¿Cómo se envían las tramas Ethernet?
1 Clasificación de Ethernet
La característica de Ethernet es que múltiples terminales de datos comparten el bus de transmisión. Ethernet se puede dividir en Ethernet de 10 Mbit/s, Ethernet de 100 Mbit/s, Ethernet de 1000 Mbit/s y Ethernet de 10 Gbit/s según su velocidad de transmisión de bus. Ethernet se puede dividir en Ethernet de cable coaxial, Ethernet de par trenzado y Ethernet de fibra óptica (multimodo, monomodo) según su medio de transmisión de bus.
2 Protocolo de detección de colisiones/acceso múltiple con detección de operador (CSMA/CD)
* * *La idea central de Happy Ethernet es que varios hosts* * * comparten un sistema común* * *Canal de transmisión. La división de tiempo, la división de frecuencia o la división de código se utilizan en las comunicaciones telefónicas para que múltiples terminales de usuario puedan compartir un canal de transmisión común. Sin embargo, en la comunicación de datos, los datos están en ráfagas. Si se ocupa un intervalo de tiempo, banda de frecuencia o canal fijo para la comunicación de datos, se producirá un desperdicio de recursos.
Si varios hosts * * * comparten un canal de transmisión común (bus) sin tomar ninguna medida, inevitablemente se producirán colisiones y conflictos. El protocolo CSMA/CD fue desarrollado para resolver el problema de múltiples hosts compitiendo por un canal de transmisión común.
(1) Acceso múltiple con detección de operador (CSMA)
Cada trama Ethernet (trama MAC) tiene un host y la dirección física del host (dirección MAC). Cuando un host de la red quiere enviar una trama MAC, primero debe escuchar el canal. Si el canal está inactivo, se enviará; si se encuentra una portadora (señal de banda base) en el canal, no se enviará. Se enviará inmediatamente cuando el canal esté inactivo o se retrase durante un período de tiempo aleatorio. reduciendo en gran medida el número de colisiones.
(2) Detección de colisiones (CD)
Para la detección de conflictos, en términos generales, cuando la oscilación de la señal en el bus excede el valor normal, se considera que ha ocurrido un conflicto. Este método de detección es propenso a errores porque la señal se atenúa a medida que se propaga por el cable. Cuando dos hosts están muy separados, la señal del otro host ya es muy débil cuando llega. Cuando se superpone con la señal del host local, no puede alcanzar la amplitud de detección de conflicto y se producirá un error. ¿Para esto, IEEE 802? La longitud del cable está limitada en el estándar. El método de detección de conflictos ampliamente utilizado actualmente es que el extremo emisor del host envía datos al cable, el extremo receptor del host recibe los datos y luego los compara con los datos enviados para determinar si son consistentes. Si son consistentes, no habrá conflicto; si son inconsistentes, hay conflicto.
Formato de trama de 3 MAC
Cada trama comienza con un preámbulo de 7 bytes. El preámbulo es un código alterno de "1010" y se utiliza para sincronizar el reloj del receptor del host de destino y el reloj del transmisor del host de origen. A esto le sigue el byte delimitador de inicio de trama "10101011" para indicar el inicio de la trama.
La trama incluye dos direcciones: la dirección de destino y la dirección de origen. Si el bit más alto de la dirección de destino es "0", significa una dirección normal; si es "1", significa una dirección de grupo; El siguiente bit más alto de la dirección se utiliza para distinguir si es una dirección local o global. Las direcciones locales las asigna el administrador de la red local. Sin esta red local, la dirección no tiene significado. El IEEE asigna uniformemente las direcciones globales para garantizar que no haya dos hosts en el mundo que tengan la misma dirección global. Se permiten aproximadamente 7×1013 direcciones globales. Las direcciones globales se pueden utilizar para el direccionamiento de tramas MAC globales.
La longitud del campo de datos indica cuántos bytes de datos existen en el campo de datos y su valor es 0 ~ 1 500. Una longitud de campo de datos de "0" es legal, pero las tramas demasiado cortas pueden causar problemas durante la transmisión. Una razón es que cuando el host detecta un conflicto, deja de enviar. En este punto, se han enviado algunos datos al cable, pero el host de destino no puede distinguir fácilmente si se trata de una trama correcta o una trama basura. Por esta razón, el IEEE estipula que la longitud correcta debe ser superior a 64 bytes, y si es inferior a 64 bytes, se debe rellenar con campos de relleno hasta la longitud mínima de la trama.
4 Interconexión Ethernet
Según el modelo OSI de 7 capas, Ethernet se puede interconectar en las 3 capas inferiores y en las 3 capas superiores.
Los equipos de elementos de red que realizan la interconexión incluyen repetidores, concentradores, puentes, enrutadores, conmutadores y puertas de enlace.
4.1 Repetidor
El repetidor funciona en la capa física del modelo OSI capa 7. Debido a que la señal de pulso digital producirá atenuación y distorsión de la forma de onda después de transmitirse a una cierta distancia, provocará errores de bits en el extremo receptor. La función de un repetidor es regenerar (amplificar y dar forma) a las señales de datos transmitidas a través de la red y ampliar el alcance de la red de área local.
El repetidor funciona en la capa física y es completamente transparente a protocolos de alto nivel. Dos redes conectadas a través de un repetidor equivalen a una red en la capa de enlace. Los repetidores sólo amplían la distancia pero no pueden proporcionar aislamiento ni ampliar el ancho de banda efectivo.
4.2 Hub
Un hub es como un repetidor multipuerto en estructura en estrella, cada puerto tiene la capacidad de enviar y recibir datos. Cuando un puerto recibe datos de un host conectado a ese puerto, reenvía los datos a otros puertos. Cada puerto regenera, da forma y reprograma los datos antes de reenviarlos.
Los concentradores se pueden conectar en serie para formar una estructura en estrella de varios niveles, pero los dos hosts que están más alejados están limitados por el retardo máximo de transmisión y solo se pueden conectar en serie durante unos pocos niveles. Cuando hay demasiados hosts conectados, la carga del bus es pesada y se producirán conflictos con frecuencia, lo que dará como resultado una menor utilización de la red.
Los concentradores, al igual que los repetidores, funcionan en la capa física del modelo OSI de 7 capas y no pueden proporcionar aislamiento. Son equivalentes a repetidores multipuerto.
4.3 Puente
El puente funciona en la capa de enlace (capa MAC) del modelo OSI de 7 capas. Cuando una trama Ethernet pasa a través de un puente, el puente verifica las direcciones MAC de origen y destino de la trama. Si las dos direcciones pertenecen a redes diferentes, el puente reenviará la trama MAC a la otra red y viceversa. Por tanto, el puente tiene la función de filtrar y reenviar tramas MAC, lo que puede aislar la red. Para una * * * red compartida, el aislamiento entre redes significa aumentar el ancho de banda efectivo de la red.
La forma más simple de puente es un puente de doble puerto que conecta dos LAN. Cuando se interconectan varias LAN, para no reducir el ancho de banda efectivo de la red, se puede utilizar un puente multipuerto o un conmutador Ethernet. Sin embargo, el uso de estos dispositivos que funcionan en la capa de enlace tiene las siguientes desventajas:
(1) Un puente multipuerto o un conmutador Ethernet solo tiene una tabla de enrutamiento simple. Cuando un puerto recibe un paquete de datos, si el dispositivo no puede encontrar el puerto de salida correspondiente según la dirección de destino, transmitirá el paquete de datos a todos los puertos, lo que fácilmente puede provocar una tormenta de transmisión en una red grande.
(2) Los puentes de red multipuerto o conmutadores Ethernet no tienen funciones de conversión de protocolo de capa de enlace y no pueden realizar la interconexión de red entre Ethernet y diferentes protocolos como X.25, FR, N-ISDN y ATM. .
4.4 Enrutador
El enrutador tiene una tabla de enrutamiento grande y compleja, que puede mantenerse en el tiempo de acuerdo con los cambios en la topología y la carga de la red. Cuando el enrutador no puede encontrar el puerto de salida correspondiente al paquete de datos de entrada en un puerto determinado, eliminará el paquete de datos. Debido a que el enrutador elimina el mecanismo de transmisión, se pueden suprimir las tormentas de transmisión.
4.5 Gateway
El gateway funciona en las tres capas superiores del modelo OSI de 7 capas, es decir, la capa de conversación, la capa de presentación y la capa de aplicación. La puerta de enlace se utiliza para interconectar dos redes completamente diferentes y se caracteriza por su función de conversión de protocolos de alto nivel. La aplicación más típica de puerta de enlace es la puerta de enlace de telefonía IP. La puerta de enlace de telefonía IP multiplexará por división de tiempo la voz codificada a 64 kbit/s y ¿no? La señalización del canal 7*** se convierte en paquetes IP y se envía a Internet para su transmisión, de modo que se pueden interconectar dos redes completamente diferentes, PSTN e Internet.
5 Switches Ethernet
Principios básicos de los 5.1 Switches Ethernet
Para mejorar la eficiencia de las redes a gran escala, es necesario segmentar la red en el capa de enlace, para mejorar el ancho de banda efectivo de la red. Para redes pequeñas, se pueden usar puentes de red para segmentar la red; para redes a gran escala, los conmutadores Ethernet a menudo se usan para segmentar la red, es decir, una red Ethernet exclusiva * * * se divide en varios segmentos de red mediante conmutadores Ethernet. La red segmentada se llama Ethernet conmutada. En Ethernet conmutada, los hosts que trabajan en cada segmento de red todavía usan el mecanismo CSMA/CD, mientras que los conmutadores que conectan cada segmento de red usan el mecanismo de enrutamiento.
Si una * * * red Ethernet exclusiva tiene m ancho de banda y * * n hosts, entonces el ancho de banda promedio de cada host es m/n. Si se introduce un conmutador Ethernet de 8 puertos en la red y la red se divide en 8 segmentos. Entonces, el ancho de banda de cada segmento sigue siendo m y el ancho de banda total se amplía a 8 M.
Actualmente, las redes Ethernet grandes y medianas han introducido el modo de trabajo en cascada multiconmutador. Generalmente, un conmutador a nivel de usuario puede conectar un puerto a un host, de modo que el host pueda disfrutar de todo el ancho de banda del puerto de conexión sin competir por los recursos de la red.
Después de introducir conmutadores en Ethernet para segmentar la red, ¿se puede ampliar infinitamente la capacidad de la red? La respuesta es no. Dado que el direccionamiento de tramas MAC en conmutadores Ethernet utiliza el modo de transmisión, es fácil provocar tormentas de transmisión cuando la red es demasiado grande. Esto requiere que el enrutador segmente la red en la capa de red. Los enrutadores dividen una red informática en varias subredes, reduciendo así el dominio de transmisión de su red Ethernet subyacente y suprimiendo las tormentas de transmisión.
5.2 Modo de enrutamiento del conmutador Ethernet
Cuando un puerto en el conmutador recibe una trama MAC, la primera tarea del conmutador es encontrar el puerto de salida en función de la dirección de destino del Marco MAC y luego reenvíe el marco MAC al puerto de salida.
Por lo general, hay una tabla de enrutamiento en el conmutador Ethernet, que selecciona el puerto de salida para cada trama MAC en función de la dirección de destino de la trama MAC recibida.
(1) Ruta fija
Ruta fija significa que el switch tiene una tabla de enrutamiento configurada manualmente que indica cada puerto y su correspondiente dirección de destino. Aunque el enrutamiento fijo es un método de enrutamiento, si la escala de la red es demasiado grande, configurar la tabla de enrutamiento se convertirá en una tarea muy ardua. Además, la red donde se encuentra el conmutador a menudo cambia la configuración de la red o agrega o elimina hosts, lo que dificulta que los administradores de red actualicen la tabla de enrutamiento a tiempo para adaptarse a los cambios de topología.
(2) Enrutamiento de autoaprendizaje
En aplicaciones prácticas, los métodos de autoaprendizaje generalmente se utilizan para establecer tablas de enrutamiento dinámico para adaptarse automáticamente a los cambios en la topología de la red. La tabla de enrutamiento dinámico se puede obtener estableciendo manualmente la tabla de enrutamiento y modificándola continuamente a través del proceso de autoaprendizaje.
El llamado autoaprendizaje consiste en establecer o actualizar la tabla de enrutamiento en función de la dirección de origen de la trama MAC que llega a cada puerto. Supongamos que el conmutador recibe una trama MAC desde el puerto X y verifica que la dirección de origen de la trama MAC sea la dirección A, lo que significa que todas las tramas MAC cuya dirección de destino sea la dirección A deben reenviarse a través del puerto X. Después de recibir una trama MAC con la dirección de origen A desde el puerto X, la sección de control del conmutador verifica la tabla de enrutamiento. Si no hay una dirección A en la entrada de la dirección de destino en la tabla de enrutamiento, agregue el contenido de la dirección A a la entrada de la dirección de destino correspondiente al puerto X si una dirección de destino en la tabla de enrutamiento es la dirección A, pero su puerto correspondiente sí lo es; el puerto Y, debe modificar la tabla de enrutamiento.
Como se puede ver en lo anterior, los conmutadores Ethernet utilizan tramas de transmisión y métodos de autoaprendizaje para establecer tablas de enrutamiento. Una vez configurada la tabla de enrutamiento, las tramas Ethernet posteriores se enrutarán según la dirección MAC de destino (sin etiquetar) y la tabla de enrutamiento, formando así un circuito virtual desde el host de origen al host de destino.