Заметка

OSI модель. Как работает Ethernet. Часть 2

Добрый день!

Мы продолжаем разбирать основы функционирования протокола Ethernet. Сегодня мы поговорим подробнее об ограничениях, накладываемых на эту сетевую технологию, и как в наше время они обходятся.

Limitations of Ethernet

Один общий кабель может служить в качестве основы для полной сети Ethernet, которую мы обсуждали ранее. Тем не менее, существуют практические ограничения нашей сети Ethernet в этом случае. Основная забота — длина общего кабеля.

stock-footage-seamlessly-looping-animation-of-a-binary-internet-tunnel-version-blue

Электрические сигналы распространяются вдоль кабеля очень быстро, но они ослабевают по пути следования, и электрические помехи (интерференция) от соседних устройств(люменисцентные лампы, например) могут исказить сигнал. Сетевой кабель должен быть достаточно коротким, чтобы устройства на противоположных концах могли принимать сигналы друг друга четко и с минимальной задержкой. Это накладывает ограничение на расстояние между двумя устройствами (называемое сетевым диаметром, network diameter) в сети Ethernet. Кроме того, так как в CSMA/CD только одно устройство может передавать в указанное время, существуют практические ограничения на число устройств, которые могут сосуществовать в одной сети. Подсоедините слишком много устройств к одному общему сегменту, и конкуренция за medium будет возрастать. Каждому устройству, возможно, придется ждать чрезмерно большое количество времени, прежде чем получить шанс на передачу.

Инженеры разработали ряд сетевых устройств, которые облегчают эти трудности. Многие из этих устройств не являются предназначенными только для Ethernet, а также используются и в других сетевых технологиях.

Repeaters

Первым популярным Ethernet medium‘ом был медный коаксиальный кабель, известный как «thicknet». Максимальная длина thicknet кабеля была 500 метров. В крупных зданиях или же в кампусах 500-метровый кабель не всегда мог достичь каждого сетевого устройства. Repeater(Ретранслятор) решает эту проблему.

Repeaters in networking

Repeater‘ы соединяют несколько сегментов Ethernet, слушая каждый сегмент и повторяя сигнал, услышанный на одном сегменте, на каждый другой сегмент, подключенный к repeater‘у. Запустив несколько кабелей и соединив их repeater‘ами, вы можете значительно увеличить диаметр сети.

Segmentation

В нашей аналогии с обеденным столом было всего несколько человек, осуществляющих разговор, поэтому ограничение одним говорящим в любой момент времени не было серьезным препятствием для общения. Но что если было бы много людей за столом, и только одному разрешалось говорить в данный момент времени?

На практике мы знаем, что аналогия нарушается при таких обстоятельствах. В больших группах людей обычно начинаются несколько разговоров, происходящих одновременно. Если только один человек в переполненном зале или на банкете мог говорить в любое время, многие люди были бы расстроены, ожидая возможности поговорить. Для людей эта проблема саморегулируема: голоса затихают с расстоянием, и человеческое ухо способно выделить конкретный разговор от окружающего шума. Поэтому для нас легко иметь несколько маленьких групп на вечеринке, разговаривающих в одной комнате; но сетевые кабели передают сигналы быстро и эффективно на большие расстояния, так что это естественное разделение «разговоров» здесь не работает.

Ethernet сети столкнулись с проблемами перегрузки, поскольку они увеличивались в размерах. Если большое количество станций были бы подключены к одному сегменту, и каждая генерировала значительное количество трафика, то многие станции могли попытаться передать в один и тот же момент, когда была бы возможность. В этом случае коллизии стали бы более частыми, и успешные передачи начали бы «задыхаться», так как занимали чрезмерно большое количество времени для завершения. Одним из способов уменьшить заторы было бы разделить один сегмент на несколько сегментов, тем самым создавая несколько доменов колизий (collision domains). Это решение создает другую проблему, теперь отдельные сегменты не могут обмениваться информацией друг с другом.

Bridges

Для облегчения проблемы сегментации, сети Ethernet реализовали устройство bridge(мост). Мосты соединяют два или более сегментов сети, увеличивая сетевой диаметр, как и repeater‘ы, но мосты также помогают регулировать трафик.

ethernet5

Они могут посылать и принимать сигналы, как и любой другой узел, но они не функционируют так же, как обычный узел. Мост не генерирует своего собственного трафика; как и repeater, он только ретранслирует, что слышит от других станций(Последнее утверждение не совсем точно: мосты генерируют специальные Ethernet фреймы, что позволяет им взаимодействовать с другими мостами, но это выходит за рамки этой статьи).

Помните, как multiple access и общий Ethernet medium означали, что любой узел на проводе получит каждый фрейм, несмотря на то, был ли конкретный узел предполагаемым получателем или нет? Мосты используют эту особенность для передачи трафика между сегментами. На картинке выше, мост соединяет сегменты 1 и 2. Если станции A иначали передавать, мост также принимал бы фреймы на сегменте 1. Как следует мосту отвечать на этот трафик? Он мог бы автоматически передавать фреймы в сегмент 2, как repeater, но это не избавит от загруженности, так как сеть будет вести себя как один длинный сегмент.

Одной из целей моста является снижение ненужного трафика на обоих сегментах. Это осуществляется с помощью изучения destination address‘а фрейма прежде чем решить, как его обработать. Если destination address совпадает с адресом станции A или B, то нет необходимости этому фрейму появляться в сегменте 2. В этом случае, мост ничего не делает. Мы можем сказать, что мост фильтрует или отбрасывает этот фрейм. Если destination address совпадает с адресом станции C или D, то мост будет передавать или форвардить (forward) этот фрейм в сегмент 2. С помощью пересылки пакетов, мост позволяет любому из четырех устройств общаться друг с другом. Кроме того, с помощью фильтрации пакетов, когда это уместно, мост позволяет станции A передавать на станцию B в то же время, что станция C передает на станцию D, позволяя двум «разговорам» происходить одновременно!

Свитчи(Switches) являются современными аналогами мостов, функционально эквивалентные, но предлагающие выделенный сегмент для каждого узла в сети(подробнее о свитчах позже в этой статье).

Routers: Logical Segmentation

Хотелось бы здесь рассмотреть концепцию роутера(router), несмотря на то, что он работает на сетевом уровне.

Мосты могут уменьшить заторы, позволяя нескольким разговорам происходить на разных сегментах одновременно, но у них также есть свои пределы в сегментации трафика.

Важной характеристикой мостов является то, что они форвардят Ethernet broadcast‘ы на все подключенные сегменты. Такое поведение является необходимым, так как Ethernet broadcast‘ы предназначены для каждого узла в сети, но это может создавать проблемы для мостовых сетей, которые становятся слишком большими. Когда большое количество станций бродкастят(broadcast) в мостовой сети, перегрузка может быть настолько высокой, как если бы все эти устройства были на одном сегменте.

Роутеры или маршрутизаторы являются расширенными сетевыми компонентами, которые могут разделить единую сеть на две логически отдельные сети. В то время как Ethernet broadcast‘ы проходят по мостам, с целью найти все узлы в сети, они не проходят через роутеры, так как роутер формирует логическую границу для сети. Маршрутизаторы действуют на основе протоколов, которые не зависят от конкретной сетевой технологии, как Ethernet или Token Ringtoken ring мы поговорим позже). Это позволяет маршрутизаторам легко взаимодействовать с различными сетевыми технологиями, как LAN, так и WAN, и привело к их широкому распространению в подключении устройств по всему миру в рамках глобальной сети Internet.

Мы в дальнейшем поговорим подробнее, как устроен роутер.

Switched Ethernet

Современные реализации Ethernet часто не похожи на их исторические аналоги. Если раньше использовались длинные коаксиальные кабели для соединения нескольких станций, то современные сети Ethernet используют витую пару или волоконно-оптические кабели. Там, где устаревшие сети Ethernet передавали данные со скоростью 10 мегабит в секунду (megabits per second, Mbps), современные сети могут работать на 100 или даже 1000 Mbps!

fiber-cable

Возможно, самым поразительным достижением в современных сетях Ethernet является использование коммутируемого(switched) Ethernet. Коммутируемые сети заменяют общий medium устаревшего Ethernet выделенным сегментом для каждого узла. Эти сегменты подключаются к свитчу, который действует так же, как Ethernet мост, но может подключить много отдельных сегментов станций.

ethernet3

Некоторые коммутаторы(свитчи) сегодня могут поддерживать сотни выделенных сегментов. Так как в сегменте только свитч и конечная станция, то свитч получает каждый фрейм, прежде чем он достигнет другой станции. Затем свитч передает фрейм на соответствующий сегмент, так же, как и мост, но так как любой сегмент содержит ровно один узел, то фрейм достигает только заданного получателя. Это позволяет многим «разговорам» происходить одновременно в коммутируемой сети.

Full-duplex Ethernet

Switched Ethernet породил другое улучшение, full-duplex Ethernet. Full-duplex является термином передачи данных, который относится к способности получать и отправлять данные одновременно.

Устаревший Ethernet является half-duplex, что означает, информация может двигаться только в одном направлении в каждый момент времени. В полностью коммутируемой сети узлы взаимодействуют только со свитчом и никогда непосредственно друг с другом. Коммутируемые сети также используют витую пару или волоконно-оптические кабели, оба из которых используют отдельные проводники для передачи и приема данных. В такой среде Ethernet станции могут отказаться от процесса обнаружения коллизий и спокойно передавать фреймы, так как они являются единственными потенциальными устройствами, которые могут получить доступ к medium‘у. Это позволяет конечным станциям передавать коммутатору данные в то же время, что коммутатор передает им, достигая collision-free среды.

Ethernet or 802.3?

Возможно, вы слышали термин 802.3, использованный  вместо или в сочетании с термином Ethernet. «Ethernet» изначально относился к реализации сети, стандартизированной компаниями Digital, Intel и Xerox. (По этой причине он также известен, как DIX стандарт.)

В феврале 1980 года Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers или IEEE) создал комитет по стандартизации сетевых технологий. IEEE назвал ее 802 рабочей группой, названной в честь года и месяца ее формирования. Подкомитеты 802 рабочей группы отдельно затрагивали разные аспекты сетей. IEEE отличал каждый подкомитет, нумеруя их 802.X, где X представлял уникальный номер для каждого подкомитета. 802.3 группа стандартизировала работу сети CSMA/CD, которая была функционально эквивалентна DIX Ethernet.

Ethernet и 802.3 немного отличаются по своей терминологии и формате данных для их фреймов, но во многих отношениях идентичны. Сегодня термин Ethernet относится в общем как к реализации DIX Ethernet, так и IEEE 802.3 стандарту.

На этом все. В следующий раз мы познакомимся со стандартом Token Ring.

Всем удачи и крепких знаний!

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s