Технология Ethernet

Министерство  образования и науки РФ

ФГ АОУ ВПО «Уральский федеральный университет

им. Первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Институт радиоэлектроники и информационных технологий – РТФ

Кафедра высокочастотных  средств радиосвязи и телевидения

 

 

Оценка_________________

 

 

 

Технология Ethernet.

 

Реферат по дисциплине «Введение  в специальность»

 

 

Студент гр. РИ – 120501                  ___________________

Свердлов Р.В.

Преподаватель                                                                                                     ___________________

                                                                                                                      Доц.     Соловьянова И.  П.

 

 

Екатеринбург

2012

 

 

Содержание

 

Введение

1. Общая характеристика протоколов локальных сетей

1.1 Стандартная топология и разделяемая среда

1.2 Стек протоколов локальных сетей

1.3 Уровень MAC

1.4 Уровень LLC

2. Метод доступа CSMA/CD

2.1 МАС-адреса

2.2 Доступ к среде и передача данных

2.3 Возникновение коллизии

2.4 Время оборота и распознавание коллизий

3. Форматы кадров технологии Ethernet

4. Спецификации физической среды Ethernet

4.1 Волоконно-оптическая сеть Ethernet

5. Основные достоинства технологии Ethernet

Заключение

Список литературы

 

 

Введение

 

Ethernet – это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой  из вариантов этой технологии, в  которую входят сегодня также FastEthernet, GigabitEthernet и 10GEthernet.

В более узком  смысле Ethernet– это сетевой стандарт передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, который появился в конце 70-х годов как стандарт трех компаний – Digital, Intel и Xerox. В начале 80-х Ethernet был стандартизован рабочей группой IEEE802.3, и с тех пор он является международным стандартом. Технология Ethernet была первой технологией, которая предложила использовать разделяемую среду для доступа к сети.

Локальные сети, являясь пакетными сетями, используют принцип временного мультиплексирования, то есть разделяют передающую среду во времени. Алгоритм управления доступом к среде является одной из важнейших характеристик любой технологии LAN, в значительно большей степени определяющей ее облик, чем метод кодирования сигналов или формат кадра. 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.

 

1.1 Стандартная топология и разделяемая среда

Для упрощения  и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании общей среды передачи данных.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, – случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны. Роберт Меткалф осуществил идею разделяемой среды для проводного варианта технологии LAN. Непрерывный сегмент коаксиального кабеля стал аналогом общей радиосреды. Все компьютеры присоединялись к этому сегменту кабеля по схеме монтажного ИЛИ (рис.1.1), поэтому при передаче сигналов одним из передатчиков все приемники получали один и тот же сигнал, как и при использовании радиоволн.

 

 

Разделяемая среда

Рисунок 1.1 – Разделяемая среда на коаксиальном кабеле

 

1.2 Стек протоколов локальных сетей

Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI– физического и канального (рис. 2.2). Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN– звезда (общая шина), кольцо и дерево.

 

Рисунок 2.2 – Соответствие протоколов LAN уровням модели OSI

 

Канальный уровень  локальных сетей делится на два  подуровня, которые часто также  называют уровнями:

-уровень управления логическим каналом (LogicalLinkControl, LLC);

-уровень управления доступом к среде (MediaAccessControl, MAC).

Функции уровня LLC обычно реализуются программно, соответствующим модулем операционной системы, а функции уровня MAC реализуются программно-аппаратно: сетевым адаптером и его драйвером.

 

1.3 Уровень MAC

Основными функциями  уровня MAC являются:

обеспечение доступа  к разделяемой среде;

передача кадров между конечными узлами, используя  функции и устройства физического  уровня.

Метод случайного доступа является одним из основных методов захвата разделяемой среды. Он основан на том, что узел, у которого есть кадр для передачи, пытается его отправить без какой бы то ни было предварительной процедуры согласования времени использования разделяемой среды с другими узлами сети.

Метод случайного доступа является децентрализованным, он не требует наличия в сети специального узла, который играл бы роль арбитра, регулирующего доступ к среде. Результатом  этого является высокая вероятность  коллизий, то есть случаев одновременной передачи кадра несколькими станциями.

Еще один способ случайного доступа - ведение процедуры прослушивания среды перед передачей. Узел не имеет права передавать кадр, если он обнаруживает, что среда уже занята передачей другого кадра. Это снижает вероятность коллизий.

Максимальное время ожидания доступа к среде всегда известно.

Алгоритмы детерминированного доступа используют два механизма – передачу токена и опрос.

Передача токена обычно реализуется  децентрализовано. Каждый компьютер, получивший токен, имеет право на использование разделяемой среды в течение фиксированного промежутка времени – времени удержания токена. В это время компьютер передает свои кадры. После истечения этого промежутка компьютер обязан передать токен другому компьютеру. Таким образом, если мы знаем количество компьютеров в сети, то максимальное время ожидания доступа равно произведению времени удержания токена на это число. Время ожидания может быть и меньше, поскольку, если компьютер, получивший токен, не имеет кадров для передачи, то он передает его следующему компьютеру, не дожидаясь истечения времени удержания.

Алгоритмы опроса чаще всего  основаны на централизованной схеме. В  сети существует выделенный узел, который  играет роль арбитра в споре узлов  за разделяемую среду. Арбитр периодически опрашивает остальные узлы сети, есть ли у них кадры для передачи. Собрав заявки на передачу, арбитр решает, какому узлу он предоставит право использования разделяемой среды. Затем он сообщает свое решение выбранному узлу, и тот передает свой кадр, захватывая разделяемую среду. После завершения передачи кадра фаза опроса повторяется.

Алгоритм опроса может  быть также децентрализованным. В  этом случае все узлы должны предварительно сообщить друг другу с помощью  разделяемой среды свои потребности в передаче кадров. Затем на основе этой информации и в соответствии с определенным критерием каждый из узлов, желающих передать кадр, независимо от других узлов определяет свою очередь в последовательности передач.

Алгоритмы детерминированного доступа отличаются от алгоритмов случайного доступа тем, что они более эффективно работают при большой загрузке сети, когда коэффициент использования приближается к единице. В то же время при небольшой загрузке сети более эффективными являются алгоритмы случайного доступа, так как они позволяют передать кадр немедленно, не тратя время на процедуры определения права доступа к среде.

 

1.4 Уровень LLC

Уровень LLC выполняет две функции:

-организует интерфейс с прилегающим к нему сетевым уровнем;

-обеспечивает доставку кадров с заданной степенью надежности.

Интерфейсные функции  LLC заключаются в передаче пользовательских и служебных данных между уровнем MAC и сетевым уровнем. При передаче данных сверху вниз уровень LLC принимает от протокола сетевого уровня пакет (например, IP- или IPX-пакет), в котором уже находятся пользовательские данные. Также передается адрес узда назначения в формате той технологии LAN, которая будет использована для доставки кадра в пределах данной локальной сети. Полученные от сетевого уровня пакет и аппаратный адрес уровень LLC передает далее вниз – уровню MAC. Кроме того, LLC при необходимости решает задачу мультиплексирования, передавая данные от нескольких протоколов сетевого уровня единственному протоколу уровня MAC.

При передаче данных снизу вверх LLC принимает от уровня MAC пакет сетевого уровня, пришедший из сети. Теперь ему нужно выполнить еще одну интерфейсную функцию – демультиплексирование, то есть решить, какому из сетевых протоколов передать полученные от MAC данные (рис. 2.3).

 

Рисунок 2.3 -Демультиплексирование кадров протоколом LLC

 

Для демультиплексирования  данных LLC использует в своем заголовке специальные поля (рис. 2.4). Поле DSAP (Destination Service Access Point – точка входа службы приемника) используется для хранения кода протокола, которому адресовано содержимое поля данных. Соответственно, поле SSAP (Source Service Access Point – точка входа службы источника) используется для указания кода протокола, от которого посылаются данные.

 

Рисунок 2.4 – Формат LLC-кадра

 

Обеспечение доставки кадров с заданной степенью надежности – вторая основная функция уровня LLC. Протокол LLC поддерживает несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся надежностью доставки. Уровень LLC, непосредственно прилегающий к сетевому уровню, принимает от него запрос на выполнение транспортной операции канального уровня с тем или иным качеством.

Уровень LLC предоставляет верхним уровням три типа транспортных услуг.

Услуга LLC1 – услуга без установления соединения и без подтверждения получения данных.LLC1 дает пользователю средства для передачи данных с минимумом издержек. В этом случае LLC поддерживает дейтаграммный режим работы, как и MAC, так что и технология LAN в целом работает в дейтаграммном режиме.

Услуга LLC2 – дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока блоков в рамках установленного соединения.

Услуга LLC3 – услуга без установления соединения, но с подтверждением получения данных.Используется в случаях, когда с одной стороны, временные издержки установления логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а, с другой стороны, подтверждение о корректности приема переданных данных необходимо.

 

2. Метод доступа CSMA/CD

Метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – многостанционный доступ с контролем канала / обнаружением конфликтов) используется для доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet.

Этим термином обозначается принцип, согласно которому протокол Ethernet управляет обменом информацией  между узлами.

2.1 МАС-адреса

На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передачу кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом IEEE802.3 уникальные 6-байтовые адреса, называемые МАС-адресами. Каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один МАС-адрес.

Помимо отдельных интерфейсов, МАС-адрес может определять группу интерфейсов или даже все интерфейсы сети. Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения является признаком  того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0,то адрес является индивидуальным, то есть идентифицирует один сетевой интерфейс, а если 1,то групповым. Групповой адрес связан только с интерфейсами, сконфигурированными как члены группы, номер которой указан в групповом адресе. Если сетевой интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным МАС-адресом с ним ассоциируется еще один адрес – групповой.

Второй бит старшего байта  адреса определяет способ назначения адреса – централизованный или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), то адрес назначен централизованно по правилам IEEE802.

В стандартах IEEE Ethernet младший бит байта изображается в самой левой позиции поля, а старший бит – в самой правой. Этот нестандартный способ отображения порядка следования битов в байте соответствует порядку передачи битов в линию связи передатчиком Ethernet(первым передается младший бит).

Комитет IEEE распределяет между  производителями оборудования так  называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Uniquedentifier, OUI). Каждый производитель помещает выделенный ему идентификатор в три старших байта адреса. За уникальность младших трех байтов адреса отвечает производитель оборудования. Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить примерно 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации.

 

2.2 Доступ к среде и передача данных

Предполагая для  простоты изложения, что каждый узел (станция) имеет только один сетевой  интерфейс, рассмотрим, как на основе алгоритма CSMA/CD происходит передача данных в сети Ethernet.

Все компьютеры в сети с  разделяемой средой имеют возможность  немедленно (с учетом задержки распространения  сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду. Говорят, что среда, к которой подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, МА).

Чтобы получить возможность  передавать кадр, интерфейс-отправитель  должен убедиться, что разделяемая  среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (Carrier Sense, CS).

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. В примере, показанном на рис. 3.1, узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле 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 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Последний байт носит название ограничителя начала кадра. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с передатчиком. Наличие двух единиц, идущих подряд, говорит приемнику о том, что преамбула закончилась и следующий бит является началом кадра.