Тема 4. Работа протокола Ethernet. Структура кадра 802.3, MAC-адресация, логика коммутации в transparent bridge. Настройка дуплексной передачи.

Протокол Ethernet

Ethernet ([ˈiːθəˌnɛt] от англ. ether [ˈiːθə] — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как ARCNET и Token ring.

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети.

Протокол Ethernet работает, оперируя MAC-адресами. При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.

Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете IEEE Registration Authority диапазон из шестнадцати миллионов (224) адресов, и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон. Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя.

Пакеты в сетях Ethernet передаются при помощи кадров формата 802.3.

Рис. 1. Структура кадра 803.2

Для передачи кадров (пакетов) данных по сети используется технология коммутации. Суть её – в распределении пакетов в пределах одной сети (используется второй уровень модели OSI) от источника к приёмнику.

В начале сети не использовали коммутацию, и данные передавались «от каждого к каждому», используя хабы (концентраторы) – устройства, работающие на первом (физическом) уровне сетевой модели OSI, ретранслируя входящий сигнал с одного из портов в сигнал на все остальные (подключённые) порты, реализуя, таким образом, свойственную Ethernet топологию общая шина, c разделением пропускной способности сети между всеми устройствами и работой в режиме полудуплекса.

Дуплекс (лат. duplex — двухсторонний) — способ связи с использованием приёмопередающих устройств (модемов, сетевых карт, раций, телефонных аппаратов и др.). Реализующее полудуплексный (англ. half-duplex) способ связи устройство в один момент времени может либо передавать, либо принимать информацию. Как правило, такое устройство строится по трансиверной схеме.

Концентраторы имеют возможность использовать только режим полудуплекса – следовательно, в единичный момент времени каждый порт хаба может либо передавать, либо принимать информацию. Возникают ситуации, когда два и более устройства пытаются передавать инфрормацию одновремении – в этом случае происходят коллизии – столкновение трафика. В случае её возникновения устройства прекращают передачу, начиная её через случайный промежуток времени (в пределах нескольких мс). Таким образом, один концентратор создаёт один домен коллизий.

С ростом сетей возникает необходимость в разделении доменов коллизий на более мелкие. Для этого создаются сетевые мосты (transparent bridge). Сетевой мост – это устройство, которое работает на канальном уровне сетевой модели OSI, при получении из сети кадра сверяет MAC-адрес последнего и, если он не принадлежит данной подсети, передаёт (транслирует) кадр дальше в тот сегмент, которому предназначался данный кадр; если кадр принадлежит данной подсети, мост ничего не делает.

Однако, довольно очевидно, что и эта схема не удовлетворяет современным требованиям по коммутации. Чтобы ускорить процесс передачи данных, а также упростить конфигурацию сети, мосты и концентраторы объединили в одно устройство – коммутатор. Коммутатор строит таблицы MAC-адресов при помощи протокора ARP – опрашивает все подключённые устройства, те отвечают ему своим физическим адресом. Таблица MAC-адресов – это, по сути, таблица соответствия физического адреса устройства тому порту, к которому это устройство подключено. Если MAC-адреса получателя пакета данных нет в таблице, то используется Broadcast – широковещательная рассылка пакета по всем портам, кроме порта-отправителя. Таким образом, устройство, которое только что подключилось в сеть и ещё не успело ответить на ARP-запрос, тоже может получить данные. Современные коммутаторы могут работать в режиме как полу- так и полного дуплекса, что решает проблему коллизий.

Рис. 2. Таблица MAC-адресов на коммутаторе Cisco