[데이터 통신] 13. Wired LANs Ethernet(유선 LAN 이더넷)

IEEE Standards

• In 1985, the Computer Society of the IEEE started a project, called Project 802, to set standards to enable intercommunication among equipment from a variety of manufacturers. Project 802 is a way of specifying functions of the physical layer and the data link layer of major LAN protocols.

Media Access Control: MAC

The MAC sublayer is responsible for the operation of the CSMA/CD access method and framing.

이더넷을 중심으로 배워볼 것이다.

 

IEEE 802 Working Group

802.3: ethernet 관련 working group 내에 여러 위원회를 두어서 이더넷 관련 표준들을 만들고 있다.(이번 챕터)

802.11: wifi에 관련된 다양한 표준을 만들고 있음(Chapter 15)

802.15: bluetooth와 같은 좁은 지역을 커버하는 통신

802.16: broadband wireless access

 

LLC and MAC

• LLC (Logical Link Control)
  • Flow control, error control, and part of framing
  • Single link-layer protocol for all IEEE LANs
• MAC (Media Access Control)
  • Specific access method for each LAN
  • frame을 만드는 header와 frame checking sequence
  • frame을 만드는 일을 함.
  • The MAC sublayer is responsible for the operation of the CSMA/CD access method and framing.

• network layer에서 내려준 정보를 LLC layer에서 header를 붙이고

 

13.1 Ethernet Evolution

• The original Ethernet was created in 1976 at Xerox’s Palo Alto Research Center (PARC).
• Since then, it has gone through four generations

13.2 Standard Ethernet

10Mbps

• Preamble:
  • alerting the receiving system to the coming frame and enabling it to synchronize its input timing
  • 네트웍 통신에서 두 개 이상의 시스템간에 전송 타이밍을 동기화하기 위해 사용되는 신호이다.
  • 수신 측에다가 곧 frame이 온다는 것을 alert한다.그리고 input timing을 동기화 하는 것을 가능케한다.
  • 1,0의 sequence를 반복하는 56bit
  • is actually added at the physical layer and is not part of the frame
• Start frame delimiter(SFD)
  • 앞에서 1,0이 반복되다가 11로 바뀌면서 시작을 알린다.
  • 여기까지는 Physical layer header로 구분함.
• Type: Protocol Type bytes
• CRC: CRC-32
• Data and padding
  • padding 의 의미는 최소 46bytes가 되어야 하는데 46bytes가 안 됐을 때 0으로 채워서라도 숫자를 맞춰야 하기 때문
• 파란색 부분이 MAC layer에서 붙이는 header 와 trailer - 18bytes
• 이더넷은 전 챕터 예제에서 봤듯이 최소 64 bytes ~ 최대 1518bytes
  • 충돌이 발생한 것을 detection 하고서 데이터 보내는 것을 멈춰야 하는데 이미 다 보냈으면 안 좋은 거기 때문에 이를 방지하기 위해 64 bytes 가 최솟값임을 구했었음

Addressing

• Ethernet address in hexadecimal notation
  • 이더넷 주소는 위에서 봤듯이 6 bytes이다.
• 따라서 48 bit
  • Each station on an Ethernet network has a unique 48-bit address imprinted on its network interface card (NIC)

• The least significant bit of the first byte defines the type of address.
  • If the bit is 0, the address is unicast; otherwise, it is multicast
• The broadcast destination address is a special case of the multi-cast address in which all bits are 1s

• unicast의 경우 내 주소인 경우만 받는다.
• 내 이더넷 MAC address가 특정 그룹에 소속해 있다면 같은 소속 그룹만 받아들이는

 

Implementation of Ethernet

a.

• bus topology
  • coaxial cable

b.

• star topology
  • hub를 이용
  • twisted pair
• 요즘은 다 이걸 사용

 

Ethernet

• Access method: 1-persistent CSMA/CD
  • 계속 sensing해서 collision은 좀 생기더라도 즉시 보내 효율성을 높인 method
• Slot time = route-trip time + time required to send the jam sequence
  • 총 512 bits for Ethernet, 51.2 μs for 10 Mbps Ethernet

• Slot time and collision
  • slot time 동안은 유지 해줘야 전송을 완료하기 전에 collision이 detect 되어 전송을 멈추고 back off algorithm으로 재전송 준비를 할 수 있다.

• Slot time and maximum network length
  • MaxLength = PropagationSpeed x SlotTime/2
  • MaxLength = (2 x 10⁸) x (51.2 x 10^-6/2) = 5120 m
  • MaxLength = 2500 m
    • 48 % of the theoretical calculation by considering delay times in repeaters and interfaces, and the time required to send the jam sequence
    • repeater를 써서 연장하는 것도 가능
• 사실 length는 bus topology에서만 의미가 있었지 star topology에서는 길이가 큰 matter가 아니기 때문에

 

Implementation

• 10 means 10Mbps(standard ethernet)
• 마지막에 붙은 숫자는 거리를 의미

 

10Base5: Thick Ethernet

10Base2: Thin Ethernet

10BaseT: Twisted-Pair Ethernet

RJ-45

 

10Base-F: Fiber Ethernet

Changes in the Standard

• Bridged Ethernet: Raising bandwidth and separating collision domains

first station이 frame을 보내고 잠깐 쉬는 사이에 second station이 또 frame을 보낸다.

• a.
  • 두 station이 데이터를 10Mbps로 보내긴 하지만 사이사이를 피해가면서 매체를 공유해야 하기 때문에 최대 5Mbps의 Throughput을 내지 못하는 것이다.
  • 두 개의 사무실이 있다면 모두가 다 합해서 10Mbps 사이사이를 피해서 공유
  • 한 쪽 office에서 보내면 다른 office에서는 못보내는 구조
  • collision domain: 12개
• b.
  • 중간에 bridge 장치를 둠으로써 사무실 간 간섭을 줄여 bandwidth를 높인다.
  • office 간 network를 분리하여 독립적으로 보내는 것이 가능
  • 10Mbps를 6명이서 쓰는 효과를 주기 때문에 효율적이다.
  • collision domain: 6개

 

Changes in the Standard

• Collision domains in unbridged network and bridged network

누가 하나가 보내면 그와 dependent한 여러 device는 못보내기 때문에 collision domain이 작을 수록 좋음

 

Changes in the Standard

• Switched Ethernet: N-port bridge

각자가 10Mbps의 bandwidth를 갖고 각자의 collision domain은 1인 구조

보내는 동안 받을 수는 없음

 

Changes in the Standard

• Full-duplex (switched) Ethernet: no need for CSMA/CD

보내는 동안 받을 수도 있음

사실상 CSMA/CD가 필요없음

• 보내고 싶을 때 보내고 받고 싶을 때 받기 때문

 

13.3 Fast Ethernet

• Under the name of IEEE 802.3u
  • Upgrade the data rate to 100 Mbps
  • Make it compatible with Standard Ethernet
  • Keep the same 48-bit address and the same frame format
  • Keep the same min. and max. frame length(64~1518)
• MAC Sublayer
  • CSMA/CD for the half-duplex approach
  • No need for CSMA/CD for full-duplex Fast Ethernet
• Autonegotiation(자동 협상):
  • 망 안에서 10Mbps와 Standard, Fast가 공존할 때,
  • allow two devices to negotiate the mode or data rate of operation

 

Fast Ethernet: Physical Layer

• Topology

• Implementation

Fast Ethernet: Encoding(시험)

• 왜 Standard Ethernet에서는 manchester를 썼는데 Fast Ethernet으로 오면서 4B/5B나 8B/6T와 같은 signal의 숫자를 줄이는 방법을 썼을까?
  • Manchester에서는 중간에 신호가 2번까지도 변할 수 있기 때문에 10Mbps를 보내기 위해서 bandwidth가 20MHz가 필요한 경우가 생길 수도 있다. 그치만 동기화의 문제는 없겠지만... 그래서 그냥 사용하지만
  • 그런데 Fast Ethernet은 100Mbps의 이더넷이기 때문에 최대 200MHz의 bandwidth를 요구하게 될 수 있다.
    • 동기화는 NRZ-I로 해결하겠다.

 

Summary of Fast Ethernet

13.4 Gigabit Ethernet

• Under the name of IEEE 802.3z
  • Upgrade the data rate to 1 Gbps
  • Make it compatible with Standard or Fast Ethernet
  • Keep the same 48-bit address and the same frame format
  • Keep the same min. and max. frame length
  • Support auto-negotiation as defined in Fast Ethernet
• MAC Sublayer
  • Most of all implmentations follows full-duplex approach
  • In the full-duplex mode of Gigabit Ethernet, there is no collision; -> 최대 길이가 상관없어짐
    • the maximum length of the cable is determined by the signal attenuation in the cable.
• Half-duplex mode (very rare) -> collision이 있는 경우
  • Traditional: 0.512 μs (25m)
  • Carrier Extension: 512 bytes (4096 bits) min. length
  • Frame bursting to improve the inefficiency of carrier extension or padding(impractical)

 

Gigabit Ethernet: Physical Layer

• Topology

• implementation

• Encoding

Gigabit Ethernet: Summary

외울 필요는 없음

 

13.5 Ten-Gigabit Ethernet

• Under the name of IEEE 802.3ae
  • Upgrade the data rate to 10 Gbps
  • Make it compatible with Standard, Fast, and Giga Ethernet
  • Keep the same 48-bit address and the same frame format
  • Keep the same min. and max. frame length
  • Allow the interconnection of existing LANs into a MAN or WAN
  • Make Ethernet compatible with Frame Relay and ATM
• MAC Sublayer: Only in full-duplex mode → no CSMA/CD

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