Ethernet — пример стандартной технологии

Рассмотрим, каким образом описанные выше концепции воплощены в одной из первых стандартных сетевых технологий — технологии Ethernet на разделяемой среде. В этом разделе мы коснемся только самых общих принципов функциони­рования одного из вариантов Ethernet. Детальное описание всех вариантов Ethernet, в том числе и коммутируемой сети Ethernet, вы найдете в части III.

□ Топология. В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология физических связей — общая шина. На рис. 3.21 показан простейший вариант топологии, состоящий из одного сегмента — все компьютеры сети подключены к общей разделяемой среде.

Коаксиальный Рис. 3.21. Сеть Ethernet

 

□ Способ коммутации. В технологии Ethernet используется дейтаграммная ком­мутация пакетов. Единицы данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet, называются кадрами. Кадр имеет фиксированный формат и на­ряду с полем данных содержит различную служебную информацию. А где же в односегментной сети Ethernet на разделяемой среде происходит коммутация? Где хотя бы один коммутатор, который, как мы сказали, является главным элементом любой сети с коммутацией пакетов? Или же Ethernet представля­ет собой особый вид коммутации? Оказывается, коммутатор в односегмент­ной сети Ethernet существует, но его не так просто разглядеть, потому что его функции распределены по всей сети. «Коммутатор» Ethernet состоит из сете­вых адаптеров и разделяемой среды. Сетевые адаптеры представляют собой интерфейсы такого виртуального коммутатора, а разделяемая среда — комму­тационный блок, который передает кадры между интерфейсами. Часть функ­ций коммутационного блока выполняют и адаптеры, так как они решают, ка­кой кадр адресован их компьютеру, а какой — нет.

□ Адресация. Каждый компьютер, а точнее каждый сетевой адаптер, имеет уни­кальный аппаратный адрес (так называемый МАС-адрес, вы уже встречали этот акроним в главе 2). Адрес Ethernet является плоским числовым адресом, иерархия здесь не используется. Поддерживаются адреса для выборочной, широковещательной и групповой рассылки.

□ Разделение среды и мультиплексирование. Конечные узлы для обмена данны­ми используют единственную разделяемую среду, применяя метод случайно­го доступа. Информационные потоки, поступающие от конечных узлов сети Ethernet, мультиплексируются в единственном передающем канале в режиме разделения времени. То есть кадрам разных потоков поочередно предостав­ляется канал. Чтобы подчеркнуть не всегда очевидную разницу между поня­тиями мультиплексирования и разделения среды, рассмотрим ситуацию, когда из всех компьютеров сети Ethernet только один имеет потребность переда­вать данные, причем данные от нескольких приложений. В этом случае про­блема разделения среды между сетевыми интерфейсами не возникает, в то время как задача передачи нескольких информационных потоков по общей линии связи (то есть мультиплексирование) остается.

□ Кодирование. Адаптеры Ethernet работают с тактовой частотой 20 МГц, пере­давая в среду прямоугольные импульсы, соответствующие единицам и нулям данных компьютера. Когда начинается передача кадра, то все его биты пере­даются в сеть с постоянной скоростью 10 Мбит/с (каждый бит передается за два такта). Это скорость определяется пропускной способностью линии связи в сети Ethernet.

□ Надежность. Для повышения надежности передачи данных Ethernet исполь­зуется стандартный прием — подсчет контрольной суммы и передача ее в концевике кадра. Если принимающий адаптер путем повторного подсчета кон­трольной суммы обнаруживает ошибку в данных кадра, то такой кадр отбра­сывается. Повторная передача кадра протоколом Ethernet не выполняется, эта задача должна решаться другими технологиями, например протоколом TCP в сетях TCP/IP.

□ Полудуплексный способ передачи. Разделяемая среда Ethernet представляет собой полудуплексный канал передачи. Сетевой адаптер выполняет операции передачи данных и их приема попеременно.

□ Очереди. На первый взгляд может показаться, что в Ethernet на разделяемой среде нет очередей, свойственных сетям с коммутацией пакетов. Однако от­сутствие коммутатора с буферной памятью в сети Ethernet не означает, что очереди в ней отсутствуют. Просто здесь очереди переместились в буферную память сетевого адаптера. В те периоды времени, когда среда занята переда­чей кадров других сетевых адаптеров, данные (предложенная нагрузка) по- прежнему поступают в сетевой адаптер. Так как они не могут быть переданы в это время в сеть, они начинают накапливаться во внутреннем буфере адап­тера Ethernet, образуя очередь. Поэтому в сети Ethernet существуют перемен­ные задержки доставки кадров, как и во всех сетях с коммутацией пакетов.

Выводы

В сетях с коммутацией каналов по запросу пользователя создается непрерывный информаци­онный канал, который образуется путем резервирования «цепочки» линий связи, соединяю­щих абонентов на время передачи данных. На всем своем протяжении канал передает данные с одной и той же скоростью. Это означает, что через сеть с коммутацией каналов можно каче­ственно передавать данные, чувствительные к задержкам (голос, видео). Однако невозмож­ность динамического перераспределения пропускной способности физического канала является принципиальным недостатком сети с коммутацией каналов, который делает ее неэффектив­ной для передачи пульсирующего компьютерного трафика.

При коммутации пакетов передаваемые данные разбиваются в исходном узле на небольшие части — пакеты. Пакет снабжается заголовком, в котором указывается адрес назначения, по­этому он может быть обработан коммутатором независимо от остальных данных. Способ ком­мутации пакетов повышает производительность сети при передаче пульсирующего трафика, так как при обслуживании большого числа независимых потоков периоды их активности не всегда совпадают во времени. Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирова­ния ресурсов в том темпе, в котором их генерирует источник. Однако этот способ коммутации имеет и отрицательные стороны: задержки передачи носят случайный характер, поэтому воз­никают проблемы при передаче трафика реального времени.

В сетях с коммутацией пакетов может использоваться один из трех алгоритмов продвижения пакетов: дейтаграммная передача, передача с установлением логического соединения и пе­редача с установлением виртуального канала.

Разделяемой средой называется физическая среда передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно, радиоволны), к которой непосредственно подключено не­сколько конечных узлов сети и которой они могут пользоваться только по очереди. В основе таких хорошо известных технологий, как Ethernet, FDDI, Token Ring, лежит принцип разделяе­мой среды. Хотя, казалось бы, сети на разделяемых средах уже пережили пик своей популяр­ности, сегодня существуют явные признаки возрождения интереса к этой технологии, о чем свидетельствуют домашние проводные сети, персональные и локальные беспроводные сети, RadioEthernet — во всех этих современных технологиях используется принцип разделения среды.

Вопросы и задания

1. Какие типы мультиплексирования и коммутации используются в телефон­ных сетях?

2. Какие свойства сетей с коммутацией каналов свидетельствую об их недостатках?

3. Какие свойства сетей с коммутацией пакетов негативно сказываются на пере­даче мультимедийной информации?

4. Используется ли буферизация в сетях с коммутацией каналов?

5. Какой элемент сети с коммутацией каналов может отказать узлу в запросе на установление составного канала:

6. Какие концепции характерны для сетевой технологии Ethernet?

7. Учитывается ли в дейтаграммных сетях существование потоков данных?

8. Дайте определение логического соединения.

9. Можно ли организовать надежную передачу данных между двумя конечными узлами без установления логического соединения?

10. Какое логическое соединение может быть названо виртуальным каналом?

11. В каких сетях используется технология виртуальных каналов?

12. Укажите, какие из перечисленных устройств являются функционально по­добными:

О хаб;

О коммутатор; О концентратор; О повторитель; О маршрутизатор; О мост.

13. Чем отличается мост от коммутатора?

14. Верно ли следующее утверждение: «Сеть Ethernet, имеющая звездообразную топологию с концентратором в центре, надежнее, чем та же сеть на коаксиаль­ном кабеле, имеющая топологию общей шины»?

15. Как можно повысить пропускную способность, приходящуюся на компьютер каждого конечного пользователя, в сети, построенной на основе концентрато­ров?

16. Определите, на сколько увеличится время передачи данных в сети с коммута­цией пакетов по сравнению с сетью коммутации каналов, если известно:

О общий объем передаваемых данных — 200 Кбайт;

О суммарная длина канала — 5000 км;

О скорость передачи сигнала — 0,66 скорости света;

О пропускная способность канала — 2 Мбит/с;

О размер пакета без учета заголовка — 4 Кбайт;

О размер заголовка — 40 байт; О интервал между пакетами — 1 мс; О количество промежуточных коммутаторов — 10; О время коммутации на каждом коммутаторе — 2 мс.

Считайте, что сеть работает в недогруженном режиме, так что очереди в ком­мутаторах отсутствуют.

17. Если все коммуникационные устройства в приведенном на рис. 3.22 фрагмен­те сети являются концентраторами, то на каких портах появится кадр, если его отправил компьютер А компьютеру В?

Рис. 3.22. Фрагмент сети

 

18. Если все коммуникационные устройства в приведенном на рис. 3.22 фрагмен­те сети являются коммутаторами, то на каких портах появится кадр, если его отправил компьютер А компьютеру В?

19. Если все коммуникационные устройства в приведенном на рис. 3.22 фрагмен­те сети являются коммутаторами, кроме одного концентратора, к которому подключены компьютеры А и В, то на каких портах появится кадр, если его отправил компьютер А компьютеру D?

20. В дейтаграммной сети между узлами А и В существует три потока и три аль­тернативных маршрута. Можно ли направить каждый поток по отдельному маршруту?

21. В сети, поддерживающей технику виртуальных каналов, между узлами А и В существует три потока и три альтернативных маршрута. Можно ли направить каждый поток по отдельному маршруту?

22. Сеть построена на разделяемой среде с пропускной способностью 10 Мбит/с и состоит из 100 узлов. С какой максимальной скоростью могут обмениваться данными два узла в сети?

23. Сеть может передавать данные в двух режимах: с помощью дейтаграмм и по виртуальным каналам. Какие соображения вы бы приняли во внимание при выборе того или иного режима для передачи ваших данных, если главным критерием выбора для вас является скорость и надежность доставки?

24. Считаете ли вы, что сети с коммутацией каналов в ближайшем будущем бу­дут заменены сетями с коммутацией пакетов? Или же напротив, сети с ком­мутацией пакетов будут вытеснены сетями с коммутацией каналов? Или же эти технологии будут сосуществовать? Приведите аргументы в пользу вашего мнения. Рассмотрите разные области использования этих технологий.