В современном мире бизнеса организация надежного и эффективного доступа к информации стала важным условием обеспечения преимущества перед конкурентами. На смену картотечным шкафам и горам бумаг пришли компьютеры, хранящие и обрабатывающие информацию электронным способом. При этом находящиеся на расстоянии тысяч миль сотрудники получили возможность практически мгновенно обмениваться информацией, а сотни находящихся в одном месте работников могут одновременно просматривать открытые для просмотра в сети результаты исследований.

Технологии организации компьютерных сетей являются тем клеем, который связывает эти элементы воедино. Благодаря общедоступному Интернету, предприятия всего мира могут обмениваться информацией друг с другом и со своими клиентами. Во всемирной компьютерной сети (World Wide Web) есть службы, с помощью которых потребители через Интернет могут покупать книги, одежду и даже машины, а есть аукционы, где такие же вещи можно продать, если они больше не нужны.

Преимущества сети

Благодаря сети один компьютер получает возможность обмениваться информацией с другим. Пользователи даже не всегда знают, насколько часто они получают информацию из компьютерных сетей. Несомненно, самым очевидным примером компьютерной сети является Интернет, связывающий миллионы компьютеров во всем мире, но в текущей работе для обеспечения доступа к информации важную роль играют меньшие сети. Многие публичные библиотеки заменили свои карточные каталоги компьютерными терминалами, с помощью которых пользователям легче и быстрее осуществлять поиск нужных книг. В аэропортах устанавливают многочисленные экраны, отображающие информацию о прилете и отправке воздушных суден. Во многих магазинах розничной торговли есть специализированные компьютеры для расчета за сделанные покупки. В каждом таком случае благодаря сети много различных устройств, располагающихся в разных местах, получают доступ к общему хранилищу данных.

Прежде чем углубляться в детали такого сетевого стандарта, как Ethernet, следует ознакомиться с основными терминами и определениями, описывающими сетевые технологии и определяющими их различия. Итак, начнем!

Локальная и глобальная сеть

Сетевые технологии можно разделить на две основные группы. Технологии локальной сети (Local area network, LAN) предназначены для обмена информацией между многими устройствами, находящимися сравнительно недалеко друг от друга, обычно в одном здании. Например, библиотечные терминалы, предназначенные для предоставления информации о книгах, подключаются к локальной сети. Технологии глобальной сети (Wide area network, WAN) служат для связи небольшого количества устройств, находящихся на расстоянии многих километров. Например если для двух библиотек, находящихся в противоположных частях города, требуется обеспечить общий доступ к каталогу книг, скорее всего для этого будет использована технология глобальной сети, в частности можно воспользоваться выделенной линией, специально арендованной для этой цели у телефонной компании. Такая линия будет служить только для обмена данными между этими библиотеками.

По сравнению с глобальными сетями, локальные сети способны передавать больше информации и более надежны, однако совершенствование технологии передачи данных понемногу стирает эти различия. Использование волоконно-оптических кабелей открыло возможность применения технологий локальных сетей для соединения устройств, удаленных на десятки километров, в то же время увеличив скорость передачи данных и надежность глобальных сетей.

Ethernet

В 1973 году Боб Меткалф (Bob Metcalfe), исследователь научно-исследовательского центра Palo Alto (известного также как PARC) корпорации Xerox, создал и испытал первую сеть Ethernet. Решая проблему соединения компьютера "Alto" компании Xerox с принтером, Меткалф разработал метод физического кабельного соединения устройств в сети Ethernet, а также стандарты управления обменом информацией в таком кабеле. С тех пор Ethernet развился в наиболее популярную и наиболее широко используемую в мире сетевую технологию. Многие присущие Ethernet проблемы характерны и для других сетевых технологий, а знакомство с методами решения этих проблем помогает лучше понять общие принципы работы сетей.

Стандарт Ethernet по мере совершенствования компьютерных сетей разрастался, учитывая появление все новых технологий, однако принцип работы каждой современной сети Ethernet базируется на первоначальном проекте Меткалфа. В исходном варианте Ethernet описывался обмен информацией между всеми устройствами сети по одному кабелю. Когда устройство подключалось к этому кабелю, оно получало возможность поддерживать связь с любым другим подключенным устройством. Такая особенность сети позволяет производить ее расширение за счет подключения новых устройств без каких бы то ни было настроек или изменений, касающихся уже подключенных устройств.

Основные принципы работы сети Ethernet

Ethernet – технология локальных сетей, преимущественно функционирующих в одном здании и связывающих близко расположенные устройства. Чаще всего устройства сети Ethernet соединялись кабелем длиной не более нескольких сотен метров, а объединение в сеть распределенных по большой территории объектов было экономически невыгодно. Благодаря современным техническим достижениям, удалось существенно расширить допустимые расстояния между объектами, поэтому современные сети Ethernet могут охватывать территории в десятки километров.

Протоколы

В сетях под термином "протокол" подразумевается набор правил, регламентирующих обмен информацией. Протоколы для компьютеров – то же, что язык для людей. Поскольку эта статься излагается на русском языке, читатель, чтобы понять написаное, должен уметь читать по-русски. Аналогично, два устройства в сети смогут успешно обмениваться информацией лишь в том случае, если они оба понимают одинаковые протоколы.

Терминология сетей Ethernet

Основные операции сети Ethernet подчиняются простому набору правил. Чтобы лучше понять эти правила, важно разобраться в основной терминологии Ethernet.

Канал передачи. – Устройства сети Ethernet подключаются к общему каналу передачи, по которому передаются электрические сигналы. Исторически сложилось, что каналом передачи раньше был медный коаксиальный кабель, однако в наше время для этих целей чаще используется витая пара или волоконно-оптический кабель.

Сегмент. – Сегментом сети Ethernet называют один совместно используемый канал передачи.

Узел. – Узлами называются устройства, подключаемые к сегменту.

Кадр (или фрейм) – Узлы обмениваются короткими информационными сообщениями, которые называют кадрами. Кадр – порция информации, размер которой может меняться.

Кадры можно сравнить по функциональному назначению с предложениями человеческой речи. В русском языке есть правила, по которым строятся предложения: в каждом предложении должно быть подлежащее и сказуемое. В протоколе Ethernet предусмотрен набор правил, регламентирующих формирование кадров. Для кадра правилами прямо устанавливается максимальная и минимальная длина, а также указывается, какая в него должна вводиться обязательная информация. Например, в каждом кадре должны содержаться адрес назначения и адрес источника данных, по которым можно идентифицировать отправителя и получателя. Подобно тому, как имя соотносится с определенным человеком, адрес однозначно соответствует определенному узлу. Один адрес Ethernet не может принадлежать одновременно нескольким устройствам.

Канал передачи Ethernet

Поскольку сигнал с канала передачи поступает на каждый подключенный узел, для нахождения получателя кадра очень важна роль адреса назначения.

Например, если к сети подключены несколько компьютеров и принтер, при передаче информации от одного из компьютеров к принтеру остальные компьютеры также получают и анализируют кадры данных. Получив кадр, станция сначала проверяет адрес назначения, чтобы определить, для нее ли этот кадр предназначен. При отрицательном результате проверки станция отказывается от приема этого кадра, даже не исследуя его содержимое.

Интересной особенностью системы адресации Ethernet является возможность использования широковещательного адреса. Кадр, в котором в качестве адреса назначения указан широковещательный адрес, предназначается для каждого узла сети и кадры такого типа обрабатываются всеми узлами сети

Многостанционный доступ с анализом состояния канала / обнаружением конфликтов

Аббревиатура CSMA/CD расшифровывается как многостанционный доступ с контролем канала / обнаружением конфликтов (carrier-sense multiple access with collision detection). Этим термином обозначается принцип, согласно которому протокол Ethernet управляет обменом информацией между узлами. Название несколько пугающее, однако, если проанализировать концепции составляющих такой системы, окажется, что описываемые ею правила очень похожи на правила поведения людей во время вежливой беседы. Для наглядности проиллюстрируем принципы функционирования Ethernet, воспользовавшись аналогией с разговором за обеденным столом.

Условимся, что обеденный стол соответствует сегменту Ethernet, а несколько вежливо беседующих за этим столом людей – узлам сети. Под термином "многостанционный доступ" подразумевается описанный выше принцип: Передаваемая одной из станций Ethernet информация поступает ко всем подключенным к каналу передачи станциям точно так же, как все сидящие за столом люди могут слышать слова, произносимые любым из них.

Теперь представьте, что вы сидите за столом и хотите что-то сказать. Но в это время уже говорит кто-то другой. Поскольку это разговор воспитанных людей, вам придется подождать, пока не остановится говорящий, а не прерывать его своей фразой. Такой же подход описывается в протоколе Ethernet под термином "анализ состояния канала" (carrier sense). Прежде чем станция начнет передавать информацию, она "прислушается" к каналу, чтобы выяснить, не ведет ли передачу другая станция. Если информации в канале не окажется, стнция принимает решение, что наступил благоприятный момент передавать свою информацию.

Обнаружение конфликтов

Многостанционный доступ с анализом состояния канала обеспечивает хорошее начало управления обменом информацией, однако нужно урегулировать ситуацию, возникющую в следующем случае. Вернемся к аналогии с обеденным столом и представим себе, что в разговоре наступила пауза. Вы и еще один человек желаете высказаться, причем оба "анализируете состояние канала", определяя момент, когда никто не говорит, поэтому начинаете говорить приблизительно в одно и то же время. По терминологии Ethernet, когда вы оба начинаете одновременно говорить, возникает конфликт.

Во время разговора из такой ситуации можно элегантно выйти. Оба собеседника слышат, что одновременно с их репликой говорит другой человек, поэтому они оба могут остановиться, чтобы дать возможность другой стороне продолжить. Узлы Ethernet также следят за состоянием канала во время передачи, чтобы убедиться, что в это время только они передают информацию. Если станция определяет, что передаваемая ею информация искажается в канале, что случается, когда в это же время другая станция начинает передавать собственное сообщение, делается вывод о том, что произошел конфликт. Отдельный сегмент Ethernet иногда называют областью коллизий, поскольку в нем две или больше станций не могут одновременно передавать данные, не вызывая конфликта. Когда станция обнаруживает конфликт, она прекращает передачу данных, ждет в течение произвольного отрезка времени, после чего, обнаружив отсуствие сигнала в канале передачи, снова пытается передать свои данные.

Наличие паузы, длящейся произвольное время и следующей за ней повторной попытки передачи данных – важная часть протокола. Если при попытке осуществления передачи данных происходит конфликт двух станций, им обеим после этого снова нужно будет передать данные. При следующей благоприятной для передачи возможности обе станции, вовлеченные в предыдущий конфликт, содержат готовые к передаче данные. Если при первой появившейся возможности они снова начнут передавать данные, то, вероятнее всего, снова произойдет конфликт и снова возникнет неопределенность. Случайная задержка, которая используется для борьбы с таким явлением, делает почти невероятным возникновение серии из большого количества идущих один за другим конфликтов между любыми двумя станциями.

Ограничения системы Ethernet

Как уже упоминалось выше, базой для целой сети Ethernet может служить единственный совместно используемый кабель. Однако для размеров такой сети имеются практические ограничения. Главной проблемой являются ограничения, касающиеся длины совместно используемого кабеля.

Электрические сигналы распространяются по кабелю очень быстро, однако с увеличением пройденного расстояния затухают. Кроме того, сигнал может исказиться вследствие воздействия электрических помех от расположенных поблизости устройств (например, от люминесцентных ламп). Чтобы устройства на противоположных концах кабеля получали одно от другого сигнал без помех и с минимальной задержкой, длина этого сетевого кабеля должна быть сравнительно небольшой. Такие условия ограничивают максимальное расстояние между любыми двумя устройствами сети Ethernet (диаметр сети). Кроме того, поскольку в системе CSMA/CD в любой заданный момент времени информация может передаваться только одним устройством, существуют практические ограничения, по количеству устройств, которые могут сосуществовать в одной сети. Подключение слишком большого количества устройств к одному совместно используемому сегменту приведет к росту числа конфликтных ситуаций, связанных с обращением к каналу передачи. При этом может оказаться, что каждому устройству сети придется недопустимо долго ждать возможности для передачи данных.

Инженеры разработали ряд сетевых устройств, которые частично устраняют такие проблемы. Многие из таких устройств предназначены не только для Ethernet, но используются также в сетях других типов.

Повторители

Первым каналом связи сети Ethernet, получившим широкое распространение, был медный коаксиальный кабель. Максимальная длина такого кабеля составляла 500 метров. В больших зданиях или студенческих кампусах 500-метрового кабеля не всегда хватает для подключения каждого сетевого устройства. Проблема решается благодаря использованию повторителя.

Повторители подключаются ко многим сегментам Ethernet, прослушивают информацию в каждом из сегментов и транслируют во все другие подключенные к нему сегменты обнаруженную в одном сегменте информацию. Благодаря использованию многих кабелей и подключению их через повторители, можно существенно увеличить диаметр сети.

Деление на сегменты

В нашей аналогии в собравшейся за обедним столом компании разговаривали немного людей и ограничение говорящих до одного в любой заданный момент времени не было существенным барьером для общения. А что произойдет, если за столом будет много людей, а в любой заданный момент времени будет разрешено говорить только одному?

Из практики мы знаем, что в подобных условиях аналогия не действует. Обычно в больших группах людей одновременно возникает несколько разных разговоров. Если бы в людном помещении или на банкете в каждый момент времени мог говорить только один человек, многие, ожидая своей очереди, так и не смогли бы высказаться. Люди сами устраняют такую проблему: Когда речь идет о голосовом общении, человеческое ухо способно выделять из окружающего шума определенный разговор. Это облегчает людям возможность разбиться во время вечеринки на небольшие группы и разговаривать всем в одном помещении. Однако сетевые кабели быстро и эффективно передают сигналы на большие расстояния, поэтому в сети такого естественного обособления разговоров не происходит.

По мере увеличения размера сетей Ethernet возникают проблемы перегрузки. Если к одному сегменту подключено много станций и каждая их них генерирует значительный трафик, многие станции при первой возможности будут пытаться передать свои данные. В таких условиях участятся конфликты и может произойти сокращение числа успешных передач данных, что в конечном итоге может привести к недопустимому увеличению времени, проходящего до завешения операции передачи. Один из способов уменьшения перегрузки предусматривает разбиение отдельного сегмента на несколько сегментов, в результате чего создается много областей коллизий. Такое решение порождает другую проблему, поскольку теперь новые отдельные сегменты не могут обмениваться информацией друг с другом.

Мосты

Для решения проблем, порожденных делением на сегменты, в сети Ethernet вводят мосты. Мосты соединяют два или больше сегментов сети, подобно повторителям, увеличивая диаметр сети, однако они дополнительно помогают регулировать трафик. Как и любой другой узел, мост может передавать и принимать информацию, однако он функционирует иначе, чем обычный узел. Мост, как и повторитель, не вырабатывает собственного трафика, он только повторяет информацию, принятую с других станций. (Последнее утверждение не совсем точное. Мосты вырабатывают специальный кадр, позволяющий им обмениваться информацией с другими мостами, однако эта тема в данной статье не рассматривается).

Напомним, что согласно принципам многостанционного доступа и совместно используемого канала связи Ethernet, на каждую подключенную к каналу передачи станцию поступает каждая передаваемая информационная посылка, независимо от того, предназначена она для этой станции или нет. Используя это свойство, мосты производят ретрансляцию трафика между сегментами. Обратите внимание на рисунок. Сегменты 1 и 2 соединены мостом. Если станция A или B передает информацию, мост также принимает информацию, передаваемую в сегменте 1. Какова реакция моста на этот трафик? Можно было бы автоматически передать кадр в сегмент 2, как это делает повторитель, но такое решение не избавляет от перегрузки, поскольку сеть действовала бы тогда как один большой сегмент.

Одно из преимуществ моста состоит в том, что он способен ограничивать в обоих сегментах ненужный трафик. Перед принятием решения о том, как обрабатывать кадр, анализируется его адрес назначения. Если кадр предназначается станции A или B, то нет необходимости передавать кадр в сегмент 2. В таком случае мост не передает кадр в сегмент 2. Можно сказать, что в этом случае мост отфильтровывает или задерживает кадр. Если в качестве адреса назначения указан адрес станции C или D, либо это широковещательный адрес, мост передает, или ретранслирует кадр в сегмент 2. Благодаря ретрансляции пакетов, мост дает возможность обмениваться информацией любому из четырех изображенных на рисунке устройств. Кроме того, благодаря фильтрации пакетов, когда это приемлемо, станции A и B получают возможность обмениваться информацией в то же время, когда обмениваются информацией станции C и D, то есть два обмена информацией происходят одновременно!

Маршрутизаторы. Логическое деление на сегменты

Мосты могут уменьшать перегрузки за счет того, что допускают осуществление многих обменов информацией одновременно в разных сегментах, но у них есть свои пределы, касающиеся сегментирования трафика.

Важной характеристикой мостов является их способность пересылать широковещательные сообщения Ethernet на все подключенные сегменты. Такой режим работы необходим в случаях, когда широковещательные сообщения Ethernet предназначены для всех узлов сети, но в чрезмерно разросшихся сетях с мостом может породить проблемы. Если в сети с мостом много станций выдают широковещательные сообщения, может возникнуть такая сильная перегрузка, как будто бы все эти устройства находились в одном сегменте.

Маршрутизаторы – усовершенствованные компоненты сетей, способные разделить одну сеть на две логически разделенных сети. Широковещательные сообщения Ethernet на своем пути к каждому узлу сети проходят через мосты, но не могут пройти через маршрутизаторы, поскольку маршрутизатор образует для сети логическую границу.

Маршрутизаторы действуют по протоколам, не зависящим от конкретных сетевых технологий, таких как Ethernet или token ring (последнюю рассмотрим позже). Такой подход позволяет маршрутизаторам взаимодействовать с различными сетевыми технологиями, как локальной, так и глобальной сети, и привел к их широкому использованию в размещаемых по всему миру подключаемых устройствах, являющихся частью глобальной сети Интернет. Коммутируемая сеть Ethernet

Современные варианты реализации сетей Ethernet часто совсем не похожи на свои исторические аналоги. Раньше множество станций сети Ethernet соединялись длинными участками коаксиального кабеля, а в современных сетях используются кабели с витыми парами или оптическое волокно, соединяющие станции по радиальной схеме. Прежние сети Ethernet обеспечивали скорость передачи данных 10 Мбит в секунду, тогда как современные могут работать на скорости 100 Мбит в секунду и даже 1000 Мбит в секунду!

Возможно, наиболее впечатляющим примером прогресса современных сетей Ethernet является использование коммутируемых сетей Ethernet. В коммутируемых сетях совместно используемые каналы связи старых сетей заменяют сегментами, выделенными отдельно для каждой станции. Эти сегменты подключаются к коммутатору, который действует почти как мост Ethernet, но может соединять много таких сегментов, ведущих каждый к одной своей станции. Некоторые современные коммутаторы могут поддерживать сотни выделенных сегментов. Поскольку каждый сегмент соединяет только два устройства, коммутатор и оконечную станцию, каждая информационная посылка, прежде чем попасть на другой узел, поступает на коммутатор. Коммутатор, в свою очередь, направляет кадр по нужному сегменту, так же, как это сделал бы мост, но поскольку каждый сегмент содержит только один узел, кадр поступает лишь на устройство с адресом назначения. Поэтому в коммутируемой сети можно осуществлять много обменов информации в одно и то же время. (Чтобы больше узнать о технологии коммутируемых сетей, рекомендуем прочесть статью о том, как действуют коммутаторы локальных сетей).

Полный дуплексный вариант Ethernet

Усовершенствование системы коммутированной сети Ethernet привело к созданию дуплексного варианта Ethernet. Термин из области передачи цифровых данных "Полный дуплексный режим" ("Full-duplex") характеризует возможность одновременного приема и передачи данных.

Предыдущие системы Ethernet полудуплексные, то есть в них информация в каждый момент времени может передаваться только в одном направлении. В полностью коммутируемой сети узлы могут обмениваться информацией только с коммутатором и никогда – напрямую друг с другом. В коммутируемых сетях также используют кабели с витой парой или оптоволоконные кабели, но в том и другом случае для приема и передачи данных используют отдельные проводники. В окружении такого типа станции Ethernet могут обойтись без процесса обнаружения конфликтов и передавать данные когда нужно, поскольку они являются единственными устройствами, которые могут получить доступ к каналу передачи данных. Конфигурация такого типа обеспечивает возможность конечным станциям передавать данные в сторону коммутатора одновременно с передачей от коммутатора к ним, образуя условия работы без конфликтов.

Ethernet или стандарт 802.3?

Вам, наверное, приходилось слышать термин "802.3", используемый вместо термина "Ethernet"или вместе с ним. Термином "Ethernet" вначале называли реализацию сети, принятую в качестве стандарта компаниями Digital, Intel и Xerox. (Поэтому его еще называют стандартом DIX).

В феврале 1980 года Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) был создан комитет по стандартизации сетевых технологий. В IEEE этот комитет назвали рабочей группой 802, по дате создания. Каждый из подкомитетов рабочей группы 802 занимался отдельным вопросом организации сети. Каждому подкомитету был присвоен номер, который в общем виде выглядел как 802.X, причем составляющая X для каждого подкомитета была уникальной. Группа 802.3 занималась стандартизацией функционирования сети CSMA/CD, по функциональным характеристикам эквивалентной DIX Ethernet.

Ethernet и стандарт 802.3 немного отличаются в терминологии и в формате данных кадра, однако по большинству параметров идентичны. В настоящее время термином "Ethernet" в общем называют как DIX Ethernet, так и стандарт IEEE 802.3.

Альтернативные сетевые технологии. Token Ring

Самой распространенной альтернативой локальным сетям Ethernet является разработанная компанией IBM сетевая технология token ring. В стандартах Ethernet для регулирования доступа к каналу передачи вводятся выбранные по случайному закону перерывы между попытками передачи данных, тогда как стандарт token ring предусматривает использование метода строго упорядоченного доступа. В сети token ring узлы располагаются в виде логического кольца. Узлы посылают кадры по кольцу, причем кадр, прошедший один раз все кольцо, удаляется.

Работа кольца начинается с запуска маркера (по-английски token), представляющего собой специальный блок данных, который гарантирует получившей его станции право передачи.

Маркер передается по кольцу, подобно любому кадру, пока не достигнет станции, которой необходимо передать данные.

Такая станция захватывает маркер и заменяет кадр маркера кадром с информацией, который и выдается станцией для передачи по сети.

Когда этот кадр с данными возвращается к передавшей его станции, последняя удаляет кадр, создает новый маркер и отправляет его на следующий узел кольца.

Узлы сети token-ring не ждут несущего сигнала и не следят за возможностью конфликта. Благодаря наличию маркерного кадра, станции гарантируется возможность передачи кадра с данными без опасения, что ей помешает другая станция. Поскольку любая станция после отправки одного кадра с данными выдает маркер, каждая станция кольца получает в порядке очередности возможность для передачи данных. Очередность устанавливается по заданному алгоритму и без каких бы то ни было привилегий. Скорость передачи данных в сетях token ring обычно составляет от 4 до 16 Мбит в секунду.

Еще одной технологией с передачей маркера является интерфейс для доступа к распредёленным данным по оптоволокну (Fiber-distributed data interface FDDI). Этот стандарт предусматривает передачу информации по двум оптоволоконным кольцам, причем направление передачи маркера в одном из них противоположно направлению передачи в другом. Сети FDDI обеспечивали скорость передачи информации 100 Мбит в секунду, что сначала способствовало росту их популярности в условиях, когда требовалась высокая скорость передачи. Однако с появлением более дешевого и простого в управлении стандарта Ethernet со скоростью 100 Мбит в секунду сети FDDI используются все реже.

Альтернативные сетевые технологии. Асинхронный режим передачи

Наконец, последняя сетевая технология, о которой стоит упомянуть, называется асинхронный режим передачи или ATM. Сети ATM размывают различия между локальными и глобальными сетями и способны обеспечить надежную скоростную связь между множеством различных устройств, находящихся даже в разных частях страны. Сети ATM пригодны для передачи не только данных, но также голосового и видеотрафика, что делает их многофункциональными и расширяемыми. Несмотря на то, что прогнозы, обещавшие быстрое признание сетей ATM, не подтвердились, эта технология имеет большие шансы на успех в будущем.

В то же время продолжает расти популярность сетей Ethernet. Этот стандарт, используемый в промышленности почти 30 лет, популярен и хорошо изучен, что облегчает конфигурирование сетей и поиск неполадок. По мере развития других технологий, Ethernet, чтобы выдержать конкуренцию, эволюционирует, увеличивается его быстродействие и повышается функциональность.

В рамках этой книги мы рассмотрим локальные сети, созданные с использованием наиболее популярной и распространенной в наши дни технологии - Ethernet. Данная технология появилась в 70-е годы XX века, когда инженер-исследователь из Массачусетского технологического института Билл Меткалф, сотрудничавший также с исследовательским центром компании Xerox в г. Пало-Альто, подготовил докторскую диссертацию, посвященную методикам организации компьютерных коммуникаций. Вскоре совместно со специалистами из корпораций Intel и DEC (Digital Equipment Corporation) фирма Xerox разработала на основе этой диссертации коммерческий стандарт, который и получил название Ethernet. Чуть позже, в 1980 году, стандарт Ethernet лег в основу универсальной спецификации для локальных сетей, построенных по принципу множественного доступа, определения несущей частоты и автоматического обнаружения сбоев (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD); эта спецификация, разработанная Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), получила название IEEE 802.3. Поскольку стандарты IEEE 802.3 и Ethernet крайне близки не только по своей идеологии, но и с точки зрения технической совместимости, в современной литературе их традиционно принято называть общим термином - Ethernet. Далее мы также будем придерживаться этой традиции.
Очевидно, что технология Ethernet накладывает собственные ограничения не только на архитектуру локальной сети, но и па ее технические характеристики. Причем подобные ограничения имеют несколько своеобразных логических уровней: с одной стороны, они определяют способ подключения
компьютеров к сети, с другой - подчеркивают различия между разными типами сетей по признаку используемого оборудования, типу кабеля или скорости передачи данных. Об этом мы и поговорим далее в этой главе.

В рамках стандарта Ethernet принято различать несколько типов построения распределенной вычислительной системы, исходя из ее топологической структуры. Фактически можно сказать, что топология локальной сети - это конфигурация кабельных соединений между компьютерами, выполненных по некоему единому принципу. Какая-либо конкретная топология сети выбирается, во-первых, исходя из используемого оборудования, которое, как правило, поддерживает некий строго определенный вариант организации сетевых подключений; во-вторых, на основе имеющихся требований к мобильности, масштабируемости и вычислительной мощности всей системы в целом. В ряде ситуаций возможна организация нескольких подсетей, построенных с использованием различных топологий и связанных впоследствии в единую сеть. В частности, применительно к стандарту Ethernet возможна организация локальных сетей с топологией «общая шина» или «звезда».

Топология «общая шина»

Технология построения локальной сети на основе топологии «общая шина» подразумевает последовательное соединение компьютеров в цепочку наподобие «гирлянды» с использованием специальных Т-образных разъемов (Т-коннекторов), подключаемых к соответствующему порту сетевого адаптера каждого из узлов сети. В качестве физической линии передачи данных применяется коаксиальный кабель с пропускной способностью 10 Мбит/с. Оконечности «цепочки», то есть ответвления Т-образных разъемов, к которым не подводится кабель для подсоединения к соседним компьютерам, ограничиваются специальными металлическими колпачками, создающими в сети необходимое сопротивление нагрузки, - они называются заглушками или терминаторами (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Конфигурация локальной сети с топологией «общая шина»

Следует отметить, что некогда весьма популярные локальные сети с топологией «общая шина» в настоящее время все больше и больше утрачивают свои позиции. Причина снижения их популярности вполне очевидна. Несмотря на видимую простоту прокладки и монтажа, - а для постройки такой сети необходимы лишь минимальные навыки обращения с пассатижами или паяльником - и относительную мобильность с точки зрения изменения конфигурации всей системы (ведь для того, чтобы переставить сетевой компьютер с места на место, достаточно лишь открутить и закрутить соответствующий разъем), такие сети имеют множество очевидных недостатков. И самый существенный из них - крайне низкая надежность. Достаточно произойти потере контакта в одном из терминаторов или многочисленных Т-коннекторов, что на практике случается достаточно часто, и целый сегмент локальной сети выходит из строя. В такой ситуации все сетевые компьютеры продолжают работать вполне стабильно, но неожиданно перестают «видеть» друг друга, вследствие чего системному администратору приходится последовательно проходить всю сеть, проверяя наличие контакта в разъемах, что занимает порой очень много времени. Именно поэтому топология «общая шина» идеально подходит для создания малой домашней сети «точка-точка», то есть для объединения двух компьютеров, но в случае более сложной и разветвленной сетевой структуры следует поразмыслить о возможности использования иной конфигурации.

Топология «звезда»

Альтернативой топологии «общая шина» в сетях Ethernet является звездообразная конфигурация локальной сети (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Конфигурация локальной сети с топологией «звезда»

В этом случае компьютеры соединяются между собой не последовательно, а параллельно, то есть каждый из узлов сети подключается собственным
отрезком провода к соответствующему порту некоего устройства, называемого концентратором, или хабом (от англ. hub - центр). В качестве линии передачи данных используется специальный неэкранированный кабель «витая пара» (twisted pair), который обеспечивает соединение со скоростью до 10 Мбит/с. Посредством «витой пары» возможна также организация сети из двух компьютеров по принципу «точка-точка», при этом машины можно подключать друг к другу напрямую, без использования концентратора, однако порядок монтажа контактов в разъемах сетевого шнура в этом случае несколько отличается от стандартного.
Преимущества топологии «звезда» по сравнению с «общей шиной» заключаются в более высокой надежности и отказоустойчивости локальной сети, в ней значительно реже возникают «заторы», да и конечное оборудование работает по «витой паре» на порядок быстрее. При этом в случае выхода из строя одного из узлов сети вся остальная система продолжает работать стабильно: полный отказ такой локальной сети происходит только при поломке концентратора. Безусловно, организация сетевой системы на основе топологии «звезда» требует значительно больших финансовых затрат, но они целиком и полностью оправдываются, когда речь заходит о необходимости обеспечить надежную связь между работающими в сети компьютерами.

Классы сетей Ethernet

Прежде чем мы перейдем к непосредственному рассмотрению принципов организации локальной сети, необходимо сказать несколько слов о технологических классах, на которые делятся сети стандарта Ethernet. Данные классы различаются, прежде всего, пропускной способностью линий, типом используемого кабеля, топологией и некоторыми иными характеристиками. Каждый из классов сетей Ethernet имеет собственное обозначение, отражающее его технические характеристики, такое обозначение имеет вид XBase/BroadY, где X - пропускная способность сети, обозначение Base или Broad говорит о методе передачи сигнала - основополосный (baseband) или широкополосный (broadband), и, наконец, число У отображает максимальную длину сегмента сети в сотнях метров, либо обозначает тип используемого в такой системе кабеля, который и накладывает ограничения на максимально возможное расстояние между двумя узлами сети, исходя из собственных технических характеристик. Например, сеть класса 10Base2 имеет пропускную способность 10 Мбит/с, использует метод передачи данных baseband и допускает максимальную длину сегмента в 200 м. Далее мы рассмотрим несколько существующих классов сетей Ethernet и поговорим об их особенностях и возможностях.

Класс 10Base5 (Thick Ethernet)

Класс 10Base5, который также иногда называют «толстым Ethernet», - это один из наиболее старых стандартов локальных сетей. Сегодня уже очень трудно отыскать в продаже оборудование этого типа, тем более трудно найти действующую сеть, работающую с данным типом устройств.
Сети стандарта 10Base5 использовали топологию «общая шина» и создавались на основе коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и пропускной способностью 10 Мбит/с. Общая шина локальной сети ограничивалась с обеих сторон терминаторами, однако помимо Т-коннекторов в подобных системах использовались специальные устройства, получившие общее название «трансиверы», которое произошло от совмещения английских понятий transmitter (передатчик) и receiver (приемник). Собственно, трансиверы являлись приемниками и передатчиками данных между работающими в сети компьютерами и самой сетью (рис. 3.3). Помимо функций собственно приемника-передатчика информации, трансиверы обеспечивали надежную электроизоляцию работающих в сети компьютеров, а также выполняли функции устройства, снижающего уровень посторонних электростатических помех. Максимальная длина коаксиального кабеля, протянутого между трансивером и сетевым адаптером компьютера (трансиверного кабеля) в таких сетях может достигать 25 м, максимальная длина одного сегмента сети (отрезка сети между двумя терминаторами) - 500 м, а минимальное расстояние между точками подключения - 2,5 м. Всего в одном сегменте сети 10Base5 может работать не более 100 компьютеров, при этом количество совместно работающих сегментов сети не должно превышать пяти.

Рис. 3.3. Конфигурация локальной сети класса 10Base5

Класс 10Base2

Локальные сети, относящиеся к классу 10Base2, который также иногда называют Thin Ethernet, являются прямыми «наследницами» сетей 10Base5. Как и в предыдущем случае, для соединения компьютеров используется тонкий экранированный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, оснащенный Т-коннекторами и терминаторами, однако в такой конфигурации Т-коннекторы подключаются к разъему сетевой карты напрямую, без использования каких-либо промежуточных устройств (рис. 3.1). Соответственно, такая сеть имеет стандартную конфигурацию «общая шина». Максимальная длина одного сегмента сети 10Base2 может достигать 185 м, при этом минимальное расстояние между точками подключения составляет 0,5 м. Наибольшее число компьютеров, подключаемых к одному сегменту такой сети, не должно превышать 30, максимально допустимое количество сегментов сети составляет 5. Пропускная способность данной сети, как это следует из обозначения ее класса, составляет 10 Мбит/с.

Класс 10BaseT (Ethernet на «витой паре»)

Одним из наиболее распространенных сегодня классов локальных сетей Ethernet являются сети 10BaseT. Как и стандарт 10Base2, такие сети обеспечивают передачу данных со скоростью 10 Мбит/с, однако используют в своей архитектуре топологию «звезда» и строятся с применением специального кабеля, называемого twisted pair, или «витая пара» (рис. 3.2). Фактически витая пара представляет собой восьмижильиый провод, в котором для обмена информации по сети используется лишь две пары проводников: одна - для приема сигнала, и одна - для передачи. В качестве центрального звена в звездообразной структуре локальной сети 10BaseT применяется специальное устройство, называемое хабом, или концентратором. Для построения распределенной вычислительной системы, состоящей из нескольких сетевых сегментов, возможно подключение нескольких хабов в виде каскада, либо присоединение через хаб к сети 10BaseT локальной сети другого класса (рис. 3.4), однако следует учитывать то обстоятельство, что общее число точек подключения в такой системе не должно превышать 1024.
Максимально допустимое расстояние между узлами сети 10BaseT составляет 100 м, но можно сказать, что это значение взято скорее из практики построения таких сетей, поскольку стандарт 10BaseT предусматривает иное ограничение: затухание сигнала на отрезке между приемником и источником не должно превышать порога в 11,5 децибела. Именно данный класс локальных сетей наравне с 10Base2 будет подробно рассматриваться далее на страницах этой книги.

Рис. 3.4. Пример реализации многосегментной локальной сети Ethernet

Класс10BaseF (Fiber Optic)

К классу10BaseF (другое название - Fiber Optic) принято относить распределенные вычислительные сети, сегменты которых соединены посредством магистрального оптоволоконного кабеля, длина которого может достигать 2 км. Очевидно, что в силу высокой стоимости такие сети используются в основном в корпоративном секторе рынка и по карману они достаточно крупным предприятиям, располагающим необхрдимыми средствами для организации подобной системы.
Сеть10BaseF имеет звездообразную топологию, которая, однако, несколько отличается от архитектуры, принятой для сетей 10BaseT (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Конфигурация локальной сети класса10BaseF

Компьютеры каждого сегмента такой сети подключаются к хабу, который, в свою очередь, соединяется с внешним трансивером сети10BaseF посредством специального коммуникационного шнура, подключаемого к 15-контактному разъему AUI (Attachment Unit Interface). Задача трансивера состоит в том, чтобы, получив из своего сегмента сети электрический сигнал, трансформировать его в оптический и передать в оптоволоконный кабель. Приемником оптического сигнала является аналогичное устройство, которое превращает его в последовательность электрических импульсов, направляемых в удаленный сегмент сети.
Преимущества оптических линий связи перед традиционными неоспоримы. Прежде всего диэлектрическое волокно, используемое в оптоволоконных кабелях в качестве волноводов, обладает уникальными физическими свойствами, благодаря которым затухание сигнала в такой линии крайне мало: оно составляет величину порядка 0,2 дБ на километр при длине волны 1,55 мкм, что потенциально позволяет передавать информацию на расстояния до 100 км без использования дополнительных усилителей и ретрансляторов. Кроме того, в оптических линиях связи частота несущего сигнала достигает 1014 Гц, а это означает, что скорость передачи данных по такой магистрали может составлять 1012бит в секунду. Если принять во внимание тот факт, что несколько световых волн может одновременно распространяться в световоде в различных направлениях, то эту скорость можно значительно увеличить, организовав между конечными точками оптоволоконного кабеля двунаправленный обмен данными. Другой способ удвоить пропускную способность оптической линии связи заключается в одновременной передаче по оптоволокну нескольких волн с различной поляризацией. Фактически можно сказать, что на сегодняшний день максимально возможная скорость передачи информации по оптическим линиям пока еще не достигнута, поскольку достаточно жесткие ограничения на «быстродействие» подобных сетей накладывает конечное оборудование. Оно же «ответственно» и за относительно высокую стоимость всей системы в целом, поскольку диэлектрический кварцевый световод сам по себе значительно дешевле традиционного медного провода. В завершение можно упомянуть и тот факт, что оптическая линия в силу естественных физических законов абсолютно не подвержена воздействию электромагнитных помех, а также обладает существенно большим ресурсом долговечности, чем линия, изготовленная из стандартного металлического проводника.

Классы 100BaseT, 100BaseTX, 100ВаsеТ4 и 100BaseFX

Класс локальных сетей 100BaseT, называемый также Fast Ethernet, появился относительно недавно: он был создан в 1992 году группой разработчиков,
азываемой Fast Ethernet Alliance (FEA). Фактически Fast Ethernet явля-тся «наследником» сетей стандарта 10BaseT, однако в отличие от них по-воляет передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. "ак же как и сети 10BaseT, локальные сети Fast Ethernet имеют звездооб-азную топологию и могут быть собраны с использованием кабеля различ-ых типов, наиболее часто применяемым из которых является все та же ресловутая витая пара. В 1995 году данный стандарт был одобрен Инсти-утом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and electronic Engineers, IEEE) и вошел в спецификацию IEEE 802.3 (это рас-шрение спецификации получило обозначение IEEE 802.3u), обретя тем 1мым официальный статус.
Поскольку класс сетей 100BaseT является прямым потомком класса OBaseT, в таких системах используются стандартные для Ethernet прото-элы передачи данных, а также стандартное прикладное программное обес-ечение, предназначенное для администрирования локальной сети, что зпа->1телыго упрощает переход от одного типа сети к другому. Предполагается, го в не столь отдаленном будущем эта технология вытеснит большинство дцествующих на сегодняшний день «устаревших» стандартов, оскольку в процессе разработки данной спецификации одной из основных дач являлось сохранение совместимости новой разновидности локальных:тей с различными типами кабеля, используемого в сетях старого образца, >1ло создано несколько модификаций стандарта Fast Ethernet. Технология)0BaseTX подразумевает использование стандартной витой пары пятой ггегории, в которой задействовано только четыре проводника из восьми веющихся: два - для приема данных, и два - для передачи. Таким образом, ;ети обеспечивается двунаправленный обмен информацией и, кроме того, тается потенциальная возможность для дальнейшего наращивания произво-ггельности всей распределенной вычислительной системы. В сетях 100BaseT4 кже используется витая пара, однако в пей задействованы все восемь жил юводника: одна пара работает только на прием данных, одна - только t передачу, а оставшиеся две обеспечивают двунаправленный обмен инфор-щией. Поскольку технология 100BaseT4 подразумевает разделение всех анодируемых по сети данных на три независимых логических канала (прием, редача, прием-передача), пропорционально уменьшается частота сигнала, о позволяет прокладывать такие сети с использованием менее качествен-то и, следовательно, более дешевого кабеля 3 или 4 категории, наконец, последний стандарт в семействе Fast Ethernet носит наименование 100BaseFX. Предназначен он для работы с оптоволоконными линиями связи.
Максимальная длина одного сегмента в сетях 100BaseT (кроме подкласса 100BaseFX) не превышает 100 м, в качестве конечного оборудования используются сетевые адаптеры и концентраторы, поддерживающие этот стандарт. Существуют также универсальные сетевые адаптеры 10BaseT/ 100BaseT. Принцип их работы состоит в том, что в локальных сетях этих двух классов используются одинаковые линии с одним и тем же типом разъемов, а задача автоматического распознавания пропускной способности каждой конкретной сети (10 Мбит/с или 100 Мбит/с) возлагается на протокол канального уровня, являющийся частью программного обеспечения самого адаптера. Алгоритм работы такого устройства можно проиллюстрировать на простом примере. При включении компьютера, оснащенного сетевым адаптером 10BaseT/100BaseT, последний выдает в сеть сигнал, информирующий другие сетевые устройства о том, что он способен поддерживать скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Если оборудование локальной сети (например, хаб, к которому подключен данный компьютер) обеспечивает аналогичную скорость соединения, оно генерируют ответный сигнал, после чего адаптер продолжает работать в режиме 100BaseT. Если отклика не поступает, сетевая карта автоматически переходит в режим передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, то есть переключается на работу в стандарте 10BaseT.
Несмотря на все преимущества спецификации 100BaseT, такие сети по сравнению с более старыми реализациями Ethernet не лишены и ряда недостатков, унаследованных ими от своего прародителя - стандарта 10BaseT. Прежде всего в моменты пиковой нагрузки, то есть в случае возникновения ситуации, при которой к ресурсам сети одновременно обращается более 50% всех узлов, на линии образуется хорошо знакомый пользователям 10BaseT «затор» - другими словами, сеть начинает заметно «тормозить». И во-вторых, если в распределенной вычислительной системе применяется комбинированная технология (одна часть сети работает со стандартом 10BaseT, другая - со стандартом 100BaseT), высокая скорость соединения будет возможна только на участке, поддерживающем пропускную способность в 100 Мбит/с. Поэтому даже если ваш компьютер оснащен сетевым адаптером 100BaseT, при обращении к удаленному узлу, оборудованному сетевой картой 10BaseT, скорость соединения не превысит 10 Мбит/с.

Класс1000BaseT (Gigabit Ethernet)

Чем быстрее растут вычислительные мощности современных персональных компьютеров, тем больше становится среднестатистический объем обрабатываемых с их помощью файлов. Соответственно возникает потребность в пропорциональном увеличении пропускной способности линий связи. В итоге это заметно ускорило процесс эволюции сетевых технологий: не успел окончательно прижиться стандарт 100BaseT, как ему на смену подоспел новый класс локальных сетей, позволяющих передавать информацию со скоростью до гигабита в секунду. Эти сети получили обозначение1000BaseT и альтернативное название Gigabit Ethernet.
В архитектуре сетей1000BaseT используется топология «звезда» на базе высококачественного кабеля «витая пара» категории 5, в котором задействованы все восемь жил, причем каждая из четырех пар проводников используется как для приема, так и для передачи информации. По сравнению с технологией 100BaseT, несущая частота в сетях1000BaseT увеличена вдвое, благодаря чему достигается десятикратное увеличение пропускной способности линии связи. При переходе от стандарта 10BaseT или 100BaseT к 1 OOOBaseT особые требования предъявляются к качеству монтажа сетевых розеток и разъемов: если сеть проложена в полном соответствии с существующими стандартами, она, скорее всего, сможет обеспечить требуемую скорость передачи данных, если же монтаж был выполнен с отклонениями от требований спецификации Ethernet, возникающие в соединениях помехи не позволят добиться расчетных характеристик. Как и в более ранних классах сетей XBaseT, длина одного сегмента Gigabit Ethernet не должна превышать 100 м.
Стандарт1000BaseT был официально подтвержден Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) в 1999 году, и включен в спецификацию IEEE 802.3. В настоящее время оборудование для данного типа сетей выпускается несколькими независимыми производителями компьютерного «железа».

Устройства switch в сетях 10BaseT

Одновременно с разработкой новых, более высокоскоростных технологий передачи данных, перед производителями компьютерного оборудования по-прежнему стояла задача найти какие-либо способы увеличения производительности локальных сетей Ethernet старого образца, минимизировав при этом как финансовые затраты на приобретение новых устройств, так и технологические затраты на модернизацию уже имеющейся сети. Поскольку класс 10Base2 был единодушно признан всеми разработчиками «вымирающим», эксперты сосредоточились на технологии 10BaseT. И подходящее решение вскоре было найдено.
Как известно, стандарт Ethernet подразумевает использование алгоритма широковещательной передачи информации. Это означает, что в заголовке любого пересылаемого по сети блока данных присутствует информация
о конечном получателе этого блока, и программное обеспечение каждого компьютера локальной сети, принимая такой пакет, всякий раз анализирует его содержимое, пытаясь «выяснить», стоит ли передать данные протоколам более высокого уровня (если принятый блок информации предназначен именно этому компьютеру) или ретранслировать его обратно в сеть (если блок данных направляется на другую машину). Уже одно это заметно замедляет работу всей локальной сети. А если принять во внимание тот факт, что устройства, используемые в качестве центрального модуля локальных сетей с топологией «звезда» - концентраторы, или хабы - обеспечивают не параллельную, а последовательную передачу данных, то мы обнаруживаем еще одно «слабое звено», которое не только снижает скорость всей системы, но и нередко становится причиной «заторов» в случаях, когда, например, на один и тот же узел одновременно отсылается несколько потоков данных от разных компьютеров-отправителей. Если возложить задачу первоначальной сортировки пакетов на хаб, то эту проблему можно было бы частично решить. Что и было проделано. Так появилось на свет устройство, впоследствии названное switch, или коммутатор. Switch полностью заменяет в структуре локальной сети 10BaseT хаб, да и выглядят эти два устройства практически одинаково, однако принцип работы коммутатора имеет целый ряд существенных различий. Основное различие заключается в том, что встроенное в switch программное обеспечение способно самостоятельно анализировать содержимое пересылаемых по сети блоков данных и обеспечивать прямую передачу информации между любыми двумя из своих портов независимо от всех остальных портов устройства. Давайте проиллюстрируем эту ситуацию на простом примере (рис. 3.6). Предположим, у нас имеется switch, оснащенный 16 портами. К порту 1 подключен компьютер А, который передает некую последовательность данных компьютеру С, присоединенному к 16-му порту. В отличие от хаба, получив этот пакет данных, switch не ретранслирует его по всем имеющимся в его распоряжении портам в надежде, что рано или поздно он достигнет адресата, а проанализировав содержащуюся в пакете информацию, передает его непосредственно на 16-й порт. В то же самое время на порт 9 коммутатора приходит блок информации из другого сегмента локальной сети 10BaseT, подключенного к устройству через собственный хаб. Поскольку этот блок адресован компьютеру В, он сразу отправляется на порт 3, к которому тот присоединен. Следует понимать, что эти две операции switch выполняет одновременно и независимо друг от друга. Очевидно, что при наличии 16 портов мы можем одновременно направлять через switch 8 пакетов данных, поскольку порты задействуются парами. Таким образом, суммарная пропускная способность данного устройства составит 8 х 10 = 80 Мбит/с,
что существенно ускорит работу сети, в то время как на каждом отдельном подключении сохранится стандартное значение 10 Мбит/с. Другими словами, при использовании коммутатора мы уменьшаем время прохождения пакетов через сетевую систему, не увеличивая фактическую скорость соединения.

Рис. 3.6. Принцип работы устройства switch

Репитеры (повторители)

Ранее уже упоминалось о том, что в локальных сетях любого класса предусмотрены жесткие ограничения на длину участка сети между двумя точками подключения. Данные ограничения связаны, прежде всего, с коэффициентом затухания сигнала в линии передачи данных, который не должен превышать определенного порогового значения: в противном случае уверенный прием информации станет невозможен. Больше всего в этом случае выигрывают сети, построенные с применением линий из оптического волокна. Поскольку коэффициент затухания в этой среде очень мал, оптоволоконный кабель можно прокладывать на значительные расстояния без потери качества связи. Вместе с тем, упомянутый способ объединения удаленных сегментов LAN в единую систему достаточно дорог. Как быть, если на каком-либо предприятии эксплуатируется стандартная локальная сеть с пропускной способностью в 10 Мбит/с, отдельные участки которой, например сеть бухгалтерии и склада, находятся на значительном удалении друг от друга, а перед руководством фирмы возникла необходимость объединить их между собой? Здесь нам на помощь приходят специальные устройства, называемые репитерами или повторителями.
Репитеры оснащены как минимум двумя, а иногда и большим числом сетевых портов с одним из стандартных интерфейсов, и присоединяются они непосредственно к локальной сети на максимально допустимом-расстоянии от ближайшей точки подключения (для сетей класса 10BaseT оно составляет 100 м). Получив сигнал с одного из своих портов, репитер формирует его заново с целью исключить любые потери и искажения, произошедшие в процессе его передачи, после чего ретранслирует результирующий сигнал на все остальные порты. Таким образом, при прохождении сигнала через репитер происходит его усиление и очистка от посторонних помех. В некоторых случаях повторитель выполняет также функцию разделения ретранслируемых сигналов: если на одном из портов постоянно фиксируется поступление данных с ошибками, это означает, что в сегменте сети, подключенном через данный порт, произошла авария, и репитер перестает принимать сигналы с этого порта, чтобы не передавать ошибки всем остальным сетевым сегментам, то есть не транслировать их на всю сеть.
Вместе с тем при практическом использовании репитеров вступают в силу достаточно жесткие правила, регламентирующие их число и расположение в локальной сети. Основной недостаток повторителей заключается в том, что в момент прохождения сигналов через это устройство происходит заметная задержка при пересылке данных. Протоколы канального уровня Ethernet, использующие стандарт CSMA/CD, отслеживают сбои в процессе передачи информации, и если коллизия была зафиксирована, передача повторяется через случайный промежуток времени. В случае если число репитеров на участке между двумя компьютерами локальной сети превысит некоторое значение, задержки между моментом отправки и моментом приема данных станут настолько велики, что протокол попросту не сможет проконтролировать правильность пересылки данных, и обмен информацией между этими компьютерами станет невозможен. Отсюда возникло правило, которое принято называть «правилом 5-4-3». Формулируется оно следующим образом: на пути следования сигнала в сети Ethernet не должно встречаться более 5 сегментов и более 4 репитеров, причем только к 3 из них могут быть подключены конечные устройства (рис. 3.7, а).
При этом в целом в локальной сети может присутствовать более 4 повторителей, правило регламентирует только количество репитеров между двумя
любыми точками подключения. В некоторых случаях повторители устанавливают парами и объединяют между собой проводом, в этом случае между двумя компьютерами в сети не может присутствовать более двух таких пар (рис. 3.7, б).

Ethernet (читается эзернет , от лат. aether - эфир) - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных
.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат
кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном
описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине
90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История создания

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на
технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs)
издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных
вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать
стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал
соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

Технология

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды
используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический
кабель.

Причинами перехода на были:

• возможность работы в дуплексном режиме;
• низкая стоимость кабеля «витой пары»;
• более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
• большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;
• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
• отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на ) - множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи
данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы
полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в
одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации
физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала
может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако
сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения
предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.
Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во
всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных,
используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего
соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под
партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet
10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт
Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
Ранние модификации Ethernet

• Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
• 10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется
  в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
• 1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

• 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
• 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой
  карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом
  конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
• StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с.

В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем
двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в
отличие от работы с . Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда»,
в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по
витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

• 10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.
• FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
• 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
• 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
• 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
• 10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогдане применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

• 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных . Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
• 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10
  километров
• 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух
  видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской
  буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик
  на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.

Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с)

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
• 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications
  Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня
  дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6
  (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX)
  Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует
  раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию
  приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы
  цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления
  и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для
  стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX
  может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано
  продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может
  использовать более простую электронику.
• 1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 550 метров.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 5 километров.
• 
  
  используется.
• 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель
  с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не
  используется.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 100 километров.

10-гигабитный Ethernet

Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и
WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию
стандарта IEEE 802.3.

• 10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
• 10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в
  зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300
  метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
• 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
  волокна.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров
  соответственно.
• 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый
  по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR,
  10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
• 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует
  экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

сеть малоперспективной для решения технологических задач реального времени. Определенные проблемы иногда создает ограничение на максимальное поле данных, равное ~1500 байт .

Выбор длины поля данных диктовался уровнем ошибок (BER) для технологий, существовавших на момент разработки стандарта Ethernet .

Первоначально в качестве среды передачи данных использовался толстый коаксиальный кабель (Z = 50 Ом ), а подключение к нему выполнялось через специальные устройства (трансиверы). Позднее сети начали строиться на основе тонкого коаксиального кабеля. Но и такое решение было достаточно дорогим. Разработка дешевых широкополосных скрученных пар и соответствующих разъемов открыла перед Ethernet широкие перспективы. Те, кому приходилось работать с коаксиальными кабелями Ethernet , знают, что при подсоединении или отсоединении разъема можно получить болезненные удары тока. Для скрученных пар это исключено. Но и эта технология не вечна: скрученные пары мало-помалу уступают свои позиции оптоволоконным кабелям.

Для разного быстродействия Ethernet используются разные схемы кодирования, но алгоритм доступа и формат кадра остается неизменным, что гарантирует программную совместимость .

Однако наличие сотен миллионов интерфейсов Ethernet является серьезным препятствие замены стандарта на более совершенный.

16.1. Архитектура сетей Ethernet

Многие современные физические сетевые среды используют последовательный формат передачи информации. К этой разновидности относится и Ethernet . Фирма "Ксерокс" осуществила разработку протокола Ethernet в 1973 году, а в 1979 году объединение компаний Xerox, Intel и DEC (DIX) предоставило документ для стандартизации протокола в IEEE . Предложение с небольшими изменениями было принято комитетом 802.3 в 1983 году. Кадр Ethernet в современном стандарте имеет формат, показанный на рис. 16.1 .

Рис. 16.1.

Поле преамбула содержит 7 байт 0хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды (чередующиеся сигналы CD1 и CD0 при завершающем CD0), далее следует поле SFD (Start Frame Delimiter = 0xAB), которое предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD ( End Frame Delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC - Cyclic Redundancy Check ), так же как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле EFD не применяется. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация , включительно. После CRC и EFD следует межпакетная пауза (IPG - InterPacket Gap – межпакетный интервал ) длиной 96 бит -тактов (9,6 мкс для 10-мегабитного Ethernet ) или более. Максимальный размер кадра равен 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Интерфейс просматривает все пакеты, следующие по кабельному сегменту, к которому он подключен: ведь определить, корректен ли принятый пакет и кому он адресован, можно лишь приняв его целиком. Корректность пакета по CRC , по длине и кратности целому числу байт определяется после проверки адреса места назначения. Вероятность ошибки передачи при наличии CRC -контроля составляет ~2 -32 . При вычислении CRC используется образующий полином R(x) :

R(x) = x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 .

Алгоритм вычисления CRC сводится к вычислению остатка от деления кода M(x) , характеризующего кадр , на образующий полином R(x) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specification. Published by IEEE 802.3-1985. Wiley-Interscience, John & Sons, Inc .). CRC представляет собой дополнение полученного остатка R(x) . CRC вычисляется сетевым интерфейсом и пересылается, начиная со старших разрядов.

Для пересылки данных в сети (быстродействием <1 Гбит/с) используется манчестерский код , который служит как для передачи данных, так и для синхронизации. Каждый бит -символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению к первой. В первой половине кодируемый сигнал представлен в логически дополнительном виде, а во второй – в обычном. Таким образом, сигнал логического 0 – CD0 характеризуется в первой половине уровнем HI (+0,85 В) , а во второй - LO (-0,85 В) . Соответственно сигнал CD1 характеризуется в первой половине бит -символа уровнем LO , а во второй – HI . Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании представлены на рис. 16.2 . Верхний уровень сигнала соответствует +0,85 В , нижний - -0,85 В .

Рис. 16.2.

Минимальная длительность пакета в Ethernet определяется тем, что отправитель должен узнать о столкновении пакетов, если оно произошло, раньше, чем закончит передачу кадра. При этом длительность передаваемого пакета должна быть больше удвоенного максимального времени распространения кадра до самой удаленной точки сетевого сегмента.

Здесь подразумевается сегмент, образуемый кабелями и повторителями. Минимальная длительность кадра, равная 64 байтам, была определена для конфигураций 10 Мбит/c сети с четырьмя повторителями и 500-метровыми кабельными сегментами. Наибольший вклад в задержку вносят повторители (если они используются).

Если размер пакета меньше 64 байт , добавляются байты-заполнители, чтобы кадр в любом случае имел соответствующий размер. При приеме контролируется длина пакета, и если она превышает 1518 байт , пакет считается избыточным и обрабатываться не будет. Аналогичная судьба ждет кадры короче 64 байт . Любой пакет должен иметь длину, кратную 8 бит ( целое число байт ). Если в поле адресата содержатся все единицы, адрес считается широковещательным, то есть обращенным ко всем рабочим станциям локального сегмента сети.

При подключении ЭВМ к сети непосредственно с помощью переключателя ограничение на минимальную длину кадра теоретически снимается. Но работа с более короткими кадрами в этом случае станет возможной лишь при замене сетевого интерфейса на нестандартный (причем как у отправителя, так и получателя) !

Пакет Ethernet может нести от 46 до 1500 байт данных. Формат MAC -адреса получателя или отправителя показан на рис. 16.3 .

Рис. 16.3.

В верхней части рисунка указана длина полей адреса, в нижней – нумерация разрядов. Субполе I/G представляет собой флаг индивидуального или группового адреса. I/G=0 – указывает на то, что адрес является индивидуальным адресом сетевого объекта. I/G=1 характеризует адрес как мультикастинговый, в этом случае дальнейшее разбиение адреса на субполя теряет смысл. Мультикастинговые адреса позволяют обращаться сразу к нескольким станциям в пределах субсети. Субполе U/L является флагом универсального или местного управления (определяет механизм присвоения адреса сетевому интерфейсу). U/L=1 указывает на локальную адресацию ( адрес задан не производителем и ответственность за уникальность лежит на администраторе LAN или на пользователе). U/L=I/G=0 характерно для стандартных уникальных адресов, присваиваемых интерфейсу его изготовителем. Субполе OUI (Organizationally Unique Identifier ) позволяет определить производителя сетевого интерфейса. Каждому производителю присваивается один или несколько OUI . Размер субполя позволяет идентифицировать около 4 миллионов различных производителей. За корректность присвоения уникального адреса интерфейса (OUA – Organizationally Unique Address) несет ответственность производитель. Двух интерфейсов одного и того же производителя с идентичными номерами не должно существовать. Размер поля позволяет произвести примерно 16 миллионов интерфейсов. Комбинация OUI и OUA составляют UAA (Universally Administrated Address = IEEE - адрес ).

Если в поле кадра протокол/тип записан код менее 1500, то это поле характеризует длину кадра. В противном случае – это код протокола, пакет которого инкапсулирован в поле данных кадра.

Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию "несущей" в течение 96 бит -тактов. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями . Столкновение ( коллизия ) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мксек, но не превосходящей 52 мс), значение которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (T= RAND(0,2 min(N,10) ), где N – содержимое счетчика попыток, а число 10 - backoffLimit).

Обычно после столкновения время разбивается на ряд дискретных доменов с длиной, равной удвоенному времени распространения пакета в сегменте ( RTT ). Для максимально возможного RTT это время равно 512 бит -тактам. После первого столкновения каждая станция ждет 0 или 2 временного домена, прежде чем совершить еще одну попытку. После второго столкновения каждая из станций может выждать 0, 1, 2 или 3 временного домена и т.д. После n-го столкновения случайное число лежит в пределах 0 – (2 n – 1) . После 10 столкновений максимальное значение случайной выдержки перестает расти и остается на уровне 1023 .

Теперь рассмотрим поведение сети при наличии k станций, готовых к передаче. Если некоторая станция осуществляет передачу во время домена доступа с вероятностью p , вероятность того, что станция захватит канал, равна:

Достигает максимума при . при . Среднее число доменов на один доступ равно 1/А . Так как каждый домен имеет протяженность RTT , то средняя длительность времени доступа составит RTT/A . Если среднее время передачи кадра составляет P секунд, то при большом числе станций, готовых к передаче, эффективность канала составит P/(P+RTT/A) .

Таким образом, чем длиннее кабельный сегмент, тем больше среднее время доступа .

После выдержки при столкновении станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16; если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение (о недоступности). При этом передаваемый кадр будет безвозвратно потерян.

Длинный кадр способствует "синхронизации" начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций. В момент, когда они обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG . К счастью, информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал "затора" ( JAM - не менее 32 бит ). Содержимое этих 32 бит не регламентируется. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение . Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля или неисправность одного из интерфейсов. Но сами

– технология локальных сетей, отвечающая за передачу данных по кабелю, доступную для устройств компьютерных и промышленных сетей. Данная технология располагается на канальном (подуровни LLC и MAC) и физическом уровнях модели OSI.

Классификация Ethernet

По скорости передачи данных существуют такие технологии:

1. Ethernet – 10 Мб/с
2. Fast Ethernet – 100 Мб/с
3. Gigabit Ethernet – 1 Гб/с
4. 10G Ethernet – 10 Гб/с

Современное оборудование позволяет достигать скорости в 40 Гб/с и 100 Гб/с: такие технологии получили название 40GbE и 100GbE соответственно.

Также стоит выделить классический и коммутируемый Ethernet. Первый изначально использовал разделяемую среду в виде коаксиального кабеля, который позже был вытеснен концентраторами (hub). Основные недостатки – низкая безопасность и плохая масштабируемость (искажение данных при одновременной передаче 2-мя и более компьютерами, также известное как «коллизия»).

Коммутируемый Ethernet является более новой и усовершенствованной технологией, которая используется по сей день. Чтобы устранить недостатки предыдущей версии, разделяемую среду исключили и использовали соединение точка-точка. Это стало возможным благодаря новым устройствам под названием «коммутаторы» (switch).

Классическая технология Ethernet давно и успешно заменена новыми технологиями, но некоторые нюансы работы сохранились. Рассмотрим классическую версию.

Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных. Это:

• коаксиальный кабель
• витая пара
• оптоволокно

Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, что ничем не отличаются для различных сред передачи данных. Подуровни LLC и MAC в классической технологии присутствуют вместе.

MAC-адреса позволяют идентифицировать устройства, подключенные к сети Ethernet, и идентичных при этом быть не должно, в противном случае из нескольких устройств с одинаковыми адресами будет работать только одно.

По типам MAC-адреса разделяются на:

• Индивидуальные (для отдельных компьютеров).
• Групповые (для нескольких компьютеров).
• Широковещательные (для всех компьютеров сети).

Адреса могут назначаться как производителем оборудования (централизованно), так и администратором сети (локально).

Технология Ethernet и формат кадра:

Также не стоит забывать о коллизиях. Если сигнал, который принят, отличается от переданного, это означает, что произошла коллизия.

Технология CSMA/CD разработана с учетом возникновения коллизий и предполагает их контроль. Модель CSMA/CD выглядит следующим образом:

Классический Ethernet плох тем, что становится неработоспособным при нагрузке более чем 30%.

Коммутируемый Ethernet

На сегодняшний день это наиболее оптимальная альтернатива, которая полностью исключает возможность появления коллизий и связанных с ними проблем.

Суть коммутируемого Ethernet в том, что вместо хаба используется свич (коммутатор) – устройство, которое работает на канальном уровне и обладает полносвязной топологией, что обеспечивает соединение всех портов друг с другом напрямую по технологии точка-точка.

Таблицы коммутации есть в каждом таком устройстве. Они описывают, какие компьютеры к какому порту свича подключены. Чтобы узнать MAC-адреса, используется алгоритм обратного обучения, а для передачи данных – алгоритм прозрачного моста.

Простейшая таблица коммутации:

Алгоритм обратного обучения работает таким образом: коммутатор принимает кадры, анализирует заголовок и извлекает из него адрес отправителя. Таким образом, к определенному порту подключен компьютер с конкретным MAC-адресом.

Прозрачный мост не требует настройки и так назван за счет того, что он не заметен для сетевых устройств (у него нет своего MAC-адреса). Коммутатор принимает кадр, анализирует заголовок, извлекает из него адрес получателя и сопоставляет его с таблицей коммутации, определяя порт, к которому подключено устройство. Таким образом, кадр передается на конкретный порт получателя, а не на все порты, как в случае с концентратором. Если же адрес не найден в таблице, коммутатор работает так же, как и хаб.

Итоги

Технология Ethernet претерпела немало изменений с момента своего появления. Сегодня она способна обеспечить высокоскоростное соединение, лишенное коллизий и не ограниченное небольшой нагрузкой сети, как это было в случае с классическим Ethernet.

В современных локальных сетях используются коммутаторы, которые по своей функциональности значительно эффективнее концентраторов. Больше нет разделяемой среды и связанных с ней коллизий, затрудняющих работу с сетью. Свичи анализируют заголовки и передают кадры только конечному получателю по принципу точка-точка. Способны «изучать» сеть благодаря таблице коммутации и алгоритму обратного обучения.

Плюсами коммутируемого Ethernet являются масштабируемость, высокая производительность и безопасность.