Tehnologia pentru rețea Ethernet (I)
Dintre tehnologiile de rețea existente azi, Ethernet este cea mai populară, fiind disponibilă oricui. Această deschidere combinată cu ușurința în utilizare și robustețea au dus la extraordinara răspândire a sistemelor Ethernet. Majoritatea producătorilor de calculatoare echipează 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 și la 10-Mbps). Ethernet permite interconectarea în LAN-uri a unor computere diverse și a unor elemente de tehnologie de rețea de la diverși producători, interoperabile, ceea ce îi permite succesul corespunzător.
Ethernet a fost inventat la Xerox Palo Alto Research Center în 1970 de dr. Robert M. Metcalfe, în cadrul cercetărilor privind dezvoltarea primei personal workstation, Xerox Alto. Primul sistem Ethernet funcționa la aprox. 3-Mbps și se chema "experimental Ethernet". Primele specificații Ethernet au fost publicate în 1980 de un consorțiu internațional format din DEC-Intel-Xerox, care au creat standardul DIX. Ele au transformat Ethernetul experimental într-un sistem deschis, productiv-calitativ, care să opereze la 10-Mbps. Tehnologia Ethernet a fost apoi adoptată de comitetul de standarde LAN al prestigiosului institut Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE 802). Primul standard IEEE a fost prima dată 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 organizația International Organization for Standardization (ISO), care l-a transformat într-un standard mondial de conectare în rețea. Standardul IEEE asigură un sistem "Ethernet like", bazat pe tehnologia originală 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 către cei mai mulți, această tehnologie este cunoscută sub numele simplu de Ethernet. Standardul este permanent actualizat pentru a reflecta inovațiile tehnologice (din 1985 au fost adăugate transmisia prin cablu pereche (twisted-pair) și specificațiile pentru 100-Mbps FastEthernet).
Elemente Ethernet
Un sistem Ethernet constă din trei elemente de bază :
mediul fizic, pentru transportul semnalelor Ethernet între computere
un set de reguli pentru controlul accesului la mediu, incluse în interfața Ethernet și care permite accesarea multiplă și echitabilă de către mai multe calculatoare a canalului partajabil Ethernet
un frame Ethernet ce constă dintr-un set standardizat de biți pentru transportul datelor prin sistem
Orice computer echipat Ethernet, denumit și stație, operează independent de celelalte stații, deoarece nu există un controller central. Toate stațiile atașate la Ethernet partajează un mediu de transmitere a semnalelor. Semnalele Ethernet sunt transmise serial, bit după bit, între stațiile atașate. Pentru a putea transmite, o stație ascultă mai întâi canalul și când acesta este liber (idle), transmite datele Ethernet sub forma unui frame sau pachet (termenul din standardul Ethernet este frame, dar pachet are același înțeles). După fiecare transmisie a unui frame, toate stațiile concurează în mod egal la posibilitatea transmisiei următoarului frame (nu există stații privelegiate). Accesul la canalul partajat este asigurat de mecanismul de control al accesului (Medium Access Control - MAC), inclus în interfața Ethernet din cartela de rețea a fiecărei stații conectate. MAC are la bază protocolul numit Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).
Protocolul CSMA/CD
Protocolul CSMA/CD presupune ascultarea un timp, până ce nu există semnal pe canal (Carrier Sense), după care poate începe transmisia de la oricare din stații (Multiple Access). Deoarece semnalele ajung după un timp finit de la un capăt la altul al sistemului Ethernet, primii biți ai unui frame nu ajung la toate stațiile în același timp. De aceea este posibil ca două interfețe să considere liber canalul și să înceapă transmisia frame-urilor simultan. În această situație, se sezizează de către interfețe coliziunea semnalelor și transmisia este oprită, frame-urile urmând a fi retransmise (Collision Detection). Protocolul CSMA/CD permite un acces echitabil la un canal partajabil, astfel că toate stațiile au aceeași șansă de a folosi rețeaua. După fiecare trasnmisie, toate stațiile folosesc protocolul CSMA/CD pentru a determina următoarea stație care va transmite. Dacă mai mult de o stație transmite în același timp pe canal, semnalele se spune că produc coliziune. Stațiile sunt notificate de aceasta și își replanifică transmisia folosind un algoritm special de reluare. Astfel, stațiile implicate își aleg un interval aleator (ms) după care este replanificată transmisia frame-ului, pentru evitarea unei noi coliziuni. Trebuie înțeles că aceste coliziuni nu produc aspecte negative în rețea (pierderi de date, fiind denumite uneori evenimente stochastice), ci fac parte din logica de partajare a canalului (astfel se întrețese transmisia frame-urilor). Cu cât sunt mai multe stații atașate la un sistem Ethernet, iar traficul crește, coliziunile devin din ce în ce mai dese. Majoritatea coliziunilor într-o rețea Ethernet neaglomerată se rezolvă în ms sau 10 (-6) secunde. Dacă apar multe coliziuni pentru același frame, intervalul de ms de așteptare este crescut progresiv. Coliziuni repetate pentru același pachet înseamnă o rețea încărcată (cu trafic intens). Procesul de creștere a intervalului de așteptare și reluare a transmisiei se mai numește "truncated binary exponential backoff" și permite adaptarea stațiilor la încărcarea rețelei. După 16 coliziuni consecutive pentru același pachet, acesta nu se va mai transmite, deoarece se consideră că există o supraîncărcare a rețelei pe un interval mare de timp sau rețeaua este întreruptă. Desigur, obiectivul unui sistem Ethernet, ca a oricărei alte tehnologii de LAN, este de a asigura transmisia cât mai rapidă și sigură a datelor, conform principiului "best effort". Fiind importante complexitatea și costul unui LAN, tehnologia nu elimină total erorile, care desigur pot să apară ( > 16 coliziuni succesive pentru un pachet datorită supraîncărcării, sau coruperea unui pachet datorită unui zgomot în cablu, etc). Trebuie spus că nici o tehnologie hardware nu permite un LAN perfect, aici intervenind rolul nivelelor software de corecție a erorilor. Protocoalele de nivel înalt (software) stabilesc, în principiu, un serviciu sigur de transport folosind numere de secvență și mecanisme de achitare transmisie (acknowledgment) în pachetele trimise prin LAN.
Frame și adrese Ethernet
Frame-ul este unitatea de transmisie date în sistemul Ethernet (se mai cheamă cadru MAC), constând din mai multe câmpuri de biți. Astfel avem câmpuri de adrese, un câmp variabil pentru date, cuprins între 46 și 1500 octeți și un câmp de control al erorilor ce verifică integritatea datelor din frame, asigurând transmisia lor corectă, fig 1 (lungimea câmpurilor este în biți).
fig 1 - formatul unui frame Ethernet
Preambulul este format din 8 octeți, din care primii 7 conțin biții 1010...1010 iar ultimul conține 10101011. Primele 2 câmpuri de adrese cuprind adrese pe 48 de biți, numite adrese destinație și sursă. IEEE controlează asignarea adreselor prin administrarea unei zone din câmpul de adresă. IEEE asigură un identificator pe 24 biți, numit "Organizationally Unique Identifiers" (OUIs), pentru fiecare producător de interfețe Ethernet. Interfețele vor avea astfel cei 24 biți superiori setați cu OUI-ul propriu, ceilalți 24 biți fiind specifici fiecărei interfețe (adresă MAC). Primul bit din cei 48 selectează tipul de adresă, individuală sau de grup (0=individuală, 1=de grup) iar al doilea bit din cei 48 specifică modul de administrare a adresei (0=adresă administrată global, 1=adresă administrată local). La transmisia unui pachet în rețea, interfețele compară cei 48 biți din câmpul de adresă destinație cu propria adresă, la coincidență interfața citind frame-ul și predându-l nivelelor software din protocol. Interfețele care constată că adresa lor diferă de cea a pachetului care circulă, vor opri citirea. O adresă de multicast permite unui frame să fie recepționat de un grup de stații. Se poate seta o interfață Ethernet să asculte anumite adrese de multicast. Se pot grupa astfel stațiile la un grup multicast. Există și cazul special al adresei de broadcast, când toate stațiile vor citi frame-ul cu această adresă destinație. Datele sunt transmise într-o rețea folosind protocoale software, ca de exemplu stiva TCP/IP (populară datorită Internetului). Aceste protocoale au propriile lor adrese, ca de exemplu adresa pe 32 biți a IP-ului. Pentru a se putea găsi alte adrese Ethernet ale altor stații pornind de la un IP se folosește un protocol de recunoaștere a adreselor (Address Resolution Protocol - ARP).
Să luăm un exemplu. Să spunem că stația "A", cu adresa de IP 192.0.2.1 dorește să transmită stației "B", ce are IP-ul 192.0.2.2. Stația "A" trimite un pachet cu adresă de broadcast, conținând o cerere ARP, pentru determinarea adresei Ethernet a stației cu IP-ul 192.0.2.2. Fiind un broadcast, orice interfață a oricărei stații va citi pachetul, îl va preda protocolului software (de nivel înalt), dar numai "B", cu IP-ul 192.0.2.2 va răspunde, trimițând un pachet înapoi lui "A" cu adresa sa de Ethernet (pe care o știe). Acum stația "A" are adresa Ethernet a lui "B" către care poate trimite informații folosind protocolul de comunicații 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 ține cont de conținutul pachetelor (țin cont protocoalele de nivel înalt).
Topologie și timing de semnal Ethernet
Pentru a înțelege cum traversează semnalele diverse segmente ale unui sistem Ethernet, trebuie explicat topologia sistemului. Topologia de semnal Ethernet se mai numește topologie logică, pentru a o distinge de pozarea fizică a cablelor. Topologia logică prevede un singur canal (numit bus) care transportă semnale de la/către toate stațiile. Mai multe segmente Ethernet pot fi legate între ele, folosind dispozitive de amplificare și resincronizare a semnalelor, numite repetoare. Datorită repetoarelor, un segment Ethernet poate avea fizic o structură stea, arbore, dar logic avem un singur canal Ethernet ce transportă semnale la toate stațiile. Nu există o rădăcină predefinită, arborele putând crește în orice direcție prin concatenare de segmente (unele cabluri suportă conexiuni la ambele capete - coaxial, iar altele nu). Trebuie respectată regula ca să nu se formeze bucle, caz în care sistemul Ethernet nu mai funcționează corect. Orice canal trebuie să aibă doi terminatori. În fig 2 se prezintă o topologie de semnal Ethernet, mai multe segmente legate prin repetoare și conectând stații. Semnalul emis de la o stație traversează segmentul propriu, după care prin repetoare ajunge la orice altă stație. Topologia fizică poate include cabluri bus sau stea (cele trei segmente legate la repetor). Indiferent de legarea fizică, există un singur canal logic care transportă semnalele către toate stațiile. Pentru ca toate MAC-urile din interfețe să funcționeze corect, ele trebuie să răspundă corespunzător într-un interval specificat de timp la semnale. Timing-ul de semnal reprezintă intervalul necesar pentru tur-returul unui semnal, pornind de la unul din capete (denumit și "round trip time"). Maximul timpului "round trip time" este mărginit strict superior, pentru a permite fiecărei interfețe să recepționeze orice semnal din sistem.
fig 2 - topologie de semnal Ethernet
Cu cât este mai lung un segment Ethernet, cu atât durează mai mult traversarea lui de către un semnal. Indicațiile de configurare a rețelei vin să asigure limitele de "round trip time", indiferent de combinațiile fizice făcute. Indicațiile de configurare constau în reguli de combinare a segmentelor cu repetoare, astfel ca timing-ul de semnal să fie respectat în toată rețeaua LAN. Dacă nu sunt respectate specificațiile pentru lungimile individuale de segmente și regulile de configurare, s-ar putea ca computerele să nu poată transmite semnale între oricare, respectând limitele de timp, ceea ce poate duce la o interferență de semnale. Operarea corectă într-o rețea 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 indicațiile de configurare multi-segment prevăzute în standardele Ethernet. Aceste indicații cuprind limite ale numărului de repetoare și segmente ce pot exista în sistem, pentru a fi siguri că timpul de de "round trip time" este asigurat.
Tehnologia Ethernet a fost proiectată pentru a permite o extensie ușoară, conform necesităților. Pentru a putea extinde rețelele există dispozitive care fac legături (porturi) multiple Ethernet. Aceste dispozitive se numesc hub-uri. Există două tipuri majore de hub-uri : repetoarele și hub-uri de comutare (bridge). După cum s-a văzut, fiecare port dintr-un hub repetor leagă segmente Ethernet pentru a crea o rețea mai largă, care să funcționeze ca un LAN Ethernet. Numărul total de segmente și repetoare din LAN trebuie să satisfacă specificațiile de "round trip time". Al doilea tip de hub permite comutarea (switching) pachetelor, bazată în special pe porturi bridge. Un hub comutator permite legarea mai multor sisteme Ethernet ce operează ca LAN-uri separate, specificațiile de "round trip time" fiind valabile doar în interiorul unui LAN. Deci repetoarele leagă segmente în interiorul unui LAN, cuprinzând zeci de computere, în timp ce comutatoarele bridge leagă LAN-uri Ethernet între ele, cuprinzând sute sau mii de mașini.
Media Ethernet 10-Mbps
Protocolul de acces la mediu fizic CSMA/CD și formatul frame-ului Ethernet este același pentru toate tipurile de medii Ethernet, indiferent de viteza lor de operare. Tipurile de medii 10-Mbps și 100-Mbps folosesc totuși componente diferite și au reguli de configurare diferite. Un sistem original Ethernet operează la 10-Mbps și există patru medii de bază 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 informații. Primul element din identificator, "10", reprezintă viteza semnalelor prin mediu, 10-Mbps. Cuvântul "BASE" reprezintă banda de bază (baseband), un tip de propagare a semnalelor (simplu înseamnă că semnalele Ethernet sunt singurele ce se propagă prin mediu). Ultima parte a identificatorului reprezintă o indicație a tipului de segment sau a lungimii. De exemplu, pentru coaxial gros "5" reprezintă lungimea maximă de 500 metri pentru un segment separat; pentru coaxial subțire, "2" reprezintă rotunjirea valorii de 185 metri, maximul lungimii unui segment. "T" și "F" semnifică pereche răsucită (twisted-pair) și fibră optică. Prima specificație Ethernet se referea la cablu coaxial gros. Apoi a apărut coaxial subțire, pereche și fibră.
Componente folosite în medii 10-Mbps
În fig 4 se prezintă diverse componente folosite în conexiunile din medii 10-Mbps, prezente în standard. Componentele le găsim în oferte, adresate prin identificatori cu trei litere, tipărite pe dispozitive Ethernet.
fig 4 - elemente de interfațare 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 și subțire avem mufe tip BNC, pentru pereche avem un conector jack cu opt pini, cunoscut sub codul de conector telefonic RJ-45, etc. Următorul element de conexiune este un MAU. În standardul original DIX Ethernet el este cunoscut sub numele de transceiver (poate face atât TRANSmit cât și reCEIVE de semnale). MDI se include de cele mai multe ori în MAU, permițând accesul electric la mediu. AUI este următorul element de legătură (în standardul DIX se mai numește cablu transceiver). AUI se conectează cu cartela de rețea din computer prin mufa de 15 pini. În standardul IEEE, un computer cu o interfață Ethernet se numește DTE (data terminal equipment). Interfața Ethernet conține electronica necesară pentru funcțiile MAC, necesare transmiterii frame-urilor pe canale Ethernet. Porturile Ethernet din repetoare nu au cartele de rețea, conectându-se la mediu prin AUI, MAU și MDI. Porturile din repetoare operează la nivelul biților individuali care circulă, multiplexând semnalele. Dacă repetoarele operează la nivel de frame, atunci sunt de fapt hub-uri repetoare (computere cu mai multe interfețe), care au implementate un protocol din clasa SNMP (Simple Network Management Protocol). În fig 4 se observă cele două posibilități de configurare : cu MAU extern și intern. Într-o configurare externă, DTE-ul sau portul din repetor au mufa de 15 pini pentru AUI. Cablu AUI și MAU sunt în afară (legătura cu cablu transceiver și transceiver). În conexiunea internă, AUI și MAU sunt în placa de rețea sau portul repetorului, dispozitivul extern fiind doar MDI, ce leagă interfața cu mediul (cazul coaxialului subțire sau pereche răsucită 4 fire).
Sumar pentru cele prezentate
În cele prezentate s-au descris evoluția standardelor Ethernet, operarea incluzând mecanisme MAC, topologii de semnale, medii și componente Ethernet. S-au introdus frame-ul și asignarea/regăsirea de adrese de către protocoale de nivel înalt ARP. Important este și considerarea limitelor de "round trip time", având în vedere posibilitățile de extensie cu noi segmente prin repetoare sau bridge-uri.
Un computer DTE, ce conține o interfață Ethernet formează și trimite frame-uri, ce conțin datele utile unui alt computer. Interfața se leagă la mediu prin echipamente ce includ AUI, MAU, ce are asociat un MDI. MAU și MDI sunt specifice fiecărui mediu. AUI și MAU pot fi incluse sau nu în interfața de rețea.
|
