Основы Ethernet-сетей

1.1. Общие сведения о технологии Ethernet

Стандартизацией технологий локальных сетей занимается Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, или, сокращенно IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Стандарты, разрабатываемые этой организацией, имеют определенную нумерацию.

Группа стандартов, имеющих отношение к локальным сетям, имеет номер 802 – по номеру рабочей группы, которая еще в 80-х годах начала заниматься стандартизацией ЛВС. Сегодня в группу 802 входит множество подгрупп, среди которых можно отметить IEEE 802.3, занимающуюся разработкой стандартов Ethernet -сетей, использующих метод доступа к среде CSMA/CD.

Технология Ethernet получила свое название благодаря своему создателю – Роберту Меткалфу. Он и его коллеги занимались работой над сетевыми технологиями в одной из лабораторий Xerox больше тридцати лет тому назад.

1.1.1. Общие характеристики сети 100Base-TX, Gigabit Ethernet

В качестве сред передачи данных разные версии Ethernet используют коаксиальный кабель, витую пару и оптоволокно. Сети на коаксиале морально устарели (хотя они все еще существуют), оптоволокно (наилучший по скорости и помехоустойчивости вариант) слишком дорого для широкого распространения, а витая пара стала самой распространенной средой передачи данных для локальных сетей.

Группа спецификаций IEEE 802.3 включает в себя немало стандартов, среди которых мы отметим несколько.

100Base-TX – наиболее актуальный для небольших локальных сетей. Эту технологию называют еще Fast Ethernet или 100 Mbit- Ethernet. Данное наименование может относиться и к другим реализациям Ethernet, но здесь под Fast Ethernet мы подразумеваем именно 100Base-TX.

Пропускная способность такой сети равняется 100 Мбит/с, в качестве среды передачи данных используется витая пара – в частности, для небольших локальных сетей наиболее актуально применение неэкранированной витой пары 5-й категории, так же возможно использование экранированной витой пары.

Gigabit Ethernet – гигабитный Ethernet – локальная сеть с пропускной способностью 1000 Мбит/с. Оборудование для этого вида Ethernet -сетей пока еще достаточно дорого, хотя вполне доступно. Существуют несколько вариантов Gigabit Ethernet - 1000Base-X, 1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-CX, 1000Base-T. В качестве физической среды передачи данных он может использовать ту же витую пару 5-й категории, что и Fast Ethernet, однако для подобной сети лучше всего подходят оптоволоконные линии связи.

1.1.2. Пропускная способность локальной сети

Пропускной способностью называется скорость передачи данных по линии связи. Единица измерения пропускной способности сети – бит в секунду. Существуют и альтернативные единицы измерения – например – пакет в секунду. Бит, как наименьшая единица информации, может принимать всего два значения – единица или ноль. Современные линии связи позволяют достигать очень высоких скоростей передачи данных и для удобства используют производные единицы измерения скорости – килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и так далее.

"Сетевые" килобиты и мегабиты соответствуют традиционным метрическим величинам, принятым в других отраслях науки. То есть 1 Кбит/с соответствует 1000 Бит/с.

Для многих из нас удобнее работать с обычными "компьютерными" единицами количества информации, чем с метрическими. Для того, чтобы перейти от мегабитов и килобитов к мегабайтам и килобайтам нужно руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, один байт равен восьми битам, а во-вторых, килобайт равен 1024 байтам, мегабайт 1024 килобайтам и так далее. То есть для того, чтобы перевести пропускную способность 100-мегабитной линии связи в мегабайты надо найти количество байтов, соответствующее 100 мегабитам и два раза разделить полученное значение на 1024. Считаем. 100 Мбит/с – это 100 000 000 Бит/с или 12 500 000 Байт/с (100 000 000/8). Теперь переходим к килобайтам в секунду. 12 500 000/1024=12207 Кб/с. Делим полученное значение в килобайтах на 1024 и получаем 11,9 Мб/с. Получается, что 100 Мбит/с – это примерно 12 Мбайт/с.

Говоря о пропускной способности линии связи надо учитывать, что она редко достигает максимальных для какой-либо технологии значения по причинам помех в линиях связи, ошибок в работе оборудования и так далее. Так же надо учитывать, что часть пропускной способности тратится на передачу служебной информации – в результате, например, линия связи с теоретической пропускной способностью в 12 Мбайт/с может передавать полезные данные со скоростью на несколько Мбайт/с меньшей, чем эта величина.

Прежде чем говорить о других свойствах сети, обсудим метод доступа к среде передачи данных, который в ней используется.

1.1.3. CSMA/CD

Выше мы упоминали метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD, который используется в Ethernet -сетях.

CSMA/CD расшифровывается как Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection - метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий. CSMA/CD используется в сетях с общей средой передачи данных – в случае с Ethernet – это кабель. Все компьютеры, подключенные к сети, могут принимать сигналы друг от друга, но одновременно обмениваться данными могут лишь два компьютера.

Для того, чтобы лучше понять, как же работает метод доступа CSMA/CD, попытаемся представить себе небольшую Ethernet -сеть из 8 компьютеров в виде комнаты, где разместились 8 человек, которые хотят пообщаться. Среда передачи данных – это воздух комнаты, посредством которого распространяются звуки, произносимые людьми. Одновременно могут общаться лишь два человека – если в маленькой комнатке одновременно начнут разговаривать несколько человек – да еще и в полный голос – всем придется туго – разобрать кто что сказал станет довольно сложно. А если в разговор двух людей случайно вклинится еще кто-нибудь – разговора может и не получиться – слова будут заглушены нежданным собеседником, их придется повторять или даже начинать разговор заново. Но в нашей воображаемой комнате существуют правила – двое могут непрерывно общаться лишь определенное время, замолкая после этого и давая возможность поговорить другим.

Точно так же и в случае с CSMA/CD – когда два компьютера общаются, остальные молчат. Когда эти компьютеры замолкают, другие могут начать разговор. Причем, в сети возможны исключительные ситуации – так называемые коллизии. Они случаются, например, если два компьютера одновременно начали передачу данных другим компьютерам. Сигналы в сети смешиваются, и на короткое время в сети возникает "молчание", после которого опять начинается передача данных. Понятно, что если в сети будет неисправная сетевая карта, которая будет непрерывно посылать в сеть сигналы (ее можно сравнить с участником вышеописанной беседы, который без остановки что-то кричит), работа сети будет остановлена.

Это очень упрощенное описание CSMA/CD, которое, однако, дает достаточно полное представление об этом методе доступа к среде и об особенностях работы Ethernet -сети. А теперь давайте рассмотрим еще некоторые характеристики Ethernet -сети.

1.1.4. Ограничения стандарта 100Base-TX

Стандарт 100Base-TX имеет определенные ограничения на структуру сети, построенной в соответствии с ним.

В частности, стандарт вводит ограничение на длину сегмента сети в 100 метров (на самом деле эта длина ограничена 94 метрами, но мы здесь и далее будем использовать круглую цифру 100). То есть, вы можете подключить к коммутатору несколько компьютеров кабелями, длина каждого из которых составляет 100 метров.

В стандарте существует такое понятие, как домен коллизий – сегмент сети, все узлы которого способны распознать коллизию независимо от места в сети, где она произошла. Именно для того, чтобы узлы могли правильно распознавать коллизии, и вводится ограничение на длину кабелей.

1.2. Топологии локальных сетей

Топология – это способ связи нескольких компьютеров в сеть.

Простейшая топология локальной сети – это связь двух компьютеров. Такую сеть можно организовать и по стандартам Ethernet, соединив сетевые карты двух машин особым образом разведенным кабелем.

Итак, простейшая топология – это одна связь, соединяющая два узла сети. На такую топологию похожа кольцевая топология, все узлы которой соединены в кольцо. Данные в такой сети обычно передаются от компьютера к компьютеру в одном направлении. Еще одна топология носит название общая шина. Она свойственна устаревшим Ethernet -сетям, построенным на основе коаксиального кабеля.

В настоящий момент наибольшее распространение получила топология "звезда" (рис. 1.1.) - актуальна она и для Ethernet -сетей. В центре "звезды" находится хаб ( коммутатор, концентратор, повторитель) от которого отходят провода, соединяющие его с компьютерами.

Рис. 1.1. Топология "звезда"

Звездообразная топология отличается от шинной повышенной надежностью. Если какая-нибудь связь в шинной топологии будет повреждена, то сеть будет разбита на два независимых сегмента. А повреждение кабеля при звездообразной организации сети ведет лишь к отключению от коммутатора одного из компьютеров.

Надо отметить, что коммутаторы (а также маршрутизаторы) могут объединяться, образуя таким образом топологию "иерархическая звезда" - несколько обычных "звезд", соединенных линиями связи.

Существуют и другие топологии. Например, для глобальных сетей характерна ячеистая топология, когда от одного узла сети связи могут идти к нескольким другим. Полный вариант ячеистой топологии – это полносвязная топология – когда каждый из узлов сети имеет интерфейсы для связи со всеми остальными.