Кафедра Информатики и Математического Обеспечения

ПетрГУ | О кафедре | Мобильные платформы | Лаборатория ИТС | Филиал в КарНЦ РАН | Семинары НФИ/AMICT
Сотрудники | Выпускники | Учебный процесс | Курсовые и выпускные работы | Вычислительные ресурсы
Публикации | Архив новостей | Контактная информация | Поиск | English

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

  1. 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).
  2. 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
    
  3. 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".
  4. Отправьте один Ethernet-кадр одному из подключенных устройств. Для этого можно воспользоваться программой для ОС Linux, исходный код которой приведен в методичесих указаниях курса.
  5. 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.
  6. 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:
    1. Дождаться готовности среды передачи и начать отправку кадра.
    2. 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:

  1. Подключите несколько устройств к коммутатору
  2. Запустите анализатор трафика Wireshark на интерфейсах, подключенных к коммутатору, установите строку правила фильтрации — "llc".
  3. Отправьте один Ethernet-кадр одному из подключенных устройств. Убедитесь, что кадр дошел только до того устройства, которому был направлен.