1. Александр Масальских rusalmas@gmail.com
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Лекция №7
Подуровень управления доступом к среде.
Ethernet. Коммутация на канальном уровне.
Санкт-Петербург, 2012

2. ПРОТОКОЛ ПОДУРОВНЯ УПРАВЛЕНИЯ
ДОСТУПОМ К СРЕДЕ В ETHERNET
 Frame formats. (a) DIX Ethernet, (b) IEEE 802.3.

3. ПРОТОКОЛ ПОДУРОВНЯ УПРАВЛЕНИЯ
ДОСТУПОМ К СРЕДЕ В ETHERNET
 Преамбула 10101010 (6.4 мкс для 10мбит) стала 7
байт, последний – разграничитель начала кадра
 Старший бит поля получателя:
 0 – обычные адреса
 1 – групповые адреса
 Соседний со старшим битом (46 бит адреса
получателя) определяет локальные или глобальные
(IEEE) адреса используются
 Type – изначально определял протокол сетевого
уровня, которому предназначался кадр (стал Length)
 Data (0-1500)
 Pad или наполнитель (0-64)
 Checksum

4. АЛГОРИТМ ДВОИЧНОГО
ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОГО ОТКАТА
 CSMA/CD
 Один интервал 512 битовых интервалов, 51.2
мкс.
 После i-го столкновения станция выбирает
время ожидания в диапазоне:
0 .. 2i-1
 После 10 столкновений подряд интервал
фиксируется на значении 1023.
 После 16 столкновений попытки прекращаются,
генерируется ошибка.

5. КОММУТИРУЕМЫЕ СЕТИ ETHERNET
 Active Ethernet hub (Хаб) – активное устройство
сетей Ethernet, у которого суммарная пропускная
способность входных каналов выше пропускной
способности выходного канала. Обычно для
объединения входной информации используется
множественный доступ с разделением времени.
 Домен коллизий (или пространство
столкновений) – это часть сети Ethernet, все
узлы которой конкурируют за общую
разделяемую среду передачи и, следовательно,
каждый узел которой может создать коллизию с
любым другим узлом этой части сети.

6. КОММУТИРУЕМЫЕ СЕТИ ETHERNET
 Коммутатор Ethernet (switching hub, switch)
 Несколько интерфейсных плат,
объединительная плата.
 Платы с буферизацией.

7. БЫСТРЫЙ ETHERNET (FAST ETHERNET)
 Необходимость обеспечить большую скорость;
 Необходимость сохранить обратную
совместимость с 802.3.
 Июнь 1995 года – IEEE объявило о создании
стандарта 802.3u.

8. БЫСТРЫЙ ETHERNET (FAST ETHERNET)

9. 100BASE-4T
 Twisted pair cat. 3 (25MHz)
 Используется 4 пары:
 Одна на концентратор
 Одна от концентратора
 Две оставшиеся – в соответствии с направлением
передачи
 8B/6T – 8 бит кодируется в виде 6 троичных цифр
 3 пары дают 100Мбит/c в одном направлении,
сохраняется обратный канал 33.3 Мбит/с

10. 100BASE-TX
 Twisted pair cat. 5 (125MHz)
 Используется 2 пары:
 4B/5B – слово из 4 бит кодируется словом из 5
 MLT-3
 Поддерживает 2 типа концентраторов

11. 100BASE-FX
 It uses a 1300 nm near-infrared (NIR)
light wavelength transmitted via two strands of
optical fiber, one for receive(RX) and the other for
transmit(TX). Maximum length is 400 metres
(1,310 ft) for half-duplex connections (to
ensure collisions are detected), and 2 kilometres
(6,600 ft) for full-duplex over multi-mode optical
fiber.
 100BASE-FX uses the same 4B5B encoding and
NRZI line code.

12. ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(GIGABIT ETHERNET)
 1998 год, 803.3z
 Обратная совместимость
 Полнодуплексный и полудуплексный режимы
 Полнодуплексный без CSMA/CD
 Пакетная передача кадров для полудуплекса.

13. ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(GIGABIT ETHERNET)
 1000Base-T cat. 5 (125 MHz)
 8B/10B
 Ни одно кодовое слово не должно иметь более 4-
одинаковых бит подряд
 Ни в одном кодовом слове не должно быть больше 6
нулей иди 6 единиц
 Используются все 4 пары
 PAM-5 кодирование. 5 уровней напряжения.
 00, 01, 10, 11 + специальный уровень
напряжения
 1 мс около 1953 кадров
 Type 0x8808 - PAUSE

14. ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(GIGABIT ETHERNET)

15. ДЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(10G ETHERNET)
 Over the years the Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE) 802.3 working group has published
several standards relating to 10GbE. These included:
 802.3ae-2002 (fiber -SR, -LR, -ER and -LX4 PMDs),
 802.3ak-2004 (-CX4 copper twin-ax InfiniBand type cable),
 802.3an-2006 (10GBASE-T copper twisted pair),
 802.3ap-2007 (copper backplane -KR and -KX4 PMDs) and
 802.3aq-2006 (fiber -LRM PMD with enhanced equalization).
 The 802.3ae-2002 and 802.3ak-2004 amendments were
consolidated into the IEEE 802.3-2005 standard. IEEE
802.3-2005 and the other amendments were
consolidated into IEEE Std 802.3-2008.

16. ДЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(10G ETHERNET)

17. ДЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(10G ETHERNET)
 Базовая топология
 Первоначально было решено разработать новый
стандарт на базе спецификации 1000Base-T для
неэкранированной витой пары (UTP) – IEEE 802.3ab-
1999. Напомним, что он предусматривал передачу со
скоростью 1 Gbps по витой паре кат. 5е (Cat 5e). По
каждой из четырех пар данные передавались со
скоростью 250 Mbps в обоих направлениях.
 Для 10GBase-T базовая топология осталась
неизменной с теми же фундаментальными
проблемами. Однако при десятикратном увеличении
скорости передачи их решение с точки зрения
технологической перспективы реализации уровня
PHY усложнилось экспоненциально. Тем не менее
эти проблемы были преодолены с помощью
инноваций в трех широких областях.

18. ДЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(10G ETHERNET)
 сигнализация. Витая пара имеет весьма ограниченную пропускную
способность. Преодолеть ограничения можно посредством
увеличения количества передаваемых бит в одном символе. К этому
добавляется улучшенная схема кодирования. При скорости
сигнализации 800 MPps (MegaPulses per Second) была выбрана 16-
уровневая импульс-но-амплитудная модуляция PAM16 со звездной
диаграммой (двухмерной совокупностью точек) DSQ128, дающей 3,5
бита на символ (импульс);
 упреждающая коррекция ошибок (Forward Error Correction – FEC).
Более мощная техника FEC позволяет повысить эффективность
кодирования по сравнению с этим процессом в Gigabit Ethernet.
Этого удалось достичь с помощью контроля четности с низкой
плотностью (Low Density Parity Check – LDPC);
 каблирование. Основной проблемой здесь остаются перекрестные
помехи. Внешние наводки от соседних кабелей являются
неустранимым источником шума. Для достижения длины канала 100
м необходимо использовать кабель кат. 6.

19. ДЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(10G ETHERNET)
 Витая медная пара
 Этот тип проводки имеет ряд слабых мест, которые
следует устранить при разработке 10GBase-T. При
скорости сигнализации 800 MPps получение необходимого
отношения сигнал/шум возможно лишь в том случае, если
значительно снизить мощность шума на входе приемника.
Именно здесь и приходит на помощь UTP Cat 6.
Минимизация перекрестных помех достигается
посредством следующих методов:
 плотное скручивание, уменьшающее также потери на
излучение посредством лучшего удержания поля;
 переменный шаг скручивания между четырьмя парами,
что минимизирует связь на определенных частотах;
 увеличение диаметра кабеля, которое позволяет
уменьшить перекрестные помехи от соседних кабелей;
 использование средств контроля геометрии кабеля с
помощью пластиковых разделителей пар.

20. ДЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ ETHERNET
(10G ETHERNET)
 Основные элементы 10GBase-T PHY
 В передатчике ими являются скремблер, кодировщик
LDPC, преобразователь DSQ128 (многоуровневый
линейный код PAM16), предварительный кодировщик (по
схеме Томлинсона–Харашимы) и оконечные цепи
 В приемнике ими являются аналоговый входной каскад
(Analog Front End – AFE), цифровой сигнальный
процессор (DSP), формирователь кадров, LDPC-
декодировщик и дескремблер.
 AFE для каждой витой пары содержит усилитель с
переменным коэффициентом усиления и фиксированный
фильтр. После них сигналы поступают на АЦП. Его
разработка довольно сложна, поскольку приемник требует
вплоть до 11 эффективных бит при скорости
дискретизации 800 MPps.

21. 100 GIGABIT ETHERNET
 100 Gigabit Ethernet (or 100GbE) and 40 Gigabit
Ethernet (or 40GbE) are high-speed computer
network standards developed by the Institute of Electrical and
Electronics Engineers (IEEE). They support
sending Ethernet frames at 40 and 100 gigabits per second
over multiple 10 Gbit/s or 25 Gbit/s lanes.
 Previously, the fastest published Ethernet standard was 10
Gigabit Ethernet. They were first studied in November 2007,
proposed as IEEE 802.3ba in 2008, and ratified in June 2010.
Another variant was added in March 2011.

22. 100 GIGABIT ETHERNET

23. 8P8C
 The 8P8C (8 position 8 contact, also backronymed
as 8 position 8 conductor) is a modular connector
commonly used to terminate twisted pair and
multiconductor flat cable. These connectors are
commonly used for Ethernet over twisted pair,
registered jacks and other telephone applications,
RS-232 serial using the EIA/TIA 561 and Yost
standards, and other applications involving
unshielded twisted pair, shielded twisted pair, and
multiconductor flat cable.

24. 8P8C

25. MDIX

26. 802.2 LLC
 802 предполагает дейтаграмный сервис
 Для работы с системами, требующими защиту
от ошибок и управление потоком, был
разработан LLC (Logical Link Control)

27. 802.2 LLC
 Сетевой уровень передаѐт пакет LLC, LLC
добавляет к нему свой заголовок, содержащий
порядковый номер и номер подтверждения.
Полученная структура помещается в поле
данных кадра 802.x.
 Три варианта сервисов:
 Дейтаграммный
 Дейтаграммный с подтверждениями
 Ориентированный на сеоединение

28. 802.2 LLC
 Заголовок LLC содержит 3 поля:
 Целевая точка доступа (DSAP 1 байт)
 Исходная точка доступа (SSAP 1 байт)
 Контрольное поле (Содержит порядковые номера и
номера подтверждений).
 802.2-SNAP (SubNetwork Access Protocol)
 DSAP SSAP = 0xAA
 Тогда после контрольного поля ещѐ два поля
 Первое – 3 байта – код организации
 Второе – 2 байта – код протокола

29. 802.2-SNAP
 IP 0x8137
 IPX 0x8137
 AppleTalk 0x809b
 TCP/IP почти не использует дополнительные
возможности LLC, некоторые другие протоколы
– используют (Novell)

30. КОММУТАЦИЯ НА УРОВНЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
 Локальные сети объединяются мостами,
работающими на уровне передачи данных.
 Анализируют адреса, в кадрах этого уровня и в
соответствии с ними, осуществляют
маршрутизацию.

31. КОММУТАЦИЯ НА УРОВНЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
 Причины использования мостов:
1. Объединение ранее изолированных ЛВС
2. Соединение географически разнесенных ЛВС
3. Разбиение сетей на сегменты
4. Преодоление максимально разрешенного
диаметра ЛВС
5. Повышение отказоустойчивости (в случае
флуда)
6. Повышение безопасности ЛВС

32. КОММУТАЦИЯ НА УРОВНЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

33. МОСТЫ МЕЖДУ 802.X

34. МОСТЫ МЕЖДУ 802.X
 Проблемы мостов:
1. Различия в формате кадров (требуется
переформатирование кадров )
2. Скорости объединяемых сетей могут
различаться, объединение больше 2 сетей
равной скорости
3. Различные ЛВС имеют разную максимальную
длину кадра. При использовании прозрачных
мостов слишком длинные кадры будут
игнорироваться.
4. Вопросы шифрования на уровне передачи
данных
5. Механизмы приоритезации данных

35. ЛОКАЛЬНОЕ МЕЖСЕТЕВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
 В простейшем случае прозрачный мост работает
в беспорядочном режиме
 В более сложном варианте, мост решает
перенаправлять или нет пришедший кадр и куда
 В мосты встраиваются хэш-таблицы
 Если мост не знает, куда отправлять кадр, он
посылает его всем сетям (алгоритм заливки)
 Алгоритм «противоточного обучения»
 Записи в хэш-таблицах живут определенное
время

36. ЛОКАЛЬНОЕ МЕЖСЕТЕВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
 Процедура обработки кадра:
 Если сеть отправителя и сеть получателя совпадают
– игнорируем
 Если сеть отправителя и сеть получателя различны
– кадр перенаправляется в нужную сеть
 Если сеть получателя не фигурирует в хэш-таблице,
используем алгоритм заливки.

37. МОСТЫ СВЯЗУЮЩЕГО ДЕРЕВА
 Для увеличения надѐжности, используется сразу
несколько мостов, объединяющих сети

38. МОСТЫ СВЯЗУЮЩЕГО ДЕРЕВА
 Возникают петли, которых не должно быть в
топологии
 Требуется установить связь между мостами и
наложить связующее дерево, покрывающее все
сети на действующую топологию
 Граф сети с петлями можно редуцировать до
связующего дерева

39. МОСТЫ СВЯЗУЮЩЕГО ДЕРЕВА

40. МОСТЫ СВЯЗУЮЩЕГО ДЕРЕВА
 Чтобы построить дерево, надо выбрать корень
 Мосты имеют серийный номер
 Каждый мост рассылает кадры со своим
серийным номером
 Корнем становится мост с наименьшим номером
 Затем строится дерево кратчайших путей от
корня к каждому мосту и каждой сети. Это
дерево и будет связующим
 Дерево поддерживается динамически
обновляется в соответствии с реальной
топологией

41. SPANNING TREE PROTOCOL 802.1D
 Распределѐнный алгоритм построения
связующего дерева был предложен Радием
Перлманом
 STP стандартизован и имеет идентификатор
IEEE 802.1D
 Поддерживается многими управляемыми
коммутаторами

42. УДАЛЕННЫЕ МОСТЫ
 С помощью мостов и линий точка-точка,
работающих на больших дистанциях, можно
соединить ЛВС в одну

43. СЕТЕВЫЕ УСТРОЙСТВА

44. СЕТЕВЫЕ УСТРОЙСТВА

45. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ

46. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ
 Методы
1. Маркировка по порту
2. «Маркировка» по MAC адресам
3. Маркировка по информации из поля данных

47. 802.1Q
 Изменен формат заголовка Ethernet
 802.1Q 1998 год
 Первое устройство, обрабатывающее кадр
вставляет флаг ВЛВС (если флаг не был
вставлен отправителем), последнее вырезает
(если получатель не знает о существовании
802.1Q)

48. 802.1Q

49. 802.1Q

50. 802.1Q
 Требуется строить динамические таблицы, для
обеспечения работы ВЛВС коммутаторов
 Такие таблицы строятся динамически с
использованием алгоритма 802.1D

51. РЕЗЮМЕ