Обновлено: 05.07.2024

Понимание локальных сетей Ethernet(LAN)

Понимание, как работают локальные сети, включая фрэймовые компоненты, адресацию Ethernet, операционные характеристики – очень важно для изучения сетевых технологий. Эта лекция описывает базовые операции сети Ethernet и передачу по ней фрэймов.

Ethernet

Адреса Ethernet

Каждый компьютер, независимо от того, подключен он к сети или нет, имеет уникальный физический адрес. Не существует двух одинаковых физических адресов. Физический адрес (или МАС-адрес) зашит на плате сетевого адаптера. Таким образом, в сети именно плата сетевого адаптера подключает устройство к среде передачи данных. МАК-адреса представляются группой шестнадцатеричных чисел, сгруппированными по два или по четыре, например: 00:00:0c:43:2e:08 or 0000.0c43.2e08 Каждая плата сетевого адаптера, который работает на канальном уровне эталонной модели OSI, имеет свой уникальный МАС-адрес. В сети, когда одно устройство хочет переслать данные другому устройству, оно может установить канал связи с этим другим устройством, воспользовавшись его МАС-адресом. Отправляемые источником данные содержат МАС-адрес пункта назначения. По мере продвижения пакета в среде передачи данных сетевые адаптеры каждого из устройств в сети сравнивают МАС-адрес пункта назначения, имеющийся в пакете данных, со своим собственным физическим адресом. Если адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует этот пакет, и данные продолжают движение к следующему устройству. Если же адреса совпадают, то сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения. МАК адрес состоит из двух основных частей:

• 24-bit Уникальный Идентификатор Организации (OUI): Эта часть МАК-адреса определяет производителя устройства, присвоение OUI регулирует организация IEEE. Кроме того, в OUI содержатся несколько групп битов:
  • Широковещательный бит: Показывает, что фрэйм направлен всем оконечным устройствам сети.
  • Бит локальных изменений адреса: Обычно комбинация OUI и 24-битный адрес станции абсолютно уникальны, однако если адрес был вручную изменён, этот бит должен быть установлен.
  • Идентификатор, присвоенный организации: 22 оставшихся бита.

  Стандарты Ethernet

  Ethernet стандарты локальных сетей описывают передачу сигналов по кабелям одновременно на физическом и канальном уровнях модели OSI. IEEE делит канальный уровень модели OSI на 2 отдельных подуровня:

  • Логическое управление соединением(LLC): Переходит в сетевой уровень
  • MAC: Соединяется с физическим уровнем

  Подуровень логическим управлением соединением LLC
  IEEE выделила подуровень LLC, чтобы позволить части канального уровня функционировать независимо от существующих технологий. Этот уровень обеспечивает сервис для протоколов сетевого уровня, находящихся выше, когда происходит обмен данными между МАК-подуровнем и физическим уровнем. Подуровень LLC принимает участие в процессе инкапсуляции. Заголовок LLC говорит, при получении кадра, канальному уровню что делать с пакетом.
  МАК
  Подуровень МАК взаимодействует с физическим уровнем. Стандарт IEEE 802.3 определяет МАК-адрес как уникальный идентификатор различных устройств канального уровня. Подуровень МАК содержит также таблицу МАК-адресов(физических адресов) устройств. Каждое устройство должно иметь уникальный МАК-адрес для того, чтобы нормально функционировать в сети.

  Кадры Ethernet

  В технологии Ethernet контейнер, в который помещаются данные для оправки по сети, называется кадр(frame). Он состоит из заголовка, постинформации и непосредственно передаваемых данных.
  Структура кадра Ethernet МАК-уровня:

  Адресация кадров Ethernet

  Передача данных в сети может быть 3-х типов: одноадресная(unicast), многоадресная(multicast), широковещательная(broadcast).

  Роль CSMA/CD в Ethernet

  Чтобы использовать принцип коллективной работы со средой передачи данных, в Ethernet применяется протокол множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий(carrier sense multiple access/collision detection, CSMA/CD) , Использование протокола CSMA/CD позволяет устройствам договариваться о правах на передачу. GSMA/CD является методом доступа, который позволяет только одной станции осуществлять передачу в среде коллективного использования. Задачей стандарта Ethernet является обеспечение качественного сервиса доставки данных. Не все устройства могут осуществлять передачу на равных правах в течение всего времени, поскольку это может привести к возникновению коллизии. Однако стандартные сети Ethernet, использующие протокол CSMA/CD, учитывают все запросы на передачу и определяют, какие устройства могут передавать в данный момент и в какой последовательности смогут осуществлять передачу все остальные устройства, чтобы все они получали адекватное обслуживание. Перед отправкой данных узел "прослушивает" сеть, чтобы определить, можно ли осуществлять передачу, или сеть сейчас занята. Если в данный момент сеть никем не используется, узел осуществляет передачу. Если сеть занята, узел переходит в режим ожидания. Возникновение коллизий возможно в том случае, если два узла, "прослушивая" сеть, обнаруживают, что она свободна, и одновременно начинают передачу. В этом случае возникает коллизия, данные повреждаются и узлам необходимо повторно передать данные позже. Алгоритмы задержки определяют, когда конфликтующие узлы могут осуществлять повторную передачу. В соответствии с требованиями CSMA/CD, каждый узел, начав передачу, продолжает прослушивать" сеть на предмет обнаружения коллизий, узнавая таким образом о необходимости повторной передачи.
  Метод CSMA/CD работает следующим образом: если узел хочет осуществить передачу, он проверяет сеть на предмет того, не передает ли в данный мент другое устройство. Если сеть свободна, узел начинает процесс передачи. Пока идет передача, узел контролирует сеть, удостоверяясь, что в этот же момент времени не передает никакая другая станция. Два узла могут начать передачу почти одновременно, если обнаружат, что сеть свободна. В этом случае возникает коллизия. Когда передающий узел узнает о коллизии, он передает сигнал "Наличие коллизии", делающий конфликт достаточно долгим для того, чтобы его могли распознать все другие узлы сети. После этого все передающие узлы прекращают отправку кадров на выбираемый случайным образом отрезок времени, называемый временем задержки повторной передачи. По истечении этого периода осуществляется повторная передача. Если последующие попытки также заканчиваются неудачно, узел повторяет их до 16 раз, после чего отказывается от передачи. Время задержки для каждого узла разное. Если различие в длительности этих периодов задержки достаточно велико, то повторную передачу узлы начнут уже не одновременно. С каждой последующей коллизией время задержки удваивается, вплоть до десятой попытки, тем самым уменьшая вероятность возникновения коллизии при повторной передаче. С 10-й по 16-ю попытку узлы время задержки больше не увеличивают, поддерживая его постоянным.

  В Ethernet для одноадресной, многоадресной и широковещательной передачи используются различные MAC-адреса Уровня 2.

  Одноадресная передача

  Одноадресный MAC-адрес является уникальным адресом, используемым, когда кадр передается с одного передающего устройства на единственное устройство назначения.

  В примере, показанном на рисунке, узел с IP-адресом 192.168.1.5 (источник) запрашивает веб-страницу с сервера по IP-адресу 192.168.1.200. Для одноадресного пакета, который будет отправлен и получен, IP-адрес назначения должен быть в заголовке пакета IP. Соответствующий MAC-адрес назначения также должен присутствовать в заголовке Кадра Ethernet. IP-адрес и MAC-адрес комбинируются, чтобы доставить данные одному определенному конечному хосту.

  Широковещательная передача

  Как показано на рисунке, широковещательный IP-адрес сети нуждается в соответствующем широковещательном MAC-адресе Кадра Ethernet. В Сетях Ethernet широковещательным MAC-адресом является адрес из 48 единиц, или "FF FF FF FF FF FF" - в шестнадцатеричном виде.

  Многоадресная передача

  Вспомните, что групповые адреса позволяют исходному устройству отправлять пакет группе устройств. Устройствам, которые принадлежат группе многоадресной передачи, присваиваются IP-адрес группы многоадресной передачи. Диапазон групповых адресов от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поскольку групповые адреса представляют группу адресов (иногда называемую группой узлов), они могут использоваться только в качестве места назначения пакета. У источника всегда будет индивидуальный адрес.

  Примеры использования групповых адресов - онлайн игры, где несколько игроков удаленно подключаются к одной и той же игре, дистанционное обучение посредством видеоконференций, где несколько студентов соединяются с одним и тем же классом.

  Как в случае с индивидуальными и широковещательными адресами, многоадресный IP-адрес требует соответствующего многоадресного MAC-адреса для фактической доставки фрейма по локальной сети. Многоадресный MAC-адрес является специальным значением, которое начинается с 01-00-5E в шестнадцатеричной записи. Значение заканчивается путем преобразования младших 23 битов группового адреса многоадресного IP-пакета в оставшиеся 6 шестнадцатеричных символов Ethernet-адреса. Остающийся бит в MAC-адресе всегда "0".

  Примером, как показано на рисунке, является шестнадцатеричный адрес 01-00-5E-00-00-01. Каждый шестнадцатеричный символ составляет 4 бита.

  Помимо классов, IP-адреса делятся на категории, предназначенные для одноадресных, широковещательных или многоадресных рассылок.

  С помощью IP-адресов узлы могут обмениваться данными в режиме "один к одному" (одноадресная рассылка), "один ко многим" (многоадресная рассылка) или "один ко всем" (широковещательная рассылка).

  Адрес одноадресной рассылки чаще всего встречается в сети IP.

  Пакет с одноадресным назначением предназначен конкретному узлу.

  Пример: узел с IP-адресом 192.168.1.5 (источник) запрашивает веб-страницу с сервера с IP-адресом 192.168.1.200 (адресат).

  Для отправки и приема одноадресного пакета в заголовке IP-пакета должен указываться IP-адрес назначения. Кроме того, в заголовке кадра Ethernet должен быть MAC-адрес назначения. IP-адрес и MAC-адрес - это данные для доставки пакета одному узлу.

  Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

  
  

  
  

  К какой сети принадлежит узел с IP-адресом 172.32.65.13 и маской подсети, используемой по умолчанию?

  Данная тема содержит информацию из следующих областей:

  CCNA Discovery: Сети для домашних пользователей и малых предприятий

  Какие из перечисленных ниже адресов являются частными IP-адресами? (Выберите три варианта.)

  Данная тема содержит информацию из следующих областей:

  CCNA Discovery: Сети для домашних пользователей и малых предприятий

  Какой IP-адрес назначения используется в одноадресном пакете?

  сетевой адрес широковещательной рассылки

  Данная тема содержит информацию из следующих областей:

  CCNA Discovery: Сети для домашних пользователей и малых предприятий

  1. 5.2.3 Адреса одноадресных, широковещательных и многоадресных рассылок

  Укажите MAC-адрес назначения в многоадресном кадре Ethernet.

  MAC-адрес передающего узла

  MAC-адрес узла назначения

  адрес, начинающийся с 01-00-5E в шестнадцатеричном формате

  Данная тема содержит информацию из следующих областей:

  CCNA Discovery: Сети для домашних пользователей и малых предприятий

  1. 5.2.3 Адреса одноадресных, широковещательных и многоадресных рассылок

  MAC-адрес и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию

  IP-адрес и маска подсети основного шлюза

  MAC-адрес и IP-адрес, соответствующие группе назначения

  MAC-адрес и IP-адрес, соответствующие заданному узлу назначения

  Данная тема содержит информацию из следующих областей:

  CCNA Discovery: Сети для домашних пользователей и малых предприятий

  1. 5.2.3 Адреса одноадресных, широковещательных и многоадресных рассылок

  MAC-адрес источника - 48 единиц (FF-FF-FF-FF-FF-FF).

  IP-адрес назначения 255.255.255.255.

  Данная тема содержит информацию из следующих областей:

  CCNA Discovery: Сети для домашних пользователей и малых предприятий

  Посмотрите на изображение. Узел запрашивает IP-настройки у интегрированного маршрутизатора Linksys, настроенного на предоставление услуг DHCP. Какой еще, кроме IP-адреса узла, предоставляется дополнительный IP-адрес, дающий узлу доступ к ISP и к Интернету?

  IP-адрес узла назначения

  публичный IP-адрес шлюза поставщика услуг Интернета

  внешний IP-адрес интегрированного маршрутизатора, подключенного к поставщику услуг Интернета

  внутренний IP-адрес интегрированного маршрутизатора, подключенного к локальной сети

  Данная тема содержит информацию из следующих областей:

  CCNA Discovery: Сети для домашних пользователей и малых предприятий

  Посмотрите на изображение. NAT и DHCP установлены в интегрированном маршрутизаторе Linksys. Какой IP-адрес, вероятней всего, присвоен локальному компьютеру (узел Host1)?

  1. Введение в Unicast, Multicast и Broadcast

  
  

  • Прежде всего, сетевая карта проверяет кадр, передаваемый каналом, чтобы определить, принимать ли кадр, и, если он получен, передает его драйверу устройства. Обычно сетевая карта принимает только кадры, адрес назначения которых является физическим адресом или широковещательным адресом сетевой карты. Кроме того, большинство интерфейсов настроены на смешанный режим, в этом режиме можно получать копии каждого кадра.
    
    • Для Ethernet, когда младший бит старшего байта в адресе установлен в 1, это указывает, что адрес является многоадресным адресом, который может быть выражен в шестнадцатеричном виде как 01: 00: 00: 00: 00: 00 (широковещательный адрес Ethernet) ff: ff: ff: ff: ff: ff можно рассматривать как особый случай многоадресных адресов Ethernet).
    • Если сетевая карта получает кадр, кадр будет передан драйверу устройства (если контрольная сумма кадра неверна, сетевая карта сбросит кадр).

    1.1 Одноадресная передача

    Одноадресная передача означает, что данные передаются на конкретный хост. Например, отправка пакетов данных IP на определенный хост. В настоящее время заголовок данных, предоставляемый канальным уровнем, является очень конкретным адресом назначения. Для Ethernet это MAC-адрес сетевой карты (а не адрес, такой как FF-FF-FF-FF-FF-FF). Текущий хост с функцией маршрутизации должен иметь возможность направлять одноадресные данные в направлении, в то время как сетевой интерфейс хоста назначения может отфильтровывать данные, несовместимые с его собственным MAC-адресом.

    1.2 Трансляция (одноадресная передача)

    
    

    Как показано в таблице ниже, вещание можно разделить на четыре сценария. MAC-адрес FF-FF-FF-FF-FF-FF используется для трансляции. Все хосты в сети будут получать эти широковещательные данные. Сетевой карте нужно только передать данные MAC-адреса FF-FF-FF-FF-FF-FF ядру. Вообще говоря, ARP или протокол маршрутизации RIP следует транслировать в форме трансляции.
    

    1.2.1 Ограниченное вещание

    Ограниченный широковещательный адрес - 255.255.255.255. Этот адрес используется для адреса назначения дейтаграммы IP во время процесса конфигурации хоста.В настоящее время хост может еще не знать сетевую маску сети, в которой он находится, даже его IP-адрес.

    В любом случае маршрутизатор не пересылает дейтаграммы, адрес назначения которых является ограниченным широковещательным адресом. Такие дейтаграммы появляются только в локальной сети.

    1.2.2 Трансляция в сеть

    Широковещательный адрес, указывающий на сеть, является адресом с номером хоста всех единиц. Широковещательный адрес сети класса A - netid.255.255.255, где netd - номер сети сети класса A.

    1.2.3 Трансляция в подсеть

    Широковещательный адрес, указывающий на подсеть, является адресом с номером хоста всех 1 и конкретным номером подсети. IP-адрес, который является прямым адресом подсети, должен знать маску подсети.

    Например, если маршрутизатор получает дейтаграмму, адресованную 128.1.2.255, когда маска подсети сети класса B 128.1 равна 255.255.255.0, адрес является широковещательным адресом, указывающим на подсеть, но если маска подсети 255.255.254.0, адрес не является широковещательным адресом, указывающим на подсеть.

    1.2.4 Трансляция во все подсети

    Вещания, которые указывают на все подсети, также должны знать маску подсети сети назначения, чтобы отличать их от адресов широковещания, которые указывают на сеть. Указывает на широковещательные адреса всех подсетей Номер подсети и номер хоста - все 1.

    Например, если маска подсети назначения 255.255.255.0, то IP-адрес 128.1.255.255 является широковещательным адресом, указывающим на все подсети. Однако, если сеть не разделена на подсети, это широковещательная рассылка, направленная на сеть.

    1.3 Multicast

    
    

    
    Причиной использования многоадресной рассылки являетсяНекоторые приложения должны отправлять пакет нескольким хостам назначения. Вместо того, чтобы исходный хост отправлял отдельный пакет каждому хосту назначения, пусть исходный хост отправляет один пакет на адрес многоадресной рассылки. Адрес идентифицирует группу адресов. Сеть отправляет эту группу каждому хосту в группе и доставляет копию (Сравнительная схема одноадресной и многоадресной рассылки показана на рисунке выше).

    Набор хостов, которые могут получать адресные данные, отправленные в конкретную многоадресную группу, называетсяПринимающая группа, Группа узлов может охватывать несколько сетей. Члены группы хостов могут присоединиться или покинуть группу хостов в любое время. Количество хостов в группе хостов не ограничено, и хосты, не принадлежащие группе хостов, могут отправлять информацию в группу. (Далее будут представлены хосты для присоединения к многоадресной группе с использованием протокола IGMP (Internet Management Management Protocol).)

    • (1) При многоадресной рассылке хоста отправляется только одна копия данных. , Только когда данные раздваиваются на пути передачи, пакет копируется и затем пересылается. Таким образом, для отправителя данные могут быть отправлены всем получателям только один раз, что значительно снижает нагрузку на сеть и нагрузку на отправителя.
    • (2) Многоадресная передача требует поддержки маршрутизатора для достижения , Маршрутизатор, который может выполнять многоадресный протокол, называется многоадресным маршрутизатором.

    1.3.1 Адрес многоадресной группы

    
    

    Многоадресная IP-рассылка использует формат адреса класса D. Первые четыре цифры адреса класса D - 1110, поэтому диапазон адресов класса D - 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255. Каждый IP-адрес класса D обозначает группу многоадресной рассылки;
    

    1.3.2 Трансляция группового адреса в Ethernet-адрес

    Хотя многоадресная рассылка является особенной, принцип состоит в том, что многоадресные данные должны быть связаны с MAC-адресом через уровень канала передачи данных, а затем отправлены. Поэтому после того, как карта Ethernet привязана к многоадресному IP-адресу, она также должна быть связана с многоадресным MAC-адресом, чтобы она могла работать как одноадресная. Этот многоадресный IP-адрес и многоадресный MAC-адрес имеют соответствующий алгоритм, который будет представлен ниже. Можно видеть, что это соответствие не однозначное, хост все еще должен фильтровать многоадресные данные.

    
    

    23 бита в адресе многоадресной рассылки Ethernet будут сопоставлены с номером группы многоадресной рассылки IP путем сопоставления младших 23 битов в номере группы многоадресной рассылки с младшими 23 битами в адресе Ethernet.

    Поскольку старшие 5 битов в номере группы многоадресной рассылки игнорируются во время процесса отображения, группа многоадресной рассылки, соответствующая каждому адресу многоадресной рассылки Ethernet, не является уникальной. 32 разных номера многоадресной группы сопоставляются с адресом Ethernet. Например, многоадресные адреса 224.128.64.32 (шестнадцатеричный e0.80.40.20) и 224.0.64.32 (шестнадцатеричный e0.00.40.20) отображаются на один и тот же адрес Ethernet 01: 00: 5e: 00: 40 : 20

    Поскольку сопоставление адресов не является уникальным, драйвер устройства или уровень IP должны фильтровать дейтаграмму. Потому что сетевая карта может получать многоадресные фреймы данных, которые хост не хочет получать. Кроме того, если сетевая карта не обеспечивает достаточной функции фильтрации фреймов многоадресных данных, драйвер устройства должен получить все фреймы многоадресных данных и затем отфильтровать их.

    1.4 Эксперимент

    Эти эксперименты не очень сложны, мы просто хотим пинговать общий ip и широковещательный адрес. Сначала я проверяю хост в подсети, где я нахожусь:

    Видно, что машина возвращает ответ от хоста, а затем размышляет, что если я пингую широковещательный адрес? Результаты выглядят следующим образом (причина сбоя при пинге широковещательного адреса может бытьссылка,принцип）

    Давайте рассмотрим еще один пример многоадресной рассылки, но реализовать эту многоадресную рассылку нелегко, потому что я не знаю, сколько групп многоадресной рассылки имеется в сети, поэтому мне нужно использовать несколько специальных адресов многоадресной рассылки для проверки.

    Для многоадресных адресов несколько специальных многоадресных адресов заняты, они

    • 224.0.0.1 - все системные группы в этой подсети.
    • 224.0.0.2 - все маршрутизаторы в этой подсети.
    • 224.0.1.1-В сети реализован протокол NTP с выделенным IP.
    • 224.0.0.9 - выделенный IP RIPv2

    Поэтому, пока вы пингуете эти несколько IP-адресов, вы сможете получить некоторые результаты, например, я пингую 224.0.0.1.

    2. IGMP: протокол управления интернет-группами

    Полное английское название IGMP (Протокол управления группами в Интернете), Используется для поддержки хоста и маршрутизатора для многоадресной рассылки 。 Он позволяет всем системам в физической сети знать группу многоадресной рассылки, в которой находится хост. Маршрутизатору многоадресной рассылки требуется эта информация, чтобы знать, на какой интерфейс должна быть передана дейтаграмма многоадресной рассылки.

    
    

    
    

    2.2 Рабочий процесс IGMP выглядит следующим образом

    TTL таких дейтаграмм ответа на запрос обычно равен 1, и даже если возникает ошибка, ошибки ICMP не генерируются (не обязательно).

    
    

    Многоадресная маршрутизация фактически заключается в том, чтобы найти дерево многоадресной пересылки с исходным хостом в качестве корневого узла, где каждый пакет передается только один раз по каждому каналу (то есть маршрутизатор в дереве многоадресной пересылки не будет принимать дубликаты Многоадресные дейтаграммы). Разным группам многоадресной рассылки соответствуют разные деревья многоадресной пересылки; одна и та же группа многоадресной рассылки будет иметь разные деревья многоадресной пересылки для разных исходных точек.

    
    

    2.3 Все группы хостов

    IP-адрес 224.0.0.1 называетсяВсе адреса группы хостов, Он включает в себя все узлы и маршрутизаторы с возможностью многоадресной рассылки в физической сети. После инициализации интерфейса все узлы интерфейса с поддержкой многоадресной рассылки автоматически присоединяются к группе многоадресной рассылки. Члены этой группы не должны отправлять отчеты IGMP.

    Читайте также:

      
    • Сообщение на тему лекарственные и съедобные растения произрастающие в пермском крае
      
    • Сообщение оперы римского корсакова
      
    • Сообщение о озерах крыма
      
    • Discord переход на сообщение
      
    • Сообщение о соловье разбойнике