НОУ ИНТУИТ | Лекция | Канальный уровень сетевой модели OSI

3. Адресация в локальных сетях

Адресация в локальных сетях реализуется на основе МАС-адресов. Адресация может быть одноадресная (unicast), многоадресная (multicast), широковещательная (broadcast).

В одноадресном режиме узел-источник, например, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные только одному узлу с IP-адресом 192.168.10.22 (
рис.
5.7).

При этом передаваемый по локальной сети кадр (
рис.
5.8) содержит в своем заголовке МАС-адреса назначения и источника.

В многоадресном режиме (групповая адресация) IP-адреса задаются из диапазона 224.0.0.0 – 239.255.255.255. Так узел-источник, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные тем узлам, которые имеют групповой адрес, например, 224.0.0.202 (
рис.
5.9,
рис.
5.10).

Групповым IP-адресам соответствуют МАС-адреса, начинающиеся с 01-00-5Е. Младшие разряды МАС-адреса формируются из младших разрядов IP-адреса. Например, IP-адресу 224.0.0.202 соответствует групповой МАС-адрес 01-00-5Е-00-00-СА.

В широковещательном режиме узел-источник, например, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные всем узлам локальной сети по адресу 192.168.10.255 (
рис.
5.11,
рис.
5.12). Широковещательный МАС-адрес назначения FF-FF-FF-FF-FF-FF содержит 48 двоичных единиц.

4. Протокол ARP

В локальных сетях телекоммуникаций устройствам необходимы как физический МАС-адрес, так и логическийIP-адрес, которые однозначно адресуют любое устройство в сети, образуя соответствующую пару.

Указанные пары МАС- и IP-адресов узлов локальной сети (называемые также сопоставлениями) хранятся в таблице протокола разрешения адресов (Address ResolutionProtocol – ARP).

На каждом конечном узле можно посмотреть его физический адрес и IP-адрес по команде ipconfig или ipconfig /all (
рис.
5.13).

Из распечатки следует, что физическим МАС-адресом конечного узла является 00-19-D1-93-7E-BE, а логическим IP-адресом – 10.0.118.52.

Протокол ARP может по IP-адресу определить МАС-адрес устройства. Каждое устройство в сети поддерживает таблицу ARP, которая содержит соответствующие MAC и IP адреса других устройств той же локальной сети. ТаблицаARP любого узла может быть просмотрена по команде arp -a (
рис.
5.14).

Записи таблицы хранятся в памяти RAM, где динамически поддерживаются. Если узлы долго не передают данные, то соответствующие записи из таблицы удаляются, что представлено на
рис.
5.

ТаблицаARP пополняется динамически путем контроля трафика локального сегмента сети. Все узлы локальной сети Ethernet анализируют трафик, чтобы определить, предназначены ли данные для них.

При этом IP и MAC-адреса источников дейтаграмм записываются в таблице ARP. Например, после общения с узлом 10.0.118.65 в таблице ARP появляется дополнительная, по сравнению с
рис.
5.14, запись (
рис.
5.15).

Для проверки записей ARP-таблицы маршрутизатора используется командаshow ip arp. Когда устройство передает пакет по IP-адресу назначения, оно проверяет, имеется ли в ARP-таблице соответствующий МАС-адрес назначения.

Если узел не находит соответствующей записи в таблице ARP, то он для получения MAC-адреса назначения посылает в локальную сетьшироковещательный ARP-запрос, в котором задается сетевой логическийIP-адрес устройства назначения.

Все другие устройства сети анализируют его. Если у одного из устройств локальной сети IP-адрес совпадает с запрашиваемым, то устройство посылает ARP-ответ, который содержит пару IP и MAC адресов.

Эта пара IP и MAC адресов записывается в ARP-таблице. Если в локальной сети нет запрашиваемого IP-адреса, то устройство источник сообщает об ошибке.

Когда данные передаются за пределы локальной сети, то для передачи сообщения необходимы IP и MAC-адреса как устройства назначения, так и МАС-адреса промежуточных маршрутизирующих устройств. Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные запросы в другие сегменты сети, то в этом случае маршрутизатор в ответ на запрос посылает ARP-ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса, на который поступил запрос.

Таким образом, сформированный конечным устройством кадр поступит на входнойинтерфейс маршрутизатора, который после анализа адреса сети назначения и обращения к таблице маршрутизации продвинет пакет на выходной интерфейс.

Входнойинтерфейс маршрутизатора, через который узлы локальной сети могут передавать сообщения в удаленные сети, получил название шлюз. IP-адрес входного интерфейса маршрутизатора на пути к устройству назначения (шлюз по умолчанию – Default Gateway) обычно конфигурируется на всех конечных узлах (хостах). Источник сообщения сравнивает IP-адрес назначения со своим IP-адресом и определяет, находятся ли эти адреса в одном сегменте сети или в разных сегментах.

Таким образом, при передаче данных по сети узел для нахождения МАС-адреса назначения посылает в сеть широковещательный ARP запрос, в котором задается IP-адрес устройства назначения, на который в ответ получает: либо МАС-адрес узла назначения из той же локальной сети, либо МАС-адрес входного интерфейса маршрутизатора (шлюза по умолчанию), если адресат находится в удаленной сети.

При передаче по сети IP-адреса источника и назначения остаются неизменными на всем пути следования пакета. При поступлении в маршрутизатор из кадра извлекается пакет, определяется на какой выходной интерфейс необходимо его передать (продвинуть).

В крупных сетях широковещательные ARP-запросы могут приводить к перегрузке сети. Кроме того, широковещательные запросы легко перехватывают хакеры, получая информацию об IP- и МАС-адресах сети.

Поэтому для сокращения широковещательных ARP-запросов администратор может создавать записи в таблице ARP статически. Статические записи динамически не удаляются, удалить их может только сам администратор.

5. Коммутаторы в локальных сетях

Для предотвращения коллизий крупные локальные сети делятся на сегменты или домены коллизий, с помощью маршрутизаторов или коммутаторов. Непосредственно к маршрутизатору конечные узлы обычно не подключаются; подключение выполняется через коммутаторы.

Каждый порт коммутатора оснащен процессором, память которого позволяет создавать буфер для хранения поступающих кадров. Общее управление процессорами портов осуществляет системный модуль.

Каждый сегмент, образованный портом (интерфейсом) коммутатора с присоединенным к нему узлом (компьютером) или с концентратором со многими узлами, является сегментом (доменом) коллизий. При возникновении коллизии в сети, реализованной на концентраторе, сигнал коллизии распространяется по всем портам концентратора. Однако на другие порты коммутатора сигнал коллизии не передается.

Существует два режима двусторонней связи: полудуплексный (half-duplex) и полнодуплексный (full-duplex). В полудуплексном режиме в любой момент времени одна станция может либо вести передачу, либо принимать данные.

В полнодуплексном режиме устройство может одновременно принимать и передавать информацию, т.е. обе станции в соединении точка-точка, могут передавать данные в любое время, независимо от того, передает ли другая станция. Для разделяемой среды полудуплексный режим является обязательным.

Ранее создававшиеся сети Ethernet на коаксиальном кабеле были только полудуплексными. Неэкранированная витая параUTP и оптическое волокно могут использоваться в сетях, работающих в обоих режимах.

В случае присоединения компьютеров индивидуальными линиями к портам коммутатора каждый узел вместе с портом образует микросегмент. В сети, узлы которой соединены с коммутатором индивидуальными линиями, и работающей в полудуплексном режиме, возможны коллизии, если одновременно начнут работать передатчики коммутатора и сетевого адаптера узла.

В полнодуплексном режиме работы при микросегментации коллизий не возникает. При одновременной передаче данных от двух источников одному адресату буферизация кадров позволяет запомнить и передать кадры поочередно и, следовательно, избежать их потери. Отсутствие коллизий обусловило широкое применение топологии сети с индивидуальным подключением узлов к портам коммутатора.

Современные коммутаторы используют функцию Auto-MDIX, которая позволяет автоматически определять требуемый тип медного кабеля (прямой или кроссовый). Таким образом, отпадает необходимость создания и хранения двух типов кабеля.

Коммутатор является устройством канального уровня семиуровневой модели ISOOSI, где для адресации используются МАС-адреса (
рис.
5.16). Адресация происходит на основе МАС-адресов сетевых адаптеров узлов.

Для передачи кадров используется алгоритм, определяемый стандартом 802.1D. Реализация алгоритма происходит за счет создания статических или динамических записей адресной таблицы коммутации. Статические записи таблицы создаются администратором.

Важно отметить, что коммутатор можно не конфигурировать, он будет работать по умолчанию, создавая записи адресной таблицы в динамическом режиме. При этом в буферной памяти порта запоминаются все поступившие на порт кадры.

Первоначально в коммутаторе отсутствует информация о том, какие МАС-адреса имеют подключенные к портам узлы. Поэтому коммутатор, получив кадр, передает его на все свои порты, за исключением того, на который кадр был получен, и одновременно запоминает МАС-адрес источника в адресной таблице.

Например, если узел с МАС-адресом 0В1481182001 передает кадр данных узлу 0АА0С9851004 (
рис.
5.16), то в таблице (табл. 5.1) появится первая запись.

В этой записи будет указано, что узел с МАС-адресом 0В1481182001 присоединен к порту № 1. При передаче данных от узла 0АА0С9851004 узлу 0002В318А102 в табл. 5.1 появится вторая запись и т.д. Таким образом, число записей в адресной таблице может быть равно числу узлов в сети, построенной на основе коммутатора.

Когда адресная таблица коммутации сформирована, продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице. При получении кадра коммутатор проверяет, существует ли МАС-адрес узла назначения в таблице коммутации.

При обнаружении адресата в таблице коммутатор производит еще одну проверку: находятся ли адресат и источник в одном сегменте. Если они в разных сегментах, то коммутатор производит коммутацию или перенаправление кадра (продвижение, forwarding) в порт, к которому подключен узел назначения.

:/>  Почему перестала работать веб камера? Проблемы с веб камерой | World-X

Если адресат и источник находятся в одном сегменте, например оба подключены к одному концентратору (
рис.
5.16), то передавать кадр на другой порт не нужно.

В этом случае кадр должен быть удален из буфера порта, что называется фильтрацией кадров. Использование концентратора приводит к тому, что в адресной таблице к одному порту будет приписано несколько МАС-адресов.

С появлением в сети новых узлов адресная таблица пополняется. Если в течение определенного времени какой-то узел не передает данные, то считается, что он в сети отсутствует, тогда соответствующая запись из таблицы удаляется.

При необходимости администратор может включать в таблицу статические записи, которые не удаляются динамически. Такую запись может удалить только сам администратор.

При получении кадров с широковещательными адресами коммутатор передает их на все свои порты. В ряде случаев такой режим удобен. Однако, если какой либо узел из-за сбоя начинает ошибочно генерировать кадры с широковещательными адресами, то сеть очень быстро оказывается перегруженной, наступает широковещательный шторм (broadcast storm), сеть “падает”.

Этим пользуются злоумышленники, нарушающие нормальное функционирование сети. Они “наводняют” сеть широковещательными сообщениями с ложными адресами источника, адресная таблица коммутации переполняется, и коммутатор начинает работать, как концентратор.

При этом злоумышленник получает возможность анализировать всю информацию, передаваемую по локальной сети. С широковещательным штормом может бороться маршрутизатор (
рис.
5.17).

Маршрутизатор делит сеть на широковещательные домены, т.е. на отдельные сети (подсети). Поэтому широковещательные сообщения распространяются только в пределах локальной сети.

Во второй части настоящего курса будет показано, что деление на широковещательные домены может реализовать коммутатор при создании виртуальных локальных сетей VLAN.

6. Режимы коммутации

Коммутаторы могут работать в нескольких режимах, при изменении которых меняются задержка и надежность. Для обеспечения максимального быстродействия коммутатор может начинать передачу кадра сразу, как только получит МАС-адрес узла назначения.

Такой режим получил название сквозной коммутации или коммутации “на лету” (cut-through switching), он обеспечивает наименьшую задержку при прохождении кадров через коммутатор. Однако в этом режиме невозможен контроль ошибок, поскольку поле контрольной суммы находится в конце кадра.

Во втором режиме коммутатор получает кадр целиком, помещает его в буфер, проверяет поле контрольной суммы (FCS) и затем пересылает адресату.

Если получен кадр с ошибками, то он отбрасывается (discarded) коммутатором. Поскольку кадр перед отправкой адресату назначения запоминается в буферной памяти, то такой режим коммутации получил название коммутации с промежуточным хранением или буферизацией (store-and-forward switching).

Коммутация с буферизацией является Основным режимом современных коммутаторов.

Промежуточное положение между режимами сквозной коммутацией на лету и буферизацией занимает режим коммутации свободного фрагмента (fragment-free mode). В этом режиме в буфер помещается 64 байта кадра, читаются заголовок кадра, поле данных минимальной длины и контрольная сумма, после этого начинается передача кадра.

Когда используется режим сквозной коммутации на лету, порты устройств источника и назначения должны иметь одинаковую скорость передачи. Такой режим называется симметричной коммутацией. Если скорости не одинаковы, то кадр должен запоминаться (буферизироваться) перед тем, как будет передаваться с другой скоростью. Такой режим называется асимметричной коммутацией, при этом должен использоваться режим с буферизацией.

Асимметричная коммутация обеспечивает связь между портами с разной полосой пропускания. Данный режим является характерным, например, для потока данных между многими клиентами и сервером, при котором многие клиенты могут одновременно соединяться с сервером. Поэтому на это соединение должна быть выделена широкая полоса пропускания.

Для буферизации коммутатор может использовать буферную память портов или общую память коммутатора. Во втором случае требуемый каждому порту объем памяти выделяется динамически, что позволяет успешно реализовать асимметричную коммутацию.

7. Параметры коммутаторов

Выбор коммутаторов для проектируемой сети определяется рядом параметров: скоростью фильтрации кадров, скоростью продвижения кадров, пропускной способностью, длительностью задержки передачи кадра, а также возможностью подачи питания на конечный узел по кабелю Ethernet (PoE), конструктивными особенностями коммутатора (конфигурацией) и другими характеристиками.

Скорость фильтрации определяется временем приема кадра, запоминанием его в буфере, обращением к адресной таблице коммутации и удалением кадра из буферной памяти, если адресат и источник находятся в одном сегменте. Коммутатор обычно успевает фильтровать кадры в темпе их поступления в интерфейс, поэтому фильтрация не вносит дополнительной задержки.

Скорость продвижения кадров определяется временем приема кадра, запоминанием его в буфере, обращением к адресной таблице и передачей кадра с входного порта на выходной, который связан с устройством назначения. Скорость фильтрации и скорость продвижения задаются в кадрах в секунду, причем, для оценки этих параметров обычно берутся кадры минимальной длины 64 байта.

Пропускная способность коммутатора определяется количеством передаваемых данных, содержащихся в полеData кадра, в единицу времени. Пропускная способность достигает своего максимального значения при передаче кадров максимальной длины.

Задержка передачи кадров определяется временем от момента появления первого байта кадра на входном порте коммутатора до момента появления этого байта на выходном порте. В зависимости от режима коммутации время задержки составляет от единиц до сотен микросекунд.

Основные параметры коммутаторов иногда называют обобщенным термином – форм-фактор.

Конструктивно коммутатор может быть фиксированной или модульной конфигурации. Коммутатор фиксированной конфигурации содержит определенное количество портов, например, 24 порта FastEthernet и 2 порта GigabitEthernet, и эту конфигурацию изменить нельзя.

В коммутаторах модульной конфигурации пользователь может устанавливать требуемое количество модулей портов в пределах возможностей линейной платы. Добавление новой линейной платы увеличивает количество портов и повышает плотность портов.

Для расширения функциональных возможностей коммутаторов используют компактные приемо-передатчики (трансиверы) стандарта SFP (Small Form-factor Pluggable). Через модули SFP (
рис.
5.18) реализуется присоединение оптического или симметричного медного кабеля (витая пара) к порту коммутатора.

Разные модули SFP позволяют использовать как многомодовое, так и одномодовое волокно на различных длинах волн (850 нм, 1310 нм, 1550 нм) для передачи данных на разное расстояние. Широкая номенклатура модулей SFP позволяет создавать сетевые устройства различного назначения.

В технологиях Ethernet модули SFP реализуют скорости передачи 100 Мбит/c, 1 Гбит/c, 10 Гбит/c, 20 Гбит/c; в технологиях SDH модули SFP позволяют передавать потоки данных уровня STM-1, STM-4, STM-16.

8. Коммутаторы второго и третьего уровня

Во многих сетях пакетной коммутации используются комбинации устройств: маршрутизатор, коммутатор, конечные узлы (
рис.
5.19а).

Маршрутизацию и передачу пакетов между сетями выполняет маршрутизатор, характеризующийся широким спектром функций. Коммутатор характеризуется большим количеством портов и высокой производительностью.

Поэтому в новых сетевых элементах (коммутаторах-маршрутизаторах) объединили функции коммутатора и маршрутизатора (
рис.
5.19б). Такое устройство получило название коммутатора уровня 3 модели OSI. Коммутатор уровня 3 пересылает данные, базируясь на IP- и МАС-адресах назначения. Пересылка данных происходит с высокой скоростью, характерной для классических коммутаторов уровня 2.

Коммутаторы уровня 3 фирмы Catalyst функционируют на базе технологии Cisco Express Forwarding (CEF), которая для пересылки данных создает и поддерживает базу данных о переадресации (FIB) и таблицу смежности.

У коммутаторов уровня 3 существует три основных типа интерфейсов:

Для конфигурирования маршрутизируемого порта уровня 3 нужно выполнить команду no switchport, назначить IP-адрес, включить интерфейс, например:

Коммутатор уровня 3 пересылает сообщения на основе комбинации IP-адресов и МАС-адресов.

802.11ас wave 2

Устройства “второй волны” 802.11ac поддерживают большее количество каналов связи и пространственных потоков, при этом возможные конфигурации продукта работают на скорости до 3,47 Гбит/с.

Это надо знать! 802.11ac – это технология, работающая только на 5 ГГц, поэтому двухдиапазонные точки доступа и клиенты продолжают использовать 802.11n с частотой 2,4 ГГц. Однако клиенты 802.11ac работают в менее загруженной полосе 5 ГГц.

В Wave 2 добавили поддержку таких технологий как MU-MIMO (многопользовательское планирование) и Beamforming (формирование луча).

MU-MIMO означает многопользовательский, множественный вход, множественный выход и является беспроводной технологией, позволяющей взаимодействовать маршрутизаторам с несколькими пользователями одновременно.

MU-MIMO – это следующая эволюция однопользовательского MIMO (SU-MIMO), который обычно называют MIMO. Технология MIMO была создана для того, чтобы увеличить количество антенн на беспроводном маршрутизаторе, которые используются как для приема, так и для передачи, и повысить пропускную способность беспроводных соединений.

На 2022 год многие устройства поддерживают MU-MIMO производитель микросхем Wi-Fi Qualcomm имеет список устройств – включая iPhone версий 6, 6 Plus и более поздних версий, которые включают в себя технологию 802.11ac MU-MIMO, а Wi-Fi Alliance имеет список из более чем 550 продуктов с использованием технологии MU-MIMO.

:/>  Как скрыть все разом ярлыки с рабочего стола Windows 10-8-7

Вопросы

  1. Какие функции выполняет верхний подуровень канального уровня?
  2. Какие функции выполняет нижний подуровень канального уровня?
  3. Что определяют спецификации технологии МАС-уровня?
  4. Сколько двоичных разрядов содержит МАС-адрес и в какой системе он представлен?
  5. Что задают первые и последние три байта МАС-адреса?
  6. Каким типом адреса является FF-FF-FF-FF-FF-FF?
  7. Какой МАС-адрес соответствует групповому IP-адресу 224.0.61.200?
  8. Какие адреса остаются неизменными на всем пути следования пакета, а какие изменяются в каждом маршрутизаторе?
  9. Какой протокол может по IP-адресу определить МАС-адрес устройства?
  10. Какие недостатки ARP-протокола?
  11. Какой метод доступа к среде отображается аббревиатурой CSMA/CD?
  12. В чем различие ассоциативного (конкурентного) и детерминированного (контролируемого) методов доступа к среде?
  13. Для чего необходима преамбула в кадре Ethernet?
  14. Как адресуются источник и устройство назначения в кадре Ethernet?
  15. Какую функцию выполняет контрольная сумма в кадре Ethernet?
  16. Что такое коллизия?
  17. Какое устройство ограничивает коллизию пределами одного сегмента?
  18. Что такое микросегмент?
  19. На базе каких адресов происходит адресация узлов в локальных сетях?
  20. Чем различаются продвижение и фильтрация кадров?
  21. Какое устройство делит сеть на широковещательные домены?
  22. Какими параметрами определяется производительность коммутатора?
  23. Что определяет термин форм-фактор коммутатора?
  24. Чем отличается сквозная коммутация или коммутация “на лету” от коммутации с промежуточным хранением или буферизацией?
  25. Какой метод коммутации используется, если порт входящих сообщений работает со скоростью 100 Мбит/с, а порт исходящих – 1000 Мбит/с?
  26. Для чего используется протокол STP?
  27. Какая совокупность команд необходима для конфигурирования маршрутизируемого порта уровня 3?

Кадры управления

Кадры управления используются для управления связью станций и точек доступа. Возможны следующие подтипы:

  • Запрос ассоциации. Посылается станцией к точке доступа с целью запроса ассоциации с данной сетью с базовым набором услуг (Basic Service Set – BSS). Кадр включает информацию о возможностях, например, будет ли использоваться шифрование, или способна ли станция отвечать при опросе.
  • Ответ на запрос ассоциации. Возвращается точкой доступа и указывает, что запрос ассоциации принят.
  • Запрос повторной ассоциации. Посылается станцией при переходе между BSS, когда требуется установить ассоциацию с точкой доступа в новом BSS. Использование повторной ассоциации, а не просто ассоциации, позволяет новой точке доступа договариваться со старой о передаче информационных кадров по новому адресу.
  • Ответ на запрос повторной ассоциации. Возвращается точкой доступа и указывает, что запрос повторной ассоциации принят.
  • Пробный запрос. Используется станцией для получения информации от другой станции или точки доступа. Кадр используется для локализации BSS стандарта IEEE 802.11.
  • Ответ на пробный запрос. Отклик на пробный запрос.
  • Сигнальный кадр. Передается периодически, позволяет мобильным станциям локализовать и идентифицировать BSS.
  • Объявление наличия трафика. Посылается мобильной станцией с целью уведомления других (которые могут находиться в режиме пониженного энергопотребления), что в буфере данной станции находятся кадры, адресованные другим.
  • Разрыв ассоциации. Используется станцией для аннулирования ассоциации.
  • Аутентификация. Для аутентификации станций используются множественные кадры.
  • Отмена аутентификации. Передается для прекращения безопасного соединения.

Обязательные и дополнительные функции 802.11ax на станции и клиенте

Точка доступаКлиент
ОбязательноДополнительноОбязательноДополнительно
Передача OFDMA в нисходящем каналеПрием OFDMA в нисходящем канале
Прием OFDMA в восходящем каналеПередача OFDMA в восходящем канале
Передача MU-MIMO в нисходящем канале (если 4 SS*)Передача MU-MIMO в нисходящем канале (если 4 < SS)Прием MU-MIMO в нисходящем канале (вплоть до 4х SS)
Формирование луча при передаче (если 4 SS)Формирование луча при приеме
Прием и передача SU-MIMO вплоть до 2x SSSU-MIMO с 3 SSПрием и передача SU-MIMO
Работа на 20, 40, 80 МГц если поддерживается 5 ГГцРабота на 20, 40, 80 МГц если поддерживается 5 ГГц
Работа на 20 МГц, если поддерживается 2.4 ГГцРабота на 20 МГц, если поддерживается 2.4 ГГц
Для устройств IoT режим только 20 МГц с OFDMA
Индивидуальный TWTИндивидуальный TWT
Цветовая маркировка базовых сервисов (BSS color)Перераспределение пространственных потоковЦветовая маркировка базовых сервисов (BSS color)Перераспределение пространственных потоков
Работа на 160 МГц при поддержки 5 ГГц
MCS 8, 9, 10 (256- и 1024-QAM)

*SS (spatial streams) – пространственные потоки

Протокол stp

Когда сеть строится с использованием топологии иерархического дерева, то коммутационные петли отсутствуют. Однако сети часто проектируются с избыточными путями, чтобы обеспечить надежность и устойчивость сети (
рис.
5.20).

Избыточные пути могут приводить к образованию коммутационных петель, что, в свою очередь, может привести к широковещательному шторму и обрушению сети.

Протокол для предотвращения петель в коммутируемых сетях (Spanning-Tree Protocol – STP) используется в сетях с избыточными путями. Коммутаторы используют алгоритм STA, чтобы перевести в резервное состояние избыточные пути, которые не соответствуют иерархической топологии. Запасные избыточные пути задействуются, если основные выходят из строя.

Таким образом, протокол STP используется для создания логической иерархии без петель, т.е. даже при наличии физических петель, логические петли отсутствуют. Каждый коммутатор в локальной сети рассылает уведомления STP во все свои порты, чтобы позволять другим коммутаторам знать о их существовании.

Эта информация используется, чтобы выбрать корневой коммутатор для сети. Протокол STP создает древовидную топологию, где от каждого коммутатора и от каждого сегмента сети будет единственный путь минимальной длины до корневого коммутатора. Для определения длины пути используется соответствующая метрика.

Каждый порт коммутатора, который используя STP, находится в одном из следующих 5 состояний:

Подробности работы протокола STP приведены во второй части настоящего курса. Существенным недостатком протокола STP является слишком долгое время формирования новой конфигурации сети, которое может составлять значение порядка минут. Ускорение процесса формирования новой конфигурации сети достигнуто за счет разработки быстродействующих протоколов, среди которых наиболее известен протокол Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), специфицированный организацией IEEE как 802.1D-2004, затем как 802.1W.

Таблица сравнений 802.11n vs 802.11ac vs 802.11ax

802.11n (Wi-Fi 4)802.11ac Wave 2 (Wi-Fi 5)802.11ax (Wi-Fi 6)
Дата релиза200920222022
Рабочая частота2.4ГГц & 5ГГц5ГГц2.4ГГц & 5ГГц, spanning to 1ГГц – 7ГГц
Ширина полосы канала20МГц, 40МГц20МГц, 40МГц, 80МГц, 80 80МГц & 160МГц20МГц/40МГц @ 2.4ГГц, 80МГц, 80 80МГц & 160МГц @ 5ГГц
Количество поднесущих64, 12864, 128, 256, 51264, 128, 256, 512, 1024, 2048
Разнесение поднесущих312.5кГц312.5кГц78.125 кГц
Длительность символа и циклического префикса3.6 мкс (короткий защитный интервал) 4 мкс (длинный защитный интервал)3.2 мкс (0.4/0.8 мс циклический префикс)12.8 мкс (0.8/1.6/3.2 мкс циклический префикс)
Тип модуляции и скорость кодирования64-QAM, 5/6256-QAM, 5/61024-QAM, 5/6
Кодирование сигнала6 Бит на символ8 Бит на символ10 Бит на символ
Скорость передачи данныхот 54 Мбит/с до 600 Мбит/с (max 4 пространственных потока)433 Мбит/с (80МГц, 1 пространственный поток) 6933 Мбит/с (160МГц, 8 пространственных потоков)600 Мбит/с (80МГц, 1 пространственный поток) 9607.8 Мбит/с (160МГц, 8 пространственных потоков)
Технологии MIMOSU-MIMO-OFDMSU-MIMO-OFDM Wave 1, MU-MIMO-OFDM Wave 2MU-MIMO-OFDMA

Формат кадра ethernet

Формат кадров канального уровня практически одинаков для всех Ethernet совместимых технологий. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. Один из форматов кадра (802.3) подуровня МАС приведен на
рис.
5.3.

Разделитель кадров, позволяющий определить начало кадра и обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником, представлен преамбулой и начальным ограничителем кадра (Start of Frame Delimiter – SFD). Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации.

Формат кадра включает поля физических адресов узла назначения (DA – Destination Address) и узла источника (SA – Source Address). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС-адресов. МАС-адреса содержат 48 двоичных разрядов и отображаются в шестнадцатеричной системе одной из следующих форм: 00-19-D1-93-7E-BC, 00:19:D1:93:7E:BC, 0019.D193.7EBC. МАС-адреса являются “плоскими” не иерархическими.

В локальных сетях адресация сообщений производится на основе МАС-адресов, которые “прошиты” в ПЗУ сетевых карт конечных узлов и на интерфейсах сетевых элементов. При запуске компьютера МАС-адрес из ПЗУ копируется в оперативную память ОЗУ. В современной аппаратуре программаторы позволяют изменять МАС-адреса, что снижает эффективность фильтрации трафика на основе МАС-адресов, т.е. снижает информационную безопасность.

Адрес, состоящий из всех единиц FF-FF-FF-FF-FF-FF, является широковещательным адресом (broadcast), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.

Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты. Старшие 24 разряда физического МАС-адреса, называемые уникальным идентификатором организации (OUI), присваиваются производителю оборудования институтом IEEE. Израсходовав все 10_{24}плоским (не иерархическим).

:/>  Как настроить чувствительность мыши: на Windows 10 и 7

Поле L (
рис.
5.3) определяет длину поля данных Data, которое может быть от 46 до 1500 байт. Если поле данных меньше 46 байт, то оно дополняется до 46 байт.

В настоящее время часто используется формат кадра стандарта Ethernet-II, в котором вместо поля L задается поле типа Т, где указан протокол сетевого уровня. Например, при использовании на сетевом уровне протокола IPv4 шестнадцатеричное значение поля Т будет 0?0800.

Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре, за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода CRC.

Таким образом, минимальный размер кадра с учетом адресного поля (12 байт), поля L/T (2 байта) и поля контрольной суммы FCS (4 байта) составляет 64 байта, а максимальный размер – 1518 байт. С учетом преамбулы минимальный размер кадра – 72 байта.

При использовании широко известных технологий виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Network – VLAN) в формате кадра необходимо задать изменения, определяемые протоколом 802.1Q: идентификатор VLAN (12 бит), индикатор формата (1 бит)

, приоритет (3 бита) и идентификатор протокола (2 байта), итого 4 дополнительных байта. Поэтому максимальный размер кадра, определяемый стандартом IEEE 802.3ac, составляет 1522 байта. Дополнительные 4 байта заголовка вставляются между полем адреса источника и полем L/T (
рис.
5.4).

Когда сетевое устройство принимает кадр, размер которого меньше минимального или больше максимального, то устройство отбрасывает такой кадр, поскольку считает, что кадр искажен в результате коллизии или воздействия помех.

Формат кадра wi-fi6

Каждый кадр начинается с преамбулы, которая состоит из двух частей:

  • Стандартной части, используемой для обеспечения обратной совместимости с предыдущими стандартами. Для синхронизации приемника и его настройки на принимаемый сигнал в кадре содержатся поля с символами обучающих последовательностей (LSTF и LLTF), а поле LSIG необходимо для вычисления длительности кадра.
  • Преамбулы 802.11ax, декодируется только станциями Wi-Fi 6. Новая преамбула содержит обязательное поле HE-SIG-A, опциональное поле HE-SIG-B, а также специальные обучающие последовательности для настройки MIMO.

OFDMA позволяет нарезать полосу 20, 40, 80 и 160 МГц на дополнительные более мелкие подканалы с предопределенным количеством поднесущих.
Наименьший выделенный подканал в стандарте 802.11ax составляет 26 поднесущих (2 МГц). В канале 20 МГц имеется 9 доступных подканалов с 26 поднесущими, что позволяет использовать на прием и передачу до 9-ти различных кадров.

Слева – 4 пользователя в канале с использованием OFDM. Справа мультиплексирование различных пользователей в одном канале с использованием OFDMA.

Есть и другие преимущества. Количество защитных и нулевых поднесущих по каналу может быть уменьшено как процент от количества используемых поднесущих, что снова увеличивает эффективную скорость передачи данных в данном канале.

Важно знать! Приведенные выше цифры показывают увеличение используемых поднесущих на ~ 10% по сравнению со стандартом 802.11ac после учета коэффициента 4x.

Более длинный символ OFDM позволяет увеличить длину циклического префикса, не жертвуя спектральной эффективностью, что, в свою очередь, обеспечивает повышенную устойчивость к разбросам с большой задержкой, особенно в условиях вне помещения.

Уменьшая циклический префикс до минимального символьного времени, мы увеличиваем спектральную эффективность и устойчивость к условиям многолучевого распространения сигнала. Так же снижается чувствительность к джиттеру в передающем канале в многопользовательском режиме.

Есть, конечно, и некоторые побочные эффекты. Точность частоты, необходимая для успешной демодуляции более близко расположенных поднесущих, является более строгой. Кроме того, быстрое преобразование Фурье (БПФ) требует немного более сложной схемотехники и вычислительной мощности.

Формат кадра беспроводной локальной сети

В технологиях беспроводных сетей стандарта 802.11, называемых также Wi-Fi (Wireless Fidelity),используется формат кадра, изображенный на
рис.
5.6.

Также как в сетях Ethernet в сетях Wi-Fi на уровне управления логическим каналом LLC используется протокол 802.2. В формате кадра используются МАС-адрес назначения DA и МАС-адрес источника SA по 48 двоичных разряда. Концевик кадра содержит контрольную сумму FCS для проверки принятого кадра на наличие ошибок.

Обмен сообщениями в сетях Wi-Fi обычно производится через промежуточные устройства (беспроводные точки доступа). Поэтому в формате кадра 802.11 дополнительно предусмотрены:

Поле управления кадром содержит информацию о версии протокола, типе кадра (контроль, управление, данные), о наличии дополнительных фрагментов кадров, о шифровании данных, и другую информацию.

Поле Длительность/Идентификатор используется по-разному, в зависимости от типа кадра. В этом поле указывается либо время, требуемое для передачи кадра, либо идентификатор станции, передавшей кадр.

Поле управления последовательностью размером в 2 байта состоит из двух частей: первые 4 бита задают номер фрагмента кадра; оставшиеся 12 бит задают номер последовательности, который был присвоен кадру.

В кадрах могут передаваться данные (пакет IP) или служебная информация, размещаемые в поле основного текста кадра (Frame Body).

Эволюция развития wi-fi стандартов

802.11n (2008)802.11ac (2022)802.11ax (2022)Цели проекта 802.11ax (Wi-Fi 6)
Поддержка 2.4 и 5 ГГцТолько 5 ГГцПоддержка 2.4 и 5 ГГцУлучшить взаимодействие устройств на 2.4 и 5 ГГц
Ширина каналов (40 МГц)Более широкий канал (80 и 160 МГц)Канал (80 и 160 МГц), OFDMA на прием и передачу, Опция только 20 МГц для Интернета ВещейШире канал – больше возможностей.
Модуляция (64-QAM)Улучшенная модуляция (256-QAM)Улучшенная модуляция (1024-QAM)Увеличить среднюю пропускную способность станции как минимум в 4 раза в средах с большой плотностью клиентских устройств
Дополнительные потоки (до 4)Дополнительные потоки (до 8)8 потоков, понятие “ресурсной единицы”Применение: беспроводные корпоративные офисы, уличные Хот-споты, гостиницы, стадионы, концертные залы
Формирование луча (явное и универсальное)Формирование луча (явное), MU-MIMO в нисходящем потокеФормирование луча (явное), перераспределение пространственных потоков, MU-MIMO в нисходящем и восходящем потокеУлучшенное энергосбережение на клиентских устройствах
Обратная совместимость 11a/b/gОбратная совместимость 11a/b/g/nОбратная совместимость 11a/b/g/n/acРабота внутри помещений и снаружи

16 сентября 2022 года Wi-Fi Alliance объявил об официальном запуске сертифицированной программы Wi-Fi Certified 6, которая обещает более высокую скорость беспроводного соединения, меньшую задержку, увеличенное время автономной работы и меньшую загрузку сети.

Краткие итоги лекции 5

  1. Канальный уровень (DataLink) обеспечивает обмен данными через общую локальную среду. Он разделен на два подуровня (LLC и МАС).
  2. Подуровень LLC реализуется программными средствами и обеспечивает связь с протоколами сетевого уровня.
  3. Формат кадра протокола LLC является общим для всех технологий канального уровня.
  4. Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей.
  5. Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня, которые определяют скорость передачи, вид среды.
  6. Формат кадра Ethernet содержит следующие поля: преамбула, поля адресов источника и устройства назначения, поле длины данных или поле типа протокола вышележащего уровня, поле данных от 46 до 1500 байт, поле контрольной суммы.
  7. На МАС подуровне сетей используются технологии: Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet, 10 GigabitEthernet и 40 GigabitEthernet.
  8. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов, содержащих 48 двоичных разрядов. МАС-адреса представлены в шестнадцатеричной системе.
  9. При передаче по сети IP-адреса источника и назначения остаются неизменными на всем пути следования пакета. МАС-адреса изменяются в каждом маршрутизаторе.
  10. Протокол ARPпри запросе может по IP-адресу определить МАС-адрес устройства. Если адресат находится в удаленной сети, то протокол ARP выдает адрес шлюза по умолчанию.
  11. В больших сетях широковещательные запросы ARP могут снижать пропускную способность соединений. Перехват ARP-запросов хакерами снижает информационную безопасность.
  12. В сетях технологии Ethernet, построенных на основе логической топологии “общая шина”, разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей. При этом реализуется метод множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD).
  13. Для предотвращения коллизий современные локальные сети строятся на базе коммутаторов, которые делят сеть на сегменты коллизий.
  14. Продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице коммутации.
  15. Различные режимы коммутации позволяют изменять производительность коммутатора и надежность передачи данных.
  16. У коммутаторов уровня 3 существует три основных типа интерфейсов: виртуальный интерфейс, маршрутизируемый порт, логический интерфейс Ether Chanel.
  17. Маршрутизируемый порт может функционировать с протоколами третьего уровня и не поддерживает протоколы уровня 2.
  18. Протоколы для предотвращения петель в коммутируемых сетях (STP, RSTP) используются в сетях с избыточными путями.

Оставьте комментарий

Adblock
detector