Ethernet.doc

Ethernet

Ethernet jest rodzajem okablowania sieci komputerowych a także specyfikacją sygnałów przesyłanych przez sieć stworzonym w latach 70-tych przez firmę Xerox. W roku 1980 firmy Digital Equipment Corp. (DEC), Intel oraz Xerox połączyły siły w celu promocji standardu Ethernet. Efektem tej współpracy było opublikowanie książki pod tytułem "Blue Book Standard for Ethernet Version 1" opisującej standard Ethernet I (standard ten nazywany bywa również DIX, od pierwszych liter nazw firm, które go opracowały). Ethernet I został następnie rozszerzony, w 1985 opublikowano standard Ethernet II. Standard Ethernet odnosi się do pierwszych dwóch warstw modelu OSI.

802.3 jest standardem sieci Ethernet opublikowanym przez komitet IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Na poziomie warstwy fizycznej standardy Ethernet II oraz 802.3 są ze sobą zgodne, różnią się jednak konstrukcją nagłówków pakietów przesyłanych przez sieć.

Pełny opis specyfikacji Ethernet zawierają dokumenty IEEE (ISO 8802-x).

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access, with Collision Detection) jest mechanizmem kontroli dostępu do medium transmisji używanym przez sieci Ethernet. Innymi słowy CSMA/CD jest sposobem, w jaki pakiety danych są transmitowane poprzez "kabel". Polega to na tym, że zanim urządzenie działające w sieci (np. karta sieciowa) rozpocznie wysyłanie danych, sprawdza czy aktualnie jakieś inne urządzenie nie transmituje danych. Jeśli medium transmisji jest 'wolne' urządzenie rozpoczyna transmisje równocześnie nasłuchując czy jakieś inne urządzenie nie rozpoczęło transmisji w tym samym czasie (sytuacja taka nazywana jest kolizją). Dokładniejszy opis kolizji znajduje się poniżej.

Model OSI (Open Systems Interconnect) jest standardem ustanowionym przez organizację ISO (International Standards Organization). Jest to model stworzony dla "idealnej" architektury sieciowej. Model ten składa się z siedmiu warstw:

1. warstwa fizyczna - odnosi się do medium transmisji. Definiuje fizyczne standardy połączeń, czyli standardy okablowania, wtyczek, przesyłanych sygnałów elektrycznych itp.
2. warstwa danych definiuje formaty danych przesyłanych poprzez sieć: standardy ramek, korekcji błędów (np. na wypadek kolizji), obliczania sum kontrolnych pakietów itp.
3. warstwa sieciowa odpowiada za przesłanie pakietu danych pomiędzy urządzeniami sieciowymi. Na poziomie tej warstwy realizowany jest routing pakietów, oraz wybór drogi ich przesyłu.
4. warstwa transportowa - odpowiada za kontrole danych przesłanych na niższych warstwach. Na poziomie tej warstwy dokonywana jest kontrola pakietów przesłanych pomiędzy punktami sieci, sprawdzenie ich poprawności i odpowiedniej kolejności, a także wykrycie ewentualnych błędów i retransmisja błędnych pakietów.
5. warstwa sesji odpowiada za obsługę sesji" pomiędzy komputerami pracującymi w sieci. Na poziomie tej warstwy realizowana jest obustronna komunikacja pomiędzy aplikacjami pracującymi na różnych komputerach.
6. warstwa prezentacji różne sposoby reprezentacji danych mogą ulegać konwersji na poziomie tej właśnie warstwy. Np. Unix'owy styl zakańczania linii w pliku tekstowym (tylko znak CR), może zostać skonwertowany na standard używany w MS-DOS (znaki CR i LF).
7. warstwa aplikacji zapewnia użytkownikowi dostęp do usług sieciowych takich jak przesył plików czy korzystanie z współdzielonych zasobów.

Standard OSI definiuje jedynie 7 warstw. Istnieje jednak nieudokumentowana, choć powszechnie dostrzegana (zwłaszcza przez administratorów sieci komputerowych) "8 warstwa". Warstwa ta to użytkownik siedzący przed komputerem - wszystkie algorytmy detekcji i korekcji błędów, jakie wymyślono na całym świecie, nie są w stanie zabezpieczyć twojej sieci od problemów będących wynikiem działań tej warstwy.

Topologie okablowania sieci Ethernet

W sieciach Ethernet można rozróżnić topologię szyny oraz gwiazdy. Z topologią szyny mamy do czynienia w wypadku połączenia wszystkich końcówek sieci do 'wspólnego' kabla. Można to przedstawić następująco:

   -----------------------------------

     |         |         |         |

    K      K       K      K

Drugą z topologii jest topologia gwiazdy, w której końcówki przyłączane są 'promieniście' do centralnego punktu, jakim jest koncentrator sieci (Hub). Takie połączenie wygląda następująco:

                   K       K

                      \   /

                K - Hub - K

Obie te topologie mogą być używane łącznie.

Korzyści okablowania w topologii szyny

Podstawową niekorzyścią podczas korzystania z okablowania w topologii szyny jest fakt, że rozpięcie kabla w dowolnym miejscu powoduje przerwanie działania całości sieci. Technologia ta jest więc stosunkowo zawodna, zwłaszcza w wypadku dużych instalacji, gdzie rozpięcie kabla może zdarzyć się częściej i powoduje większe szkody. Zaletą tego rozwiązania jest jego niski koszt gdyż nie wymaga dodatkowych urządzeń jak w wypadku topologii gwiazdy.

Korzyści okablowania w topologii gwiazdy

Podstawową korzyścią okablowania w topologii gwiazdy jest zwiększenie niezawodności działania sieci, dzięki temu że rozpięcie sieci w jednym miejscu nie powoduje przerwania działania całej sieci. Oczywiście zdarzyć się może, że uszkodzeniu ulegnie koncentrator, lecz jest to element stosunkowo mało zawodny. Również odłączeniu może ulec przewód łączący koncentrator z serwerem sieci, lub innym koncentratorem, co powoduje przerwanie działania końcówek wpiętych do koncentratora, jednak takie przypadki zdarzają się bardzo rzadko. Niekorzyścią z stosowania topologii gwiazdy jest również konieczność zakupu koncentratorów sieciowych.

Skróty 10Base5, 10BaseT, 10Base2, 10BroadT

Skróty te (odnoszące się do warstwy fizycznej modelu OSI) są oznaczeniami różnych typów mediów transmisji mogących być podstawą sieci Ethernet. Liczba 10 oznacza częstotliwość transmisji - 10 MHz. Oznaczenie "Base" i "Broad" oznaczają rodzaj propagacji sygnału w sieci (beseband, broadband). Ostatnia sekcja jest oznaczeniem maksymalnej długości segmentu sieci w setkach metrów. Odstępstwem od reguły takiego nazewnictwa są skróty 10BaseT i 10BaseF gdzie ostatnia sekcja oznacza odpowiednio T sieci oparte na skrętce, F - sieci oparte na światłowodach.

Tak więc praktycznie rzecz biorąc poszczególne skróty oznaczają:

·         10Base2 sieć o częstotliwości przesyłu 10 MHz, opierająca się na cienkim przewodzie koncentrycznym (grubość 10 mm) o impedancji 50 Ohm. tzw. cienki Ethernet.

·         10Base5 sieć o częstotliwości przesyłu 10 MHz, opierająca się na grubym przewodzie koncentrycznym (grubość 10 mm) o impedancji 50 Ohm. tzw. gruby Ethernet. Obecnie stosowany coraz rzadziej.

·         10BaseF sieć o częstotliwości przesyłu 10 MHz, opierająca się na światłowodzie.

·         10BaseT sieć o częstotliwości przesyłu 10 MHz, opierająca się na nieekranowanej skrętce.

·         Analogicznie do powyższych skróty 100Base2, 100Base5, 100BaseF, 100BaseT oznaczają sieci o odpowiednim okablowaniu i częstotliwości przesyłu 100 MHz.

Skróty UTP, STP

Skróty UTP (Unshielded twisted pair) i STP (Shielded twisted pair) są oznaczeniami skrętki nieekranowanej i ekranowanej. Skrętka używana również w telefonii jest przewodem składającym się z od 2 do nawet kilku tysięcy par skręconych przewodów umieszczonych w wspólnej osłonie. Dodatkowo skrętka ekranowana posiada lepsze pokrycie ochronne i ekran aluminiowy, co eliminuje wpływy zakłóceń i zapewnia mniejsze straty transmisji.

Przepustowość skrętki zależy od tzw. kategorii. I tak skrętka:

·         kategorii 1 to kabel telefoniczny,

·         kategorii 2 umożliwia transfer z prędkością do 4 Mb/s,

·         kategorii 3 umożliwia transfer z prędkością do 10 Mb/s,

·         kategorii 4 umożliwia transfer z prędkością do 16 Mb/s,

·         kategorii 5 umożliwia transfer z prędkością do ponad 100 Mb/s,

·         kategorii 6 umożliwia transfer z prędkością do 622 Mb/s.

Najpowszechniej obecnie używanym medium jest nieekranowana skrętka kategorii 5 nawet w sieciach 10BaseT, gdzie wystarczająca (lecz mniej rozwojowa) jest w zupełności kategoria 4. Ze względu na wyższy koszt skrętkę ekranowaną używa się jedynie w przypadkach instalacji w pomieszczeniach gdzie sieć narażona wysoki poziom zakłóceń elektromagnetycznych, oraz w środowiskach wrażliwych na emisje pochodzącą z okablowania sieciowego (np. szpitale).

W zależności od rozpatrywanych warunków każdy rodzaj okablowania ma swoje wady i zalety. Tak więc wybierając okablowanie można kierować się poniższymi zasadami:

·         w wypadku konieczności dokonania napowietrznego połączenia sieciowego pomiędzy dwoma budynkami narażonego na spore promieniowanie elektromagnetyczne będące m.in. efektem zjawisk atmosferycznych (uderzenie pioruna) najlepszym wyjściem jest użycie kabla światłowodowego. Wadą takiego rozwiązania jest wysoki koszt światłowodów,

·         10Base2 (cienki Ethernet) jest najtańszą formą okablowania, niewymagającą (tak jak 10BaseT) dodatkowych urządzeń. Nadaje się świetnie do małych instalacji sieciowych wykonywanych małym kosztem. Wadą tego rozwiązania jest to, że rozłączenie kabla w dowolnym miejscu sieci powoduje przerwanie wszystkich połączeń sieciowych. Kolejną wadą jest konieczność stosowania repeater'ów, jeśli długość segmentu sieci przekracza 185 metrów, lub jeśli do segmentu podpięto ponad 30 stacji sieciowych,

·         Okablowanie 10Base5 używane jest jako tania alternatywa do sieci światłowodowych. Ma zastosowanie w wypadku konieczności podłączenia dużej ilości końcówek sieciowych (100), umożliwia zrealizowanie połączeń do 500 metrów. Nadaje się dobrze np. w wypadku konieczności wykonania połączeń pomiędzy różnymi piętrami budynku. Wadą jest wysoki koszt dołączenia końcówki sieci (konieczny transceiver), oraz podobnie jak w wypadku 10Base2 przerwanie wszystkich połączeń w wypadku np. przecięcia kabla,

·         10BaseT jest najczęściej używaną obecnie topologią sieci. Jej zaletą jest możliwość ustawienia koncentratorów sieci w newralgicznych miejscach instalacji. Do koncentratorów podłączani są następnie użytkownicy (odległość do 100m). Skrętka jest tanim kablem, dodatkowo technologia ta jest w dużym stopniu niezawodna: rozpięcie sieci w większości przypadków nie powoduje przerw w działaniu innych końcówek. Innym udogodnieniem jest to, że dzisiejsze koncentratory zwykle potrafią wykryć większość błędów w działaniu sieci i odłączyć porty generujące błędy. Wadą jest konieczność zakupu dodatkowych urządzeń (koncentratorów),

·         10BaseF jak już wspomniałem jest rekomendowaną technologią w wypadku połączeń pomiędzy budynkami. Okablowanie to ma również zastosowanie w wypadku instalacji w specyficznych środowiskach np. fabrykach gdzie występuje spore natężenie promieniowania elektromagnetycznego, lub gdzie wymagany jest najwyższy stopień bezpieczeństwa instalacji. Wadą tego rozwiązania jest jego bardzo wysoki koszt.

Segment sieci

Segment jest to 'kawałek' kabla sieciowego ograniczony przez routery, repeater'y, mosty lub terminatory.

Ograniczenia długości okablowania sieci Ethernet

10Base2

·         sieć składać się może z maksimum 5 segmentów ze stacjami sieciowymi, oraz 2 służących łączeniu, bez stacji sieciowych,

·         segment może mieć długość do 185 m,

·         maksymalna długość całego kabla sieciowego wynosi 925 metrów,

·         maksymalna ilość stacji podłączonych do segmentu wynosi 30,

·         minimalna odległość pomiędzy punktami przyłączeń stacji 0.5 m.

10Base5

·         sieć składać się może z maksimum 5 segmentów ze stacjami sieciowymi, oraz 2 służących łączeniu, bez stacji sieciowych,

·         segment może mieć długość do 500 m,

·         maksymalna długość całego kabla sieciowego wynosi 2500 metrów,

·         maksymalna ilość stacji podłączonych do segmentu wynosi 100,

·         minimalna odległość pomiędzy punktami przyłączeń stacji 2.5 m.

10BaseT

·         długość segmentu do 100 m,

·         maksymalna ilość stacji (segmentów) pracujących w sieci 1024,

·         minimalna odległość pomiędzy punktami - brak ograniczeń (sieć w topologii gwiazdy),

·         pomiędzy dowolnymi dwoma stacjami sieci (w której nie zastosowano bridge'a lub router'a) nie może znajdować się więcej niż 4 hub'y, lub repeater'y. W sieci takiej sygnał nie może przechodzić również przez więcej niż 3 segmenty z podłączonymi stacjami sieciowymi.

Pakiety w sieci Ethernet

Adres MAC

MAC (Medium Access Control) jest unikalnym 6-cio bajtowym numerem seryjnym przyporządkowanym każdemu z urządzeń sieciowych. Adres ten umożliwia jednoznaczne zidentyfikowanie urządzenia sieciowego. MAC ustalany jest na etapie produkcji urządzenia, lecz w nowszych urządzeniach zwykle może on być zmieniony poprzez odpowiednie oprogramowanie.

Każde urządzenie posiada unikalny adres MAC, dzięki czemu może ono rozpoznać pakiety skierowane do niego. Urządzenia podpięte do sieci śledzą przesyłane pakiety, sprawdzają adres MAC stacji, do której skierowano pakiet, i poprzez porównanie ze swoim adresem stwierdzają czy należy odebrać pakiet danych. Unikalność adresów MAC umożliwia dokonanie rozróżnienia pomiędzy poszczególnymi stacjami.

Długość pakietu Ethernet

Najkrótszy pakiet ma długość 60 bajtów: 6 + 6 + 2 + 46 = 60 (adres źródłowy 6 bajtów, adres docelowy 6 bajtów, długość 2 bajty, 46 bajtów danych)

Najdłuższy pakiet ma długość 1514 bajtów: 6 + 6 + 2 + 1500 = 1514 (adres źródłowy 6 bajtów, adres docelowy 6 bajtów, długość 2 bajty, 1500 bajtów danych)

Adres broadcast

Adres broadcast identyfikuje pakiet przeznaczony do odbioru poprzez wszystkie stacje sieci.

Urządzenia sieciowe

Karta sieciowa jest urządzeniem umożliwiającym podłączenie stacji roboczej do sieci komputerowej.

Repeter jest urządzeniem działającym na poziomie warstwy fizycznej, jego zadaniem jest odbieranie i wzmacnianie sygnałów przesyłanych poprzez medium transmisji. Repeter eliminuje negatywne zjawisko zniekształcenia sygnałów, wraz z wzrostem odległości, na którą są one przesyłane. Repeter umożliwia więc fizyczne zwiększenie rozmiarów sieci. Repeter może łączyć jedynie sieci o takiej samej architekturze, używające jednakowych protokołów i technik transmisyjnych, ale umożliwia również łączenie segmentów sieci o różnych mediach transmisji.

Hub (koncentrator) jest urządzeniem posiadającym wiele portów umożliwiających przyłączanie stacji sieciowych pracujących w topologii gwiazdy. W sieci pracującej w takiej topologii nie ma bezpośrednich połączeń pomiędzy stacjami, podłączane są one do huba, który po nadejściu sygnału rozprowadza go do wszystkich linii wyjściowych. Można wyróżnić huby pasywne i aktywne. Hub pasywny jest tanim urządzeniem pełniącym funkcję skrzynki łączeniowej, nie wymaga zasilania. Hub aktywny dodatkowo wzmacnia sygnały ze stacji roboczej i pozwala na wydłużenie połączenia z nią. Huby aktywne wymagają zasilania. Huby można łączyć w tzw. stosy, dzięki czemu uzyskuje się zwielokrotnienie liczby dostępnych portów.

Bridge jest urządzeniem pracującym na poziomie pierwszej i drugiej warstwy modelu OSI. Jego zadaniem jest łączenie segmentów sieci różniących się na poziomie do drugiej warstwy modelu OSI (czyli np. sieci Ethernet z siecią Token-Ring). Dzięki temu urządzeniu możliwe jest również zwiększenie długości sieci.

Learning bridge (inteligentny most) monitoruje pakiety przesyłane przez jego porty, dzięki czemu jest w stanie zapamiętać, jakie adresy sieci znajdują się po jego poszczególnych stronach. Następnie na tej podstawie po otrzymaniu pakietu urządzenie stwierdza, do której z części sieci należy przesłać pakiet. Eliminuje to zjawisko przesyłania poprzez całą sieć zbędnych pakietów oraz podnosi wydajność sieci.

Według zaleceń standardu IEEE 802.1 maksymalna liczba mostów działających w jednej sieci wynosi 7.

Router jest urządzen...