Ethernet Μιλτιάδης Αναγνώστου 17 Μαΐου 2013 1/36 2/36
Ethernet ή ΙΕΕΕ 802.3 Δύο τύπου Ethernet: : 3-10 Mbps Ethernet με μεταγωγή: 0,1-100 Gbps 3/36 Το αρχικό κλασσικό Ethernet Το 1976 ο Bob Metcalfe (MS MIT, PhD Harvard) γνωρίζοντας το ALOHA το εφάρμοσε με μέσο μετάδοσης ομοαξονικό καλώδιο. Το νέο σύστημα ονομάστηκε Ethernet [Metcalfe, Boggs, 1983] Η ταχύτητα ήταν στα 3 Mbps. Χρησιμοποιήθηκε ένα μοναδικό κομμάτι από παχύ ομοαξονικό καλώδιο. 4/36
Το DIX standard Το 1978 μια αναβαθμισμένη στα 10 Mbps έκδοση τυποποιήθηκε ως DIX (Digital/Intel/Xerox) standard. Το 1983 το DIX standard έγινε δεκτό με μικρές τροποποιήσεις από το ΙΕΕΕ και βγήκε ως ΙΕΕΕ 802.3. Στο μεταξύ ο Metcalfe ίδρυσε τη 3Com για την παραγωγή και εμπορία 282 προσαρμογέων THE MEDIUM ACCESS CONTROL δικτύου. SUBLAYER CHAP. 4 Transceiver Ether Interface cable Figure 4-13. Architecture of classic Ethernet. connected by repeaters is no different from a single cable (except for a small amount of delay introduced by the repeaters). Over each of these cables, information was sent using the Manchester encoding we studied in Sec. 2.5. An Ethernet could contain multiple cable segments and multiple repeaters, but no two transceivers could be more than 2.5 km apart and no path between any two transceivers could traverse more than four repeaters. The reason for this Κλασσικό restrictionethernet was so that the Επιδόσεις MAC protocol, του κλασσικού which we will Ethernet look at next, would work Ethernet correctly. μεταγωγής Παχύ Ethernet (10BASE5) 4.3.2 Classic Ethernet MAC Sublayer Protocol The format used to send frames is shown in Fig. 4-14. First comes a Preamble of 8 bytes, each containing the bit pattern 10101010 (with the exception of the last byte, in which the last 2 bits are set to 11). This last byte is called the Start of Frame delimiter for 802.3. The Manchester encoding of this pattern produces a 10-MHz square wave for 6.4 µsec to allow the receiver s clock to synchronize with the sender s. The last two 1 bits tell the receiver that the rest of the frame is about to start. Κίτρινο παχύ ομοαξονικό καλώδιο (RG-8/U) με σημάδια ανά 2,5 m όπου τοποθετούνται οι υπολογιστές. Μέγιστο μήκος καλωδίου 500 m. Bytes 8 6 6 2 0-1500 0-46 4 Destination Source Υποστηρίζονται (a) Preamble Type Data Pad address το πολύ address100 μηχανές. Ταχύτητα 10 Mbps. Destination Source (b) Preamble Length Data Pad address address Σύνδεση με N-connector ή vampire tap. Figure 4-14. Frame formats. (a) Ethernet (DIX). (b) IEEE 802.3. Checksum Checksum 5/36 Next come two addresses, one for the destination and one for the source. They are each 6 bytes long. The first transmitted bit of the destination address is a 0 for 6/36
Λεπτό Ethernet (10BASE2, cheapernet) Λεπτό ομοαξονικό καλώδιο (RG-58A/U). Μέγιστο μήκος καλωδίου 180 m. Υποστηρίζονται το πολύ 30 μηχανές. Ταχύτητα 10 Mbps. Σύνδεση με BNC T-connector. Ηταν το συνηθισμένο μέσο δικτύωσης στη δεκαετία του 80. 7/36 Λοιπές ιδιότητες του κλασσικού Ethernet Κάθε έκδοση του Ethernet έχει ένα μέγιστο μήκος καλωδίου ανά τμήμα. Μεγαλύτερα δίκτυα μπορούν να σχηματισθούν με πολλαπλά καλώδια που συνδέονται μεταξύ τους με αναμεταδότες. Χρησιμοποιείται κωδικοποίηση Manchester. Δυο μηχανές δεν απέχουν παραπάνω από 2,5 km και ανάμεσά τους είναι το πολύ 4 αναμεταδότες (λόγω πρωτοκόλλου MAC). 8/36
The format used to send frames is shown in Fig. 4-14. First comes a Preamble 282of 8 bytes, each THE containing MEDIUMthe Κλασσικό ACCESS bit pattern EthernetCONTROL 10101010 SUBLAYER (with the exception CHAP. of the4 last byte, in which the lastethernet 2 bits are μεταγωγής set to 11). This last byte is called the Start of Frame delimiter for 802.3. The Manchester encoding of this pattern produces a 10-MHz square wave for 6.4 µsec to allow the receiver s clock to synchronize with the sender s. The last two 1 bits tell the receiver that the rest of the frame is about to start. Πλαίσιο MAC του κλασσικού Ethernet Transceiver Bytes Ether (a) 8 6 6 2 0-1500 0-46 4 Preamble Interface cable Destination address Source address Type Data Pad Destination Source (b) Preamble Length Data Pad address Figure 4-13. address Architecture of classic Ethernet. Preamble: Checksum Checksum - 8 bytes = 7 φορές 10101010 + 10101011 (Start of Frame). connected by repeaters is no different from a single cable (except for a small amount of delay introduced by the repeaters). Over each of στα these 10 cables, MHz επί information 6,4 μsecwas γιαsent συγχρονισμό. using the Manchester encoding we Next studied Διεύθυνση come in two Sec. addresses, 2.5. προορισμού: An one Ethernet for the could destination contain and multiple one for cable thesegments source. They and are multiple each 6repeaters, bytes long. The first transmitted bit of the destination address is a 0 for - 6 bytes, but no το two πρώτο transceivers bit είναι could 0 για be συνηθισμένες more than 2.5 km διευθύνσεις apart and no path between any two transceivers could traverse more than four repeaters. και 1 για ομαδικές (multicasting). The reason for this restriction was so that the MAC protocol, which we will look at next, would - work Η διεύθυνση correctly. 1111... 1 υποδηλώνει εκπομπή προς όλους (broadcasting). 4.3.2 Classic Ethernet MAC Sublayer Protocol - Figure Η κωδικοποίηση 4-14. Frame formats. Manchester (a) Ethernet παράγει (DIX). (b) IEEE έτσι802.3. ένα ορθογ. παλμό The format used to send frames is shown in Fig. 4-14. First comes a Preamble of 8 bytes, each containing the bit pattern 10101010 (with the exception of the last byte, in which the last 2 bits are set to 11). This last byte is called the Start of Πλαίσιο MAC του κλασσικού Ethernet Frame delimiter for 802.3. The Manchester encoding of this pattern produces a 10-MHz square wave for 6.4 µsec to allow the receiver s clock to synchronize with the sender s. The last two 1 bits tell the receiver that the rest of the frame is about to start. 9/36 Bytes 8 6 6 2 0-1500 0-46 4 (a) Preamble Destination address Source address Type Data Pad Checksum Διεύθυνση πηγής, είναι μοναδική ως εξής: Check- Unique - Τα πρώτα 3 bytes αποτελούν OUI - Organizationallysum Identifier, που εκχωρεί το ΙΕΕΕ στον κάθε κατασκευαστή. Destination Source (b) Preamble Length Data Pad address address - Figure Τα επόμενα 4-14. Frame τρία formats. δίνονται (a) Ethernet με (DIX). μοναδικό (b) IEEE τρόπο 802.3. σε κάθε νέο NIC - network interface controller. Next Τύπος: come two addresses, one for the destination and one for the source. They are each 6 bytes - 2long. bytesthe πουfirst στοtransmitted Ethernet bit υποδηλώνουν of the destination τον τύπο address του is a 0 for πρωτοκόλλου, π.χ. 0x0800 σημαίνει IPv4. - Στο ΙΕΕΕ 802.3 είναι το μήκος πλαισίου. Ο τύπος υποχώρησε μέσα στα data σε δύο από 8 bytes. - Τελικά το 1997 το ΙΕΕΕ δέχθηκε αμφότερες τις εκδοχές: Αν η τιμή είναι < 0x600 (= 6 16 2 = 1536) σημαίνει μήκος, αλλιώς τύπο. 10/36
ble of 8 bytes, each containing the bit pattern 10101010 (with the exception of the last byte, in which the last 2 bits are set to 11). Πρωτόκολλο This lastυποστρώματος byte is called MAC the Start of Frame delimiter for 802.3. Ethernet The μεταγωγής Manchester encoding of this pattern produces a 10-MHz square wave for 6.4 µsec to allow the receiver s clock to synchronize with the sender s. The last two 1 bits tell the receiver that the rest of the frame is about to start. Πλαίσιο MAC του κλασσικού Ethernet Bytes 8 6 6 2 0-1500 0-46 4 (a) Preamble Destination address Source address Type Data Pad Checksum Δεδομένα (Data): Checksum - Το πολύ 1500 bytes - Το μέγεθος ορίσθηκε για να μην υπάρχουν υπερβολικές Figure 4-14. Frame formats. (a) Ethernet (DIX). (b) IEEE 802.3. απαιτήσεις μνήμης RAM στον πομποδέκτη. Γέμισμα (Pad): Destination Source (b) Preamble Length Data Pad address address Next come two addresses, one for the destination and one for the source. They are each 6 bytes - Αν long. τα Data The first είναι transmitted λιγότεραbit από of the 46destination bytes το υπόλοιπο address is a 0 for γεμίζεται από το Pad. - Το ελάχιστο μήκος συνδέεται με την ανίχνευση σύγκρουσης. - Άρα τα νόμιμα πλαίσια έχουν μετά το preamble το λιγότερο 6+6+2+46+4=64 bytes. Ελεγχος λαθών (Checksum): 32 bit CRC. 11/36 Μήκος πλαισίου για ανίχνευση συγκρούσεων Οταν σημειωθεί σύγκρουση ο σταθμός Β γεννάει θόρυβο για να ειδοποιήσει τους άλλους σταθμούς (c). Ο θόρυβος γίνεται αντιληπτός από τον Α σε χρόνο 2τ (d). Αν η μετάδοση του πλαισίου από τον Α τελειώσει πριν την άφιξη του θορύβου, ο Α θα θεωρήσει τη μετάδοση σωστή, άρα ένα πλαίσιο πρέπει να έχει διάρκεια > 2τ. Με τις παραμέτρους του Ethernet αυτό αντιστοιχεί σε 500 bits, έχει ορισθεί ελάχιστο μήκος 512 (64 bytes). 12/36
Υπολογισμός του ελαχίστου μήκους πλαισίου 2500 m R R R R Η απόσταση των 2 2500 m για να καλυφθεί από ένα σήμα που διαδίδεται με ταχύτητα 0.77c χρειάζεται 2 2500 = 21.64 µsec 0.77 3 108 Στα 10 Mbps η μετάδοση ενός bit χρειάζεται 0.1 μsec Άρα μη λαμβανομένων υπόψη των επαναληπτών χρειάζονται 217 bits Στο Ethernet-DIX [The Ethernet, Version 2.0] υπολογίζεται και η συμβολή των επαναληπτών με το τελικό αποτέλεσμα να ανεβαίνει γύρω στα 500 bits. 13/36 Πηγή: The Ethernet, Version 2.0, Digital-Intel-Xerox, November, 1982. 14/36
CSMA/CD με δυαδική εκθετική υπαναχώρηση Το κλασσικό Ethernet χρησιμοποιεί CSMA/CD με επιμονή 1. Μετά από μια σύγκρουση ο χρονος διαιρείται σε σχισμές μήκους 2τ (= μέγιστος χρόνος διάδοσης στον αιθέρα με επιστροφή). Μετά την πρώτη σύγκρουση κάθε σταθμός στέλνει στη σχισμή 0 ή 1 με ίση πιθανότητα. Μετά τη n-οστή σύγκρουση στέλνει σε μια από 2 n σχισμές. Μετά από 10 συγκρούσεις οι σχισμές παραμένουν στο 2 10. Μετά από 16 συγκρούσεις η προσπάθεια σ αυτό το επίπεδο τερματίζεται. 15/36 Επιδόσεις, σελ. I 282 THE MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER CHAP. 4 Transceiver Ether Interface cable Figure 4-13. Architecture of classic Ethernet. connected by repeaters is no different from a single cable (except for a small amount of delay introduced by the repeaters). Over each of these cables, information was sent using the Manchester encoding we studied in Sec. 2.5. An Ethernet could contain multiple cable segments and multiple repeaters, but no two transceivers could be more than 2.5 km apart and no path between any two transceivers could traverse more than four repeaters. The reason for this restriction was so that the MAC protocol, which we will look at next, would work correctly. Ας υποτεθούν k σταθμοί. Ας υποτεθεί σταθερή πιθανότητα p μετάδοσης/αναμετάδοσης ανά σχισμή. 4.3.2 Classic Ethernet MAC Sublayer Protocol Η πιθανότητα μιας επιτυχημένης μετάδοσης σε μια σχισμή είναι The format used to send frames is shown in Fig. 4-14. First comes a Preamble of 8 bytes, each containing the bit pattern 10101010 (with the exception of the last byte, in which the last 2 bits are set to 11). This last byte is called the Start of Frame delimiter for 802.3. The Manchester encoding of this pattern produces a 10-MHz square wave for 6.4 µsec to allow the receiver s clock to synchronize with the sender s. The last A two= 1 bitskp(1 tell the receiver that p) k 1 the rest of the frame is about to start. Bytes (a) 8 6 6 2 0-1500 0-46 4 Preamble Destination address Source address Type Data Pad Destination Source (b) Preamble Length Data Pad address address Checksum Checksum 16/36
Επιδόσεις, σελ. II Το A μεγιστοποιείται για p = 1/k: A max = ( 1 1 ) k 1 1 k e Το διάστημα ανταγωνισμού, δηλ. το διάστημα μέχρι να περάσει μια μετάδοση, έχει μήκος N (σχισμές) όπου Pr{N = j} = (1 A) j 1 A, (j = 1, 2,...) Άρα η μέση του τιμή είναι E{N} = j Pr{N = j} = 1 A j=1 17/36 Επιδόσεις, σελ. III Άρα η απόδοση του καναλιού όταν ο χρόνος μετάδοσης ενός πλαισίου είναι P, είναι η = P P + 2τE{N} = P P + 2τ/A = 1 1 + 2τ AP = 1 1 + 2LB AFc όπου τ = L/c, L το μήκος του καλωδίου, c η ταχύτητα διάδοσης στο μέσο και P = F /B, F το μήκος πλαισίου, B ο ρυθμός μετάδοσης. Για άπειρους σταθμούς μετάδοσης και βέλτιστο p = 1/k, οπότε A = 1/e 1 η = 1 + 2LBe Fc 18/36
Επιδόσεις, σελ. IV Για πεπερασμένο πλήθος σταθμών k, βέλτιστο p = 1/k, άρα A = (1 1/k) k 1, 2τ = 51,2 μsec, B = 10 Mbps, προκύπτει το σχήμα: 19/36 Τοπολογία πλήμνης (hub) Η επανάχρηση της υπάρχουσας τηλεφωνικής καλωδίωσης (συνεστρ. ζεύγη) και το ότι η προσθαφαίρεση σταθμού απλοποιείται οδήγησαν στην τοπολογία του σχήματος. Το μέγιστο μήκος κλάδου ήταν 100 m ή 200 με ζεύγος κατηγορίας 5 (Cat 5). Το κύκλωμα είναι λογικά ίδιο με το απλό καλώδιο. Η βελτίωση των επιδόσεων με απλή αύξηση της ταχ. μετάδοσης δεν είναι δυνατή. 20/36
Η αύξηση της ταχύτητας υπολογιστών σε καλωδιωμένα κτήρια επιτυγχάνεται πλέον με χρήση του «Ethernet μεταγωγής». Το δεν είναι σύστημα πολλαπλής πρόσβασης, δεν υπάρχουν συγκρούσεις, ούτε πρωτόκολλο επίλυσης συγκρούσεων. Χρησιμοποιείται ένας κεντρικός μεταγωγέας ενώ το format των πλαισίων παραμένει αυτό του Ethernet. 21/36 Η διαφορά μεταξύ μεταγωγέα και πλήμνης Στο μεταγωγέα δεν υπάρχουν συγκρούσεις, ούτε πρωτόκολλο επίλυσης συγκρούσεων, επομένως δεν εφαρμόζονται οι περιορισμοί για μήκος πακέτου, μήκος καλωδίου κ.λπ. Ταυτόχρονες μεταδόσεις είναι πλέον δυνατές ανάμεσα σε διαφορετικά ζεύγη σταθμών. Ο διαχωρισμός της κίνησης βελτιώνει την ασφάλεια. Η εσωτερική δομή του μεταγωγέα δεν χρειάζεται τυποποίηση και υλοποιείται όπως επιθυμεί ο κατασκευαστής. 22/36
(IEEE 802.3u) Διατηρούνται η μορφή του πλαισίου και οι διαδικαστικοί κανόνες. Μειώνεται ο χρόνος μετάδοσης bit από 100 nsec σε 10 nsec. Χρησιμοποιούνται μόνο πλήμνες και μεταγωγείς. Χρησιμοποιούνται συνεστραμμένα ζεύγη σύμφωνα με τον 292 THE MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER CHAP. 4 παρακάτω πίνακα. Name Cable Max. segment Advantages 100Base-T4 Twisted pair 100 m Uses category 3 UTP 100Base-TX Twisted pair 100 m Full duplex at 100 Mbps (Cat 5 UTP) 100Base-FX Fiber optics 2000 m Full duplex at 100 Mbps; long runs Figure 4-19. The original fast Ethernet cabling. Manchester encoding, discussed in Sec. 2.5, requires two clock periods for each of the 10 million bits sent each second.) However, to achieve the necessary bit rate, 100Base-T4 requires four twisted pairs. ΤαχύOf Ethernet four pairs, one is always to the hub, one is alwaysethernet from μεταγωγής the hub, and10the GB Ethernet other two are switchable to the current transmission direction. To get 100 Mbps out of the three twisted pairs in the transmission direction, a fairly involved scheme is used on each twisted pair. It involves sending ternary digits with three different voltage levels. This scheme is not likely to win any prizes for elegance, and we will skip the details. However, since standard telephone wiring for decades has had four twisted pairs per cable, most offices are able to use the existing wiring plant. Of course, it means giving up your office telephone, but that is surely a small price to pay for faster email. Ταχύτητα σηματοδοσίας 20 MHz (25% μεγαλύτερη απ το 100Base-T4 κλασσικόfell Ethernet), by wayside as many office buildings were rewired with Category 5 UTP for 100Base-TX Ethernet, which came to dominate the market. This design στέλνει is simpler τετραδικά because ψηφία the wires σε 3 can στάθμες handle τάσης. clock rates of 125 MHz. Only two Χρησιμοποιεί twisted pairs per 4 ζεύγη, station από are used, έναone αφιερωμένο to the hub and σε one κάθε from it. Neither straight binary coding (i.e., NRZ) nor Manchester coding is used. Instead, the κατεύθυνση και τα άλλα δύο μεταβαλλόμενης κατεύθυνσης. 4B/5B encoding we described in Sec 2.5 is used. 4 data bits are encoded as 5 signal bits and sent at 125 MHz to provide 100 Mbps. This scheme is simple but has sufficient transitions for synchronization and uses the bandwidth of the wire relatively well. The 100Base-TX system is full duplex; stations can transmit at 100 Mbps on one twisted pair and receive at 100 Mbps on another twisted pair at the same time. The last option, 100Base-FX, uses two strands of multimode fiber, one for each direction, so it, too, can run full duplex with 100 Mbps in each direction. In this setup, the distance between a station and the switch can be up to 2 km. Fast Ethernet allows interconnection by either hubs or switches. To ensure that the CSMA/CD algorithm continues to work, the relationship between the 100BASE-T4 23/36 24/36
100BASE-TX Χρησιμοποιεί κωδικοποίηση 4Β/5Β (4 bits δεδομένων ανά πεντάδα) στα 125 MHz ώστε να προκύψει ταχύτητα 100 Mbps. Χρησιμοποιεί 2 ζεύγη, από ένα αφιερωμένο σε κάθε κατεύθυνση. 25/36 100BASE-FX Χρησιμοποιεί ένα καλώδιο με δύο οπτικές ίνες, μία για κάθε κατεύθυνση, στα 100 Mbps. Η απόσταση σταθμού - μεταγωγέα μπορεί να είναι 2 km. 26/36
Το θέμα της μέγιστης απόστασης σε πλήμνη Δεδομένου ότι στο ταχύ Ethernet επιτρέπεται και η πλήμνη, η χρήση του CSMA/CD επιβάλλει το γνωστό περιορισμό απόστασης. Η μέγιστη απόσταση όμως είναι υποδεκαπλασιασμένη λόγω του 10-πλασιασμού της ταχύτητας, δηλ. το πολύ 250 m αντί των 2500 m, που ούτως ή άλλως καλύπτεται από τον περιορισμό των 100 m. Στην περίπτωση των 2 km του 100BASE-FX επιτρέπεται μόνο μεταγωγέας. 27/36 (IEEE 802.3ab, 1999) Προδιαγραφές: Δεκαπλασιασμός της ταχύτητας από το προηγούμενο πρότυπο. Υπηρεσία datagram, unicast & broadcast Διευθύνσεις 48 bit 294 Ιδιο μήκος THE πλαισίου. MEDIUM ACCESS CONTROL SUBLAYER CHAP. 4 Ethernet Switch or hub Computer Ethernet (a) (b) Figure 4-20. (a) A two-station Ethernet. (b) A multistation Ethernet. 28/36
: Τρόποι λειτουργίας Οπως και το ταχύ Ethernet, το υποστηρίζει δύο τρόπους λειτουργίας: Full duplex, δηλαδή και Half duplex, δηλαδή Ethernet σε πλήμνη με CSMA/CD. Η δεύτερη επιλογή μειώνει την μέγιστη απόσταση μεταξύ σταθμών σε 25 m. Το πρόβλημα αυτό επιλύεται με τους δύο τρόπους που αναφέρονται στη συνέχεια. 29/36 Λύση 1: Παραγέμισμα φέροντος (carrier padding) Ο αποστολέας προσθέτει όσα bytes χρειάζονται για να γίνουν 512 bytes. Ο παραλήπτης τα αφαιρεί αντίστοιχα. Ομως η απόδοση του καναλιού πέφτει κάτω από το 46/512 9% 30/36
Λύση 2: Μετάδοση πλαισίων κατά ριπές (frame bursting) Μια ακολουθία διαδοχικών πλαισίων εκπέμπεται ώστε να είναι συνεχόμενα, δηλαδή σαν ένα πλαίσιο. Αν το μέγεθος πάλι δεν ξεπεράσει τα 512 bytes ακολουθεί παραγέμισμα. 31/36 Καλωδιώσεις Οι δυνατές καλωδιώσεις με τους αντίστοιχους περιορισμούς φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: 32/36
Κωδικοποίηση Χρησιμοποιείται NRZ 8Β/10Β δανεισμένη από το Fiber Channel. Προφανώς αυτό αυξάνει τα απαιτούμενα bits κατά 25%. Ενα πιο περίπλοκο σχήμα κωδικοποίησης PAM με 5 στάθμες χρησιμοποιείται στο 1000Base-T με χρήση και των 4 ζευγών του UTP Cat 5. 33/36 Ελεγχος ροής και πλαίσια Jumbo Η αυξημένη ταχύτητα του προκαλεί υπερχειλίσεις καταχωρητών. Για να αποφευχθούν διατίθεται έλεγχος ροής μέσω του πλαισίου PAUSE. Το πλαίσιο PAUSE έχει τύπο 0x8808 και περιγράφει μια παύση σε πολλαπλάσια της σχισμής (= 512 nsec), ως 33,6 msec. Jumbo frames: Εκτός προτύπου (που έχει όριο τα 1500 bytes) έχουν καθιερωθεί πλαίσια μέχρι 9000 bytes. 34/36
35/36 Βιβλιογραφία Robert M. Metcalfe and David R. Boggs, Ethernet: distributed packet switching for local computer networks, Commun. ACM, Vol. 26, Issue 1, pp. 90-95, January 1983). The Ethernet, Version 2.0, Digital-Intel-Xerox, November, 1982. http: //decnet.ipv7.net/docs/dundas/aa-k759b-tk.pdf Τελευταία μεταβολή στις 24 Μαΐου 2013, 13:49. 36/36