Архитектура Ethernet

Популярность Ethernet нередко вызывает удивление. Эта технология изначально не является эффективной. На самом деле только 37 % полосы пропускания подходит для ее функционирования, так как Ethernet работает в условиях одновременного использования канала связи. Устройства, подключенные к локальной сети Ethernet, прослушивают линию и ожидают ее освобождения для отправки сообщения. Если два устройства одновременно начинают передачу данных, и их пакеты сталкиваются, то обе передачи прерываются, и рабочие станции через некоторое время, определяемое случайным образом, осуществляют новую попытку отправки данных.

Ethernet использует алгоритм CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов) для прослушивания линии, распознавания коллизии и прерывания передачи. CSMA/CD является "светофором" технологии Ethernet и служит для предотвращения беспорядочных столкновений пакетов в сети. На рисунке 1.5 показано, как работает алгоритм CSMA/CD.

Рис. 1.5. Работа алгоритма CSMA/CD

Технология Ethernet использует общую среду передачи, поэтому все устройства локальной сети Ethernet получают все сообщения, а затем проверяют, совпадает ли адрес назначения с собственным адресом устройства. Если адреса совпадают, то сообщение принимается и проходит через все семь уровней стека, в противном случае сообщение отбрасывается.

Реализация коммутируемой архитектуры сети Ethernet имеет преимущество в том, что линии, связывающие коммутатор с устройствами, подключенными к сети, получают полосу пропускания максимальной ширины. Это объясняется тем, что передаваемые пакеты не отправляются широковещанием ко всем устройствам сети, а передаются от коммутатора к пункту назначения.

Гигабитный Ethernet

Гигабитный Ethernet является расширением Ethernet-стандарта до скорости 1000 Мб/с. Такой скачок вызван тем, что он наследует возможности других Ethernet-спецификаций (исходного 10-мегабитного Ethernet и 100-мегабитного Fast Ethernet).

Технология гигабитного Ethernet является основным конкурентом технологии ATM. (Об этой технологии мы будем кратко говорить далее). Так как Ethernet является самой популярной сетевой технологией, то гигабитный Ethernet выигрывает у ATM, поскольку является более изученным. Изначально он разрабатывался для эксплуатации в локальных сетях, но при возрастании скорости передачи данных до 1 Гбит/с его можно использовать в качестве WAN-технологии.

Несмотря на высокую скорость передачи, Ethernet не совсем подходит для глобальных сетей. Эта технология использует кадры переменного размера - от 64 до 1400 байт, что не соответствует характеристикам ATM по качеству обслуживания (Quality of Service, QoS).

Примечание. Качество обслуживания (QoS) гарантирует наиболее эффективную отправку и получение пакетов. В "Подключения к рабочим группам" мы более подробно рассмотрим QoS и его реализацию в Windows XP.

Разумеется, о конкретных нуждах и эксплуатационных возможностях организации можно говорить долго. Если компания не делает акцент на характеристики QoS и имеет достаточную базу знаний об Ethernet, то идеальным решением для нее является гигабитный Ethernet. Популярным решением такой сети является подключение локальных сетей общего доступа с технологией Fast Ethernet к магистральной сети, работающей по технологии гигабитного Ethernet.

10-гигабитный Ethernet

Следующей ступенькой в развитии Ethernet стал 10-гигабитный Ethernet. Скорости передачи 10 Мбит/с и 100 Мбит/с в технологии Ethernet делают ее хорошим способом доступа к данным, гигабитный Ethernet становится претендентом на роль WAN. А 10-гигабитная реализация Ethernet становится настоящей глобальной сетевой технологией.

10-гигабитный Ethernet использует Ethernet-протокол, формат кадра и размер кадра, определенные в спецификации IEEE 802.3. Переменный размер кадров по-прежнему остается проблемой, однако принципиальных трудностей для группировки множества мелких пакетов в один большой транк (trunk) технологии 10-гигабитного Ethernet, не существует. Все "за" и "против" должны рассматриваться для конкретной организации или ситуации.

Token Ring

У вас могло сложиться впечатление, что весь мир пользуется Ethernet-соединениями, но все же это не единственный стандарт для локальных сетей. Технология Token Ring является главным конкурентом Ethernet в борьбе за лидерство в LAN-технологиях. По крайней мере, так было до сих пор. Token Ring отличается своей архитектурой и не совместим с Ethernet во всем, что касается сетевых карт, соединительных кабелей и программного обеспечения.

Примечание. Технология Ethernet определяется в спецификации IEEE 802.3, технология Token Ring - в спецификации IEEE 802.5.

Token Ring (кольцевая сеть с маркерным доступом) называется так, потому что образует из хостов (узлов) логическое кольцо. Сегменты локальной сети, организованной по технологии Token Ring, передают сигналы по очереди от одного хоста к следующему, как если бы кабель на самом деле представлял собой одно гигантское кольцо. На практике хосты не обязательно соединяются по кругу, более того, конфигурация их соединения может иметь обычную топологию "звезда" (см. рис. 1.6). Обратите внимание на то, что вместо хаба или коммутатора в центре звезды находится модуль множественного доступа (Media Access Unit - MAU).

Рис. 1.6. Организация локальной сети Token Ring

Технология Ethernet в процессе принятия решения о том, какой хост будет широковещательным, отслеживает освобождение линии связи. Технология Token Ring действует более упорядоченно: протокол с эстафетной передачей маркера контролирует трафик, посылая специальный кадр - маркер (token) - от хоста к хосту. Только хост, владеющий маркером, получает право на передачу информации, что позволяет устранять коллизии пакетов.

По сути, Token Ring избегает коллизий за счет времени ожидания, так как каждому хосту приходится ждать своей очереди на передачу. Однако только этим все не ограничивается. Исключение коллизий пакетов в значительной степени способствует более полному использованию полосы пропускания. Token Ring использует до 75 % полосы пропускания, в то время как теоретический максимум использования у Ethernet составляет около 37 %. В первых реализациях Token Ring скорость передачи данных составляла 4 Мбит/с. Сейчас большинство локальных сетей с технологией Token Ring повысили свою скорость до 16 Мбит/с. Это не так много по сравнению со 100-мегабитным Fast Ethernet, но, как уже говорилось, Token Ring работает гораздо эффективнее, чем Ethernet.

Не стоит забывать, что деньги тоже имеют значение. Token Ring не стал лидирующим стандартом только потому, что имеет более высокие цены за трафик.

Организация локальных сетей Token Ring стоит дороже из-за технологической сложности механизма эстафетной передачи маркера и использования сетевых карт, которые передают пакеты в упорядоченном режиме.

ATM

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) отличается от других сетевых технологий тем, что каждая передача состоит из 53-байтовых ячеек. Ячейки - это блоки фиксированной длины и, подобно пакетам, представляют собой части сообщения. Формат фиксированной длины позволяет получать уникальные характеристики.

• Ориентация на виртуальные каналы связи. Сетевые соединения, использующие ячейки, наиболее эффективно работают в режиме двухточечного соединения (point-to-point), когда принимающая станция находится в состоянии активности и готова к приему и обработке ячеек.

• Скорость. Благодаря одинаковой величине ячеек устройства, обслуживающие технологию АТМ, могут точно определить заголовок ячейки и начало блока данных. Это ускоряет процесс обработки и позволяет АТМ-сетям работать со скоростью до 622 Мбит/с.

• Качество обслуживания (QoS). Прогнозируемые скорости передачи данных и виртуальные каналы позволяют гарантировать высокий уровень обслуживания для большей части трафика.

АТМ-технология отличается от технологии Ethernet и Token Ring тем, что является коммутируемой технологией, в которой виртуальные каналы устанавливаются до начала передачи. Ethernet и Token Ring не создают виртуальных каналов, более того, они отсылают сообщение хосту без предварительного уведомления, оставляя задачу определения оптимального маршрута маршрутизаторам.

Ячейки АТМ достаточно малы (53 байта) по сравнению с Ethernet-пакетами, имеющими размер от 64 до 1500 байт, поэтому их быстрее обрабатывать и легче осуществлять контроль.

Еще одной отличительной чертой АТМ является то, что эта технология разработана для оптоволоконных кабелей, работающих в технических условиях синхронных оптических сетей (Synchronous Optical Network, SONET). SONET является ANSI-стандартом, который определяет характеристики физических интерфейсов, подключаемых к оптоволоконным кабелям.

Архитектура ATM-сетей эффективно использует полосу передачи для максимальных скоростей, на 75% превышая эффективность технологии Token Ring. Скорость передачи для большинства магистральных АТМ-сетей составляет 155 Мбит/с (ОС-3) или 622 Мбит/с (ОС-12). Скорость передачи для сильно нагруженных междугородных линий связи составляет 622 Мбит/с (ОС-12) и 2,488 Гбит/с (ОС-48).

Примечание. ОС определяет оптический носитель и является мерой скорости при передаче данных по оптоволоконным линиям.