Technológia Ethernetu

Ethernet

• Fyzická(1) a datalinková(2) vrstva OSI modelu • Vrstva sieťového prístupu modelu TCP/IP • Najčastejšie používaná LAN technológia • Rozličné médiá (Cu-vodiče, optické vlákna, wifi) • Rozličná šírka pásma (10, 100 Mbps, Gbps, ...) Application Presentation Session Transport Network Data link Physical Ethernet Application Transport Internet Network Access

História Ethernetu

• Prvá LAN bola Ethernet, vyvinutá v Xeroxe • 1980 publikovaný Ethernet štandard konzorciom DIX(Digital, Intel, Xerox) • 1985 štandardizačnou organizáciou IEEE upravený Ethernet štandard a vydaný ako štandard 802.3

LLC MAC

802.2

802.3

Ethernet

Subvrstvy

LLC MAC

• podvrstva

Logical Link Control

spája fyzickú vrstvu s vyššími vrstvami OSI modelu • • podvrstva

Media Access Control

poskytuje adresovanie, vytvárenie rámcov, detekciu chýb, CSMA/CD

fyzická vrstva

spracováva jednotlivé bity a nakladá ich v podobe signálov na prenosové médium, detekuje signály

Výhody Ethernet technológie

• Jednoduchosť a ľahká údržba a prevádzka • Schopnosť aplikovať nové technológie (optika, väčšia šírka pásma) • Spoľahlivosť • Nízka cena inštalácie a upgrade

Zdieľané médium

• Fyzická topológia zbernica (bus) 10Base5 (hrubý koax.kábel až do 500m) 10Base2(tenký koax.kábel až do 185m) • Fyzická topológia hviezda (star  bus) 10BaseT (UTP kábel až do 100m) • Existencia kolízií – ošetrené pomocou CSMA/CD

Huby a switche

• „Starý Ethernet“ 10Base5, 10Base2, 10BaseT pri použití hubov pracoval s kolíziami, ktoré boli ošetrené CSMA metódou • Výkon takýchto sietí bol nízky, ak bolo veľké množstvo transferov, tiež kolízií • Preto boli kolízie obmedzené použitím switchov pri full duplex prevádzke

Huby a switche

Hub smeruje rámce na všetky porty okrem príchodzieho Switch smeruje rámce iba do jedného cieľa o známej adrese

Half-duplex a Full-duplex prevádzka

Half-duplex

• Prenos iba jedným smerom pri zdieľanom médiu • Ak PC1 vysiela a zároveň detekuje prichádzajúci signál, potom vzniká kolízia

Full-duplex

• PC môže vysielať a prijímať súčasne (prenos oboma smermi) • nemôže bežať na zdieľanom médiu, musí mať presne určenú trasu switchom • bez kolízií

Fast Ethernet, Gigabit Ethernet

• Prechodom na používanie switchov sa dosiahla vyššia šírka pásma : 100 Mbps – Fast Ethernet • Neskôr 1000 Mbps – Gigabit Ethernet • Gigabit Ethernet vyžaduje plne switchovanú a full duplex prevádzku. Kolízie sa už nevyskytujú.

LAN, MAN, WAN

• Ethernet bol vyvinutý pre lokálne siete nachádzajúce sa v jednej budove alebo v istej skupine blízkych budov • S využitím optických káblov a Gigabit rýchlostí možno Ethernet použiť pre MAN, teda v rámci mesta • Ethernet možno dokonca použiť aj na oveľa väčšie oblasti, takže rozdiely medzi LAN a WAN sa strácajú

Ethernetový rámec

Frame header Packet Packet

Paket zo sieťovej vrstvy je zapúzderný

Trailer Preamble

7

Start of frame delimiter

1

Destination address Source address

6 6

Length /type

2

Packet Data

46-1500

Frame Check Seq.

4 Veľkosť polí v bajtoch, preambula a SFD nie sú zahrnuté do veľkosti rámca. Veľkosť rámca je 64 – 1518 bajtov.

• • • • • •

Polia rámca

Preambula a SDF

: slúžia ako telefonát na zobudenie prijímača a jeho synchronizáciu, určujú, kde začína rámec

Cieľová adresa

: MAC adresa cieľa, 6 bajtov s 12 hexa číslicami

Zdrojová adresa

: MAC adresa vysielača, 6 bajtov s 12 hexa číslicami

Dĺžka/typ

: DIX používa pre typ, standard IEEE 802.3 pre dĺžku. Hodnoty menšie ako 1536 sú považované ako dĺžka, vyššie hodnoty sú typom použitého protokolu vyššej vrstvy

Dáta

: obsahuje dátovú jednotku sieťovej vrstvy, IP paket. Ak je paket menší ako 46 bajtov, potom sa pole doplní na dĺžku 46 bajtov pomocou tzv. „pad - výplne“

FCS pole

: – Frame Check Sequence slúži na kontrolu a detekciu chybných rámcov

Ethernet MAC adresa

• • • • • • Jedno značne identifikuje zariadenie (NIC) Je napálená v ROM, ale kopírovaná do RAM Prvé 3 bajty identifikujú výrobcu zariadenia (OUI - Organizationally Unique Identifier) Zariadenie prečíta cieľovú MAC adresu, aby vedelo, či má spracovať rámec Switch prečíta cieľovú MAC adresu, aby vedel, kam má preposlať rámec MAC adresy sa používajú na identifikáciu vnútri siete. Sú adresami 2.vrstvy, umiestnené v hlavičke rámca

Ethernet MAC adresa

• 12 hexa číslic možno zapísať rôzne : • 00-05-9A-3C-78-00 • 00:05:9A:3C:78:00 • 0005.9A3C.7800

• 00-05-9A je identifikátor výrobcu, daný s IEEE • 3C-78-00 je jednoznačná identifikácia výrobku

IP adresa

• IP adresy sa používajú na to, aby dáta mohli prechádzať medzi sieťami. Sú adresami 3.vrstvy, uložené v hlavičke paketu. Identifikujú jednotlivé siete, ako aj zariadenia.

• Hlavička paketu s IP adresou je vytvorená zdrojovým hostom a zostáva po celú dobu trasy paketu medzi zdrojom a cieľom rovnaká • Hlavička rámca je oddeľovaná a nahradená každým routerom, pretože MAC adresy sú rozdielne pre každý úsek na trase. Ak časti trasy nie sú realizované Ethernetom, potom používa odlišný adresový systém, nie MAC .

Unicast, multicast, broadcast

• • •

Unicast

: správa poslaná jedinému hostu. Musí obsahovať cieľovú IP adresu a MAC adresu hosta

Broadcast

: správa poslaná všetkým hostom na sieti. Host časť IP adresy sú samé 1. t.j. IP 192.168.1.

255 ,

MAC sú samé 1, t.j. FF:FF:FF:FF:FF:FF h

Multicast

: správa pre skupinu zariadeni IP adresa 224.0.0.0 – 239.255.255.255

Kolízie

• Ethernet pôvodne používal zdieľaný koax. Kábel • Ak hosty vysielali súčasne, vznikla kolízia • Neskôr siete používali HUBy a UTP káble, ale médium bolo vždy zdieľané a naďalej vznikali kolízie

Huby a kolízne domény

• Kolízna doména – oblasť vzniku kolízií • Pridávaním ďalších HUBov a PC – kolízne domény sa zväčšovali, viac zaťažovali sieť, vznikalo viac kolízií • Hosty prepojené HUBmi zdieľali šírku pásma, t.j. delili si ju Iba jedno PC môže vysielať

Metóda CSMA/CD

• •

Carrier Sense

: „Načúva“, aby zistilo, či sa nachádzajú signály na kábli

Multiple Access

: Hosty zdieľajú ten istý kábel a musia mať prístup k nemu •

Collision Detection

: detekujú a obsluhujú kolízie signálov, keď sa objavia • Je to metóda „prvý príde, prvý pracuje“ pre hosty, ktoré nakladajú signál na zdieľané médium

Činnosť metódy CSMA/CD

Sú signály na kábli?

Áno.

Čakám, dokiaľ sa signály nestratia.

1

Sú teraz signály na kábli?

Nie.

3 2

Vysielam svoje signály na kábel.

4

Činnosť metódy CSMA/CD

Bez kolízií. Všetko je O.K. Moja správa bola odoslaná.

5

Žiadne signály. Čakám náhodnú dobu času. Znovu vysielam správu.

6

Vznikla kolízia. Zastavenie vysielania signálov. Vysielanie jamm signálu.

Moja správa je stratená.

5

Vznik kolízie

• Kolízie vzniknú, ak host začne vysielať v domnienke, že kábel je čistý, avšak v danom čase už existuje na kábli signál, o ktorom vysielajúci host ešte nevie • Je to spôsobené oneskorením, čo je čas potrebný na to, aby signál prešiel na vzdialený koniec kábla. Čím dlhší je kábel a čím viac sieťových zariadení je na trase, tým väčšie je oneskorenie Všetko čisté.

Detekcia kolízie

• Ak host detekuje kolíziu počas vysielania prvých 64 bitov rámca, potom CSMA/CD zareaguje a rámec bude vyslaný neskôr • Ak host už vyslal 64 bitov a až potom detekuje kolíziu, je už neskoro. Rámec už nebude znovu vyslaný.

• Oneskorenie musí byť dostatočne malé, aby všetky kolízie boli detekované načas • To obmedzuje dĺžku kábla a počet medzizariadení na trase

Definície pojmov

• • •

Latencia – oneskorenie

je čas potrebný na prechod signálu od zdroja ku cieľu

Bit-time

prečítanie je to čas potrebný pre vyslanie jedného bitu na médium, resp. na jeho

Slot-time

– je to čas, ktorý potrebuje signál na dosiahnutie najvzdialenejšieho konca siete vrátane jeho návratu

Interframe spacing

• Je to časová medzera medzi koncom jedného rámca a začiatkom nasledujúceho • Dáva médiu šancu stabilizovať sa • Dáva zariadeniam čas na spracovanie rámca • Zariadenia čakajú min 96 x bit-time po príjme rámca, aby mohli vysielať • 9,6 µs pre 10 Mbps Ethernet • 0,96 µs pre 100 Mbps Ethernet

Hub a switch

• Zdieľané médium • Zdieľaná šírka pásma Hub • Kolízie • Spojenia Point to Point • Definovaná šírka pásma Switch • Full-duplex bez kolízií

Hlavné činnosti switcha

• • •

Učenie sa ( learning ) Záplava ( flooding ) Smerovanie ( forwarding ) Učenie sa adries

– v prijatom rámci si switch prečíta MAC adresu zdroja, priradí ju portu, na ktorý rámec prišiel a túto dvojicu si uloží do svojej MAC tabuľky Takáto dvojica dostane časovú pečiatku, po uplynutí tohto času je odstránená z tabuľky.

Dvojica može byť obnovená, keď iný rámec príde z toho istého hosta.

MAC tabuľka switcha

• Switch si vytvára MAC tabuľku • dvojice : číslo portu switcha .. MAC adresa zariadenia pripojeného k danému portu

Forwarding

: • Keď switch prijme rámec, prečíta si jeho cieľovú MAC adresu a pozrie sa do svojej tabuľky, zistí si príslušný port a nasmeruje rámec na tento port switcha

ARP tabuľka hosta

• Host chce poslať správu • Pozná cieľovú IP adresu a uloží ju do hlavičky paketu • Pozrie sa do svojej ARP tabuľky a nájde tam odpovedajúcu MAC adresu zariadenia s cieľovou IP adresou • Vloží príslušnú MAC adresu do hlavičky rámca a vyšle rámec smerom na cieľ

Adress Resolution protocol

• Host chce poslať správu • • Pozná cieľovú IP adresu • Cieľovú MAC adresu však nenájde vo svojej ARP tabuľke

Flooding :

• Host posiela broadcast správu „ Volám 192.168.15.8, akú máš MAC adresu ?

• Iba cieľové zariadenie s IP adresou 192.168.15.8 odpovedá „Moja MAC adresa je .....

• Host si aktualizuje svoju ARP tabuľku a vysiela správu na cieľové zariadenie

Vzdialené adresy

• Host zistí, že cieľová IP adresa je v inej sieti • Vyhľadá IP adresu default gateway, avšak nemá jeho MAC adresu • Preto vyšle ARP žiadosť ( broadcast), aby zistil MAC adresu default gateway • Router odpovedá MAC adresou default gateway portu • Host si uloží túto MAC adresu default gateway do svojej ARP tabuľky • Host vysiela správu cez default gateway routera na cieľové zariadenie

Proxy ARP

• Ak host nemôže povedať, že cieľová IP adresa je v inej sieti, vyšle ARP žiadosť pre získanie MAC adresy • Router vtedy odpovedá svojou vlastnou MAC adresou • Host potom vyšle správu cez router