Ethernet на хлопський розум

I’m a web crawling spider; you an Internet mosquito;
You thought the 7-layer model referred to a burrito.
You’re a dialup connection; I’m a gigabit LAN.
I last a mythical man-month; you a one-minute man.

Monzy – “kill -9“

Іноді аби щось зрозуміти, іноді мало читати, треба писати. Сьогодні ми розберемось чим комутатор та міст відрізняються від концентратора. 🙂 Я хотів добре розібратись як працює маршрутизатор, але це ще рівнем вище, і ця вся справа затягнулась.

Рівні мережевої моделі

Почнемо з рівнів. Комп’ютерні мережі такі складні, що зрозуміти їх цілком дуже важко, тому вирішили розділити їх на рівні абстракції. Цих рівнів можна нарахувати від п’яти до семи, але ми почнемо з перших двох.

Перший рівень – фізичний. На цьому ми домовляємось скільки вольт – це нуль, а скільки – одиничка, чи може це взагалі буде лазер в оптоволокні, або радіохвиля. Використовувати частотну, чи амплітудну модуляцію? Це все фізичні аспекти. Також цей рівень за допомогою різноманітних кодувань, вирішує як довго триває одиничка або нуль, і як відрізнити послідовність 11111 від послідовності 111111?

Таким чином, якщо ми обрали середовище фізичного рівня – виту пару, радіо, чи оптоволокно, ми знаємо що якщо ми передамо 01, то хтось прийме 01 і саме в такому порядку.

Далі йде другий рівень – канальний. Так як і в спілкуванні людей, треба серед всіляких звуків середовища розрізняти слова, особливо сказані до тебе, так і тут, треба серед усіх нулів і одиничок треба виділити окремі повідомлення, і визначити хто з ким говорить. Для цього домовляються про послідовності біт на зразок “Dixi” (я все сказав), “Шо?” (здається лінія зашумлена, повторіть передачу). І “так я сказав те що ви почули” (контрольна сума).

А також визначають хто коли говорить. Тому що до одного каналу (проводу чи ефіру) зазвичай під’єднано два і більше комп’ютерів, і коли вони передають дані одночасно, то ніхто нікого не чує.

Контроль доступу до середовища

Визначенням того хто коли говорить займається підрівень (який взагалі то другий, але його чомусь виділяють) Media access control (контроль доступу до середовища, MAC), і є різні способи:

• Наприклад передавати по колу токен (мікрофон), і давати право говорити лише тому, в кого токен. Після чого він має передати токен наступному вузлу мережі, і так далі по колу. Така схема називається Token ring.
• Переважно люди які знаходяться в одній кімнаті спочатку слухають, і якщо ніхто не говорить – починають говорити. Якщо сигнал передано успішно – добре, а якщо хтось почав говорити одночасно з нами (сигнал поширюється середовищем певний час) – доведеться почекати випадковий час і спробувати ще раз.

  Такий протокол називається Carrier sense multiple access (CSMA), 1-persistent. Перекладається як множинний доступ з відчуттям носія і зухвальством-1. Відчуття носія означає що ми слухаємо провід. Зухвальство 1 означає що ми ліземо вставити свої 5 копійок, як тільки випаде нагода. Це не оптимально щодо кількості колізій. Протокол зі зухвальством 0.5 з ймовірністю 50% замість того щоб передавати, вирішує почекати і послухати ще один такт. Тому що коли на лінії одна машина передає, і своєї черги чекають 10, то з зухвальством буде дуже важко добитись наступної передачі без колізій.

  В Ethernet (найпопулярніший протокол для побудови мережі) використовується CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, тобто те саме що я описав, тільки вони вміють виявляти колізію за формою сигналу, ще до того як передасться ввесь кадр з контрольною сумою.

Ethernet

Тепе поговоримо детальніше про стандарти першого і другого рівня – Ethernet. Ehternet – це назва стандарту IEEE 802.3, і частка Ether – (етер), там на честь ефіру (якого насправді не існує, лише вакуум).

Але Ethernet існує і його створили в 1976 Роберт Меткальф та Девід Боґґс в дослідницькому центрі Xerox. (Ця компанія так багато винайшла! Шкода що їх знають лише за копіювальними апаратами). Швидкість передачі була 3 Мбіт/с.

В 1978 Dell, Intel та Xerox створили стандарт DIX, який описував 10 Мбіт/с Ethernet.

В 1983-му стандарт DIX став називатись IEEE 802.3. Меткальф заснував власну компанію 3com і почав продавати Ethernet адаптери.

Ethernet має обмеження на довжину кабеля, яке можна обійти за допомогою повторювачів – пристроїв фізичного рівня, які просто посилюють сигнал. З точки зору канального рівня кабель з повторювачами не відрізняється від звичайного. Але все одно є обмеження на час передачі сигналу, після якого не можливо усунути колізії.

По кабелю Ehternet сигнал передається в манчестерському коді. Інформація формується в кадри, формат яких описано на вікіпедії.

Для роботи колізій використовували CSMA/CD зухвалості 1. Станція слухає канал і якщо чує тишу – передає. Якщо сталась колізія чекає випадкову кількість інтервалів. Інтервал = 2t, де t – час протягом якого сигнал поширюється від одного кінця кабелю до іншого. Якщо кількість колізій 10 – очікують від 0 до 1023 інтервалів. Якщо i > 16 – повертають помилку.

Комутований Ethernet

З часом користувачі Ehternet виявили що приєднання купи комп’ютерів до одного кабеля має недолік, що обрив кабеля псує роботу всієї мережі. І придумали концентратор (хаб). Концентратор відрізняється від повторювача тим, що має більше ніж два порти, а так принцип той самий – сигнал який входить на один порт, виходить на всіх інших підсиленим до потрібного рівня. З точки зору канального рівня мережа з концентратором виглядає як один кабель, всі комп’ютери під’єднані до концентратора містяться в одному просторі колізій, а тому чим більше комп’ютерів в мережі, тим повільніше вона працюватиме.

І нарешті, Ethernet запозичив в телефонних мереж ідею комутації, та з’явився свіч (мережевий комутатор). На відміну від концентратора, свіч посилає кадр лише тій станції, якій він призначений. А також, на відміну від хаба, в свічі кожна станція потрапляє у свій простір колізій, тому їх кількість зменшується до одиниці. Так як кадри з різних портів можуть прямувати на один порт, свіч містить буфер і відправляє їх по черзі. Ще одна корисна властивість свіча – він запобігає підслуховуванню чужих кадрів за допомогою адаптера в promiscuous mode.

До свіча можна приєднати хаб, таким чином на одному порті свіча буде ніби кілька станцій. Свіч на це реагує просто ігноруючи кадри, які адресуються станції підключеній до того самого хаба що й станція яка відправила кадр.

Хоча сьогодні, хаби (концентратори) майже зовсім не використовуються, тому можна вважати що один кабель завжди з’єднує лише два пристрої.

Fast, Gigabit Ethernet

Після того як з’явився комутований Ethernet, швидкість мережі перестала падати за нелінійним законом при приєднанні нових комп’ютерів і люди почали звикати до швидкості 10 Мбіт/c.

В 1992-му IEEE доручив комітету 802.3 створити новий стандарт, помноживши швидкість на 10. В 1995-му вийшов стандарт 802.3u, відомий в народі як Fast Ethernet. Який дозволяв передавати дані зі швидкістю 100 Мбіт/с. Свічі звісно мусили підтримувати обидва стандарти і щоб визначити який з них можна застосовувати на порті використовували процедуру яка називається “autonegotiation”.

Далі Fast Ethernet звісно став недостатньо швидким, і його знову вирішили помножити на 10. В 1999 IEEE випустили стандарт 802.3ab, або Gigabit Ehternet, що передавав 1 Гбіт/с, як не важко було здогадатись. В ньому заборонили використовувати концентратори і дуже скоротили кабелі (максимальна довжина 25м), тому що при такій швидкості можна відправити цілу купу кадрів до того як проявляться перші ознаки того що відбувається колізія. (мінімальний розмір кадру – 64 байти.)

Але 25 метрів це дуже мало, тому щоб збільшити, до стандарту дописали що можна дописувати ще одне поле, яке розширяє кадр до 512 байт (carrier extension) і використовувати кабелі до 200м. Але передавати 512 байт, де корисні лише 64 дуже неефективно. тому також пробували склеювати кадри в пакети (frame bursting).

Також в Gigabit Ethernet є функція контролю потоку. Якщо кадри йдуть з Gigabit в класичний Ethernet, свіч може послати передавачу на Gigabit порті кадр PAUSE (кадр в якому в полі тип написано 0x8808), щоб передавач пригальмував.

А далі, в 2002, 2004 та 2006 роках з’явились стандарти 10-гігабітного Ethernet для оптоволокна, екранованого мідного кабелю і мідної витої пари. І працюють над ще швидшими! Але ми в ті деталі сьогодні не вдаватимемось.

Мости

Коли ми розглядаємо мережі, треба завжди розглядати два аспекти – фізичний і логічний. Фізичний – це те як ми прокладаємо кабелі і які пристрої ними з’єднуємо. Логічний – як кадри всередині кабелів рухаються і комутуються насправді. Ми можемо як розділити одну фізичну мережу на кілька логічних, так і з’єднати кілька фізичних в одну логічну. Мости займаються останнім.

До появи комутованого Ethernet, мережа – це був кабель, в який комп’ютери вгризались за допомогою пристрою що називався “вампірчик” (прочитайте про кабель 10BASE5). Але кабель має обмежену довжину, і йому дозволено обмежену кількість повторювачів. Так само організація може займати кілька приміщень, і помістити всі комп’ютери в одну мережу, хай навіть і за допомогою комутатора, буде накладно. В таких випадках кожне приміщення отримує фізичну мережу, які з’єднуються між собою за допомогою моста.

Міст працює в нерозбірливому режимі (promiscuous mode), тобто приймає всі кадри, не залежно від того кому він призначався. І далі вирішує що з ним робити, шукаючи потрібну інформацію в спеціальній таблиці.

При приєднанні моста до мереж, ця таблиця порожня. Як тільки на якийсь з портів приходить кадр, міст запам’ятовує в таблиці MAC-адресу відправника і номер порта, і розсилає кадр на всі порти окрім того на який кадр прийшов (як хаб).

Якщо хтось відповідає, і просить прислати кадр на MAC-адресу яка мосту вже відома, міст шле кадр лише на відому адресу.

Якщо з якоїсь MAC-адреси вже кілька хвилин не приходили кадри, міст видаляє запис з таблиці, таким чином якщо фізична конфігурація мережі змінюється, міст сам за кілька хвилин переучується.

У вас напевне виникло питання “А чим відрізняється міст і комутатор?”. А тим самим що й ноутбук та лептоп – в слові комутатор більше букв :). Просто дві різні назви з’явились історично.

Метою мостів було з’єднувати різні мережі (наприклад Token Ring і Ethernet), але виходило погано, тому переважно вони з’єднували однокабельні Ethernet мережі, або Ethernet мережі з концентраторів. А метою комутаторів було замінити концетратори, які мали обмеження на число з’єднань пов’язане з котролем доступу до середовища. Але в кінці вийшло одне й те ж.

Spanning tree protocol (STP)

Слово “міст” (bridge) використовується й досі, тому що його використовують в актуальних досі стандартах, наприклад IEEE802.1D. Це стандарт що описує те як повинні працювати мости, і зокрема, такі деталі як протокол кістякового дерева.

Ми можемо з’єднувати два мости (концентратори) більш ніж одним кабелем для збільшення надійності з’єднання. Але тоді з’являється проблема – широкомовні кадри зацикляться, бо міст отримуватиме кадр через один порт і відправлятиме на всі інші, таким чином, якщо два мости з’єднані через два порти, вони пересилатимуть цей кадр одне одному, і всім іншим приєднаним пристроям до нескінченності.

Тому, мости домовляються ігнорувати лінії які не входять в кістякове дерево. Для цього, обирається кореневий свіч (свіч з найменшим ID, яким є MAC), і знаходяться всі найкоротші (найшвидші) лінії які ведуть від кожного пристрою до кореневого свіча. Це й є кістякове дерево.

Радья Перлман що придумала цей алгоритм змогла також віршик написати:

A tree that must be sure to span
So packets can reach every LAN.
First, the root must be selected.
By ID, it is elected.
Least-cost paths from root are traced.
In the tree, these paths are placed.

Взагалі, хотів би я вміти писати вірші. Їх справді легше й веселіше запам’ятовувати. Саме за допомогою вірша я вперше зміг запрограмувати рендеринг фракталу Мандельброта.

VLAN

Окрім того що багато фізичних локальних мереж можна об’єднати в одну логічну, можна також поділити одну фізичну, на багато логічних. Причин для цього є кілька:

• Безпека (ізоляція даних)
• Зменшення навантаження при доставці широкомовних пакетів. Такі пакети часто зустрічаються, бо потрібні наприклад для роботи протоколу ARP.
• Локалізація можливого широкомовного шторму та інших неполадок.
• Працівник може перевестись з одного офісу в інший (наприклад ближче до дому), і потрапити в іншу фізичну мережу. Але йому все одно треба бути в логічній мережі свого відділу.

Всі ці проблеми намагається вирішити технологія VLAN (віртуальної локальної мережі).

Комутатор що підтримує VLAN позначає (“зафарбовує”) кожен порт, як такий що належить певній VLAN (або кільком). На схемах VLAN позначають кольором, щоб можна було одночасно відобразити фізичну і логічну топології. Якщо приходить кадр з наприклад “червоної” VLAN, і він широкомовний, або порт для MAC-адреси отримувача невідомий, то його відправляють на всі порти які належать “червоній” VLAN.

Що робити якщо порт прибуває через порт що належить кільком VLAN? Кадр може належати лише одній мережі, але якій? Для цього, IEEE погодився змінити формат кадру Ethernet і додати туди нове поле. Стандарт випущений в 1998 назвали IEEE 802.1Q.

Найважчим питанням було, а що робити з мільйонами мережевих плат які не підтримують цей формат кадру? Щоб не викидати існуюче мережеве обладнання вирішили що перший комутатор на шляху кадра, що сумісний з VLAN буде додавати в кадр ідентифікатор VLAN, а останній – забирати. Таким чином на кінцеве обладнання потрапляють кадри звичайного формату.

VLAN який присвоюють кадру визначають за тим з якого порта він прийшов, або за протоколом вищого рівня. Наприклад можна послати всі кадри що містять IP в одну мережу, а кадри з PPP – в іншу. Було б зручно також визначати VLAN за MAC-адресою (наприклад якщо ноутбук часто змінює порти), але стандарт 802.1Q такого не передбачає.

Поле ідентифікатора для VLAN займає 12 біт. Таким чином загальна кількість можливих VLAN – 4096. Цього недостатньо для хмарних сервісів які дозволяють створювати мільйони віртуальних серверів і мереж, тому для них придумали іншу технологію віртуалізації – VXLAN (Virtual eXtensible LAN). Але в ній вже самі кадри віртуальні і передаються всередині TCP-пакетів. Віртуалізується віртуальна мережа. 🙂

Вищі рівні

Мости/комутатори це пристрої другого рівня. Вони дивляться на заголовки кадрів і таким чином вирішують що з ними робити. Концентратори і повторювачі – пристрої першого рівня. Вони просто приймають і передають сигнали, не особливо задумуючись над тим що ті сигнали означають.

З’єднати мережі з різними протоколами складно, бо переклад навіть чогось формального – дуже складна задача. Це ускладнюється різним максимальним розміром порції даних дозволених для передавання (MTU), різною схемою адресації і багато чим іншим. Але крім трансляції одного протоколу в інший, є ще один спосіб.

Щоб справді з’єднати мережі різного типу (наприклад 802.11 (Wi-Fi), 802.3 (Ethernet) та MPLS (швидкісний протокол що з’єднує комутатори провайдерів)), треба використати ще один рівень абстракції. Навіть якщо на другому рівні пристрої адресуються не за допомогою MAC, вони все одно адресуються спільними адресами третього рівня (наприклад IP). На цьому рівні абстракції працює маршрутизатор (router). Він відкидає всі заголовки кадрів другого рівня, і дивиться в їх вміст. А вміст – це датаграма третього рівня, і її заголовки вона описують куди її відправити.

Існують також пристрої ще вищого рівня, які називаються шлюзами. Існують шлюзи транспортного рівня, що дозволяють перетворювати дані з одного протоколу в інший, або шлюзи прикладного рівня, що, наприклад перетворюють SMS-повідомлення в E-mail.

Джерела

Всіх посилань не даю, бо їх забагато. В основному “Комп’ютерні мережі” Танненбаума і вікіпедія.

До читачів

Cподіваюсь я не переобтяжив ваші мізки інформацією і загальні принципи ви зрозуміли. Дякую що дочитали сюди і не заснули. І пробачте що так мало картинок – мені треба оновити свою стару Xubuntu 12.04, і подивитись чи в ній працюватиме графічний планшет. Тоді сподіваюсь цей блог стане більш ілюстрованим.

Якщо маєте ще якісь питання – питайтесь, я поки це все писав, таки трохи розібрався. Деталі звісно на вікіпедії, і якщо читатимете її українською, почистіть трохи те що читатимете, бо в телекомунікаціях там такий срач, що руки за голову хапаються.