Базовые сетевые технологии

                                          ______________________

                                        /-\     ___________      \

                                    ___/_  \    \          \      |

        центральный провод       /--\    \  \    \          \     |

                         \      /    \    |  |   |          |     |

                         -------|--  |    |  |   |----------|     |

                              __\    /    |  |   |  |       |     |

        металлическая оплетка/   \--/_____/  /   /  |       /     |

                                        \   /   /___|______/      |

                                         \-/________|____|_______/

                                                    |    |

                                (a)            ---------------

                                               |             |

                                               |  трансивер  |

                (b)                            |             |

                                               ---------------

                                                      |

        _______________________________               | к интерфейсу

           |   |          |                           |      ЭВМ

           |   |  ......  |                           V

           |   |          |

           O   O          O  

    Рисунок 2.3 (а) Наглядное представление кабеля, показывающее детали двух электрических  соединений между трансивером и  кабелем при ответвлении, и (b) схематическая  диаграмма Ethernetа с группой ответвлений.  

    2.4.1 Свойства Ethernet'а 

    Ethernet - это технология общей шины  со скоростью 10 Мбит/с , с механизмом  негарантированной(best effort) доставки  и распределенным управлением  доступом. Она называется технологией  общей шины из-за того, что все  станции разделяют один общий канал взаимодействия; она - широковещательная, так как все трансиверы принимают информацию, передаваемую всеми станциями. Метод, используемый для передачи пакетов от одной станции к другой или к группе станций, будет рассмотрен позднее. На данный момент достаточно уяснить, что трансиверы не фильтруют информацию - они передают все пакеты на интерфейс ЭВМ, который выбирает из них нужные этой ЭВМ и отбрасывает другие пакеты. Ethernet называется механизмом негарантированной доставки, так как он не информирует отправителя о том, был ли доведен пакет до получателя. Например, если случилось так, что машина получателя выключена, пакет будет потерян, но отправитель ничего не будет знать об этом. мы увидим позднее, как протоколы TCP/IP согласованы с оборудованием с негарантированным доведением.

                                              Ethernet

        _______________________________________________________

             |

             |

          -------      трансивер

          |     |<------ | | ... | / / \ / /<-------шина компьютера \_____ / / | / / / | | / | |<---------------плата интерфейса компьютера | | / | |/ |||||-- |||||/ / / / / / / /... /  

    Рисунок 2.4 Соединение между кабелем Ethernet и  компьютером  

    Управление  доступом в Ethernetе распределенное, так  как, в отличие от некоторого другого сетевого оборудования, здесь нет централизованной схемы предоставления доступа. Схема доступа Ethernetа называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий(CSMA/CD). Она является CSMA, так как несколько машин могут получить доступ к Ethernetу одновременно, и каждая машина определяет, занят ли Е-кабель, по наличию несущей в нем. Когда интерфейс компьютера имеет пакет, который нужно передать, он слушает Е-кабель, чтобы узнать, передается ли уже чье-то сообщение(т.е. определяет наличие несущей). Когда передачи не обнаружено, интерфейс компьютера начинает передачу. Каждая передача ограничена в своей продолжительности(так как существует максимальный размер пакета). Более того, оборудование должно делать небольшие паузы между передачами пакетов, чтобы не получилось так, что сеть используется одной парой машин, и чтобы другие машины тоже имели возможность доступа к сети.  
 
 

    2.4.2 Обнаружение коллизий  и восстановление 

    Когда трансивер начинает передачу, сигнал не достигает всех частей сети одновременно. На самом деле он передается по кабелю со скоростью, составляющей примерно 80% от скорости света. Поэтому возможна ситуация, когда два трансивера могут определить, что сеть незанята, и одновременно начать передачу. Когда два электрических сигнала передаются одновременно, они перемешиваются, в результате чего оба становятся искаженными. Такие события называются коллизиями.  

    Ethernet обрабатывает коллизии оригинальным  способом. Каждый трансивер следит  за состоянием кабеля, когда он передает , чтобы узнать, когда другой сигнал помешал его передаче. На техническом языке такое слежение называется обнаружением коллизий и делает Ethernet сетью CSMA/CD. Когда коллизия обнаружена, интерфейс ЭВМ аварийно завершает передачу, ждет конца работы других станций и снова пытается повторить передачу. При этом нужно соблюдать осторожность, иначе сеть может оказаться перегруженной трансиверами, впустую пытающимися передавать, причем каждая передача будет приводить к коллизии. Чтобы избежать таких ситуаций, Ethernet использует стратегию двоичной экспоненциальной задержки, при которой отправитель ждет случайное время после первой коллизии, в два раза дольше, если вторая попытка передать, также привела к коллизии, в четыре раза дольше, если третья попытка привела к коллизии, и так далее. Идея, лежащая в основе экспоненциальной задержки, заключается в том, что при коллизии возможно, что большое число станций будет пытаться передавать одновременно и может возникнуть большие помехи для траффика. При таких помехах существует большая вероятность того, что две станции выберут похожие времена задержки. Поэтому вероятность того, что возникнет новая коллизия, велика. С помощью удвоения случайного времени задержки стратегия экспоненциальной задержки быстро распределяет попытки повторной передачи станций на достаточно большой промежуток времени, что делает вероятность дальнейших коллизий крайне маленькой.  

    2.4.3 Пропускная способность  Ethernet'а 

    Стандартный Ethernet работает со скоростью 10 Мбит/с, что означает, что данные могут передаваться по кабелю со скоростью 10 миллионов бит в секунду. Хотя многие современные компьютеры могут генерировать данные со скоростью Ethernetа, реальную скорость сети не следует представлять как скорость, с которой два компьютера обмениваются данными. На самом деле скорость сети является мерой пропускной способности общего траффика сети. Представьте сеть в виде высокоскоростной магистрали(highway), соединяющей группу городов. Высокие скорости при движении по магистрали означают, что она может выдержать большую загрузку траффиком, а низкие скорости - что эта магистраль не может выдержать большой объем траффика. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, например, может выдержать несколько компьютеров, генерирующих высокоскоростной траффик или большое число компьютеров, генерирующих медленный траффик.  

    2.4.4 Вариации Ethernet'а 

    Последние достижения в технологии сделали  возможным создание Ethernetа, который  нуждается в электрической изоляции коаксиального кабеля. Называемая Ethernet - витая пара, эта технология позволяет обычному Ethernetу со скоростью 10 Мбит/c передаваться по паре медных проводов, во многом похожих на те, которые используются для соединения телефонов. Преимущество использования витой пары состоит в том, что она дешевле и позволяет многим группам использовать существующие кабеля вместо установки новых.  

    Когда высокая пропускная способность  не нужна, сеть может использовать Ethernet-подобную технологию, но работать на несколько  меньших скоростях. Преимущество здесь  в основном экономическое. Меньшие скорости означают более простое оборудование и меньшую цену. Одной из причин того, что более низкие скорости сети приводят к уменьшению ее цены, является то, интерфейсы требуют меньше буферной памяти и могут быть созданы на основе простых(и дешевых) интегральных микросхем.  

    Уменьшения  цены можно также добиться, если высокоскоростные цифровые микросхемы соединить напрямую с кабелем, не используя трансивер. В этом случае Ethernet может быть создан с помощью  стандартного коаксиального кабеля, такого, который используется для кабельного телевидения. Называемый Ethernet - тонкая пара, этот тонкий кабель является недорогим, но поддерживает меньшее число соединений и может работать только на более коротких расстояниях, чем стандартный Ethernet-овский кабель.  

    Производители рабочих станций обнаружили, что Ethernet-тонкий кабель особенно привлекателен  из-за того, что они могут интегрировать Ethernet-овское оборудование в одноплатные  компьютеры и смонтировать BNC-разъемы  прямо в задней стенке машины. Не требуя специальных средств, BNC-разъемы делают возможным для пользователей присоединение их рабочих станций к Ethernet-у. Конечно, предоставление пользователям возможности добавлять их машины к сетям имеет свои недостатки. Это означает, что сеть будет чувствительной к разъединениям, неправильным соединениям кабелей, и другим ошибкам. Но в большинстве случаев преимущества перевешивают недостатки.  

    При другом методе уменьшения цены используется один физический кабель для передачи нескольких Ethernet-ов. Известная как широкополосная, эта технология работает аналогично широковещательному радио. Передатчик объединяет несколько Ethernet-ов в одном кабеле, назначая каждому Ethernet-у уникальную частоту. Приемники должны быть настроены на правильную частоту , чтобы они принимали только нужный сигнал и игнорировали остальные. Хотя оборудование, требуемое для присоединения к широковещательному кабелю, более дорогое, чем оборудование для соединения с обычным кабелем, при широковещании не нужно платить за прокладку нескольких кабелей.  

    2.4.5 Адресация Ethernet'а 

    Интерфейс ЭВМ Ethernetа поддерживает механизм адресации , который позволяет передавать на компьютер только нужные пакеты. Напомним, что каждый интерфейс получает копию  каждого пакета - даже если они адресованы другим машинам. Это оборудование фильтрует пакеты, игнорируя те, которые адресованы другим машинам, и передает в компьютер те, которые адресованы ему. Механизм адресации и фильтрации требуется, чтобы предохранить компьютер от перегрузки приходящими данными.  

    Чтобы позволить компьютеру определить, какие  пакеты назначены ему, каждому компьютеру, соединенному с Ethernet-ом, назначено 48-битовое  число, называемое Ethernet-овским адресом. Производители оборудования для Etherneta приобретают блоки адресов Ethernetа и последовательно назначают эти адреса производимым ими интерфейсам для Ethernetа(Институт Инженеров по Электротехнике и Радиотехнике(IEEE) управляет адресным пространством Ethernetа и назначает адреса по мере необходимости). Поэтому никакие два интерфейса не будут иметь одинаковый адрес Ethernetа.  

    Обычно Ethernet-овский адрес фиксируется в  оборудовании интерфейса компьютера. Так как адреса Ethernetа принадлежат  аппаратным устройствам, то они иногда называются аппаратными адресами или физическими адресами. Отметим следующее важное свойство физических адресов Ethernetа:  

    Физические  адреса связаны с интерфейса Ethernetа; установка интерфейса на новую машину или замена неисправного интерфейса изменяет его физический адрес.  

    Зная, что физические адреса Ethernetа могут меняться, легко понять, почему более высокие уровни сетевого математического обеспечения согласованы с такими изменениями. 48-битовый адрес Ethernetа не только определяет отдельный аппаратный интерфейс. Он может принадлежать одному из трех типов:

    физический  адрес одного сетевого интерфейса;

    широковещательный сетевой адрес;

    групповой адрес.  

    По  соглашению широковещательный адрес(все  единицы) зарезервирован для одновременной  посылки всем станциям. Групповые  адреса обеспечивают ограниченную форму широковещания, при которой группа компьютеров в сети согласна отвечать на групповой адрес. Каждый компьютер в такой группе может получать сообщения одновременно с другими компьютерами этой группы, при этом остальные машины в сети ничего не получают.  

    Для согласования с широковещательной  и групповой адресацией интерфейс Ethernetа должен распознавать не только свой физический адрес. Интерфейс обычно принимает по крайней мере два  вида передач: адресованные физическому  адресу интерфейса и адресованные широковещательному адресу. Некоторые интерфейсы могут быть запрограммированы на распознавание групповых адресов или даже альтернативных физических адресов. Когда операционная система начинает работать, она инициализирует интерфейс Ethernetа, задавая ему набор адресов, который он должен распознавать. В дальнейшем интерфейс сканирует каждую передачу, передавая на компьютер только передачи, предназначенные одному из указанных адресов.  

    2.4.6 Формат кадра Ethernet'а 

    Ethernet можно представлять как соединение канального уровня между машинами. Поэтому имеет смысл рассматривать передаваемые данные как кадры(фреймы)(Термин фрейм (граница) ведет свое происхождение от передачи по последовательным линиям, в которых отправитель определял границы данных, добавляя специальные символы перед и после передаваемых данных). Кадры Ethernetа имеют переменную длину в пределах от 64 октетов(октетом называется блок из 8 бит, чаще называемый байтом) до 1518 октетов (заголовок, данные, ЦКС). Как и во всех сетях с коммутацией пакетов, кадр должен идентифицироваться свое назначение. Рисунок 2.5 показывает формат кадра Ethernetа, который содержит физический адрес отправителя, а также физический адрес получателя.