друг за другом, но не более 8192 байт

ИМКН УрФУ38 Скорость 1 Гб/с Оптоволокно: Избыточное кодирование 8B/10B Потенциальное кодирование NRZI Витая пара категории 5: Используются все 4 пары Данные передаются в обе стороны по каждой паре с использованием DSP (Digital Signal Processor) Метод кодирования: PAM5

ИМКН УрФУ39 Кодирование PAM5 Источник: Александр Воловодов. От тактовой частоты до информационной магистрали // Сети и системы связи, июль 1999 г.

ИМКН УрФУ40 Типы физического уровня Gigabit Ethernet 1000Base-SX – оптоволокно (короткие волны, 850 нм). Длина до 550 м. 1000Base-LX – оптоволокно (длинные волны, 1300 нм). Длина до 5 км. 1000Base-T – витая пара. Длина до 100 м.

ИМКН УрФУ41 Схема автопереговоров Схема автопереговор расширена Поддерживаются скорости: 10 Мб/с 100 Мб/с 1 Гб/с Режимы передачи: Полудуплексный Дуплексный

ИМКН УрФУ42 10G Ethernet Появился в 2006 г. Скорость 10 Гб/с Стандарт IEEE 802.3ae Существенные изменения: Только коммутируемый режим работы Не используются расширения кадра Gigabit Ethernet (коллизий не бывает) Изменения только в физическом уровне

ИМКН УрФУ43 Типы физического уровня 10G Ethernet 10GBase-SR – оптоволокно (короткие волны, 850 нм). Длина до 300 м. 10GBase-LR – оптоволокно (длинные волны, 1300 нм). Длина до 10 км. 10GBase-ER – оптоволокно («расширенные» волны, 1550 нм). Длина до 40 км. 10GBase-T – витая пара категории 6a. Длина до 100 м.

ИМКН УрФУ44 Кодирование 10G Ethernet Оптоволокно: 64B/66B Медь: PAM-16

ИМКН УрФУ45 Конкуренты Ethernet В настоящее время Ethernet является единственной популярной технологией проводных локальных сетей Альтернативные технологии (FDDI, Token Ring, 100VG-AnyLAN) не выдержали конкуренцию c Ethernet: Причины успеха Ethernet: Простое и дешевое оборудование Постоянное увеличение скорости Обратная совместимость

ИМКН УрФУ46 Дополнительные функции коммутаторов Виртуальные локальные сети (VLAN) Связующее дерево (Spaning Tree) Агрегация каналов

ИМКН УрФУ47 Виртуальные локальные сети Виртуальные локальные сети (Virtual local area networks, VLAN) – технология разделения единой сети на несколько логических сетей, изолированных друг от друга Типы VLAN: На основе коммутатора (нетеггированные) Теггированные

ИМКН УрФУ48 VLAN на основе коммутатора

ИМКН УрФУ49 VLAN между коммутаторами + Тэги

ИМКН УрФУ50 Тип Стандарт IEEE 802.1q Адрес отправителя 6 байт Адрес получателя 6 байт2 байта 4 байта CRC байт ДанныеТип 2 байта Тег Поле Тип стандартного кадра : 0x8100 – указатель, что кадр с VLAN Тег – содержит номер VLAN Второе поле Тип – код протокола уровня выше

ИМКН УрФУ51 Связующее дерево Возможно ли такое соединение коммутаторов?

ИМКН УрФУ52 Связующее дерево Надежность: Случайно достали/Сломался кабель Сломался порт Сломался коммутатор Недостатки: Ethernet не допускает нескольких соединений Кадры будут бесконечно переходить из коммутатора в коммутатор

ИМКН УрФУ53 Связующее дерево Spanning Tree – технология автоматического отключения дублирующих путей

ИМКН УрФУ54 Агрегирование каналов 3 x 1 Гб/с = 3 Гб/с

ИМКН УрФУ55 Итоги Классический и коммутируемый Ethernet Концентратор и коммутатор Основы коммутации Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet Дополнительные функции коммутаторов

ИМКН УрФУ56 Вопросы?