ETHERNET
mgr inż. Krzysztof Szałajko
            Ethernet - definicja
Rodzina technologii wykorzystywanych w
sieciach:
• Specyfikacja mediów transmisyjnych
• Specyfikacja przesyłanych sygnałów
• Format ramek
• Protokoły
                                         2 / 37
            Rozwój Ethernetu
2,94 Mb/s w roku 1973
         100 Gb/s od roku 2010.
                                  3 / 37
            Dlaczego Ethernet
• prostota
• łatwość obsługi
• możliwość dostosowywania się do nowych
  technologii
• niezawodność
• niski koszt instalacji i rozbudowy
                                           4 / 37
             Ethernet, a 802.3
Pierwszy standard Ethernet opublikowany został
przez konsorcjum firm Digital Equipment
Company, Intel oraz Xerox (DIX).
1982 rok, transmisja 10 Mb/s, gruby kabel
koncentryczny.
                                                 5 / 37
              Ethernet, a 802.3
Opublikowane w 1983 roku standardy dotyczące
sieci LAN (802.x) komitetu ds. standardów dla
sieci lokalnych i miejskich instytutu Institute of
Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
wprowadzały niewielkie modyfikacje.
Standard IEEE 802.3.
                                                     6 / 37
          Dalszy rozwój Ethernetu
1995 r. – 100 Mb/s (Fast Ethernet)
1998 r. – 1 Gb/s (Gigabit Ethernet)
2002 r. – 10 Gb/s (10 Gigabit Ethernet)
2010 r. – 100 Gb/s (100 Gigabit Ethernet)
                                            7 / 37
Skalowalność Ethernetu
 • 10 Mb/s
 • Kabel koncentryczny
 • 100 Mb/s
 • Skrętka
 • 10 Gb/s
 • Światłowód
                         8 / 37
         Uzupełnienia standardu
W razie potrzeby rozszerzenia istniejącego
standardu, wprowadzenia nowego medium itp.
IEEE wydaje nowe uzupełnienia, z 1-2 literowym
oznaczeniem wersji, bądź rokiem.
Np. 802.3u – Fast Ethernet 100 Mb/s
802.3as – rozszerzenie ramki
                                                 9 / 37
           Nazwa technologii Ethernet
Szybkość         Metoda sygnalizacji   Medium
10               BASE                  2
100              BROAD                 5
1000                                   -T
10G                                    -TX
100G                                   -SX
                                       -LX
                                       -FX
                                                10 / 37
                      Adres fizyczny MAC
 Unikatowy identyfikator organizacyjny           Przypisany przez producenta
        (UOI) nadany przez IEEE
                 24 bity                                       24 bity
          6 cyfr szesnastkowych                      6 cyfr szesnastkowych
                20-6A-8A                                   34-5E-C5
               Broadcom                              Konkretne urządzenie
Adresy MAC są czasami oznaczane jako adresy wbudowane (BIA),
ponieważ są one wbudowane w pamięć ROM i kopiowane do
pamięci RAM w momencie inicjowania karty sieciowej.
                                                                               11 / 37
Sprawdzenie adresu MAC
                         12 / 37
                Format ramki ogólnej
Pole początku   Pole adresu   Pole typu /   Pole danych   Pole FCS
    ramki                      długości
                                                                     13 / 37
                  Kod kontrolny ramki
Ramka może z różnych względów nie dotrzeć do adresata, lub dotrzeć
uszkodzona. W przypadku braku informacji zwrotnej ACK o dotarciu ramki,
jest ona retransmitowana.
Trzy podstawowe sposoby obliczania kodu kontrolnego:
• Cykliczna kontrola nadmiarowa (CRC): wykonuje obliczenia na danych.
• Parzystość dwuwymiarowa: każdy kolejny bajt jest wstawiany do
   dwuwymiarowej tablicy, następnie wykonywana jest kontrola
   nadmiarowości w każdej kolumnie i wierszu, tworząc tym samym
   dziewiąty bajt wskazujący nieparzystą lub parzystą liczbę jedynek
   binarnych.
• Internetowa suma kontrolna: dodawane są wartości wszystkich bitów
   danych, wynik jest sumą kontrolną.
                                                                          14 / 37
            Ramka Ethernet IEEE 802.3
Preambuła   Znacznik   Cel   Źródło   Długość     Dane        Kod FCS
              SFD                       Typ     Wypełnienie
   7           1       6       6        2        46-1500        4
                                                                        15 / 37
                      Ramka Ethernet II
      Preambuła            Cel       Źródło   Typ     Dane        Kod FCS
                                                    Wypełnienie
          8                 6          6      2      46-1500        4
• Standard ramki używany w sieciach TCP/IP
• Przykłady typów:
    • 0x0806 ARP
    • 0x0800 IPv4
                                                                            16 / 37
                  Ramka Ethernet
Preambuła                        Asynchroniczność - sposób przesyłania danych
                                 pozwalający na nieregularne wysyłanie danych
Naprzemienny ciąg 0 i 1.
  10101010101010101010101010101010101010101010101010101010
                     AAAAAAAAAAAAAA(16)
Wykorzystywany do synchronizacji taktowania w
asynchronicznych implementacjach Ethernetu do
szybkości 10Mb/s.
W szybszych technologiach nadmiarowy,
pozostawiony w celu zachowania zgodności.
                                                                         17 / 37
                 Ramka Ethernet
Znacznik początku ramki (SFD)
Koniec informacji taktujących.
                        10101011
                          AB(16)
                                   18 / 37
                    Ramka Ethernet
Adres odbiorcy
Adres MAC odbiorcy:
• Adres pojedynczego hosta
• Adres grupowy
• Adres rozgłoszeniowy
                                     19 / 37
               Ramka Ethernet
Długość ramki według standardu Ethernetu nie
powinna być krótsza niż 64 bajty, ani dłuższa niż
1518 bajtów.
                                                    20 / 37
       Kontrola dostępu do medium
• Deterministycznie
  zgodnie z kolejnością
  Token ring, fddi
• Niedeterministycznie
  pierwszy przychodzi, pierwszy obsłużony
  CSMA/CD
                                            21 / 37
                            CSMA/CD
            Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
  protokół wielodostępu CSMA z badaniem stanu kanału i wykrywaniem kolizji
Metoda dostępu CSMA/CD spełnia trzy funkcje:
• Wysyłanie / odbieganie ramek
• Dekodowanie ramek, sprawdzanie
  poprawności adresów
• Wykrywanie błędów wewnątrz ramek
  i sieci
                                                                             22 / 37
                  CSMA/CD
• Nasłuchiwanie
  Stacja przed rozpoczęciem nadawania
  nasłuchuje, czy medium jest wolne.
  W przypadku, gdy jest zajęte odczekuje losowy
  przedział czasu przed kolejną próbą wysłania.
  Jeśli medium jest wolne, rozpoczyna
  nadawanie i nadal nasłuchuje, czy ktoś
  nie nadaje w tym samym czasie.
                                                  23 / 37
                  CSMA/CD
• Kolizja
  Następuje przy próbie jednoczesnego
  nadawania przez 2 lub więcej węzłów.
  Wykrywana jest na podstawie wzrostu
  amplitudy sygnału w medium transmisyjnym.
  Po wykryciu kolizji węzły nadają 32 bitowy
  sygnał zagłuszania (JAM), przez pewien czas,
  aby upewnić się, że pozostałe węzły
  wykryją kolizję.
                                                 24 / 37
                  CSMA/CD
• Kolizja c.d.
  Gdy wszystkie węzły wykryły kolizję następuje
  losowy czas odczekiwania, a transmisja zostaje
  przerwana.
  Po upływie losowego dla każdego węzła czasu
  następuje ponowna próba dostępu do
  medium.
                                                   25 / 37
CSMA/CD - schemat
                26 / 37
Czas transmisji bitu w sieciach Ethernet
   Szybkość sieci Ethernet   Czas transmisji bitu
          10 Mb/s                  100 ns
         100 Mb/s                   10 ns
           1 Gb/s                   1 ns
          10 Gb/s                   0.1 ns
                                                    27 / 37
              Przerwa międzyramkowa
    Szybkość sieci          Przerwa międzyramkowa            Wymagany czas
       10 Mb/s                                                      9.6 μs
      100 Mb/s                                                      0.96 μs
                            Czas przesłania 96 bitów
        1 Gb/s                                                     0.096 μs
       10 Gb/s                                                     0.0096 μs
Stacja może rozpocząć nadawanie, jeśli medium jest wolne dłużej,
niż wynosi przerwa międzyramkowa
                                                                               28 / 37
                   Typy kolizji
• Lokalna (10BASE2, 10BASE5)
  2 lub więcej jednoczesnych sygnałów spotka się w
  medium transmisyjnym, nakładają się przebiegi
  falowe, wzmocnienie niektórych części sygnału
  powyżej dozwolonego maksimum.
  (UTP) jednoczesne wykrycie sygnału na
  liniach RX i TX.
                                                     29 / 37
                Typy kolizji
• Zdalna
 Rozpoznawana po wielkości ramki, mniejszej
 niż wielkość minimalna oraz ma błędną sumę
 kontrolną.
 Najczęściej wykryta po drugiej stronie
 wtórnika w stosunku do wystąpienia
 kolizji.
                                              30 / 37
                Typy kolizji
• Spóźniona
 Następuje po wysłaniu pierwszych 64 oktetów.
 Z punktu widzenia karty sieciowej jest to
 transmisja udana.
 Fakt utraty ramki musi być wykrywany
 przez protokoły wyższych warstw.
                                                31 / 37
        Błędy w sieciach Ethernet
• Kolizja
  - równoczesna transmisja przed upłynięciem
  szczeliny czasowej
• Kolizja spóźniona
  - równoczesna transmisja po upłynięciu
  szczeliny czasowej
                                               32 / 37
        Błędy w sieciach Ethernet
• Jabber, długa ramka
  - ramka dłuższa niż 1518 oktetów
• Krótka ramka
  - ramka krótsza niż 64 oktety
• Błąd FCS
  - uszkodzona transmisja
                                     33 / 37
          Błędy w sieciach Ethernet
• Błąd zakresu
  - nierówność realnej i zgłoszonej liczby oktetów w ramce
• Błąd wyrównania
  - bity nie kończą się na równym oktecie
  - wiadomość przycinana do pełnego oktetu
  - sprawdzenie CRC
• Ghost
  - szum w kablu, który wydaje się ramką
  - ma powyżej 72 oktetów
  - brak poprawnego pola SFD
                                                         34 / 37
              Autonegocjacja
FLP (Fast Link Pulse) – seria sygnałów NLP
(Normal Link Puls) zaadaptowanych z 10BASE-T
wysyłanych co 16 ms, przekazuje możliwości
stacji do jej partnera połączeniowego.
Obie stacje wybierają najwyższą wspólną
wydajność – szybkość transmisji.
                                               35 / 37
                    Dupleks
• Półdupleks
  – Kabel koncentryczny
  – Skrętka
• Pełen dupleks
  – Skrętka
  – Kabel światłowodowy
                              36 / 37
37 / 37