________________________________________________________________ Реферат по дисциплине «Компьютерные сети» на тему: «Современные технологии Ethernet.» Выполнил: студент группы _________ Проверил: Ст. преподаватель _________ г. Москва 2023 г. Оглавление Введение ................................................................................................................... 3 1 Технология Ethernet .......................................................................................... 5 1.1 Ethernet ......................................................................................................... 5 2 1.2 FastEthernet .................................................................................................. 6 1.3 GigabitEthernet ............................................................................................. 6 1.4 Принцип работы сети Ethernet ..................................................................... 7 1.5 Формат кадра технологии Ethernet ........................................................... 8 1.6 Mac-адрес: идентификация Ethernet ......................................................... 9 1.7 Таблицы MAC-адресов .............................................................................. 9 1.7.1 Уровень MAC ..................................................................................... 10 1.7.2 Уровень LLC ....................................................................................... 12 1.8 Метод доступа CSMA/CD........................................................................ 13 1.9 Основные достоинства технологии Ethernet.......................................... 14 Локальные сети ............................................................................................... 14 2.1 Одноранговые локальные сети................................................................ 14 2.2 Локальные сети с централизованным управлением ............................. 15 2.3 Топология локальной сети ....................................................................... 15 Заключение ............................................................................................................ 20 Список использованной литературы ................................................................... 21 2 Введение Современная стандартов, сеть интернет технологий и насчитывает протоколов, огромное количество которые помогают общаться пользователям и программам как в мировой сети, так и в локальной сети. Помимо этого, в сетях используют самое различное оборудование, начиная от обычных патч-кордов и заканчивая маршрутизаторами и умными коммутаторами (L3). Данная технология имеет несколько видов: Ethernet; FastEthernet; GigabitEthernet. 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 сегодня также входят 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. 3 Теперь рассмотрим технологию Ethernet подробнее. Поговорим об уровнях, которые ей принадлежат, про возможные виды топологии, которые используются в локальной сети предприятий, а также про улучшенные версии этой технологии и структуру кадра Ethernet. 4 1 Технология Ethernet Ethernet – это самая распространенная технология, которая используется в локальных сетях. Данная технология расположилась на двух уровнях модели OSI, а именно на физическом и канальном уровне. На физическом уровне, для взаимодействия устройств, используют Ethernet-кабель (патч-корд). Ранее, на этом же физическом уровне, использовалось устройство под названием хаб (концентратор), однако, позже это устройство перестали использовать, так как оно имело проблемы с передачей информации из-за ее рассылки всем участникам в сети, что способствовало появлению коллизий. На замену хаба пришел коммутатор, который помогал избегать возникновение коллизий. Как уже говорилось ранее технология Ethernet имеет несколько видов: Ethernet; FastEthernet; GigabitEthernet. Рассмотрим каждую разновидность подробнее. 1.1 Ethernet Это самая первая технология передачи данных, которая имела скорость передачи 10 Мбит\с. Данная технология так же имела несколько подвидов: 10Base-5 - "толстый Ethernet" (12,7 мм коаксиал); 10Base-2 - "тонкий Ethernet" (5 мм кабель); 10Base-T - Ethernet на UTP (Unshielded Twisted Pair), позволивший перейти от шинной топологии к топологии "звезда" с использованием концентраторов. Разновидности 10Base-5 и -2 использовали коаксиальный кабель, а, начиная с версии 10Base-T, коаксиальный кабель был заменен витой парой (в некоторых случаях используется оптоволокно). 5 1.2 FastEthernet Следующей технологией семейства Ethernet выступила FastEthernet со скоростью передачи 100 Мбит\с. Данная технология имеет несколько подвидов: 100BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента — до 100 метров; 100BASE-TX — развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м; 100BASE-T4 — стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе; 100BASE-FX — стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента — 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе. 1.3 GigabitEthernet Данная технология имеет скорость передачи 1000 Мбит\с. Также имеет несколько разновидностей: 1000BASE-T — основной гигабитный стандарт, опубликованный в 1999 году, использует витую пару категории 5e. В передаче данных участвуют 4 пары, каждая пара используется одновременно для передачи по обоим направлениям со скоростью 250 Мбит/с. Используется метод кодирования PAM5 (5-level Phase Amplitude Modulation, пятиуровневая 6 фазоамплитудная модуляция) с 4 линиями (4D-PAM5) и 4-мерной Треллисмодуляцией (TCM). Расстояние — до 100 метров; 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6 (ANSI/TIA/EIA-854-2001)». Распространения не получил из-за высокой стоимости кабелей. Стандарт разделяет принимаемые и посылаемые сигналы по парам (две пары передают данные, каждая на 500 Мбит/с и две пары принимают), что упрощало бы конструкцию приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX являлось отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления и цена реализаций должны становиться ниже, чем у стандарта 1000BASE-T. Для работы технологии требуется кабельная система 6-й категории; 1000BASE-X — общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками в форм-факторах GBIC или SFP. 8B/10B, аналогичен коду 4B/5B, принятому в стандарте FDDI. Однако код 4B/5B был отвергнут в Fibre Channel, потому что этот код не обеспечивает баланса по постоянному току. 1.4 Принцип работы сети Ethernet Теперь рассмотрим принципы работы сети Ethernet. Сети Ethernet используют общую среду передачи данных и множественный метод доступа к ней CSMA/CD. Среда используется для передачи данных между любыми двумя узлами сети, которые имеют доступ к данным, переданным любым узлом. 7 1.5 Формат кадра технологии Ethernet В сетях Ethernet существует 4 типа кадров: кадр 802.3/LLC (или кадр Novell802.2); кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3); кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II); кадр Ethernet SNAP. На практике в оборудовании Ethernet используется только один формат кадра - это кадр Ethernet DIX (его иногда называют кадром Ethernet II по номеру последнего стандарта DIX). Рисунок 1 - Формат кадра Ethernet первые два поля заголовка отведены под адреса: первые 6 байт отведены на DA или Destination Address (MAC-адрес узла назначения). Вторые 6 байт отведены на SA или Source Address (MAC-адрес узла отправителя); поле T или Type содержит условный код протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных кадра, например, шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует проколу IPv4. Это поле требуется для мультиплексирования и поддержки интерфейсных демультиплексирования функций кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней; поле данных. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения; поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32. 8 1.6 Mac-адрес MAC-адрес является уникальным серийным номером, который назначается каждому сетевому устройству, для идентификации его в сети. Данный адрес является уникальным и устанавливается при его производстве. Для описания всего процесса передачи данных существует так называемая модель OSI которая описывает как передаются данные в сети. Физический уровень. Данные передаются в виде электрических сигналов, т.е. с помощью изменения уровня электрического тока, бегущего по проводнику, кодируется информация. Канальный уровень. Микросхемы сетевой карты преобразуют эти данные в цифровой поток, который уже можно анализировать. На данном уровне появляется MAC адрес. Сетевой уровень. MAC адрес уже необходим для адресации пакета данных в большой сети. Появляется IP-адрес, который указывает куда доставлять пакет данных, для второго уровня. Для обеспечения такой уникальности, MAC-адреса имеют длину 6 байт и обычно записываются шестнадцатеричным числом, например: 12:34:56:78:90:AB Каждый производитель Ethernet устройств использует определенный диапазон MAC адресов, который был отведен только ему контроллером стандарта IEEE. Первые три байта адреса определяют производителя и по ним можно узнать кто изготовил данное устройство. 1.7 Таблицы MAC-адресов В каждом коммутаторе есть таблица, в которой прописано соответствие между MAC-адресом сетевого устройства и номером порта, по которому можно обратиться к этому устройству. Обычно эта таблица заполняется автоматически при работе коммутатора либо ее заполняет администратор сети. 9 Таблица заполняется в процессе анализа коммутатором адресов станций-отправителей в передаваемых ими кадрах. Кадр передается через коммутатор локально в соответственный порт только тогда, когда адрес станции предназначения, обозначенный в поле кадра, уже содержится в адресной таблице этого порта. В случае отсутствия адреса станции предназначения в таблице, кадр рассылается во все другие сегменты. Если коммутатор обнаруживает, что МАС-адрес станции предназначения, у приходящего кадра, находится в таблице МАС-адресов, приписанной за портом, по которому пришел данный кадр, то этот кадр сбрасывается - его конкретно получит станция предназначения, находящаяся в том же секторе. Если приходящий кадр является широковещательным (broadcast), т.е. если все биты поля МАС-адреса получателя в кадре задаются равными 1, то такой кадр будет направляться во все другие порты. 1.7.1 Уровень MAC Основными функциями уровня MAC являются: обеспечение доступа к разделяемой среде и 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 10 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. 11 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. 1.7.2 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 узла 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. Для демультиплексирования данных LLC использует в своем заголовке специальные поля. Поле DSAP (Destination Service Access Point – точка входа службы приемника) используется для хранения кода 12 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. 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. 1.8 Метод доступа CSMA/CD Метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – многостанционный доступ с контролем канала / обнаружением 13 конфликтов) используется для доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet. Этим термином обозначается принцип, согласно которому протокол Ethernet управляет обменом информацией между узлами. 1.9 Основные достоинства технологии Ethernet Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью. И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть возможность подключения новых узлов. 2 Локальные сети Локальная сеть – это объединение компьютеров, которое сосредоточено на небольшом радиусе. Она представляет собой коммутационную систему, принадлежащую одной организации. Современные сети делятся на два вида: одноранговые локальные сети; локальные сети с централизованным управлением. 2.1 Одноранговые локальные сети В сетях, где все компьютеры имеют одинаковый приоритет, каждый из компьютеров может быть, как сервером, так и клиентом. Пользователь каждого из компьютеров сам решает, какие ресурсы будут предоставлены в общее пользование и кому. 14 2.2 Локальные сети с централизованным управлением В сетях с централизованным управлением политика безопасности общая для всех пользователей сети. В локальных сетях с централизованным управлением сервер обеспечивает взаимодействия между рабочими станциями, выполняет функции хранения данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту. Локальные сети с централизованным управлением, в которых сервер предназначен только хранения и выдачи клиентам информации по запросам, называются сетями с выделенным файл-сервером. Системы, в которых на сервере наряду с хранением осуществляется и обработка информации, называются системами "клиент-сервер". 2.3 Топология локальной сети Под топологией компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути. Существуют три типа топологий: шина; звезда; кольцо. Однако помимо этих трех топологий существует еще и смешанная. Рассмотрим их подробнее. Существуют: топология дерево, может быть активный и пассивным, в зависимости от наличия коммутатора в связи; 15 Рисунок 2 - Топология активное дерево звездно-шинная топология; Рисунок 3 - Звездно-шинная топология 16 17 звездно-кольцевая топология; Рисунок 4 - Звездно-кольцевая топология 18 сеточная топология; полная; Рисунок 5 - Полносвязная топология частичная. Рисунок 6 - Неполносвязная топология 19 Заключение Разделяемые локальные сети представляют собой наиболее простой и дешевый в реализации тип локальных сетей. Основной недостаток разделяемых локальных сетей состоит в плохой масштабируемости, так как при увеличении узлов сети уменьшается доля пропускной способности, приходящаяся на каждый узел. Специфика локальных сетей нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня - LLC и MAC. Уровень MAC отвечает за доступ к разделяемой среде и отправку через нее кадров. В стандарты 802 определяют различные методы доступа, которые делятся на две категории: случайные и детерминированные. Случайные методы доступа обеспечивают минимальную задержку доступа к среде при низкой загрузке среды. Детерминированные методы доступа могут работать при большей загруженности сетей. Протокол LLC обеспечивает для протоколов верхних уровней нужное качество транспортных услуг, передавая кадры либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения и восстановлением кадров. Ethernet - самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. В широком смысле Ethernet - это семейство технологий, в которое входит фирменный стандарт Ethernet DIX, а также стандарты IEEE802.3 Ethernet10 Мбит/с, FastEthernet, GigabitEthernet и 10GEthernet. Все виды технологий Ethernet, кроме 10GEthernet, используют один и тот же метод доступа CSMA/CD. Наличие коллизий - это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети 20 Список использованной литературы 1. Компьютерные сети от А до Я: технология Ethernet и коммутаторы. — Текст : электронный // proglib : [Электронный ресурс]. — URL: https://proglib.io/p/ethernet (дата обращения: 25.04.2023). 2. Технология сети Ethernet. — Текст : электронный // PC.RU : [Электронный ресурс]. — URL: https://pc.ru/docs/network/ethernet (дата обращения: 25.04.2023). 3. Стандарты технологии Etherne. — Текст : электронный // Studefiles : [Электронный ресурс]. https://studfile.net/preview/7393703/page:21/ — (дата URL: обращения: 25.04.2023). 4. Николай, С. Развитие технологии Ethernet Часть 1 / С. Николай. — Текст : непосредственный // Технологии и средства связи. — 2013. — № 1. — С. 56-57. 5. Ethernet. — Текст : электронный // Wikipedia : [Электронный ресурс]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ethernet (дата обращения: 25.04.2023). 6. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, Технологии, Протоколы: Юбилейное издание / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб : Питер, 2020. – 1008 с. 7. Топологии локальных вычислительных сетей. — Текст : электронный // Методический материал : [Электронный ресурс]. — URL: https://www.sites.google.com/site/metodiceskijmaterial/bazovye-ponatiasetevyh-tehnologij/topologii-lokalnyh-vycislitelnyh-setej (дата обращения: 25.04.2023). 21
