Wykład 5

Ethernet

IEEE 802.3 Ethernet

Ethernet • Wprowadzony na rynek pod koniec lat 70-tych • Dzięki swojej prostocie i wydajności dominuje obecnie w sieciach lokalnych LAN • Coraz silniejszy udział w sieciach metropolitalnych MAN • Ethernet to specyfikacja opisująca metodę łączenia komputerów i wykorzystywania wspólnego okablowania do transmisji danych

Ethernet • Ethernet odnosi się nie do jednej, lecz do wielu technologii sieci lokalnych LAN, z których wyróżnić należy cztery podstawowe kategorie: – – – – – –

Ethernet 10 Mb/s Ethernet 100 Mb/s Ethernet 1 Gb/s Ethernet 10 Gb/s Ethernet 40 Gb/s (*) Ethernet 100 Gb/s (*)

Ethernet interface • Physical layer (10Mbps,100Mbps, 1Gpbs): – 10 Mbps, 100 Mbps, and 1 Gbps Ethernet technologies utilize a specific type of line coding referred to as 8B/10B – Coding used for: • DC Current Elimination • Clocking

• Pysical layer (10Gbps): – 64B/66B coding used

Ethernet interface • Physical layer

Działanie sieci Ethernet 802.3

Rozgłaszanie w sieci Ethernet 802.3

Protokół dostępu do medium w sieci Ethernet (CSMA/CD) • Ethernet jest technologią współdzielonego medium • W danym czasie może odbywać się tylko jedna transmisja • Ethernet stosuje protokół CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access/Collision Detection) umożliwiający negocjowanie praw urządzeń do transmisji danych w sieci

Protokół dostępu do medium w sieci Ethernet (CSMA/CD) • CSMA/CD jest metodą dostępu, która zezwala tylko jednej stacji na transmisję danych we wspólnie użytkowanym medium. • Standard Ethernet korzystający z metody CSMA/CD, bierze pod uwagę wszystkie żądania transmisji i decyduje, które urządzenia i w ja-kim czasie mogą korzystać z łącza. • Ta właściwość standardu zapewnia zadowalającą obsługę wszystkich urządzeń sieciowych.

CSMA/CD i jego ograniczenia: • czynnikiem krytycznym jest całkowita długość kabla sieciowego i opóźnienie wprowadzane w sieci • długość najkrótszych pakietów określa maksymalną odległość między dwoma węzłami sieci Ethernet

Format ramek dla Ethernet i IEEE 802.3

Odmiany sieci Ethernet i ich cechy charakterystyczne:

Przegląd technologii Ethernet • 10Base2 – specyfikacja Ethernet o paśmie podstawowym 10Mbps korzystająca z cienkiego kabla koncentrycznego o oporności 50Ω. Maksymalna długość do 185 m na segment • 10Base5 - specyfikacja Ethernet o paśmie podstawowym 10Mbps korzystająca z grubego kabla koncentrycznego o oporności 50Ω. Maksymalna długość do 500 m na segment • 10Base-T - specyfikacja Ethernet o paśmie podstawowym 10Mbps korzystająca z dwóch par skrętki (kategorie 3,4 lub 5). Jedna para transmituje dane, druga odbiera dane. Maksymalna długość do 100 m na segment

Przegląd technologii Ethernet 100Base-T - szerokopasmowa specyfikacja Fast Ethernet 100 Mbps korzystająca z kabla UTP. Podobnie jak 10BaseT wysyła impulsy, gdy w sieci nie ma ruchu. • 100Base-FX - wersja Fast Ethernetu wykorzystująca do transmisji danych medium optyczne • 1000Base-T – Standard Ethernetu pracujący stukrotnie szybciej niż jego pierwowzór (Gigabit Ethernet) • 1000Base-SX – jedna z odmian Gigabit Ethernetu wykorzystująca do transmisji okablowanie światłowodowe

10Base-5

10Base-2

10Base-T

10Base-T – sygnały fizyczne • W wersji 10Base-T transmisja pomiędzy węzłami jest realizowana na kablu skręconym („skrętce”) • Używane są dwie pary: nadawcza i odbiorcza • Sygnał danych i zegara jest kodowany przy pomocy kodu Manchester

100Base-T • Wersja 100Base-T jest realizowana w topologii gwiazdy • Topologia gwiazdy jest stosowana ze względu na dużo mniejszą awaryjność, niż sieć zbudowana w oparciu o kabel koncentryczny • Długość kabla od koncentratora do komputera nie powinna przekraczać 100 m. • Sieć 10Base-T działa w sprzyjających warunkach do około 150 metrów zaś 100Base-T do około 120 metrów • System okablowania używany w standardach 10Base-T i 100Base-T (pojedynczy przewód biegnący od koncentratora do stacji sieciowej) daje większą niezawodność niż w starszych systemach, gdzie poszczególne stacje były łączone w łańcuch.

100Base-T – sygnały fizyczne • W wersji 100Base-T transmisja pomiędzy węzłami jest realizowana na kablu skręconym („skrętce”) • Używane są dwie pary: nadawcza i odbiorcza • Sygnał danych i zegara jest kodowany przy pomocy kodu MLT-3, dzięki czemu jest mniejsze zapotrzebowanie na pasmo transmisyjne

100Base-T – CSMA/CD

• W Ethernecie 100Base-T wszystkie węzły podłączone są do wspólnego medium • Aby możliwa była wymiana danych stosowany jest mechanizm wielodostępu do medium • Metoda CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – polega na śledzeniu ruchu w kanale

100Base-T – CSMA/CD

• Węzeł zaczyna transmisję tylko, gdy wykryje ciszę w kanale • Podczas transmisji kontroluje, czy inny węzeł również na zaczął transmisji • Jeśli tak, przerywa nadawanie i wysyła na magistralę sygnał kolizji

Niezbędne komponenty potrzebne do zbudowania infrastruktury fizycznej sieci 100BaseT: • Fizyczne medium (Physical Medium) – służy do przesyłania sygnałów pomiędzy stacjami sieciowymi. Mogą to być: 2-parowy UTP kat. 5, STP i Type 1 dla (dla 100Base-TX), 2-żyłowy światłowód wielomodowy (dla 100Base-FX) i 4parowy UTP kategorii 3, 4 lub 5 (dla 100BaseT4); • Interfejs zależny od medium MDI – jest to mechaniczny i elektryczny interfejs między medium a urządzeniem warstwy fizycznej (PHY).

Niezbędne komponenty potrzebne do zbudowania infrastruktury fizycznej sieci 100BaseT: • Urządzenie warstwy fizycznej PHY – umożliwia pracę przy 10 Mb/s lub 100 Mb/s i jest zbudowane z układów scalonych wokół portu Ethernet lub jest to urządzenie zewnętrzne dostarczone z kablem MII (Medium Independent interface), który wtyka się do portu MII w urządzeniu 100Base-T. • Interfejs niezależny od medium MII – jest używany w zewnętrznym transceiverze. Interfejs MII ma 40-stykowe złącze i kabel o długości 0,5m

100Base-T oraz 10Base-T

• używają tej samej metody dostępu do medium, mają taki sam format i rozmiar ramki • główna różnica pomiędzy technologiami 10Base-T i 100Base- T to dopuszczalna średnica sieci. Należy pamiętać, że dla 100Base-T maksymalna średnica sieci wynosi około 205 m, a dla 10 Mb/s Ethernetu 10 razy większa.

100Base-TX – Rozmiar sieci

100Base-FX – Rozmiar sieci

Ethernet interface • Data Link Layer: – The same for 10 BASE-X, 100 BASE-X, 1000 BASE-X (GigE) or 10GBASE-X (10 GigE) – This layer is referred to as the Media Access Control (MAC) layer – Frame:

Ethernet interface • Data Link Layer – frame fields: – Destination and Source Address Fields: MAC addresses – Frame Type: This field contains information that determines the format of the frame – Data Field: This field contains the bulk of the frame. This is where the upper layer information is encapsulated – FCS Field: This is the frame check sequence

Ethernet interface • Network Layer: – The network layer resides within the information field of the data link layer – This layer contains individual computer addresses or Web site addresses – Usually IP protocol is used

Ethernet interface • Network Layer – IP protocol: – The overall role of IP is the routing of the packet from the source to the destination – It does not keep track of numbers of packets or lost packets throughout the network – As with the MAC layer, the IP layer contains a source address, a destination address, and an FCS

Ethernet interface • Network Layer – IP protocol:

– The total length field identifies the overall length of the information field. – The overall length of theinformation field can range from 46 bytes to 1500 bytes

Gigabit Ethernet • Gigabit Ethernet należy do rodziny standardów Ethernet 802.3 • Może pracować w trybie full duplex (przesył danych po 2 parach) lub tzw double-duplex (4 pary). • Gigabit Ethernet może wykorzystywać do transmisji danych medium optyczne jak również skrętkę kategorii 5 i wyższej

Standardy Gigabit Ethernet

Standardy 10 Gigabit Ethernet

Ethernet vs. inne technologie sieciowe

Ethernet - sprzęt

Ethernet – schemat blokowy

Interfejs MII • Interfejs MII (Media Independent Interface) jest ustadaryzowanym interfejsem służącym do podłączenia kontrolera sieci (MAC) do warstwy fizycznej (PHY) w Ethernecie 100Base-T • Dzięki pełnej standaryzacji możliwe jest podłączenie dowolnego typu medium fizycznego • Istnieją wersje MII dla praktycznie każdego typu połączenia ethernetowego (np.. AUI, GMII, RMII)

Interfejs MII – odbiór danych

Interfejs MII – nadawanie

Ethernet MAC – STE100P • Główne cechy: – Układ kontrolera sieci dostępny w ilościach detalicznych – Wsparcie dla standardów 10Base-T oraz 100Base-TX – Wsparcie dla mechanizmów autonegocjacji prędkości – Interfejs MII – Dostęp do medium poprzez CSMA/CD lub full-duplex – Wewnątrz układu zaimplementowane potrzebne kodery, skramblery i equalizery

Ethernet MAC – STE100P

STE100P - aplikacja

Interfejsy bezprzewodowe

Introduction • The popularity of wireless data transfer is increasing rapidly • Reliable wireless communication is a very difficult issue – electromagnetic environment is noisy and very crowded • Thanks to the effect of scale on the market there are available ready and cheap wireless data transfer devices

Introduction • Solutions available on the market allow for transmission rates from single bytes/sec to hundreds MB/s • Available ranges: from meters to kilometers • Available frequency ranges are limited by international and local regulations. In Europe most common ranges are: 433 MHz, 868MHz, 2.4 GHz

Source: [1]

Introduction

Source: [1]

Introduction

ZigBee vs Bluetooth • • • • • • • •

ZigBee looks like Bluetooth but is simpler ZigBee has a lower data rate ZigBee spends most of the time snoozing The operational range of ZigBee is 10-75m (10m for Bluetooth, ClassII) ZigBee is slower than Bluetooth (250kbps vs 1Mb) ZigBee uses simpler protocol Upto 254 nodes possible (8 nodes in BT) Rapid wake up of ZigBee nodes (15ms, 3s in BT)

ZigBee IEEE 802.15.4

ZigBee – general characteristic • Dual PHY (2.4GHz and 868/915 MHz) • Data rates of 250 kbps (@2.4 GHz), 40 kbps (@ 915 MHz), and 20 kbps (@868 MHz) • Optimized for low duty-cycle applications (