Ethernet

Początki Ethernetu pochodzą sprzed 1970 roku, kiedy to na uniwersytecie na Hawajach powstała sieć radiowa o nazwie ALOHANET. Sieć ta oparta była na falach radiowych i służyła do komunikacji pomiędzy wyspami.W oparciu o ten pomysł Robert Metcalfe i David Boggs z Xerox Palo Alto Research Center opracowali sieciową technologię Ethernet posługującą się kablem koncentrycznym.
Formalna specyfikacja Ethernetu została opracowana przez konsorcjum trzech firm: Xerox, Intel i Digital Equipment (DEC) i opublikowana w. Ethernet został zaadaptowany przez Institute of Electrical and Electronics Engineers, który ustanowił standard IEEE 802.3. Od tego czasu całość wyposażenia Ethernetowego jest tworzona według standardu IEEE 802.3, jednak nadal określa się ją mianem Ethernet.
Protokół stosowany w sieciach Ethernet powstawał poprzez ewolucję kolejnych metod transmisji danych takich jak:
ALOHA
Jest to najstarsza z metod. Stosowana jest w rozległych sieciach radiowych. Nadawca rozpoczyna nadawanie w dowolnym momencie, a po wysłaniu całej ramki, oczekuje od odbiorcy na potwierdzenie dotarcia informacji (równoczesne nadawanie sygnału, powoduje zniekształcenie danych, kolizje).
CSMA (carrier sense multiple access)
W tym protokole nadawca przed wysłaniem ramki nasłuchuje czy łącze jest wolne. Funkcję tę nazywamy: funkcją rozpoznawania stanu kanału transmisyjnego (carrier sense). W tym przypadku, kolizje następują jedynie, gdy dwóch nadawców rozpocznie równocześnie nadawanie, upewniwszy się przedtem o wolnym łączu. Sygnał jest transportowany pomiędzy nimi w skończonym odcinku czasu.

CSMA/CD (carrier sense, multiple access with collision detection)
W tej metodzie po wykryciu kolizji (w przypadku jak poprzednio), nadajnik uznaje, że transmisje należy powtórzyć – ponieważ dane w łączu są już zniekształcone przez sygnał drugiego nadawcy. Jednak nie przerywa natychmiast transmisji, aby zwolnić łącze. Nadaje jeszcze przez jakiś czas, aby zwiększyć prawdopodobieństwo wykrycia kolizji przez innych użytkowników.
Norma IEEE 802.3
Standard Ethernet, jest pewną odmianą ostatniej z metod i obejmuje następujące założenia (protokół 802.3):
1. Wszystkie stacje prowadzą ciągły nasłuch stanu łącza i sprawdzają czy łącze jest wolne, zajęte czy też IFG (interframe gap) odstęp międzyramkowy (strefa buforowa) dla 10Mbit równa 9,6us (czas transmisji 96 bitów).
Odstęp międzyramkowy (IFG) odcinkiem czasu po ustaniu stanu zajętości łącza. Wynika ona z maksymalnej odległości pomiędzy skrajnymi hostami i czasu propagacji sygnału w danym medium.
2. Komputery mogą nadawać jedynie, gdy łącze jest wolne. W przypadku zajętości kanału, muszą odczekać do końca transmisji i dodatkowo przeczekać czas odstępu międzyramkowego.
3. Jeżeli podczas nadawania stacja wykryje kolizję, nadaje jeszcze przez czas wymuszenia kolizji dla 10Mbit równy 3,2us (czas transmisji 32 bitów). Jeśli kolizja wystąpi podczas nadawania preambuły, to stacja kontynuuje nadawanie preambuły, po czym nadaje jeszcze 32 bity takiego samego sygnału. Po wykryciu kolizjistacja dobiera długość odcinka czasu Ti, przez który nie będzie podejmowała prób nadawania.
4. Dla Ti, liczba „i” jest numerem podejmowanej próby. Możliwe jest maksymalnie 16 prób, po których karta sieciowa zwraca błąd. Czas Ti wyznaczany jest ze wzoru:
Ti = Ri S
S - szerokość szczeliny czasowej,
Ri - liczba losowa z przedziału <0, 2n-1>, przy czym n = min( i,10 ).
Czas Ti wzrasta wraz z ilością podjętych prób nadawania. Czas ten musi być liczbą losową (wyznaczaną wg pewnego algorytmu z adresu karty sieciowej), ponieważ inaczej stacje nadające ponawiałyby próby w tych samych czasach, co powodowałoby kolejne kolizje. Proces ten określany jest w literaturze angielskojęzycznej mianem backoff.
5. Szczelina czasowa S (slot time) [5i] jest czasem transmisji 512 bitów dla sieci Ethernet 10 i 100Mb/s oraz 4096 bitów dla sieci 1Gb/s. Wynika on z dwóch elementów:
czasu potrzebnego na dotarcie sygnału z jednego końca sieci o maksymalnym rozmiarze na drugi koniec i jego powrót,
maksymalnego czasu potrzebnego na rozwiązanie problemu wynikającego z wystąpienia kolizji (wykrycie kolizji i wysłanie sygnału przez czas wymuszania kolizji).
Budowa pakietu IEEE 802.3
Pakiet Ethernetowy składa się z ramki, która jest poprzedzona preambułą i bajtem zwanym znacznikiem początku ramki (SFD). Minimalna długość ramki wynosi 64 bajty (po 8 bitów), preambuła składa się z 56 bitów, a SFD z 8 bitów.
Preambuła – naprzemienny ciąg bitów 1 i 0, informujący o nadchodzącej ramce. Najczęściej nie jest on włączany do wielkości ramki. Uznawany jest za część procesu komunikacji.
SFD – (Start of Frame Delimiter )– bajt kończący preambułę o postaci: '10101011' (standard 802.3, strona 24), zawsze jest zakończony dwoma bitami 1. W standardzie Ethernet bajt ten nie występuje, zastąpiony jest kolejnym bajtem preambuły (ostatni bit równy 0).
Adresy – są to liczby 6 bajtowe, będące adresami sprzętowymi komunikujących się interfejsów sieciowych.
Długość – określa w bajtach ilość danych, które nastąpią po tym polu – nie może być więcej niż 1500. W standardzie Ethernet wartość w tym polu jest zawsze większa od 1500 (dziesiętnie) i określa numer protokołu warstwy wyższej, który odbierze dane po zakończeniu obróbki przez standard Ethernet.
Dane – jeśli ilość danych jest mniejsza od 46 bajtów, wprowadzane jest tzw. uzupełnienie PAD (padding) i dane są dopełniane jedynkami, tak aby ramka nie była mniejsza niż 512 bitów (slot time) dla 10Mbit..
FCS – Frame Check Sequence – zawiera 4 bajty kontrolne (cyclic redundancy check - CRC) wygenerowane przez interfejs nadający i sprawdzane przez odbierający. Określają one czy dane nie zostały uszkodzone.
Niektóre z pojęć występujących w normie IEEE 802.3.
DTE (data terminal equipment) - urzadzenie terminalowe danych lub inaczej stacja, jest unikalnym, zaadresowanym urządzeniem w sieci.
Urządzenie nadawczo-odbiorcze (transceiver) – urządzenie, które umożliwia stacji transmisje „do” i „z” któregoś ze standartowych mediów normy IEEE 802.3. Dodatkowo transceiver Ethernetowy zapewnia izolację elektryczną pomiędzy stacjami oraz wykrywa i reaguje na kolizje.
MAU (Medium Attachement Unit) moduł dołączania medium jest jednym z określeń IEEE na transceiver. Karta sieciowa najczęściej ma zintegrowany wewnątrz transceiver.
AUI (Attachment Unit Interface) - połączenie pomiędzy kontrolerem i transceiverem. Aktualnie prawie nie występuje, był to rodzaj kabla i gniazdek, do komunikowania się karty sieciowej z dołączanymi do niej transceiverami. Dopiero transceiver mógł zostać podłączony do medium transmisyjnego (np.: koncentryk, skrętka)
Segment – część okablowania sieci ograniczona przez mosty (bridge), przełączniki (switche), rutery, wzmacniaki lub terminatory. Najczęściej połączenie między dwoma komputerami lub koncentratorem i komputerem (dla skrętki i światłowodu), lub jeden odcinek kabla koncentrycznego łączącego wiele urządzeń.
Wzmacniak (repeater) – stanowi połączenie elektryczne między dwoma segmentami sieci. Jego zadaniem jest wzmocnienie i odnowienie sygnału w celu zwiększenia rozległości sieci. W żaden sposób nie ingeruje w zawartość logiczną ramki.
Koncentrator (hub, concentrator) – umożliwia podłączenie (w topologii gwiazdy) wielu urządzeń sieciowych w jeden segment. W rozważaniach można go traktować jak połączenie wielu wzmacniaków (wieloportowy wzmacniak).
Technologie sieci Ethernet
Full-duplex
Full-duplex umożliwia dwóm stacjom równoczesną wymianę danych poprzez łącze typu punkt-do-punktu (point-to-point). Muszą one jednak posiadać niezależne ścieżki nadawania i odbioru. W tym przypadku medium kabla koncentrycznego nie spełnia tego warunku, jest tam jedynie jedna ścieżka i nie ma możliwości transmisji full-duplex poprzez koncentryk. Ponadto w tym trybie można połaczyć jedynie dwie stacje i obie muszą mieć interfejsy sieciowe skonfigurowane do pracy w trybie full-dupleks.
Zaletą trybu full-duplex jest brak ograniczeń długości segmentu wynikających z wymagań czasowych (szczelina czasowa S - rozpiętość sieci). W tym trybie pracy długość segmentu ograniczają jedynie parametry medium, np.: w skrętce CAT5 charakterystyki elektryczne kabla ograniczają jego długość do 100 metrów..W transmisji full-duplex nie ma możliwości wykrywania kolizji, co w niektórych przypadkach może stwarzać problemy. W przypadku gdy jeden komputer w sieci ma ustawioną transmisję typu full-duplex i zostanie podłączony do koncentratora, wystąpi zjawisko wielokrotnych kolizji, ponieważ przy takim połączeniu komputer ten uznaje, że ma dostępną całą szerokość pasma i nie sprawdza czy może nadawać. Największe korzyści ze stosowania trybu full-duplex otrzymamy używając go w połączeniach rdzenia sieci pomiędzy przełącznikami i w połaczeniach serwerów z przełącznikami.
MAC Control
Protokół MAC Control opsługuje sytuacje związane z zagubieniem ramki w sieci, odrzuceniem tego typu ramki, jej uszkodzeniem lub opóźnieniem. Rozmiar tego typu ramki jest minimalnym rozmiarem ramki w sieci czyli wynosi 64 bajty.
Podczas transmisji full-duplex, protokół kontroli MAC przenosi polecenia PAUSE. Tylko stacje skonfigurowane do pracy w trybie full-duplex mogą odbierać ramki typu PAUSE. Poza kodem w ramce znajduje się czas przez jaki należy wstrzymać wysyłanie kolejnych ramek z danymi do danej stacji. W taki sposób został zapewniony mechanizm sterowania przepływem danych w czasie rzeczywistym.
Automatyczne negocjowanie
Protokół Auto-Negotiation wykorzystuje do przesyłania informacji system sygnalizacji zwany FLP (Fast Link Pulse ). Sygnały te są zmodyfikowaną wersją sygnałów NLP (Normal Link Pulse) wykorzystywanych do weryfikacji integralności łącza w standardzie 10Base-T. Z wyjątkiem systemu Gigabit Ethernet pracującego na światłowodzie, nie ma standardów auto-negocjacji IEEE dla światłowodów.
1000Base-T
Umożliwia on transmisję o szybkości 1000Mb/s przez skrętkę Cat-5 o długości 100 m. Zdefiniowana została również transmisja typu full-duplex (przy wykorzystaniu 4 par) umożliwiająca osiągnięcie przepustowości 2000Mb/s.
W standardzie znalazł się opcjonalny tryb pracy określony jako potoki ramek. Pozwala to na transmisję więcej niż jednej ramki w danym czasie nadawania, co poprawia osiągi systemu przy przesyłaniu dużych ilości krótkich ramek.
Sygnały, kodowanie
Jeśli transceiver zostanie uszkodzony i zaczyna w sposób ciągły nadawać sygnał, sytuację taką nazywamy jabbering. W takim przypadku definiowaną przez normę rolą transceivera jest odcięcie sygnału.
Sygnały w 10Mbps koncentryku, skrętce i światłowodzie używają dosyć prostego schematu kodowania Manchester. Sygnały zegara i danych są połączone i w środku każdego bitu następuje przeskok taktu. Zasady kodowania Manchester:
- 0 - sygnał o wysokiej wartości w pierwszej połowie okresu i niskiej w drugiej,
- 1 - sygnał o niskiej wartości w pierwszej połowie okresu i wysokiej w drugiej.
Również światłowodowe wersje 10Mbps Ethernetu używają kodowania Manchester.
Sygnały w skrętce dla 10Base-T mają poziomy napięć od -2,5V do +2,5V, przy standardzie 100Base-T od -1V do +1V. Dla tego sygnalizacja ta nie wymaga punktu zero tj. w koncentryku.
Kodowanie w systemach 100Mbps opiera się na kodowaniu blokowym, np. 4 bitowy blok danych kodowany jest za pomocą 5 bitowego symbolu (4B/5B). Dodatkowe symbole kodowe używane są do celów kontrolnych, np.: sygnalizacja startu ramki, sygnalizacja błędów. W wyniku kodowania blokowego transmisja ma rzeczywistą szybkość 125Mbaudów. Ponadto symbole transmitowane są przy pomocy systemu zwanego wielopoziomowym progiem-3 (MTL-3). Oznacza to, że przy każdej zmianie sygnał będzie miał jeden z trzech poziomów. Podczas każdego taktu zegara zmiana poziomu sygnału oznacza logiczną jedynkę, a brak zmiany zero.
Protokół ARP – Protokół Określania Adresów.
ARP (Address Resolution Protokol) jest protokołem umożliwiającym przekształcanie adresów protokołów sieciowych (w naszym przypadku adresów IP) na 48 bitowe adresy Ethernetowe (MAC). W momencie gdy protokół warstwy Internetu chce przekazać datagram do warstwy dostępu do sieci, warstwa ta (a dokładniej warstwa łącza danych modelu ISO/OSI) musi określić adres docelowy, komputera do którego ma przekazać datagram. Jeśli jeszcze go nie zna, rozsyła zapytanie rozgłoszeniowe (broadcast - z docelowym adresem MAC równym FFFFFFFFFFFF) do wszystkich komputerów w danej sieci lokalnej. Następnie odpowiedni komputer – cel – (jeśli istnieje w sieci lokalnej) rozpoznaje zawarty ramce Ethernetowej adres protokołu sieciowego IP, odpowiada i podaje swój adres MAC. W tym momencie protokół ARP na komputerze źródłowym uzupełnia swoją tablicę danych o adres docelowego komputera. Następnym razem, w przypadku ponowienia transmisji do tej właśnie stacji, już bezpośrednio zaadresuje datagram i skieruje go do danej karty sieciowej (pamiętajmy, że adres Ethernetowy jest równocześnie niepowtarzalnym adresem określonego urządzenia sieciowego - karty sieciowej).