Tehnologia pentru reþea Ethernet (I)
Dintre tehnologiile de reþea existente azi, Ethernet este cea mai popularã, fiind disponibilã oricui. Aceastã deschidere combinatã cu uºurinþa în utilizare ºi robusteþea au dus la extraordinara rãspândire a sistemelor Ethernet. Majoritatea producãtorilor de calculatoare echipeazã computerele cu elemente din gama 10-Mbps pentru a permite legarea lor într-un LAN (de asemenea sunt echipate cu elemente din gama 100-Mbps, ce permi 656b112g t operarea atât la 100-Mbps cât ºi la 10-Mbps). Ethernet permite interconectarea în LAN-uri a unor computere diverse ºi a unor elemente de tehnologie de reþea de la diverºi producãtori, interoperabile, ceea ce îi permite succesul corespunzãtor.
Ethernet a fost inventat la Xerox Palo Alto Research Center în 1970 de dr. Robert M. Metcalfe, în cadrul cercetãrilor privind dezvoltarea primei personal workstation, Xerox Alto. Primul sistem Ethernet funcþiona la aprox. 3-Mbps ºi se chema "experimental Ethernet". Primele specificaþii Ethernet au fost publicate în 1980 de un consorþiu internaþional format din DEC-Intel-Xerox, care au creat standardul DIX. Ele au transformat Ethernetul experimental într-un sistem deschis, productiv-calitativ, care sã opereze la 10-Mbps. Tehnologia Ethernet a fost apoi adoptatã de comitetul de standarde LAN al prestigiosului institut Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE 802). Primul standard IEEE a fost prima datã publicat în 1985, cu numele de "IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications". Standardul IEEE a fost apoi adoptat de organizaþia International Organization for Standardization (ISO), care l-a transformat într-un standard mondial de conectare în reþea. Standardul IEEE asigurã un sistem "Ethernet like", bazat pe tehnologia originalã DIX. Toate elementele Ethernet din 1985 încoace sunt realizate conform cu standardul 802.3, sau mai precis în tehnologia "IEEE 802.3 CSMA/CD". De cãtre cei mai mulþi, aceastã tehnologie este cunoscutã sub numele simplu de Ethernet. Standardul este permanent actualizat pentru a reflecta inovaþiile tehnologice (din 1985 au fost adãugate transmisia prin cablu pereche (twisted-pair) ºi specificaþiile pentru 100-Mbps FastEthernet).
Elemente Ethernet
Un sistem Ethernet constã din trei elemente de bazã :
mediul fizic, pentru transportul semnalelor Ethernet între computere
un set de reguli pentru controlul accesului la mediu, incluse în interfaþa Ethernet ºi care permite accesarea multiplã ºi echitabilã de cãtre mai multe calculatoare a canalului partajabil Ethernet
un frame Ethernet ce constã dintr-un set standardizat de biþi pentru transportul datelor prin sistem
Orice computer echipat Ethernet, denumit ºi staþie, opereazã independent de celelalte staþii, deoarece nu existã un controller central. Toate staþiile ataºate la Ethernet partajeazã un mediu de transmitere a semnalelor. Semnalele Ethernet sunt transmise serial, bit dupã bit, între staþiile ataºate. Pentru a putea transmite, o staþie ascultã mai întâi canalul ºi când acesta este liber (idle), transmite datele Ethernet sub forma unui frame sau pachet (termenul din standardul Ethernet este frame, dar pachet are acelaºi înþeles). Dupã fiecare transmisie a unui frame, toate staþiile concureazã în mod egal la posibilitatea transmisiei urmãtoarului frame (nu existã staþii privelegiate). Accesul la canalul partajat este asigurat de mecanismul de control al accesului (Medium Access Control - MAC), inclus în interfaþa Ethernet din cartela de reþea a fiecãrei staþii conectate. MAC are la bazã protocolul numit Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).
Protocolul CSMA/CD
Protocolul CSMA/CD presupune ascultarea un timp, pânã ce nu existã semnal pe canal (Carrier Sense), dupã care poate începe transmisia de la oricare din staþii (Multiple Access). Deoarece semnalele ajung dupã un timp finit de la un capãt la altul al sistemului Ethernet, primii biþi ai unui frame nu ajung la toate staþiile în acelaºi timp. De aceea este posibil ca douã interfeþe sã considere liber canalul ºi sã înceapã transmisia frame-urilor simultan. În aceastã situaþie, se sezizeazã de cãtre interfeþe coliziunea semnalelor ºi transmisia este opritã, frame-urile urmând a fi retransmise (Collision Detection). Protocolul CSMA/CD permite un acces echitabil la un canal partajabil, astfel cã toate staþiile au aceeaºi ºansã de a folosi reþeaua. Dupã fiecare trasnmisie, toate staþiile folosesc protocolul CSMA/CD pentru a determina urmãtoarea staþie care va transmite. Dacã mai mult de o staþie transmite în acelaºi timp pe canal, semnalele se spune cã produc coliziune. Staþiile sunt notificate de aceasta ºi îºi replanificã transmisia folosind un algoritm special de reluare. Astfel, staþiile implicate îºi aleg un interval aleator (ms) dupã care este replanificatã transmisia frame-ului, pentru evitarea unei noi coliziuni. Trebuie înþeles cã aceste coliziuni nu produc aspecte negative în reþea (pierderi de date, fiind denumite uneori evenimente stochastice), ci fac parte din logica de partajare a canalului (astfel se întreþese transmisia frame-urilor). Cu cât sunt mai multe staþii ataºate la un sistem Ethernet, iar traficul creºte, coliziunile devin din ce în ce mai dese. Majoritatea coliziunilor într-o reþea Ethernet neaglomeratã se rezolvã în ms sau 10 (-6) secunde. Dacã apar multe coliziuni pentru acelaºi frame, intervalul de ms de aºteptare este crescut progresiv. Coliziuni repetate pentru acelaºi pachet înseamnã o reþea încãrcatã (cu trafic intens). Procesul de creºtere a intervalului de aºteptare ºi reluare a transmisiei se mai numeºte "truncated binary exponential backoff" ºi permite adaptarea staþiilor la încãrcarea reþelei. Dupã 16 coliziuni consecutive pentru acelaºi pachet, acesta nu se va mai transmite, deoarece se considerã cã existã o supraîncãrcare a reþelei pe un interval mare de timp sau reþeaua este întreruptã. Desigur, obiectivul unui sistem Ethernet, ca a oricãrei alte tehnologii de LAN, este de a asigura transmisia cât mai rapidã ºi sigurã a datelor, conform principiului "best effort". Fiind importante complexitatea ºi costul unui LAN, tehnologia nu eliminã total erorile, care desigur pot sã aparã ( > 16 coliziuni succesive pentru un pachet datoritã supraîncãrcãrii, sau coruperea unui pachet datoritã unui zgomot în cablu, etc). Trebuie spus cã nici o tehnologie hardware nu permite un LAN perfect, aici intervenind rolul nivelelor software de corecþie a erorilor. Protocoalele de nivel înalt (software) stabilesc, în principiu, un serviciu sigur de transport folosind numere de secvenþã ºi mecanisme de achitare transmisie (acknowledgment) în pachetele trimise prin LAN.
Frame ºi adrese Ethernet
Frame-ul este unitatea de transmisie date în sistemul Ethernet (se mai cheamã cadru MAC), constând din mai multe câmpuri de biþi. Astfel avem câmpuri de adrese, un câmp variabil pentru date, cuprins între 46 ºi 1500 octeþi ºi un câmp de control al erorilor ce verificã integritatea datelor din frame, asigurând transmisia lor corectã, fig 1 (lungimea câmpurilor este în biþi).
 |
fig 1 - formatul unui frame Ethernet
Preambulul este format din 8 octeþi, din care primii 7 conþin biþii 1010...1010 iar ultimul conþine 10101011. Primele 2 câmpuri de adrese cuprind adrese pe 48 de biþi, numite adrese destinaþie ºi sursã. IEEE controleazã asignarea adreselor prin administrarea unei zone din câmpul de adresã. IEEE asigurã un identificator pe 24 biþi, numit "Organizationally Unique Identifiers" (OUIs), pentru fiecare producãtor de interfeþe Ethernet. Interfeþele vor avea astfel cei 24 biþi superiori setaþi cu OUI-ul propriu, ceilalþi 24 biþi fiind specifici fiecãrei interfeþe (adresã MAC). Primul bit din cei 48 selecteazã tipul de adresã, individualã sau de grup (0=individualã, 1=de grup) iar al doilea bit din cei 48 specificã modul de administrare a adresei (0=adresã administratã global, 1=adresã administratã local). La transmisia unui pachet în reþea, interfeþele comparã cei 48 biþi din câmpul de adresã destinaþie cu propria adresã, la coincidenþã interfaþa citind frame-ul ºi predându-l nivelelor software din protocol. Interfeþele care constatã cã adresa lor diferã de cea a pachetului care circulã, vor opri citirea. O adresã de multicast permite unui frame sã fie recepþionat de un grup de staþii. Se poate seta o interfaþã Ethernet sã asculte anumite adrese de multicast. Se pot grupa astfel staþiile la un grup multicast. Existã ºi cazul special al adresei de broadcast, când toate staþiile vor citi frame-ul cu aceastã adresã destinaþie. Datele sunt transmise într-o reþea folosind protocoale software, ca de exemplu stiva TCP/IP (popularã datoritã Internetului). Aceste protocoale au propriile lor adrese, ca de exemplu adresa pe 32 biþi a IP-ului. Pentru a se putea gãsi alte adrese Ethernet ale altor staþii pornind de la un IP se foloseºte un protocol de recunoaºtere a adreselor (Address Resolution Protocol - ARP).
Sã luãm un exemplu. Sã spunem cã staþia "A", cu adresa de IP 192.0.2.1 doreºte sã transmitã staþiei "B", ce are IP-ul 192.0.2.2. Staþia "A" trimite un pachet cu adresã de broadcast, conþinând o cerere ARP, pentru determinarea adresei Ethernet a staþiei cu IP-ul 192.0.2.2. Fiind un broadcast, orice interfaþã a oricãrei staþii va citi pachetul, îl va preda protocolului software (de nivel înalt), dar numai "B", cu IP-ul 192.0.2.2 va rãspunde, trimiþând un pachet înapoi lui "A" cu adresa sa de Ethernet (pe care o ºtie). Acum staþia "A" are adresa Ethernet a lui "B" cãtre care poate trimite informaþii folosind protocolul de comunicaþii de nivel înalt. Un sistem Ethernet poate include mai multe tipuri de protocoale de nivel înalt. De exemplu, poate include protocoale TCP/IP, Novell, AppleTalk, etc. Ethernet este deci sistemul de transport a pachetelor între calculatoare, ce nu þine cont de conþinutul pachetelor (þin cont protocoalele de nivel înalt).
Topologie ºi timing de semnal Ethernet
Pentru a înþelege cum traverseazã semnalele diverse segmente ale unui sistem Ethernet, trebuie explicat topologia sistemului. Topologia de semnal Ethernet se mai numeºte topologie logicã, pentru a o distinge de pozarea fizicã a cablelor. Topologia logicã prevede un singur canal (numit bus) care transportã semnale de la/cãtre toate staþiile. Mai multe segmente Ethernet pot fi legate între ele, folosind dispozitive de amplificare ºi resincronizare a semnalelor, numite repetoare. Datoritã repetoarelor, un segment Ethernet poate avea fizic o structurã stea, arbore, dar logic avem un singur canal Ethernet ce transportã semnale la toate staþiile. Nu existã o rãdãcinã predefinitã, arborele putând creºte în orice direcþie prin concatenare de segmente (unele cabluri suportã conexiuni la ambele capete - coaxial, iar altele nu). Trebuie respectatã regula ca sã nu se formeze bucle, caz în care sistemul Ethernet nu mai funcþioneazã corect. Orice canal trebuie sã aibã doi terminatori. În fig 2 se prezintã o topologie de semnal Ethernet, mai multe segmente legate prin repetoare ºi conectând staþii. Semnalul emis de la o staþie traverseazã segmentul propriu, dupã care prin repetoare ajunge la orice altã staþie. Topologia fizicã poate include cabluri bus sau stea (cele trei segmente legate la repetor). Indiferent de legarea fizicã, existã un singur canal logic care transportã semnalele cãtre toate staþiile. Pentru ca toate MAC-urile din interfeþe sã funcþioneze corect, ele trebuie sã rãspundã corespunzãtor într-un interval specificat de timp la semnale. Timing-ul de semnal reprezintã intervalul necesar pentru tur-returul unui semnal, pornind de la unul din capete (denumit ºi "round trip time"). Maximul timpului "round trip time" este mãrginit strict superior, pentru a permite fiecãrei interfeþe sã recepþioneze orice semnal din sistem.
 |
fig 2 - topologie de semnal Ethernet
Cu cât este mai lung un segment Ethernet, cu atât dureazã mai mult traversarea lui de cãtre un semnal. Indicaþiile de configurare a reþelei vin sã asigure limitele de "round trip time", indiferent de combinaþiile fizice fãcute. Indicaþiile de configurare constau în reguli de combinare a segmentelor cu repetoare, astfel ca timing-ul de semnal sã fie respectat în toatã reþeaua LAN. Dacã nu sunt respectate specificaþiile pentru lungimile individuale de segmente ºi regulile de configurare, s-ar putea ca computerele sã nu poatã transmite semnale între oricare, respectând limitele de timp, ceea ce poate duce la o interferenþã de semnale. Operarea corectã într-o reþea LAN Ethernet depinde de regulile cunoscute (publicate) pentru fiecare tip de suport fizic. LAN-urile mai complexe, ce includ segmente de diverse tipuri fizice, trebuie proiectate conform cu indicaþiile de configurare multi-segment prevãzute în standardele Ethernet. Aceste indicaþii cuprind limite ale numãrului de repetoare ºi segmente ce pot exista în sistem, pentru a fi siguri cã timpul de de "round trip time" este asigurat.
Tehnologia Ethernet a fost proiectatã pentru a permite o extensie uºoarã, conform necesitãþilor. Pentru a putea extinde reþelele existã dispozitive care fac legãturi (porturi) multiple Ethernet. Aceste dispozitive se numesc hub-uri. Existã douã tipuri majore de hub-uri : repetoarele ºi hub-uri de comutare (bridge). Dupã cum s-a vãzut, fiecare port dintr-un hub repetor leagã segmente Ethernet pentru a crea o reþea mai largã, care sã funcþioneze ca un LAN Ethernet. Numãrul total de segmente ºi repetoare din LAN trebuie sã satisfacã specificaþiile de "round trip time". Al doilea tip de hub permite comutarea (switching) pachetelor, bazatã în special pe porturi bridge. Un hub comutator permite legarea mai multor sisteme Ethernet ce opereazã ca LAN-uri separate, specificaþiile de "round trip time" fiind valabile doar în interiorul unui LAN. Deci repetoarele leagã segmente în interiorul unui LAN, cuprinzând zeci de computere, în timp ce comutatoarele bridge leagã LAN-uri Ethernet între ele, cuprinzând sute sau mii de maºini.
Media Ethernet 10-Mbps
Protocolul de acces la mediu fizic CSMA/CD ºi formatul frame-ului Ethernet este acelaºi pentru toate tipurile de medii Ethernet, indiferent de viteza lor de operare. Tipurile de medii 10-Mbps ºi 100-Mbps folosesc totuºi componente diferite ºi au reguli de configurare diferite. Un sistem original Ethernet opereazã la 10-Mbps ºi existã patru medii de bazã descrise în standard, fig 3.
 |
fig 3 - patru tipuri de medii 10-Mbps Ethernet
Cele patru medii sunt reprezentate de identificatori IEEE. Un identificator IEEE include 3 categorii de informaþii. Primul element din identificator, "10", reprezintã viteza semnalelor prin mediu, 10-Mbps. Cuvântul "BASE" reprezintã banda de bazã (baseband), un tip de propagare a semnalelor (simplu înseamnã cã semnalele Ethernet sunt singurele ce se propagã prin mediu). Ultima parte a identificatorului reprezintã o indicaþie a tipului de segment sau a lungimii. De exemplu, pentru coaxial gros "5" reprezintã lungimea maximã de 500 metri pentru un segment separat; pentru coaxial subþire, "2" reprezintã rotunjirea valorii de 185 metri, maximul lungimii unui segment. "T" ºi "F" semnificã pereche rãsucitã (twisted-pair) ºi fibrã opticã. Prima specificaþie Ethernet se referea la cablu coaxial gros. Apoi a apãrut coaxial subþire, pereche ºi fibrã.
Componente folosite în medii 10-Mbps
În fig 4 se prezintã diverse componente folosite în conexiunile din medii 10-Mbps, prezente în standard. Componentele le gãsim în oferte, adresate prin identificatori cu trei litere, tipãrite pe dispozitive Ethernet.
 |
fig 4 - elemente de interfaþare Ethernet
Mediul fizic poate fi unul din cele patru medii prezentate mai sus. Conexiunea la mediu se face cu un MDI. De exemplu, pentru coaxial gros ºi subþire avem mufe tip BNC, pentru pereche avem un conector jack cu opt pini, cunoscut sub codul de conector telefonic RJ-45, etc. Urmãtorul element de conexiune este un MAU. În standardul original DIX Ethernet el este cunoscut sub numele de transceiver (poate face atât TRANSmit cât ºi reCEIVE de semnale). MDI se include de cele mai multe ori în MAU, permiþând accesul electric la mediu. AUI este urmãtorul element de legãturã (în standardul DIX se mai numeºte cablu transceiver). AUI se conecteazã cu cartela de reþea din computer prin mufa de 15 pini. În standardul IEEE, un computer cu o interfaþã Ethernet se numeºte DTE (data terminal equipment). Interfaþa Ethernet conþine electronica necesarã pentru funcþiile MAC, necesare transmiterii frame-urilor pe canale Ethernet. Porturile Ethernet din repetoare nu au cartele de reþea, conectându-se la mediu prin AUI, MAU ºi MDI. Porturile din repetoare opereazã la nivelul biþilor individuali care circulã, multiplexând semnalele. Dacã repetoarele opereazã la nivel de frame, atunci sunt de fapt hub-uri repetoare (computere cu mai multe interfeþe), care au implementate un protocol din clasa SNMP (Simple Network Management Protocol). În fig 4 se observã cele douã posibilitãþi de configurare : cu MAU extern ºi intern. Într-o configurare externã, DTE-ul sau portul din repetor au mufa de 15 pini pentru AUI. Cablu AUI ºi MAU sunt în afarã (legãtura cu cablu transceiver ºi transceiver). În conexiunea internã, AUI ºi MAU sunt în placa de reþea sau portul repetorului, dispozitivul extern fiind doar MDI, ce leagã interfaþa cu mediul (cazul coaxialului subþire sau pereche rãsucitã 4 fire).
Sumar pentru cele prezentate
În cele prezentate s-au descris evoluþia standardelor Ethernet, operarea incluzând mecanisme MAC, topologii de semnale, medii ºi componente Ethernet. S-au introdus frame-ul ºi asignarea/regãsirea de adrese de cãtre protocoale de nivel înalt ARP. Important este ºi considerarea limitelor de "round trip time", având în vedere posibilitãþile de extensie cu noi segmente prin repetoare sau bridge-uri.
Un computer DTE, ce conþine o interfaþã Ethernet formeazã ºi trimite frame-uri, ce conþin datele utile unui alt computer. Interfaþa se leagã la mediu prin echipamente ce includ AUI, MAU, ce are asociat un MDI. MAU ºi MDI sunt specifice fiecãrui mediu. AUI ºi MAU pot fi incluse sau nu în interfaþa de reþea.
|
