Модуль 2. Технологии локальных сетей
Вы спрашиваете, придет ли что-нибудь когда-нибудь на смену Ethernet? Конечно! Но вся прелесть состоит в том, что до сих пор, каждый раз, когда появлялось что-то на замену Ethernet, люди, ответственные за продвижение новой технологии, снова выбирали для нее название Ethernet.
Роберт Мэткаф (изобретатель Ethemet)
Сегодня технологии локальных сетей описывать проще, чем, скажем, 10— 15 лет назад, так как в них безраздельно господствует одна технология - Ethernet. Остальные технологии, такие как Arcnet, Тоkеn Ring и FDDI, остались в прошлом несмотря на то, что они обладали хорошими техническими характеристиками и имели многочисленных пользователей. Неизвестно, что больше повлияло на такую ситуацию, то ли предельная простота техноломи, а значит, и низкая стоимость оборудования Ethernet и его эксплуатации, то ли удачное имя, то ли просто необыкновенное везение, как считает изобретатель этой технологии, но факт остается фактом — локальные сети стали однороными.
Чтобы соответствовать разнообразию потребностей локальных сетей, Ethernet как единственная технология этого класса также должна быть разнообразной. И современная технология Ethernet удовлетворяет этому требованию — в отношении как скорости, так и поддержки всех популярных сред передачи данных. В этом модуле даются краткие справочные сведения для каждой из иерархии скоростей Ethernet, покрывающей сегодня диапазон от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с и со скоростью 100 Гбит/с «на горизонте», а также для каждого из вариантов физической среды, включающих коаксиал, витую пару, оптическое волокно и радиоволны.
В этом модуле мы рассмотрим технологии как проводных, так и беспроводных локальных сетей. При изучении проводных сетей основной акцент будет сделан на коммутируемой версии Ethernet, но перед ее изучением мы кратко изучим основные принципы работы Ethernet на разделяемой среде, так как без этих знаний трудно понять общую структуру стандартов и применяемую терминологию, которые в свое время были разработаны в расчете на разделяемые среды. Кроме того, разделяемая среда по-прежнему остается основным средством организации беспроводных локальных сетей.
Лекция 8.
1. Особенности локальных сетей
Локальные сети являются неотъемлемой частью любой современной компьютерной сети. Если мы рассмотрим структуру глобальной сети, например, Интернета или крупной корпоративной сети, то обнаружим, что практически все информационные ресурсы этой сети сосредоточены в локальных сетях, а глобальная сеть является транспортом, соединяющим многочисленные локальные сети.
Одним из основных назначений локальной сети является объединение компьютеров в пределах одного здания или нескольких близко стоящих зданий с целью предоставления пользователям сети доступа к информационным ресурсам и услугам локальных серверов.
Кроме того, локальные сети являются удобным средством группирования компьютеров для объединения их в глобальную сеть, так как в глобальной сети данные проще маршрутизировать между сетями, а не отдельными компьютерами. Примером могут служить беспроводные локальные сети, обслуживающие аэропорты или вокзалы. Они применяются, как правило, не для обмена информацией между временными пользователями такой сети, а для доступа этих пользователей в Интернет, причем доступ организуется не для каждого отдельного пользователя, а для локальной сети в целом.
Локальные сети применяются также в телекоммуникационных сетях другого типа, например в телефонных сетях. Так, системы управления телефонными коммутаторами или первичными сетями обычно строятся на основе локальной сети, которая объединяет компьютеры ее операторов и обеспечивает им доступ к устройствам управления, встроенным в оборудование телекоммуникационной сети.
Технологии локальных сетей прошли большой путь. Практически во всех технологиях 80-х годов использовалась разделяемая среда как удобное и экономичное средство объединения компьютеров на физическом уровне. С середины 90-х в локальных сетях стали также применяться коммутируемые версии технологий, в которых вместо разделяемой среды применяются коммутаторы, работающие в соответствии с общими принципами коммутации пакетов. Ведущей организацией по стандартизации технологий локальных сетей является IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers), точнее, ее комитет с кодовым названием 802.
Коммутируемые локальные сети обладают многими преимуществами по сравнению с сетями на разделяемой среде, наиболее важными из которых являются более высокие показатели производительности, надежности и масштабируемости. Основным препятствием на пути применения коммутаторов в локальных сетях была их относительно высокая стоимость, но уже к середине 90-х годов за счет прогресса в технологии цены коммутаторов существенно снизились, что привело к полному вытеснению разделяемой среды из проводных (кабельных) локальных сетей.
Достаточно долгое время в локальных сетях сосуществовало большое количество технологий: ArcNet, Ethernet, Тоkеn Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Однако в середине 90-х годов начался процесс вытеснения технологией Ethernet всех остальных технологий локальных сетей. К сегодняшнему дню этот процесс практически завершился, производители сняли с производства оборудование Тоkеn Ring и других технологий, оставив администраторам и немногочисленным пользователей этих унаследованных сетей шанс поддерживать их работоспособность за счет рынка подержанных концентраторов и сетевых адаптеров. Техника виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN), которая появилась почти одновременно с первыми коммутаторами, позволила гибко и эфффективно структурировать локальную сеть, разделяя ее на независимые сегменты. Такая виртуальная структуризация оказалась идеальным решением для создания крупных локальных сетей, в которых отдельные виртуальные сегменты объединяются в общую сеть маршрутизаторами.
Несмотря на успех коммутируемых локальных сетей, техника построения локальных сетей на разделяемой среде полностью не исчезла — она по-прежнему востребована в беспроводных локальных сетях, где радиоэфир естественным образом разделяется между всеми сетевыми адаптерами, находящимися в зоне приема.
Недавно технология Ethernet сделала еще один шаг в своем развитии, который может оказаться даже более революционным, чем отказ от разделяемой среды и появление виртуальных локальных сетей. Эта инициатива получила название Carrier Ethernet, это отражает тот факт, что технология Ethernet начала использоваться в глобальных сетях операторов связи. Правда, для этого технологию пришлось усовершенствовать, добавив такие важные функции, как мониторинг соединений, отделение адресов оператора от адресов пользователя, поддержка отказоустойчивости и ряд других. Если Carrier Ethernet закрепится в глобальных сетях, то это еще больше повысит однородность сетей и еще раз подтвердит мнение Роберта Меткалфа о том, что почти любая новая технология получает счастливое название Ethernet.
2. Локальные сети на разделяемой среде
Основная цель, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов, заключалась в нахождении простого и дешевого решения, позволяющего объединить в вычислительную сеть несколько десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры — появившиеся и быстро распространявшиеся тогда мини-компьютеры стоимостью 10 000—20 000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков компьютеров представлялся вполне достаточным для практически любой локальной сети. 
Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании, или разделении, среды передачи данных.
Этот метод связи компьютеров впервые был опробован при создании радиосети АОНА Гавайского университета в начале 70-х под руководством Нормана Абрамсона (Norman Abramson). Сеть АОНА работала по методу случайного доступа, когда каждый узел мог начать передачу пакета в любой момент времени. Если после этого он не дожидался подтверждения приема в течение определенного тайм-аута, он посылал пакет снова. Общим был радиоканал с несущей частотой 400 МГц и полосой 40 кГц, что обеспечивало передачу данных со скоростью 9600 бит/с.
Немного позже Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) повторил идею разделяемой среды сети АОНА уже для проводного варианта технологии LAN. Непрерывный сегмент коаксиального кабеля стал аналогом общей радиосреды. Все компьютеры присоединялись к этому сегменту кабеля, поэтому при передаче сигналов одним из передатчиков все приемники получали один и тот же сигнал, как и при использовании радиоволн. Технология получила название Ethernet, то есть «эфирная сеть», отразившее связь новой технологии с ее предшественницей.
2.1 Ethernet на коаксиальном кабеле
Подключение к кабелю и передача битов
Пример проводной сети Ethernet на коаксиальном кабеле показан на рис. 2.1 , а схематичное устройство коаксиального кабеля — на рис. 2.2.
Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль — по ней передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей.
Кабель используется как моноканал для всех станций. Приемник и передатчик каждого сетевого адаптера соединяются с медным проводником кабеля, так что электрические сигналы, посланные каким-либо передатчиком, распространяются по кабелю и принимаются всеми приемниками — эффект разделяемой среды налицо.
В каждый момент времени должен работать только один передатчик, иначе электрические сигналы, посланные нескольким передатчиками, будут накладываться друг на друга и искажаться. Такая ситуация называется коллизией; она нежелательна, но возможна, далее мы увидим, каким образом сетевые адаптеры Ethernet реагируют на коллизии.
Для того чтобы электрические сигналы не отражались от концов кабеля и не создавали помех даже при работе одного передатчика, на концах кабеля обязательно устанавливаются терминальные резисторы, которые ослабляют дошедшие до них сигналы.
Пластиковое покрытие
Медный проводник
Экран
Рис. 2.2. Устройство коаксиального кабеля
Сетевые адаптеры коаксиального варианта Ethernet передают данные со скоростью 10 Мбит/с. Для устойчивой передачи двоичные данные кодируются так называемым манчестерским кодом, когда двоичные единицы представляются перепадом электрического сигнала от низкого потенциала к высокому, а двоичные нули — обратным перепадом (рис. 2.3).
Манчестерский код обладает одним важным для локальных сетей свойством — он обеспечивает надежную синхронизацию приемника по отношению к передатчику.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую порцию информации с линии связи. Проблема синхронизации в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например, между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает основанная на отдельной тактирующей линии связи схема, в которой информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет значительно позже или раньше соответствующего сигнала данных, из-за чего бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от применения тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.
При использовании манчестерского кода на каждом такте происходит по крайней мере одно изменение сигнала на входе приемника (при последовательности единиц или нулей — два), так что приемнику легче «подсинхронизироваться» под темп работы передатчика.
В целом сеть Ethernet на коаксиале представляет собой распределенную по зданию электрическую схему, все элементы которой влияют друг на друга, поэтому для того, чтобы добиться устойчивой работы, нужно соблюдать довольно много ограничений: на длину сегмента коаксиального кабеля, на его электрические характеристики, на характеристики передатчиков и приемников и т. п.
Адресация и кадры Ethernet
Мы рассмотрели, как по коаксиальному кабелю передаются биты, теперь нам нужно подняться на уровень выше и изучить механизм передачи кадров Ethernet.
Кадры Ethernet состоят из заголовка фиксированной длины и структуры и переменного поля данных (рис. 2.4).
Первые два поля заголовка отведены под адреса: а SA (Source Address) — адрес узла назначения; а DA (Destination Address) — адрес узла отправителя.
Вообще-то для доставки кадра достаточно одного адреса — адреса назначения; адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить. Принятие решения об ответе не входит в компетенцию протокола Ethernet, это дело протоколов верхних уровней, Ethernet же только выполнит такое действие, если с сетевого уровня поступит соответствующее указание.
Для идентификации узлов в Ethernet используются так называемые МАС-адреса. МАС является аббревиатурой от названия Media Access Control (управление доступом к среде). Управление доступом к среде — одна из основных процедур в сетевых технологиях, использующих разделяемую среду.
Мы рассмотрим метод CSMA/CD немного позже, а пока остановимся на формате МАС-адресов и процедуре передачи кадров между узлами при отсутствии коллизий.
МАС-адрес состоит из 6 байт, которые обычно записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных дефисом или двоеточиями, например 11-AO-17-3D-BC-01.
Протокол Ethernet получает от верхнего уровня данные, которые нужно передать, а также значение МАС-адреса назначения. На основе этой информации протокол Ethernet (а точнее, его реализация в виде драйвера сетевого адаптера и аппаратуры сетевого адаптера) создает новый кадр, помещает адрес и данные в соответствующие поля. Размер данных не должен превышать 1500 байт, об этом заботится протокол верхнего уровня. В поле МАСадреса источника помещается собственный адрес сетевого адаптера, а в поле Т (Туре, или Etherqype) — условный код протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных кадра, например, шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует протоколу IP. Так, если в сети, приведенной на рис. 2.1, компьютер с адресом МАС 1 отправляет кадр компьютеру с адресом МАС 4, то в этом кадре в поле адреса назначения DA будет помещено значение МАС 4, а в поле адреса источника SA — значение МАС 1
Последним этапом формирования кадра является вычисление контрольной последовательности кадра (суммы) и помещение ее в поле FCS (Frame Check Sequence). Контрольная последовательность вычисляется по некоторому алгоритму как функция от всех байтов кадра. По значению FCS узел назначения после приема кадра сможет определить, были или не были искажены данные кадра в процессе передачи по сети.
МАС-адрес может определять как индивидуальный интерфейс (как в рассмотренном примере), так и группу интерфейсов или даже все интерфейсы сети. Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным, то есть идентифицирует один сетевой интерфейс, а если он равен 1, то групповым. Если сетевой интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным МАС-адресом, с ним ассоциируется еще один адрес — групповой. В частном случае, если групповой адрес состоит из всех единиц, то есть имеет шестнадцатеричное представление 0xFFFFFFFFFFFF, он идентифицирует все узлы сети и называется широковещательным. Кадр с широковещательным адресом назначения должен быть принят всеми узлами сети.
Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса централизованный или локальный. Если этот бит равен 0, то адрес назначен централизованно комитетом IEEE, если же он равен 1, адрес назначен локально администратором сети, в обязанности которого входит обеспечение уникальности локальных адресов, используемых сетью.
Уникальность централизованно назначаемых адресов обеспечивается за счет того, что каждый производитель оборудования получает от IEEE так называемые организационно уникальные идентификаторы (0rganizationally Unique ldentifer, OUI). Каждый производитель помещает выделенный ему идентификатор в З старших байта адреса (например, идентификатор 0x0020AF определяет компанию ЗСОМ, а 0х00000С — компанию Cisco), а уникальность младших трех байтов адреса производитель обеспечивает сам. Уникальные МАС-адреса обычно прожигаются в памяти сетевых адаптеров и интерфейсов Ethernet, поэтому они иногда называются аппаратными адресами. Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить примерно 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации.
Метод доступа CSMA/CD
После того как кадр сформирован, он может передаваться сетевым адаптером в разделяемую среду.
Перед тем как начать передачу кадра в сеть, сетевой адаптер должен проверить, свободна ли разделяемая среда. Это достигается «прослушиванием» среды, а именно определением наличия несущего сигнала с частотой 10 МГц. Если такого сигнала нет, среда считается свободной, и передатчик может начать передачу в среду своих данных.
Если разделяемая среда свободна, то передатчик сетевого адаптера начинает последовательно передавать биты кадра, которые распространяются по коаксиальному кабелю и доходят до каждого подключенного к нему приемника. При передаче кадра в сеть он всегда предваряется преамбулой из 8 байт, при этом первые 7 байт состоят из двоичных кодов 10101010, а 8-й байт — это код 10101011. Преамбула нужна для синхронизации приемника с передатчиком. Все приемники копируют приходящие биты во внутренний буфер своего сетевого адаптера. После этого сетевой адаптер выполняет проверку МАСадреса назначения, и если он не совпадает с собственным, то кадр из буфера удаляется. Если же адрес показывает, что кадр предназначен данному сетевому адаптеру, то выполняется подсчет контрольной суммы полученных байтов кадра и сравнение полученной суммы со значением поля FCS в кадре. Совпадение этих значений говорит о том, что с большой степенью вероятности кадр был передан сетью без искажений и его поле данных можно передать протоколу верхнего уровня для последующей обработки. В противном случае фиксируется ошибка, кадр из сетевого адаптера удаляется и на обработку «наверх» не передается. Так как протокол Ethernet не занимается восстановлением искаженных кадров, то на этом его функции по обработке пришедшего кадра заканчиваются.
Если же «прослушивание» среды показало, что она занята, то сетевой адаптер продолжает «слушать» среду, дожидаясь момента ее освобождения, и только потом начинает передачу кадра.
Метод прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения такой ситуации, когда два или более сетевых адаптера решают, что сеть свободна, и начинают одновременно передавать свои кадры, при этом содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что ведет к искажению информации. Ранее мы уже говорили, что такая ситуация называется коллизией. В технологии Ethernet для разрешения коллизий применяется метод доступа CSMA/CD.
Рисунок 2.5 иллюстрирует возникновение коллизии. Узел 1, обнаружив, что среда свободна, начал передачу кадра. Через некоторое время после начала передачи кадра узлом 1 узел 2 пытается начать передачу своего кадра. Для этого он прослушивает среду и обнаруживает, что она свободна, так как из-за конечной скорости распространения электрических сигналов по кабелю сигналы передатчика узла 1 просто не успели дойти по кабелю до точки подключения приемника 2.
Некоторое время сетевые адаптеры узлов 1 и 2 передают биты своих кадров одновременно, не замечая коллизии (рис. 2.6). Однако в какой-то момент (момент Т 2) приемники всех узлов сети обнаруживают, что сигналы в разделяемой среде искажаются (существует несложный способ обнаружения такого состояния среды) и фиксируют состояние коллизии. При этом все передатчики, которые передают данные в среду, должны прекратить передачу — в нашем примере это передатчики узлов 1 и 2.
После этого передатчики, прервавшие передачу кадров из-за коллизии, должны сделать паузу и попытаться начать передачу своих кадров снова, если к этому моменту среда окажется свободной.
Такой прием позволяет разнести по времени моменты попыток начала передачи участвовавшими в коллизии узлами и тем самым снизить вероятность того, что и новая попытка снова приведет к коллизии. В нашем примере узел 1 выбрал паузу продолжительностью р1, а узел 2 — р2. Так как р2 меньше, чем р1, то узел 2 проводит проверку состояния среды раньше, в момент И, и, обнаружив, что среда свободна, повторно начинает передавать свой кадр F2. Пауза узла 1 истекает позже в момент Т 5, так что его проверка состояния среды показывает ее занятость (будем считать, что сигналы от передатчика 2 уже дошли к этому моменту до точки подключения к кабелю приемника 1), и передатчику 2 приходится ждать, пока узел 2 закончит передавать свой кадр F2 и среда освободится.
Алгоритм доступа к среде предусматривает возможность нескольких последовательных коллизий при попытке передать один и тот же кадр. С каждой новой коллизией интервал, из которого случайным образом выбирается пауза, увеличивается, так что вероятность повторной коллизии снижается. Описанный алгоритм вычисления последовательных значений паузы носит название усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки.
«Старательность», с какой алгоритм доступа CSMA/CD пытается передать кадр (до 16 повторных попыток), объясняется просто стремлением повысить производительность сети. Обычно стек. протоколов устроен так, что все временнйе интервалы существенно увеличиваются по мере продвижения вверх от канального к прикладному уровню. Достаточно сравнить паузу, которую делает Ethernet при первом обнаружении коллизии (не более 52 мкс) с тайм-аутом протокола IP (60 с), представляющим собой максимальное время, в течение которого протокол IP ждет прихода очередного фрагмента пакета, после чего пакет считается утерянным. Разница в масштабе в миллион раз впечатляет. Причина, по которой протоколы верхних уровней более инерционны, чем протоколы нижних, объясняется тем, что на верхних уровнях требуется учитывать все возможные случаи, в том числе работу в глобальной составной сети, где пакет может передаваться между конечными узлами довольно долго, например, из-за ожидания в очередях многочисленных промежуточных маршрутизаторов или путешествий по протяженным спутниковым каналам. В сетях Ethernet на коаксиале расстояния между узлами небольшие, а промежуточных маршрутизаторов или коммутаторов вовсе нет — это позволяет работать с короткими тайм-аутами и быстро организовывать повторную передачу искаженных кадров. Если бы алгоритм доступа протокола Ethernet оставлял решение задачи повторной передачи искаженного коллизией кадра верхним уровням, то производительность сети была бы гораздо ниже.
Стандарты Ethernet вводят ограничение на максимальную длину отдельного непрерывного отрезка коаксиального кабеля. Оно связано с тем, что электрические сигналы передатчиков затухают в процессе прохождения по кабелю, поэтому для того, чтобы не делать слишком мощные передатчики, длину отрезка кабеля ограничивают. Конкретное значение зависит от типа кабеля. В сетях Ethernet исторически использовались два типа коаксиального кабеля: так называемый «толстый» коаксиал с внешним диаметром чуть больше сантиметра и «тонкий» коаксиал с внешним диаметром около половины сантиметра. Толстый коаксиал обладает лучшими электрическими характеристиками, чем тонкий, поэтому его максимальная длина равна 500 метров, в то время как для тонкого коаксиала это значение составляет 185 метров.
Еще одно ограничение накладывается на так называемый Диаметр сети максимальное расстояние между узлами сети. Независимо от типа кабеля диаметр сети Ethernet на разделяемой среде не должен превышать 2500 метров. С учетом ограничения на длину отрезка кабеля, такая протяженность сети может быть достигнута только с применением специальных устройств — повторителей.
