Компьютерные сети: Ethernet

Сетевые технологии Компьютерные сети: Ethernet Место в модели OSI 2 История создания Ethernet 1973 г. Роберт Меткалф в Xerox придумал сеть на разделяемом кабеле. ◦ The Ether Network ◦ A Cable-Tree Ether Xerox, DEC и Intel решают использовать Ethernet в качестве стандартного сетевого решения (Ethernet II). 1982 г. Создан проект IEEE 802.3 для стандартизации Ethernet. Конец 90х. Ethernet становится доминирующей технологией в локальных сетях. 3 Типы Ethernet Название Скорость Кабель Стандарт Ethernet 10 Мб/с «Толстый» и «Тонкий» коаксиальный кабель, витая пара, оптика 802.3 Fast Ethernet 100 Мб/с Витая пара, оптика 802.3u Gigabit Ethernet 1 Гб/с Витая пара, оптика 802.3z, 802.3ab 5G Ethernet 2,5 Гб/с 5 Гб/с Витая пара 802.3bz 10G Ethernet 10 Гб/с Витая пара, оптика 802.3ae, 802.3an 100G Ethernet 40 Гб/с 100 Гб/с Оптика 802.3ba 4 Две технологии Ethernet Классический Ethernet ◦ Разделяемая среда ◦ Ethernet – Gigabit Ethernet Коммутируемый Ethernet ◦ Точка-точка ◦ Появился в Fast Ethernet ◦ Единственный вариант в 10G Ethernet и выше 5 Классический Ethernet Исторически, появился самый первый. Общая шина – коаксиальный кабель. 6 Концентраторы Ethernet Концентратор (hub) – устройство для создания сетей Ethernet на основе витой пары. Физическая топология – звезда. Логическая топология – общая шина. 7 Физический и канальный уровни Физический уровень Ethernet: ◦ Коаксиальный кабель ◦ Витая пара ◦ Оптоволокно Канальный уровень Ethernet: ◦ Методы доступа и протоколы, одинаковые для любой среды передачи данных ◦ В классическом Ethernet смешаны подуровни LLC и MAC 8 Форматы кадра Ethernet Стандарты: ◦ Первый вариант – экспериментальная реализация Ethernet в Xerox ◦ Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компаний DEC, Intel, Xerox ◦ IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet Стандарты Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются друг от друга ◦ Ethernet II используется чаще 9 Формат кадра Ethernet Формат кадра Ethernet II (DIX), в других стандартах имеет незначительные отличия 10 Поле «Данные» кадра Ethernet Содержит данные от протокола верхнего уровня Максимальная длина 1500 байт ◦ Выбрана разработчиками Ethernet ◦ Ограничение на размер памяти для буфера ◦ Существует расширение JumboFrame (до 9 000 байт) Минимальная длина 46 байт ◦ Ограничение технологии Ethernet 11 Итоги Ethernet – доминирующая в настоящее время сетевая технология для проводной связи Варианты технологии Ethernet ◦ Классический Ethernet ◦ Коммутируемый Ethernet Развитие технологии Ethernet ◦ Ethernet (10 Мб/с), Fast Ethernet (100 Мб/с), Gigabit Ethernet, 5G Ethernet, 10G Ethernet, 100G Ethernet Формат кадра (общий для классического и коммутируемого Ethernet) 12 Компьютерные сети: MAC-адреса Место в модели OSI 2 MAC-адреса Служат для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети ◦ Ethernet (IEEE 802.3) ◦ Wi-Fi (IEEE 802.11) Регламентированы стандартом IEEE 802 ◦ Длина 6 байт (48 бит) Форма записи – шесть шестнадцатиричных чисел ◦ 1C-75-08-D2-49-45 ◦ 1C:75:08:D2:49:45 3 Типы MAC-адресов Индивидуальный (unicast): ◦ 30-9C-23-15-E8-8C Групповой (multicast, первый бит старшего байта равен 1): ◦ 01-80-C2-00-00-08 Широковещательный (broadcast, все 1) ◦ FF-FF-FF-FF-FF-FF 4 Уникальность MAC-адресов В одном сегменте сети не должно быть одинаковых MAC-адресов ◦ Одна широковещательная среда Ethernet или Wi-Fi ◦ Один VLAN в коммутируемом Ethernet Если будет 2 компьютера с одним MAC-адресом, то один из них не будет работать с сетью ◦ Какой именно не регламентируется 5 Способы назначения Централизованный (по умолчанию): ◦ Адреса назначаются производителем оборудования ◦ Правила назначения описываются стандартом IEEE 802 Локальный: ◦ Адреса назначаются администратором сети ◦ Администратор должен обеспечить уникальность Индикатор способа назначения – второй бит старшего байта MAC-адреса: ◦ 0 – адрес назначен централизованно ◦ 1 – адрес назначен локально 6 Способы назначения При централизованном назначении MAC-адреса должны быть уникальны во всем мире Структура MAC-адреса: ◦ Первые 3 байта – уникальный идентификатор организации (Organizationally Unique Identifier, OUI), выдаются IEEE производителям оборудования ◦ Последние 3 байта – назначает производитель оборудования, который отвечает за уникальность Примеры OUI: ◦ 00:00:0C – Cisco (еще 6C:50:4D, 70:81:05 и др.) ◦ 00:02:B3 – Intel ◦ 00:04:AC - IBM 7 Как посмотреть Командная строка ◦ Windows – ipconfig /all ◦ Linux – ifconfig или ip link При наличии графической оболочки: ◦ Свойства сети 8 Итоги MAC-адреса – канальный уровень. MAC-адреса должны быть уникальны. Использование MAC-адресов: ◦ Автоматическое, от производителя сетевых адаптеров ◦ Ручное 9 Компьютерные сети: Коммутаторы Ethernet Типы Ethernet Классический Ethernet: ◦ ◦ ◦ ◦ Исторически, появился первым (1973 г.); Разделяемая среда, коллизии; Метод CSMA/CD; Недостатки: плохая масштабируемость, низкая безопасность и др. Коммутируемый Ethernet: ◦ ◦ ◦ ◦ Новая усовершенствованная технология (1995 г., Fast Ethernet, IEEE 802.3u); Нет разделяемой среды; Нет коллизий; Новые устройства – коммутаторы (switch). 2 Концентратор и коммутатор 3 Концентратор и коммутатор Топология – общая шина Полносвязная топология Физический уровень Канальный уровень 4 Особенности работы коммутаторов Таблица коммутации ◦ Соответствие MAC-адресов портам коммутатора Алгоритм обратного обучения ◦ Заполнение таблицы коммутации Алгоритм прозрачного моста ◦ Передача кадров коммутаторам 5 Таблица коммутации Содержит данные о доступности MAC-адресов через порты коммутатора В реальности, таблица устроена более сложно (тип записи, номер VLAN, состояние порта и т.п.) 6 Алгоритм обратного обучения 7 Сетевой мост Мост – устройство для объединения нескольких сетей ◦ Предшественник коммутатора ◦ Алгоритм прозрачного моста Прозрачный мост: ◦ Не заметен для сетевых устройств ◦ Не требует настройки 8 Алгоритм прозрачного моста 9 Коммутатор и коллизии К каждому порту коммутатора подключен только один компьютер/коммутатор: ◦ Полный дуплекс – коллизии не возникают; ◦ Полудуплекс – коллизия может возникнуть, если компютер и коммутатор одновременно решат передавать данные. К порту коммутатора подключен концентратор: ◦ Общая среда передачи, подключенная к порту коммутатора; ◦ Коллизии возникают, как в классическом Ethernet 10 Итоги Коммутируемый Ethernet – новая сетевая технология. ◦ Новое устройство – коммутатор. ◦ Соединение: каждый с каждым. ◦ Нет разделяемой среды, нет коллизий. Особенности работы коммутаторов: ◦ Анализируют заголовок канального уровня; ◦ Передают кадр только получателю; ◦ «Изучают» сеть (алгоритм обратного обучения, таблица коммутации). Преимущества: ◦ Высокая производительность и масштабируемость; ◦ Высокая безопасность. 11 Компьютерные сети: Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi – технология беспроводных локальных сетей. ◦ Wi-Fi – торговая марка (принадлежит Wi-Fi Alliance). ◦ Стандарт IEEE 802.11. Никак не расшифровывается. ◦ Игра слов с Hi-Fi. ◦ Ранний вариант «Wireless Fidelity». Wi-Fi Alliance проверяет оборудование на совместимость со стандартом. ◦ Только после проверки можно использовать символ Wi-Fi. ◦ Для Ethernet проверка не выполняется. 2 Место Wi-Fi в модели OSI 3 Режимы работы Wi-Fi 4 Wi-Fi и Ethernet Технология Wi-Fi похожа на Ethernet: ◦ Адресация – MAC-адреса. Разделяемая среда: ◦ Ethernet – кабели. ◦ Wi-Fi – радиоэфир. Общий формат кадра уровня LLC: ◦ Стандарт IEEE 802.2. 5 Стандарты физического уровня Wi-Fi Название Год принятия Скорость Частота 802.11 1997 1 и 2 Мб/с 2.4 ГГц 802.11a 1999 54 Мб/с 5 ГГц 802.11b 1999 11 Мб/с 2.4 ГГц 802.11g 2003 54 Мб/с 2.4 ГГц 802.11n 2009 600 Мб/с 150 Мб/с одна станция 2.4 ГГц и 5 ГГц 802.11ac 2014 6.67 Гб/с 1.69 Гб/с одна станция 5 ГГц 6 Физический уровень Wi-Fi Инфракрасное излучение: ◦ 802.11, устаревший метод. Электромагнитное излучение: ◦ 2.4 ГГц – 802.11b, 802.11g, 802.11n; ◦ 5 ГГц – 802.11a, 802.11n, 802.11ac. Диапазоны 2.4 и 5 ГГц не требуют лицензирования: ◦ Можно использовать свободно. ◦ Другие устройства также используют этот диапазон и создают помехи. 7 Представление сигнала Современные стандарты Wi-Fi используют метод OFMD: ◦ Orthogonal Frequency Division Multiplexing. ◦ Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением. Данные передаются параллельно, на разных частотах. 8 Каналы в диапазоне 2.4 ГГц 9 Ширина канала Используемая «ширина» канала: ◦ ◦ ◦ ◦ 20 МГц – первые стандарты Wi-Fi. 40 МГц – 802.11n. 80 МГц – 802.11ac (поддержка обязательна). 160 МГц – 802.11ac (поддержка «по желанию»). 10 Пространственный поток Использование нескольких антенн для передачи и приема сигнала: ◦ Стандарты 802.11n, 802.11ac. ◦ Пространственный поток – сигнал, распространяющийся от одной антенны до другой. Multiple Input Multiple Output (MIMO): ◦ Метод кодирования сигнала для использования нескольких антенн. 11 Адаптация скорости Wi-Fi позволяет менять скорость при разном качестве сигнала: ◦ Высокое качество – скорость увеличивается. ◦ Низкое качество – скорость уменьшается. Адаптация скорости реализуется за счет изменения: ◦ «Ширины» используемых каналов. ◦ Методов модуляции. ◦ Интервала между сигналами (Guard Interval). 12 Адаптация скорости 13 Итоги Wi-Fi: ◦ Доминирующая технология беспроводной передачи данных в локальных сетях. ◦ IEEE 802.11. Физический уровень Wi-Fi: ◦ 6 разных стандартов IEEE 802.11. Канальный уровень Wi-Fi: ◦ ◦ ◦ ◦ Метод CSMA/CA. Протокол MACA. Формат кадра Wi-Fi. Сервисы Wi-Fi. 14