Стандарты сетевого интерфейса

CSMA/CD в совместно используемой среде Ethernet

Первоначально Ethernet использовал среду совместно используемого коаксиального кабеля, который присоединялся к каждой машине в сети. Это можно видеть на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Небольшая сеть Ethernet

Для осуществления коммуникации был разработан процесс, называемый множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD). Этот процесс предоставляет для всех устройств в сети простой метод совместного использования среды для коммуникации. CSMA/CD для каждого узла работает следующим образом:

Основной процесс

1. Кадр готов для передачи
2. Проверка, что среда свободна. Если нет, ожидание, пока освободится.
3. Начало передачи
4. Проверка, что произошел конфликт. Если произошел, переход к Процессу конфликта.
5. Окончание успешной передачи

Процесс конфликта

1. Продолжение передачи на короткий период времени для создания конфликта.
2. Остановка и ожидание в течение случайного периода времени.
3. Повторение основного процесса.

Обычной аналогией является обеденный стол с несколькими сидящими вокруг него людьми. Они совместно используют общую среду (воздух) для коммуникации. Чтобы начать говорить, каждый человек должен подождать, пока закончит текущий оратор. Если два человека начинают говорить одновременно, каждый останавливается и ждет в течение небольшого, случайного интервала времени, прежде чем попытаться заговорить снова. При выборе случайного времени менее вероятно возникновение другого конфликта.

Недостаток такой процедуры состоит в том, что любой кадр, отправленный в среду, будет получен всеми узлами, соединенными со средой. Это создает риск безопасности для среды Ethernet с общим доступом. Также использование одной среды означает, что полоса пропускания используется совместно. Это создает замедление, когда много устройств пытается использовать среду одновременно.

Сегментация, мосты, и маршрутизаторы

Когда число устройств Ethernet в одной среде передачи увеличивается, сеть сталкивается с проблемами перегрузки. Перегрузка создает больше конфликтов и уменьшает число успешных передач. Сегментация является разбиением одного сегмента на несколько сегментов для снижения нагрузки. Но это решение создает другую проблему коммуникации между сегментами. Здесь на помощь приходят мосты и маршрутизаторы.

Мосты используются для соединения двух или большего количества сегментов в сети. Они посылают и получают передачи как любой другой узел в сети, но отличаются двумя особенностями. Прежде всего, они не порождают никаких собственных кадров, а второе состоит в том, как они соединяют сегменты, с которыми соединяются. На рисунке 4.3, если компьютер А должен послать кадр, то мост получит кадр и проверит его. Только если узлом места назначения будет C или D, он перешлет кадр в сегмент 2. Кроме того, фильтруя, когда понадобится, пакеты, мост делает возможным для станции А пересылку на станцию В одновременно с передачей со станции С на станцию D, позволяя двум разговорам происходить одновременно.

Рис. 4.3. Соединение двух сегментов с помощью моста Ethernet

Важная характеристика работы моста состоит в том, что он пересылает широковещательные сообщения Ethernet во все присоединенные сегменты. Такое поведение необходимо, так как широковещательные сообщения Ethernet являются специальным сигналом, который необходимо послать в каждый узел сети, но это может создавать проблемы для сетей с мостами, которые становятся очень большими. Когда большое число станций осуществляет широковещательную передачу в сети с мостами, нагрузка может возрастать до того же уровня, что и в сети без мостов.

Маршрутизаторы предоставляют альтернативное решение этой проблемы. Маршрутизаторы являются развитыми сетевыми компонентами, которые делят одну сеть на две логически разделенные сети. В то время как широковещательные сообщения Ethernet проходят мосты, чтобы дойти до каждого узла в сети, они не проходят через маршрутизаторы, так как маршрутизатор формирует логическую границу для сети.

Сетевой протокол TCP/IP

TCP/IP является семейством коммуникационных протоколов, названным в соответствии с основными протоколами в этой группе: Протокол управления передачей (TCP) и Межсетевой протокол (IP). В 1973 г. начались первые работы над тем, что должно было стать множеством протоколов TCP/IP. Цель проекта состояла в разработке множества программных протоколов, которые могли позволить любой системе соединяться с любой другой системой, независимо от используемой сетевой топологии.

Создание и широкое распространение пакета TCP/IP произвело существенное изменение в работе с сетями компьютеров. До появления TCP/IP сети использовали аппаратные системы для отправки данных через сеть. Это означало, что все данные должны были проходить через центральный центр обработки для проверки, прежде чем их можно было отправить к окончательному месту назначения. TCP/IP позволил отдельным узлам общаться непосредственно с любым другим узлом в сети. Преимущество такой конструкции состоит в том, что она позволяет устройствам преодолеть большую часть их аппаратной несовместимости и существенно увеличить доступность приложений и ресурсов.

Конструкция пакета TCP/IP основывается на идее инкапсуляции данных для различных уровней использования. TCP/IP делится примерно на четыре слоя следующим образом:

1. Прикладные протоколы – HTTP, SMTP, SSH, и т.д.
2. Транспортные протоколы – TCP, UDP
3. Протоколы сетевой коммуникации – IP
4. Сетевая топология – Ethernet, Wi-Fi, Token Ring, и т.д.

Слои предоставляют абстракцию, которая позволяет нижним слоям предоставлять базовые службы, в то время как более высокие слои выполняют более сложные функции. Как можно видеть на рисунке 4.4 ниже, каждый нижний слой инкапсулирует информацию из слоя над ним. Когда информация в определенном слое достигает своего места назначения, заголовки удаляются и данные передаются в следующий слой. Например, когда кадр достигает своего узла назначения, инкапсуляция кадра удаляется и передается в декодер IP.

Рис. 4.4. Слои сетевых протоколов

Прикладные протоколы

Прикладные протоколы обрабатывают то, что посылает и получает пользователь. Прикладной слой является самым высоким слоем в пакете TCP/IP. Он используется в основном программами для конечных пользователей и сетевой коммуникации. В этом слое данные форматируются для специальных протоколов. Например, большинство данных Web-страниц будут использовать Протокол передачи гипертекста (HTTP). После форматирования данных они инкапсулируются в протокол транспортного уровня и передаются вниз по иерархии TCP/IP.

Транспортные протоколы

Транспортные протоколы выполняют передачу сообщений от начала до конца, независимо от нижележащих сетевых соединений. Транспортный слой соединяет приложения и обеспечивает управление потоком, контроль ошибок, и управление сеансами.

Двумя основными транспортными протоколами являются TCP и Протокол дейтограмм пользователя (UDP). TCP предоставляет протокол "ориентированный на соединение", в высшей степени контролируемый и надежный. TCP пытается поддерживать надежный поток байтов, гарантируя, что данные прибывают по порядку, дублирующие данные отбрасываются, а потерянные пакеты пересылаются снова. UDP протокол "без соединения", который предоставляет систему негарантированной доставки. UDP использует только простой алгоритм контрольной суммы для обнаружения ошибок. UDP используется в основном для таких приложений, как потоковое медиа, где своевременная доставка более важна, чем надежность.

Протоколы сетевой коммуникации

Протоколы сетевой коммуникации представлены IP. IP пересылает пакеты данных из узла источника в узел назначения. Каждому устройству присваивается уникальный 32-битный IP-адрес. Устройства в одной подсети совместно используют верхние адресные биты. IP отвечает за отслеживание адресов устройств в сети, определения, как должны быть доставлены дейтограммы IP, и отправку пакетов IP из одного узла в другой. IP предоставляет только негарантированную доставку пакетов, и не делает никакого контроля ошибок или отслеживания.

Сетевая топология

Сетевая топология является просто каналом, соединяющим узлы в сети. Это физическая среда, которая предоставляет базовый слой для перемещения TCP/IP. Этот слой состоит из кабелей, сетевых плат, концентраторов, повторителей, и других устройств соединения.