Ethernet

2018-04-03T09:08:44Z

178.161.238.124: /* Стандарты Ethernet */

==Ethernet==
'''Ethernet''' — доминирующая технология проводных локальных сетей. Роберт Метклаф изобрел её в 1973году в Xerox для того, чтобы к одному лазерному принтеру подключить как можно больше компьютеров. 
В последствии Xerox, DEC, Intel решают использовать Ethernet в качестве стандартного сетевого решения (Ethernet II). 
В 1982 выходит спецификация IEEE 802.3 для стандартизации Ethernet.

'''Место Ethernet в модели OSI''' 
[[Файл:ethosi.png]]

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ Типы Ethernet
|-
! Название !! Скорость !! Кабель !! Стандарт
|-
| Ethernet || 10Mb/s || Толстый, тонкий коаксиал, Витая пара, оптика || 802.3
|-
| Fast Ethernet || 100Mb/s || Витая пара, оптика || 802.3u
|-
| Gigabit Ethernet || 1Gb/s || Витая пара, оптика || 802.3z, 802.3ab
|-
| 10G Ethernet || 10Gb/s || Витая пара, оптика || 802.3ae, 802.3an
|}

Есть 2 технологии Ethernet:

1. Классический Ethernet
* Разделяемая среда
* Ethernet - Gigabit Ethernet
2. Коммутируемый Ethernet
* Точка-точка
* Появился в Fast Ethernet
* Единственный вариант в 10G Ethernet

== Классический Ethernet ==
В качестве общей шины использовался коаксиальный кабель. В дальнешем такая схема была заменена на концентраторы Ethernet (hub). 
* Физическая топология – звезда 
* Логическая топология – общая шина 
Компьютеры подключаются к концентратору с помощью витых пар, но внутри – общая шина, то есть все данные, которые приходят на один порт, передаются на все остальные порты. 

Для идентификации сетевых интерфейсов узлов внутри сети Ethernet используются [http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=Data_link_layer_-_MAC_-_Aloha,_CSMA#MAC_-_.D0.B0.D0.B4.D1.80.D0.B5.D1.81 MAC-адреса]. Очевидно, что они должны быть уникальны в одном сегменте сети. Если несколько имеют один и тот же MAC, то один из них работать не будет и какой именно не регламентировано.

== Стандарты Ethernet ==
* Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox
* Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC
* IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet
Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба.
(''Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных'')
[[Файл:ethtypes.png]] 
'''Ether Types:'''
* 0800 — IPv4
* 86DD — IPv6
* 0806 — ARP 
'''Поле данных:'''
* Максимальная длина в 1500байт была выбрана разработчиками достаточно произвольно. В то время память была дорогая и этого оптимально хватало. Существуют различные расширения (JumboFrame позволяет передавать до 9000байт)
* Минимальная длина в 46байт — ограничение стандарта, об этом будет сказано ниже

== Коллизии ==

{{Определение
|definition=
'''Коллизия''' наложение двух и более кадров, передающихся компьютерами в один и тот же момент времени
}}
[[Файл:ethcollis.jpg]] 
Необходимо обеспечить использование канала только одним отправителем
 
Классический Ethernet использует для этого метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, Множественный доступ с прослушиванием несущей частоты и распознаванием коллизий). Компьютеры прослушивают несущую частоту и передают данные только если среда свободна. Классический Ethernet использует манчестерское кодирование. Несущаяя частота 10-20MHz
[[Файл:manchester.png]] 
 
'''Обнаружение коллизий''' 
[[Файл:CSMA-CD.jpg]] 
Компьютер передает и принимает сигналы одновременно и если принятый сигнал отличается от переданного – значит, возникла коллизия. В таком случае компьютеры останавливают передачу данных и передают в среду так называемую Jam-последовательность – специальный сигнал, который очень сильно искажает данные в сети и гарантирует, что все остальные компьютеры распознают коллизию и прекратят передачу данных. 
Если в среде нет несущей частоты, то компьютер может начинать передачу данных. При передаче перед данными следует преамбула. Она состоит из 8 байт и служит для синхронизации источника и передатчика. Первые 7 байт – 10101010, последний, 8ой байт – 10101011(последние 2 единицы – ограничитель между преамбулой и данными). После самого кадра следет межкадровый интервал (9.6мкс). Он нужен для предотвращения монопольного захвата канала и приведения сетевых адаптеров в исходное состояние.
 
'''Передача кадра'''
 
Компьютер передает кадр в общую среду и каждый компьютер, к ней подключенный начинает принимать его и записывать в буффер.
 
Первые 6 байт – это адрес получателя. Если очередной компьютер узнает в нем свой, то продолжает записывать кадр, остальные – удаляют его из буффера. Но есть специальный режим сетевого адаптера – promiscuous mode (неразборчиый режим), в котором адаптер принимает все кадры в сети, независимо от MAC-адреса назначения. Он используется для мониторинга или диагностики сети.

'''Период конкуренции'''
 
Если компьютер начал передавать данные и обнаружил коллизию, то он делает паузу длительностью L * 512 битовых интервалов (время, необходимое для передачи одного бита, которое при скорости передачи 10 Мбит/с составляет 0,1 мкс). L случайно выбирается из диапазона [0, 2**N – 1], где N – номер попытки. После 10 попыток интервал не увеличивается, а после 16 передача прекращается.

Такой алгоритм хорошо работает при низкой загрузке:
* В сети мало компьютеров
* Компьютеры редко передают данные 
Если же нагрузка высокая, то очевидные проблемы:
* Растет число попыток передачи
* Растет интервал, сз которого выбирается L, и следовательно длительность пауз
* Экспоненциально увеличивается задержка 
{{Определение
|definition=
'''Время оборота (Round trip time, RTT)''' время, за которое сигнал успевает дойти от одного конца сети в другой и вернуться назад.
}}
Существует классическое ограничение – время оборота должно быть меньше времени передачи самого короткого кадра. Иначе произойдет коллизия, которую не заметит отправитель. (Сигнал о коллизии может прийти уже после того, как компьютер завершил передачу кадра и он будет считать, что кадр передан, а на самом деле произошла коллизия).
 
Параметры Ethernet подобраны таким образом, чтобы коллизии гарантированно распозновались:
* Минимальная длина – 46 байт (иначе – выравнивание)
* Максимлаьная длина сети 2500м

Недостатки классического Ethernet:
* Плохая масштабируемость:
** Сеть становится неработоспособной при загрузке разделяемой среды больше, чем на 30%
** Работоспособное количество компьютеров – 30
* При увеличении скорости передачи уменьшается длина сети (для снижения RTT)
* Разное время передачи кадра (из-за коллизий, для real-time трафика – это плохо)
* Низкая безопасность – данные в разделяемой среде доступны всем.

==Коммутируемый Ethernet==
Это новая усовершенственная технология, появилась в 1995году, спецификация IEEE 802.3u. 
В ней нет разделяемой среды и используется топология “точка-точка”. Для этого придумали новый тип сетевых устройств – коммутаторы. 
Внешне концентратор(для классического Ethernet) и коммутатор почти не отличаются, но внутренее отличие очень большое: концентратор использует топологию “общая шина”, коммутатор же – полносвязную топологию. Концентратор работает на физическом уровне, он передает электрические сигналы, которые поступают на один порт, на все порты. Коммутатор работает на канальном уровне: он анализирует заголовок канального уровня, извлекает адрес получателя и передает данные только на тот порт, к которому подключен получатель. 
'''Особенности работы коммутаторов''' 
В нем хранится таблица коммутации: соответствие порта и MAC-адреса. Для ее заполнения используется алгоритм обратного обучения. Коммутатор анализирует заголовки канального уровня, извлекает адрес отправителя и заполняет таблицу.
{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ Таблица коммутации
|-
! Номер порта !! MAC-адрес
|-
| 1 || A1-B2-C3-D4-C5-F6
|-
| 2 || 1A-2B-3C-4D-5C-6F
|-
| 3 || AA-BB-CC-DD-EE-FF
|}
''В реальности в этой таблице может хранится еще другая мета-информация (например, состояние порта, номер vlan и т.п.)'' 
Для передачи кадров внутри коммутатора используется '''алгоритм прозрачного моста'''. 
{{Определение
|definition=
'''Мост''' устройство для объединения нескольких сетей.
}}
Использовались они в классическом Ethernet-e для уменьшения числа коллизий для больших сетей. Принцип был таков: мост подключается к двум сегментам сети и пропускает данные через себя, только если они передаются из одного сегмента сети в другой.
 [[Файл:ethbridge.png]] 
В коммутаторах для передачи данных используется так называемый алгоритм прозрачного моста (мост, который незаметен для сетевых устройств(у него нет своего MAC-адреса) и не требует настройки). По сути, коммутатор и есть некий большой прозрачный мост с множеством портов. 
Сам алгоритм предельно прост: на какой-то порт приходят данные, мы извлекаем адрес получателя из заголовка, смотрим в таблицу коммутации: 
1. В таблице есть соответствие порту для этого MAC-адреса – передаем даные на него. 
2. В таблице нет соответствия порту для этого MAC-адреса (например, с соответствующего компьютера еще не поступало данных) – передаем данные на все порты – по такой же схеме, как работает концентратор. 
С такой технологией, очевидно, безлпасность выше, так как данные передаются только непосредственно получателю.

==Simplex, Half Duplex, Full Duplex==
{{Определение
|definition=
'''Симплексная передача''' передача, которая происходит ''только в одном'' направлении.
}}{{Определение
|definition=
'''Полудуплексная передача''' передача, которая возможна в двух направлениях, но в один момент времени только в одном из них.
}}{{Определение
|definition=
'''Полнодуплексная передача''' передача, которая возможна в двух направлениях в любой момент времени.
}}

Симплексное соединение используют многие, если не все оптоволоконные соединения. Или, например, dial-up модемы.

Полудуплексный режим используется в некоммутируемом Ethernet и описан в IEEE 802.3. Вообще, это довольно распространенный режим для соединений с какой-то разделяемой средой (общей шиной в Ethernet). 

Полнодуплексный режим используется в коммутируемом Ethernet и описан в IEEE 802.3u. При полнодуплексной передаче используется топология "точка-точка". Коллизии в этом случае не происходят, так как отправка и получение данных происходит по разным проводам. 

[[Файл:fduplex1.gif|center]] <center>'''Домен коллизий, образуемый компьютером и портом коммутатора'''</center>
Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что изображенный на рисунке сегмент свободен. В результате строгого соблюдения правил разделения среды по протоколу Ethernet порт коммутатора и сетевой адаптер используют соединяющий их кабель в полудуплексном режиме, то есть по очереди - сначала кадр или кадры передаются в одном направлении, а затем в другом. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet в 14880 кадров в секунду при минимальной длине кадра делится между передатчиком порта коммутатора и передатчиком сетевого адаптера. Если считать, что она делится пополам, то каждому предоставляется возможность передавать примерно по 7440 кадров в секунду.

Способность оборудования работать с максимальной скоростью в каждом направлении использовали разработчики коммутаторов в своих нестандартных реализациях технологий, получивших название полнодуплексных версий Ethernet.

После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее и в сетевых адаптерах, в основном адаптерах Ethernet и Fast Ethernet. Многие сетевые адаптеры сейчас могут поддерживать оба режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключении к порту коммутатора. 
Однако, необходимо осознавать, что отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет к повышению вероятности потерь кадров коммутаторами, а, следовательно, к возможному снижению полезной пропускной способности сети (по отношению к переданным данным приложений) вместо ее повышения. 
{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ Используемые типы соединения
|-
! Тип Ethernet !! Тип соединения
|-
| Ethernet || Half Duplex
|-
| Fast Ethernet || Half Duplex, Full Duplex
|-
| Gigabit Ethernet || Full Duplex
|-
| 10G Ethernet || Full Duplex
|}

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Ethernet