Ethernet Основы Ред.01 от 26_03_2012 г. I

Развитие Ethernet и IEEE : Ethernet разработан исследовательским центром Xerox Palo Alto Research Center 1980: Компаниями DEC, Intel и Xerox разработана спецификация 10 Мбит/с 1985: Принят стандарт IEEE * 1995: Стандартизован 100 Мбит/с Fast Ethernet (IEEE 802.3u) * 1998: Предложен стандарт 1 Гбит/с Gigabit Ethernet 1999: Начата разработка стандарта 10 Гбит/с Ethernet 2/36

Первая схема Ethernet 3/36

Формат кадра Ethernet PA : Преамбула – для синхронизации SFD : Начальный ограничитель кадра – DA : MАC адрес получателя SA : MАC адрес отправителя LEN : Длина (количество бит данных) Type : Идентификатор вышестоящего протокола LLC PDU + pad : минимум 46 байт, максимум 1500 FCS : Поле контрольной суммы – CRC32 4/36

MAC адрес Ethernet I/G = 0 : Индивидуальный адрес I/G = 1 : Групповой адрес U/L =0 : Глобально управляемый адрес U/L =1 : Локально управляемый адрес Unicast : только один получатель Broadcast : широковещательный адрес (FFFFFFFF рассылается всем узлам сети) Multicast : группа получателей 5/36

Архитектура Ethernet 6/36

ТипКабельМакс. длинаУзлы/Сегменты 10Base5«толстый» коаксиал 500 м100 10Base2«тонкий» коаксиал 185 м30 10BaseTвитая пара100 м1 10BaseFPоптика1 км33passive fiber 10BaseFLоптика2 км1p2p 10BaseFBоптика2 км1p2p 10Broad36коаксиал3.6 км?broadband Типы кабеля IEEE /36

10Base5 Tap : устройство подключения кабеля Transсeiver : прием/передача, определение коллизий AUI : Attachment Unit Interface – 5-парный кабель до 50 м 8/36

10Base2 Tap : BNC коннектор (нет AUI кабеля) Проще и дешевле чем «толстый» коаксиал, однако выше затухание в кабеле 9/36

10BaseТ Используется витая пара (3, 4 или 5 категории) Хаб функционирует как повторитель Меньше проблем с кабелем Длина кабеля ограничена 100 м из-за высокого затухания 10/36

10BaseF Спецификация 10BaseF позволяет организовать передачу на дальние расстояния с использованием оптического волокна. Различают три стандарта: 10BaseFP - 10 Мбит/с, топология «звезда», нет повторителей, максимальная длина сегмента до 500 м 10BaseFL – асинхронное соединение «точка-точка» между станцией и хабом или повторителем (до 2 км) 10BaseFB – синхронное соединение «точка-точка» между повторителями (до 2 км), допускается каскад повторителей. Сигнал ресинхронизируется на каждом повторителе. 11/36

Кодирование сигнала Применяется манчестерское кодирование 0 : переход с высокого на низкий потенциал 1 : переход с низкого на высокий потенциал 12/36

Метод CSMA Carrier Sense : детектирование несущей (прежде чем начать передачу, станции прослушивают среду) Multiple Access : множественный доступ (в одно время могут обращаться несколько станций) 13/36

Коллизия Несколько станций могут посылать кадры в одно время… Как станция узнает о возникновении коллизии? Что делает станция после коллизии? 14/36

Как узел определяет коллизию? Трансивер: Мониторинг среды в процессе передачи. Если измеренная мощность превышает мощность передатчика + отражение собственного сигнала, то это служит индикатором коллизии. Хаб: Если сигнал появляется одновременно на двух портах, то это признак коллизии. Тогда хаб посылает сигнал наличия коллизии на все свои порты. Сигнал появляется на двух портах На все порты подается сигнал «collision presence» 15/36

Повторная передача Правило экспоненциальной задержки (backoff rule): Выбираем k = 0 или 1 случайным образом ждем k x 51.2 мкс, затем передаем кадр, если среда свободна Если коллизия, то выбираем k = 0, 1, 2 или 3 ждем k x 51.2 мкс, … Если коллизия, то выбираем k = 0…7 ждем k x 51.2 мкс, … Если коллизия, то выбираем k = 0…15 ждем k x 51.2 мкс и т.д. … 16/36

Повторная передача Удваиваем временной интервал до тех пор, пока не отправим кадр или же k примет значение 0…1023 Если кадр не удалось передать после 16 попыток подряд, то прекращаем дальнейшие попытки и информируем о сбое. 17/36

Алгоритм отката 18/36

Правила определения коллизии 1.Станция должна прослушивать среду (кабель) во время передачи, чтобы определить коллизию. 2.Размер кадра должен быть не менее 64 байт (512 бит, 51.2 мкс), чтобы отправитель «услышал» коллизию до окончания передачи. 3.Если определена коллизия, то посылается короткий jamming сигнал и все станции ждут какое-то время перед повторной передачей. 19/36

Минимальный размер кадра Время на посылку кадра должно превышать 2t, чтобы предотвратить ситуацию, когда отправитель ошибочно посчитает, что кадр успешно отправлен. Этот интервал равен 51,2 мкс и соответствует 512 бит (64 байт). Минимальная длина кадра составляет 64 байт (без преамбулы), отсюда следует, что поле данных должно быть не менее 46 бит ( = 64). 20/36

Наихудшие условия определения коллизии Примем задержку на повторителе равной 1 мкс, а на трансивере 0.5 мкс 5 сегментов х 500м2500м / 0.77 с10.8 мкс 4 повторителя4 х 1 мкс 4.0 мкс 9 х 50м AUI кабелей450м / 0.65 с 2.3 мкс 9 трансиверов9 х 0.5 мкс 4.5 мкс Итого в одну сторону:21.6 мкс 21/36

Наихудшие условия определения коллизии Таким образом суммарное время прохождения сигнала составит 43.2 мкс. Учитывая некоторую задержку в оборудовании, IEEE выбрала в качестве времени обнаружения коллизий интервал в 51.2 мкс (512 бит). Отсюда следует минимальный размер кадра в 512 бит (64 байт). 22/36

Late Collision Происходит после того, как отправитель закончил передачу до обнаружения сигнала «коллизия». Возможные причины: слишком длинный кабель слишком много повторителей между станциями Решение: Вышестоящий протокол должен определить потерю пакета и запросить повторную передачу. 23/36

Межкадровый интервал Отправитель должен ждать 96 бит между кадрами, чтобы дать возможность другим станциям передавать данные. 96 бит эквивалентны 9.6 мкс для 10 Мбит/с Ethernet 24/36

Алгоритм посылки кадра 25/36

Алгоритм приема кадра 26/36

Производительность Ethernet Таненбаум (1996) определил загруженность как функцию от n (число станций) и F (средний размер кадра): 27/36

Скорость Ethernet и время обнаружения коллизии Таким образом, не учитывая задержку на повторители или сетевые интерфейсы, наибольший размер сети определится как: СкоростьMin кадрMin времяMax длина 10 Мбит/с64 байт51.2 мкс5,120 м 100 Мбит/с64 байт5.12 мкс 512 м 1 Гбит/с64 байт0.512 мкс 51 м 28/36

Fast Ethernet (IEEE 802.3u) Скорость передачи 100 Мбит/с Формат кадра, правила доступа к среде и определения коллизии аналогично стандарту 10 Мбит/с Возможно сочетание 10 Мбит/с и Fast Ethernet в одной сети с помощью коммутатора (свитч) или хаб+свитч Минимальный размер кадра 64 байт – 5.12 мкс время передачи Межкадровый интервал 96 бит – 0.96 мкс Размер сети Fast Ethernet меньше в сравнении с 10 Мбит/с В качестве среды передачи используется витая пара или оптика (коаксиальный кабель не применяется) 29/36

Компоненты 100BaseT 30/36

Компоненты 100BaseT 31/36

Архитектура 100BaseT 32/36

Ethernet MAC 33/36

Ethernet PHY 34/36

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) Формат кадра, правила доступа к среде и определения коллизии аналогичны предыдущим стандартам Минимальный размер кадра 64 байт и 96 бит межкадровый интервал Возможно сочетание 10, 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet в одной сети (но не в одном кабеле) с помощью коммутатора Для диаметра сети 200 м (UTP) минимальное время передачи = 512 байт В качестве среды передачи используется витая пара или оптика 35/36

Среды передачи Gigabit Ethernet 36/36