Основные принципы работы локальных вычислительных сетей, построенных на базе семейства технологий Ethernet
Семейство технологий Ethernet
Ethernet — семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей. Стандарты Ethernet определяют как физический уровень (проводные соединения и электрические сигналы), так и канальный уровень (формат кадров и протоколы управления доступом к среде) взаимодействия в вычислительной сети в соответствии с эталонной моделью OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3.
В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Рассмотрим наиболее известные из них:
- 10BASE2, называемый также «тонкий Ethernet», описан стандартом IEEE 802.3a. Обеспечивает скорость передачи данных до 10 Мбит/с. В качестве среды передачи данных используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров. Для подключения одного устройства в кабель врезается T-коннектор, к которому подсоединятся сетевой адаптер. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
- 10BASE-T, описан стандартом IEEE 802.3i. Обеспечивает скорость передачи данных до 10 Мбит/с. Для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары категории 3 или категории 5. Максимальная длина сегмента 100 метров. Для подключения устройств используется коннектор 8P8C. Объединение нескольких устройств в один сегмент осуществляется с помощью концентратора или коммутатора.
- 100BASE-TX, называемый также «быстрый Ethernet», описан стандартом IEEE 802.3u. Обеспечивает скорость передачи данных до 100 Мбит/с. В качестве среды передачи данных используется витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается полнодуплексная передача данных, расстояние — до 100 м. Объединение нескольких устройств в один сегмент осуществляется с помощью концентратора или коммутатора.
- 1000BASE-T, называемый также «гигабитный Ethernet», описан стандартом IEEE 802.3ab. Обеспечивает скорость передачи данных до 1 Гбит/с. Используется витая пара категории 5e. В передаче данных участвуют 4 пары, каждая пара используется одновременно для передачи по обоим направлениям со скоростью — 250 Мбит/с. Объединение нескольких устройств в один сегмент осуществляется с помощью коммутатора.
Базовые принципы работы Ethernet-сетей на примере технологий 10BASE-T и 100BASE-TX
Адресация сетевых адаптеров и множественный доступ к среде передачи
- Подключите несколько устройств к концентратору. При таком способе подключения все устройства будут работать в полудуплексном режиме передачи (в один момент времени возможна либо передача, либо прием данных).
Определите MAC-адрес сетевого адаптера, с помощью которого каждый компьютер подключен к концентратору.
В ОС Linux:
- Вывести список всех сетевых адаптеров:
$ ip link 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 16436 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast master br0 state UP mode DEFAULT qlen 1000 link/ether c8:0a:a9:30:07:88 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff 3: wlan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP mode DEFAULT qlen 1000 link/ether 70:f1:a1:06:cc:93 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
- MAC-адрес сетевого адаптера выводится в поле "link/ether".
В ОС Windows:
- Вывести список всех сетевых адаптеров:
> ipconfig
- На каждом из устройств запустите анализатор трафика Wireshark и выберите для прослушивания интерфейс, с помощью которого устройство подключено к концентратору. В поле для правила фильтрации трафика введите строку "llc".
- Отправьте один Ethernet-кадр одному из подключенных устройств. Для этого можно воспользоваться программой для ОС Linux, исходный код которой приведен в методичесих указаниях курса.
- С помощью Wireshark убедитесь, что несмотря на то, что кадр был отправлен конкретному устройству, все остальные устройства также получили этот кадр. Это происходит потому, что в соответствии с основными принципами работы Ethernet-сетей все подключенные к среде передачи устройства получают распространяющийся в ней сигнал. Принятый кадр принимается к обработке в случае если адрес его назначения является широковещательным или совпадает с MAC-адресом сетевого адаптера.
- Управление доступом к среде передачи данных осуществляется в
соответствии с методом множественного доступа с контролем несущей
и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection, CSMA/CD). Передача каждого кадра
осуществляется по следующему алгоритму:
- Дождаться готовности среды передачи и начать отправку кадра.
- Если обнаружена коллизия, то:
- Увеличить счетчик попыток c на 1.
- Отправить jam-сигнал для предотвращения дальнейшей передачи.
- Попытаться заново отправить кадр через k·s мкс, где k —
случайное число между 0 и 2
c - 1, s — временной слот, зависящий от используемого стандарта Ethernet, для 10BASE-T И 100BASE-T составляет 51.2 мкс. - Перейти на шаг 2.
Разделение домена коллизий, микросегментация, коммутаторы
Домен коллизий — это множество устройств, между которыми может возникнуть коллизия во время передачи данных. Рост числа устройств в домене коллизий ведет к уменьшению производительности сети. Для разделения доменов коллизий раньше использовались мосты — устройства, перенаправлявшие кадр из одного порта в другой только если к нему подключен получатель этого кадра. Таким образом удавалось уменьшать и изолировать друг от друга домены коллизий, сохраняя при этом общую связность сети.
В настоящее время для построения Ethernet-сетей используются коммутаторы — мосты, к каждому порту которого подключается оконечное сетевое устройство. Таким образом, на каждом порту коммутатора образуется отдельный домен коллизий, состоящий только из 2 устройств — компьютера и коммутатора, что позволяет не рассматривать проблему коллизий вообще и обеспечить полнодуплексную передачу данных.
Рассмотрим пример работы Ethernet-сети, построенной с помощью коммутатора:
- Подключите несколько устройств к коммутатору
- Запустите анализатор трафика Wireshark на интерфейсах, подключенных к коммутатору, установите строку правила фильтрации — "llc".
- Отправьте один Ethernet-кадр одному из подключенных устройств. Убедитесь, что кадр дошел только до того устройства, которому был направлен.