Ethernet Data Link Layer - University Lecture PDF

Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Nivelul legăturii de date Ethernet Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare...

Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Nivelul legăturii de date Ethernet Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Standarde Ethernet 1973: Ethernet Invented (Ethernet II în 1978) 1983: 10Mbps Ethernet – IEEE 802.3 1985: 10Mbps Repeater 1990: 10BASE-T 1995: 100Mbps Ethernet 1998: 1000Mbps Ethernet 2002: 10Gbps Ethernet 2010: 40Gbps and 100Gbps Ethernet 2016: 2.5Gbps 5Gbps Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Utilizarea Ethernet Cea mai utilizată tehnologie de rețea (modelul TCP/IP) – Orice computer generic are unul sau mai multe porturi Ethernet. – Nodurile din centrele de date sunt în mare parte conectate prin Ethernet. Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Ethernet la origine Designul lui Robert Metcalfe (1976) – Mai multe stații accesează un mediu de comunicare comun numit Eter Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Ethernet la origine Designul lui Robert Metcalfe – Mai multe stații conectate la un mediu partajat apelează Ether – Deoarece mediul de comunicare este partajat, o singură stație poate comunica: este nevoie de un protocol de acces mediu (MAC), acces multiplu cu sens de transportator (CSMA) cu detectare a coliziunilor (CD), CSMA/CD CSMA: simți mediul; dacă nimeni nu vorbește, vorbești – Două stații pot începe să vorbească în același timp din cauza întârzierii de propagare a semnalului CD: monitorizați mediul în timp ce vorbiți, de îndată ce se aude un mesaj confuz, nu mai vorbiți, se realizează o retragere exponențială Protocoale de comunicaţie – Curs 3 Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Topologii: logic la fel Bus topology Coax Cable (10Base2, 10Base5) ~ 1985 Repetor Star topology 10Base-T, Half-duplex Domină mai târziu (management mai ușor) Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Standardul Ethernet IEEE std 802.3, CSMA/CD Dimensiunea pachetului: de la 64 de octeți la 1500 de octeți – De ce dimensiuni minime și maxime? Format pachet: Viteză: – 10 Mbps Dimensiunea rețelei – < 2500m Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Cadrul Ethernet Preambulul este format din 8 octeți, fiecare conținând modelul de biți alternând 1 și 0, adică 10101010. – În Ethernet II, toți cei 8 octeți au avut acest model. – În IEEE 802.3, primii șapte octeți poartă valoarea 10101010, dar ultimul bit al ultimului octet este setat la 1, astfel încât octetul poartă valoarea 10101011. – Acest ultim octet se numește Start of Frame. Ultimii doi biți 1 îi spun receptorului că restul cadrului este pe cale să înceapă. Acest model de biți trimis înainte de un nou cadru permite dispozitivelor din rețea să-și sincronizeze cu ușurință ceasurile receptorului – Nu e parte a cadrului așa cum îl vedeți în utilitare precum Wireshark... Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Un pic de practice... Wireshark Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Adresă MAC (fizică) În cadru putem vedea două adrese, fiecare constând din 6 octeți – Un cadru începe cu o adresă de destinație, urmată de adresa sursă. De ce ar începe cadrul cu adresa de destinație? – De ce este importantă adresa sursă? O adresă Ethernet constă din 6 octeți (48 de biți) – De obicei, acestea sunt prezentate în bază hexazecimală, delimitate fie prin liniuțe, fie prin două puncte: Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Adresă Ethernet În general, adresele Ethernet sunt unice la nivel global Primii 3 octeți ai oricărei adrese se numesc OUI – Organizationally Unique Identifier (sau Vendor ID) – Pentru a se asigura că adresele sunt unice, IEEE atribuie aceste OUI diverși producători, cum ar fi Dell, HP sau IBM Producătorii atribuie cei 3 octeți rămași unor gazde specifice. Această parte se mai numește și ID-ul gazdei: Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Adresă Ethernet - multicast Adresele Ethernet au doi biți speciali. Primul bit special este bitul cel mai puțin semnificativ din octetul cel mai semnificativ – Indică dacă adresa este unicast sau multicast: – Unicast înseamnă că adresa reprezintă un singur dispozitiv – Adresele multicast reprezintă un grup de dispozitive – ex. toate imprimantele din rețeaua locală O adresă multicast foarte faimoasă se numește adresa de difuzare, adică grupul care conține toate mașinile: FF:FF:FF:FF:FF:FF Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Adresă Ethernet –administrată local Al doilea bit special este al doilea bit cel mai puțin semnificativ din octetul cel mai semnificativ – Indică dacă adresa este într-adevăr unică la nivel global Acest bit este activat și, prin urmare, știm că Aceasta este într-adevăr o adresă această adresă nu este de fapt unică la nivel unică la nivel global, atribuită lui global Cisco IEEE nu va atribui niciodată această adresă niciunui furnizor - dacă dorim, o putem putea atribui unui anumit dispozitiv Faptul că acest bit este activat declară că nu este unic la nivel global. Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Cadru Ethernet – Type/Length În Ethernet II, acest câmp se numește Tip și îi spune receptorului ce payload poartă cadrul – Ex., dacă acest cadru poartă un pachet IP, atunci placa de rețea care primește trebuie să transmită payloadul cadrului către handler- ul IP – Ex., dacă payloadul cadrului este ARP, atunci handlerul ARP ar trebui să se ocupe Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Cadru Ethernet – Datele Data (pad) conține până la 1500 de octeți de date – Acest număr a fost ales deoarece memoria RAM era scumpă în 1978, iar un receptor ar fi avut nevoie de mai mult RAM dacă cadrul ar fi fost mai mare Există, de asemenea, o lungime minimă a datelor, care este de 46 de octeți → împreună cu celelalte câmpuri ale cadrului, lungimea minimă a unui cadru Ethernet este de 64 de octeți în total – Dacă avem o lungime minimă pentru un cadru Ethernet, ce se întâmplă dacă expeditorul dorește să trimită un mesaj foarte scurt, să spunem doar un octet?... Expeditorul trebuie să completeze mesajul, de exemplu cu 0 până la atingerea lungimii minime Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Problema cu câmpul tip / lungime (1) Câmpul Date trebuie să aibă cel puțin 46 de octeți... – Ce se întâmplă în cazul în care expeditorul dorește să trimită A și zero? Adică, datele constau de fapt din ‘A0’. În acest caz, primul zero face parte de fapt din date, și nu din umplutură. Ethernet II a rezolvat această problemă prin... nu s-a ocupat de ea → nivelul rețea trebuie să descopere singur ce octeți aparțin datelor – De ce nivelul rețea s-ar ocupa de o problemă de payload care ar trebui să fie tratată de al doilea strat? IEEE a decis să schimbe câmpul Tip într-un câmp Lungime în IEEE 802.3 – Un cadru care transportă un singur octet de date, ’A’, va avea câmpul Lungime setat la 1, în timp ce un cadru care transportă doi octeți de date, ‘A0’, va avea câmpul Lungime setat la 2 Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Problema cu câmpul tip / lungime (2) Dacă primiți un cadru Ethernet, de unde știți dacă este un cadru Ethernet II, unde acest câmp înseamnă Tip, sau un cadru IEEE 802.3, unde acest câmp înseamnă lungime? – Din fericire, toate valorile Type utilizate anterior apariției IEEE 802.3 aveau valori mai mari decât 1500 – În cazul în care acest câmp are o valoare mai mică sau egală cu 1500, înseamnă de fapt Lungime. În cazul în care are o valoare mai mare sau egală cu 1536, înseamnă Tip Ce se întâmplă cu câmpul Tip? Cum știe receptorul de IEEE 802.3 ce protocol este purtat în cadrul cadrului? – IEEE 802.3 adaugă un alt antet al protocolului 802.2 LLC (Logical Link Control) chiar înaintea datelor. Acest antet transmite informații despre tip De ce mai avem nevoie de Tip / Lungime, nu au migrat toate plăcile de rețea la IEEE 802.3? Ei bine, încă avem Ethernet II... Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Cadrul Ethernet De ce un cadru Ethernet are o lungime minimă? – Din cauza coliziunilor... Să considerăm o rețea în care toate computerele sunt atașate la un singur cablu – Să presupunem că A vrea să trimită un mesaj către B și C vrea să trimită un mesaj către D. În timp ce A își transmite cadrul, C își transmite și eș cadrul... și cadrele se vor ciocni (collide) Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Cum sunt gestionate coliziunile? CSMA (Carrier Sense Multiple Access): atunci când o stație dorește să transmită date, mai întâi detectează canalul pentru a vedea dacă altcineva transmite prin verificarea nivelului de semnal al liniei – Este exact ca într-o conversație umană, în care o persoană așteaptă până când cealaltă nu mai vorbește și abia atunci acea persoană vorbește La fel ca în cazul în care două persoane ar putea începe să vorbească în același timp, două mașini Ethernet ar putea începe să transmită date în același timp → intră în joc CD (Collision Detection), ascultarea canalului în timpul transmiterii – De exemplu, să presupunem că stația A transmite fluxul de biți 11001010. În timpul transmiterii, A ascultă și canalul. Dacă nu a avut loc nicio coliziune, A ar citi și semnalul 11001010 de pe linie Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Cadrul minim… Din nou Ex. nodul A vrea să transmită un cadru foarte scurt către B (1B) – Nodul A transmite un cadru (8 de 1b). Apoi, A ascultă canalul în timp ce transmite și, de asemenea, citește 8 de 1 din acesta, ajungând la concluzia că a fost transmis cu succes – Înainte ca acest cadru să ajungă în celălalt capăt al rețelei, D începe să transmită și el un cadru foarte scurt (1B). D ascultă canalul în timp ce transmite și, de asemenea, citește 8 de 0-uri din acesta, concluzionând că și acest cadru a fost transmis cu succes Pentru a evita astfel de cazuri, cadrul trebuie să fie suficient de lung pentru a împiedica o stație să își finalizeze transmisia înainte ca primul bit al cadrului să ajungă la capătul îndepărtat al liniei Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare 100Mbps Ethernet (Fast Ethernet – IEEE 802.3u) Același protocol, același format/dimensiune de pachet, viteză mai mare – 100 Mbps Trei tipuri de Fast Ethernet: – 100BASE-TX pentru utilizarea cu cablu UTP de nivel 5 – 100BASE-FX pentru utilizare cu cablu de fibră optică – 100BASE-T4 care utilizează două fire suplimentare pentru utilizarea cu cablul UTP de nivel 3. Alt impact în afară de progresele tehnologice? – Dimensiunea rețelei?  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare 1000Mbps Ethernet (Gigabit Ethernet) Calitate mai bună a cablurilor de rețea Cadru Jumbo pentru mesaje mari – Cadrele jumbo pot transporta până la 9000 de octeți payload Se menține CSMA/CD – Dacă nu faceți nimic în dimensiunea minimă a cadrului, dimensiunea rețelei poate fi doar 250/10 = 25m! – Soluție: Extensie purtătoare pentru a face ca dimensiunea minimă a cadrului să fie de 4096 biți (512 octeți) pentru a menține dimensiunea la 250 m Reality check: Nimeni nu folosește modul CSMA/CD la 1Gbps Toată comunicația este comutată (switched) Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Ethernetul comutat În 1992/1993, repetorul s-a schimbat cu comutatorul (switch) – Repetor: difuzează întotdeauna – Switch: se transmite doar către portul vizat Ethernetul comutat este fără dispute de coliziuni – Astăzi, Ethernetul cu fir este în mare parte Ethernet comutat – CSMA este încă folosit în Wireless Ethernet, evoluat la CSMA/CA Collision No collision Repeater Switch Collison free Full duplex 10/100Base-T Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Ethernetul comutat Managementul topologiei – Dacă nu mai difuzăm datele, cum știm că pachetele pot ajunge la destinații? Fall-back sau Modul de retragere – Dacă un switch nu știe ce să facă cu un pachet (destinația nu este în tabelul de redirecționare), se transmite în stil broadcast (către toate porturile cu excepția celui de intrare) Mod normal – Algoritm de învățare backward: Dacă un switch vede un pachet de la A venind la portul X, se pune (A, X) în tabelul de redirecționare. Pe viitor, switchul va ști ce să facă cu pachetul destinat către A. Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Ethernetul comutat În modul fall-back, difuzarea va cauza probleme într-o topologie cu o buclă – Un pachet cu destinație necunoscută va declanșa o furtună de pachete care Switch ar satura toate legăturile din buclă. Soluție: folosirea unui algoritm Switch Switch spanning tree pentru a realiza o topologie fără nicio buclă (găsire cale unică de la un switch la orice alt switch) – Ethernetul comutat acceptă doar o topologie arborescentă Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Shortest path bridging Spanning Tree Protocol (STP) Construiește un arbore din graf – unele linkuri nu sunt folosite Switch Switch Switch Switch  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Switched Ethernet permite o topologie cu mai multe viteze 1000 1000 100 100 1000  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Ethernet și nivelul superior Nodurile de internet rulează de obicei stiva de protocoale TCP/IP/Ethernet Ethernet este proiectat pentru cost – Placa Ethernet este ieftină, fără prea multă logică – Se utilizează CPU pentru a muta datele în și din bufferele de pe placa de rețea De obicei, există un parametru în sistemul de operare pentru a seta intervalul minim de timp pentru a genera întreruperi – Prea multă întrerupere poate consuma întregul procesor, văzut chiar și în Ethernet de 1 Gbps. Dacă nu este controlat, cardul poate genera mai mult de 1000000 de întreruperi pe secundă Latența de comunicare este foarte mare în Ethernetul tradițional Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare 10 Gigabit Ethernet Focus pe mediul fizic - diferență mare în legăturile de 1 Gbps și 10 Gbps. – Doar cabluri pe fibră de rețea Protocolul MAC: încă este protocolul Ethernet – format de cadru 802.3 – Dimensiunea cadrului 802.3 min/max – Doar operare full duplex, nu mai există CSMA/CD LAN și WAN -- Rulează pe distanțe lungi Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare 40GB, 100GB Ethernet Standardizat în 2012 Doar crește viteza. Caracteristici: – Numai operare full duplex – Se păstrează formatul de cadru IEEE 802.3 – Se păstrează dimensiunea minimă și maximă a cadrului 802.3 – Se menține rata de eroare pe biț 10-12 – se folosește FEC – 40 Gbps sau 100 Gbps pe anumite distanțe Focus în principal pe problemele de strat fizic și tehnologie pentru a atinge rata de transfer Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Ethernet 2.5G și 5G Reacție la standardele WiFi după 802.11ac (2013, MCS 6.9Gbps) Exemplu de interacțiune nefericită între – Piață (prețuri) – Standarde – Soluția tehnologică optimă 2.5GBASE-T and 5GBASE-T (2016) – RJ45, cupru – Compatibilitate 1G și 10G Protocoale de comunicaţie – Curs 3  Universitatea Politehnica din Bucureşti - Facultatea de Automatică și Calculatoare Studiu individual A. S. Tanenbaum Reţele de calculatoare, ed 4-a, BYBLOS 2003 4 NIVELUL DE ACCES LA MEDIU 4.1 Alocarea Canalelor 4.2 Protocoale de Acces la Mediu 4.3 Ethernet 4.8 Comutare la nivelul Legătură de Date A. S. Tanenbaum Computer networks, 5-th ed. PEARSON 2011 4. MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER 4.1 The Channel Allocation Problem 4.2 Multiple Access Protocols 4.3 Ethernet 4.8 Data Link Layer Switching Protocoale de comunicaţie – Curs 2