Презентация лекции "Коммутируемый Ethernet". План лекции: Классический и коммутируемый Ethernet Концентратор и коммутатор Основы коммутации Скоростные версии Ethernet

1. Сети и системы телекоммуникаций
Коммутируемый Ethernet
ИМКН УрФУ

2. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Классический и коммутируемый Ethernet
Концентратор и коммутатор
Основы коммутации
Скоростные версии Ethernet
План
2

3. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Классический Ethernet
• Исторически появился первый
• Разделяемая среда
• Метод CSMA/CD
Коммутируемый Ethernet
• Новая усовершенствованная технология
• Нет разделяемой среды
• Нет коллизий
Типы Ethernet
3

4. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Плохая масштабируемость:
• Сеть становится неработоспособной при загрузке
общей среды больше, чем на 30%
• Работоспособное количество компьютеров - 30
При увеличении скорости передачи уменьшается
длина сети:
• Сокращается время оборота
Разное время доставки кадра:
• Причина – коллизии
• Плохо для трафика реального времени
Низкая безопасность:
• Данные в разделяемой среде доступны всем
Недостатки классического Ethernet
4

5. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Сохранение метода CSMA/CD
• Увеличение скорости
• Добавление коммутируемого Ethernet
• Результат: FastEthernet (IEEE 802.3u)
Усовершенствование метода доступа к
разделяемой среде:
• Приоритетный доступ по требованию
• Разработчики: HP и AT&T
• Результат: 100VG-AnyLAN (IEEE 802.12)
• Не используется на практике
Пути развития Ethernet
5

6. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Причина проблем классического Ethernet –
разделяемая среда передачи данных
Решение проблемы:
• Избавляемся от разделяемой среды
• Используем соединения точка-точка
Для этого применяются специальные устройства –
коммутаторы (switch)
Коммутация
6

7. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Концентратор (hub)
Топология – общая
шина
Физический уровень
Концентратор и коммутатор
7
Коммутатор (switch)
Полносвязная
топология
Канальный уровень

8. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Концентратор работает на физическом уровне
• Выполняет электрическое соединение
• Не вникает в содержание кадров
Коммутатор работает на канальном уровне:
• Анализирует содержимое кадров
• Извлекает адрес получателя
• Передает кадр только одному получателю
Концентратор и коммутатор
8

9. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Мост – устройство для
объединения нескольких
сетей
• Предшественник
коммутатора
• Алгоритм прозрачного
моста
Прозрачный мост:
• Не заметен для сетевых
устройств
• Не требует настройки
Сетевой мост
9

10. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Коммутатор:
• Мост с большим количеством портов
• Алгоритм работы как у моста
Порты коммутатора не имеют своих MAC-адресов
• Коммутатор принимает все кадры, поступающие
на порт
• Маршрутизаторы такие адреса имеют
Коммутатор знает, какие MAC-адреса к какому
порту подключены
Алгоритм прозрачного моста
10

11. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Содержит данные о доступности MAC-адресов
через порты коммутатора
В реальности таблица устроена более сложно
Таблица коммутации
11
Порт коммутатора MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03

12. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Типы записей в таблице коммутации:
• Статические – создаются вручную
администраторами
• Динамические – создаются автоматически
Алгоритм обратного обучения (backward learning):
• Коммутатор принимает все кадры, поступающие
на порт
• По адресу отправителя в кадре коммутатор
узнает, какие компьютеры подключены к порту
Таблица коммутации
12

13. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм обратного обучения
13
Порт MAC-адрес
1 ???
2 ???
3 ???
…
Таблица коммутацииКоммутатор

14. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм обратного обучения
14
Порт MAC-адрес
1 ???
2 ???
3 ???
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр

15. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм обратного обучения
15
Порт MAC-адрес
1 ???
2 ???
3 ???
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр
Адрес получателя Адрес отправителя
00-02-B3-87-A0-E6
Тип
0800
ДанныеАдрес получателя
54-BE-F7-88-15-47

16. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм обратного обучения
16
Порт MAC-адрес
1 ???
2 ???
3 ???
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр
Адрес получателя
54-BE-F7-88-15-47
Адрес отправителя
00-02-B3-87-A0-E6
Тип
0800
Данные

17. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм обратного обучения
17
Порт MAC-адрес
1 ???
2 ???
3 00-02-B3-87-A0-E6
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр
Адрес получателя
54-BE-F7-88-15-47
Адрес отправителя
00-02-B3-87-A0-E6
Тип
0800
Данные

18. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
18
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор

19. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
19
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр

20. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
20
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр
Адрес получателя
00-02-B3-A7-49-D1

21. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
21
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр
Адрес получателя
00-02-B3-A7-49-D1

22. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
22
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр

23. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
23
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр

24. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
24
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр
Адрес получателя
54-BE-F7-88-15-47

25. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Алгоритм прозрачного моста
25
Порт MAC-адрес
1 1C-75-08-D2-49-45
2 00-02-B3-A7-49-D1
3 00-04-AC-85-E7-03
…
Таблица коммутацииКоммутатор
Кадр Кадр

26. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Коммутатор получает кадр на порт с номером N и
читает MAC-адрес получателя
Коммутатор проверяет, есть ли MAC-адрес в
таблице коммутации
Если адрес есть, то коммутатор пересылает кадр
на тот порт, через который доступен данный
адрес
Если адреса нет, то коммутатор передает кадр на
все порты, кроме N
Алгоритм прозрачного моста
26

27. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Бывают ли коллизии в коммутаторах?
Коммутатор и коллизии
27

28. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Бывают ли коллизии в коммутаторах?
К каждому порту коммутатора подключен только
один компьютер/коммутатор:
• Полный дуплекс – коллизии не возникают
• Полудуплекс – коллизия может возникнуть, если
компьютер и коммутатор одновременно решат
передавать данные
К порту коммутатора подключен концентратор:
• Общая среда передачи, подключенная к порту
коммутатора
• Коллизии возникают, как в классическом Ethernet
Коммутатор и коллизии
28

29. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Сквозная (напролет, в реальном времени, on the
fly)
C промежуточной буферизацией (с запоминанием,
store-and-forward)
Параллельная коммутация
Типы коммутации
29

30. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Коммутатор начинает
принимать кадр на одном из
портов
Сквозная коммутация
30
Коммутатор
Кадр

31. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Коммутатор начинает
принимать кадр на одном из
портов
Приняв первые 6 байт
кадра, коммутатор
определяет адрес
получателя
Сквозная коммутация
31
Коммутатор
Кадр

32. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Коммутатор начинает
принимать кадр на одном из
портов
Приняв первые 6 байт
кадра, коммутатор
определяет адрес
получателя
Если порт получателя
свободен, коммутатор сразу
начинает передавать
данные получателю
Сквозная коммутация
32
Коммутатор
Кадр

33. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Если порт получателя занят,
коммутатор записывает
кадр во внутренний буфер
Коммутация с буферизацией
33
Коммутатор
Кадр

34. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Если порт получателя занят,
коммутатор записывает
кадр во внутренний буфер
Коммутация с буферизацией
34
Коммутатор
Кадр

35. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Если порт получателя занят,
коммутатор записывает
кадр во внутренний буфер
После того, как порт
получателя освободится,
кадр пересылается из
буфера
Коммутация с буферизацией
35
Коммутатор
Буфер

36. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Если порт получателя занят,
коммутатор записывает
кадр во внутренний буфер
После того, как порт
получателя освободится,
кадр пересылается из
буфера
Коммутация с буферизацией
36
Коммутатор
Буфер

37. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Если порт получателя занят,
коммутатор записывает
кадр во внутренний буфер
После того, как порт
получателя освободится,
кадр пересылается из
буфера
Коммутация с буферизацией
37
Коммутатор

38. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Коммутация на лету:
• Высокая скорость
• Невозможно выполнить, если порт получателя
занят
Коммутация с буферизацией:
• Работает даже если порт получателя занят
• Выполняется медленнее, чем коммутация на лету
• Буфер может переполнится и кадры будут
отбрасываться
Коммутация с буферизацией и на лету
38

39. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Параллельная коммутация
39
1
2
3
4
5
6
7
8

40. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Коммутатор может передавать данные на разные
порты параллельно, предоставляя каждому
компьютеру выделенную пропускную способность
канала
Существенно повышает производительность
работы сети
Пример на предыдущем слайде:
• Сеть FastEthernet 100 Мб/с
• 4 параллельных потока кадров, 400 Мб/с
суммарно
• Концентратор обеспечил бы только 100 Мб/с с
коллизиями
Параллельная коммутация
40

41. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Неблокирующий коммутатор передает данные
через порты с той же скоростью, с которой они
поступают
Средний входной поток кадров равен среднему
выходному потоку кадров
• В противном случае кадры заполняют буфер и
отбрасываются
Если большинство портов отправляют данные на
один, даже неблокирующий коммутатор будет
отбрасывать кадры
• Магистральные порты
• Управление потоком
Неблокирующая коммутация
41

42. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Магистральные порты
42
1
2
3
4
5
6
7
8
Интернет100 Мб/с
100
100
100
100
100
100
1 Гб/с

43. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Fast Ethernet – 100 Мб/с, 802.3u
Gigabit Ethernet – 1 Гб/с, 802.3z, 802.3ab
10G Ethernet – 10 Гб/с, 802.3ae, 802.3an
Экспериментальные версии – 40 и 100 Гб/с
Скоростные версии Ethernet
43

44. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Изменения в физическом уровне для достижения
более высокой скорости передачи:
• Избыточное кодирование 8B/10B, 64B/66B и др.
• Потенциальное кодирование MLT-3, PAM-5, PAM-
16 и др.
• Использование DSP (Digital Signal Processor) для
дуплексной передачи данных по витой паре
Один и тот же механизм доступа к среде:
• CSMA/CD
• В 10G Ethernet только коммутируемый режим
работы
Один и тот же формат кадра LLC
Скоростные версии Ethernet
44

45. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Режимы работы устройств Ethernet:
• Скорость: 10 Мб/с, 100 Мб/с, 1Гб/с или 10Гб/с
• Дуплексный или полудуплексный режим
Переговоры начинаются при подключении устройства
Устройство предлагает режим в соответствии с
приоритетом
• 10Гб/с дуплекс – высший, 10Мб/с полудуплекс –
низший
Если другое устройство поддерживает данный режим,
оно отвечает подтверждением
В противном случае выбирается более медленный
режим
Схема автопереговоров
45

46. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
В настоящее время Ethernet является
единственной популярной технологией проводных
локальных сетей
Альтернативные технологии (FDDI, Token Ring,
100VG-AnyLAN) не выдержали конкуренцию c
Ethernet:
Причины успеха Ethernet:
• Простое и дешевое оборудование
• Постоянное увеличение скорости
• Обратная совместимость
Конкуренты Ethernet
46

47. Сети и системы телекоммуникаций. Коммутируемый Ethernet
Классический и коммутируемый Ethernet
Концентратор и коммутатор
Основы коммутации
Скоростные версии Ethernet
Итоги
47

48. Сети и системы телекоммуникаций. Технология Ethernet
Вопросы?
48