Экзамен / Оборудование локальных сетей. Ethernet

Самая популярная сетевая технология — Ethernet — представляет архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей. Это означает, что все узлы сегмента сети получают пакет одновременно. В классическом варианте архитектуры с шинной топологией используется метод множественного доступа с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect). Суть этого метода заключается в том, что любой абонент может пытаться получить доступ к среде (начать передачу пакета) в любой момент времени, но будет делать это осмотрительно. Если в процессе передачи передающий узел обнаруживает коллизию (столкновение с работой другого передатчика), то он прекратит передачу и будет выжидать случайный интервал времени до возобновления попытки передачи. Такой метод доступа относится к классу недетерминированных с децентрализованным управлением (все узлы равноправны). Недостатком этого метода является возрастание числа коллизий при увеличении числа активных узлов в сегменте, в результате чего реальная пропускная способность с повышением числа активных узлов начинает резко падать. При большом количестве узлов (ориентировочно — более 30) для повышения пропускной способности применяют сегментирование сети. При этом отдельные сегменты сети соединяют между собой мостами, в задачу которых входит фильтрация кадров (фреймов) по физическим (MAC) адресам назначения. Если адрес назначения кадра относится к узлу данного сегмента, мост не выпускает его в другой сегмент, а если получателя кадра нет в данном сегменте, то для этого кадра мост будет прозрачным. Фильтрацией пакетов на более высоком уровне занимаются и маршрутизаторы.

В реализации Ethernet на витой паре применяется звездообразная физическая топология, в центре которой располагается устройство Hub. При использовании простейших хабов-повторителей логически все узлы оказываются объединенными в шину и ситуация с коллизиями выглядит так же, как и на коаксиале. Развитием технологии Ethernet стало применение коммутации пакетов (Switched Ethernet), реализуемое при звездообразной физической топологии. Здесь управление доступом к среде практически переносится с узлов в центральное коммутирующее устройство — Switched Hub, обеспечивающее установление временных (на время передачи одного пакета) виртуальных выделенных каналов между парами портов — источниками и получателями пакетов. От узлов-передатчиков коммутирующий хаб почти всегда готов принять пакет либо в свой буфер, либо практически без задержки передать его в порт назначения (коммутация «на лету» — On-the-fly Switching). Коммутирующие хабы существенно дороже, но возможно сочетание обычных хабов-повторителей с коммутирующими, что позволяет увязать требования производительности с ценой в каждом конкретном случае построения сети.

В качестве среды передачи в Ethernet возможно и применение оптоволокна, реализующего двухточечное соединение.

Технология Ethernet позволяет использовать скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с, высокая скорость доступна только для витой пары и оптоволокна. Появилась версия и со скоростью 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet), но пока что широкого распространения не получила из-за технических сложностей реализации кабельной системы и отсутствия жесткого стандарта. Популярные разновидности Ethernet обозначаются как 10Base2, 10BaseT и др. Здесь первый элемент обозначает скорость, Мбит/с. Второй элемент: Base — прямая (немодулированная) передача, Broad — использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. Третий элемент: длина кабеля в сотнях метров (хотя в 10Base2 длина до 250 м) или среда передачи (F — оптоволокно, Т — 2 витые пары, Т4 — 4 витые пары). Эти разновидности будут рассмотрены ниже, за исключением «древнего» варианта lBase5 и 10Broad36 на 75-омном коаксиале, встреча с которыми маловероятна. Сориентироваться и выбрать подходящую реализацию Ethernet поможет табл. 10.2.

Таблица 10.2. Топологические характеристики популярных разновидностей Ethernet

	10Base5	10Base2	10BaseT	10BaseF	100BaseT
Топология	Шина	Шина	Звезда	Точка-точка	Звезда
Максимальная длина сегмента, м	500	185 или 300	100	1000 (возможно и больше)	100
Расстояние между узлами, м	Кратно 2,5	Больше 0,5	Не задается	Не задается	Не задается
Кабель	RG-8, RG-11	RG-58	UTP 3, 4, 5 категории	Оптоволокно	UTP 5 категории
Максимальное количество узлов в кабельном сегменте	100	30	Определяется хабами	2	Определяется хабами
Напряжение изоляции между узлами	До 5 кВ	До 100 В	До 100 В	Любое	До 100В

Адаптеры Ethernet

Сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIC) для PC выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, PCI, PC Card, VLB. Существуют адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC, преимущество — отсутствие потребностей в системных ресурсах (порты, прерывания и т. п.) и легкость подключения (без вскрытия компьютеров), недостаток — при обмене они значительно загружают процессор.

Основные свойства адаптеров:

• Разъемы подключения к среде передачи: один разъем — BNC или RJ-45 (UTP или STP) или их комбинация. Наиболее универсальные «Combo» — имеют полный 10-мегабитньгй набор BNC/AUI/RJ 45. Разъемы RJ-45 для STP имеют блестящий металлический кожух-экран, что позволяет их легко отличать от черных пластмассовых розеток для UTP.

• Скорость передачи — 10 или 100 Мбит/с, многие 100-мегабитные адаптеры имеют режим и 10 Мбит/с.

• Системная шина и способ обмена данными. Для многозадачных применений желательно использование Bus-Master, разгружающего процессор. Адаптеры Bus-Master должны иметь 32-разрядную шину (EISA, MCA, PCI), в противном случае будут проблемы с использованием ОЗУ свыше 16 Мбайт.

• Возможность полного дуплекса для сред с раздельными линиями приемника и передатчика (витая пара или оптоволокно) — в многозадачных системах позволяет теоретически удвоить пропускную способность (при поддержке этого режима на другой стороне).

• Размер установленной буферной памяти — чем больше, тем лучше. Минимальный объем должен позволять хранить, по крайней мере, пару пакетов (максимальная длина пакета 1514 байт). Сейчас есть платы и с объемом буферной памяти, исчисляемой мегабайтами.

• Наличие гнезда для микросхемы BootROM, обеспечивающей возможность удаленной загрузки операционной системы (Remote Boot или Remote Reset) по сети с файл-сервера.

При приобретении адаптера стоит обратить внимание и на некоторые «мелочи», такие как:

• Наличие драйвера для используемой ОС в комплекте поставки адаптера или драйвера адаптера в составе используемой ОС.

• Наличие утилиты конфигурирования (для программно-конфигурируемых адаптеров).

• Доступность микросхемы с соответствующей программой загрузки, если предполагается использование удаленной загрузки.

Конфигурирование адаптера подразумевает настройку на использование системных ресурсов PC и выбор среды передачи. Конфигурирование осуществляется с помощью установки переключателей (джамперов) или программно (Jumper-less, Software configuration), с сохранением параметров в энергонезависимой памяти адаптера. Программное конфигурирование выполняется с помощью специальной обычно DOS-утилиты, поставляемой для конкретной модели или семейства адаптеров, или конфигурируется системой Plug and Play.

Базовый адрес используемой области портов и номер прерывания выбираются так, чтобы не возникало конфликтов с системными устройствами PC и другими адаптерами ввода/вывода.

Разделяемая память (Adapter RAM) адаптера — буфер для передаваемых и принимаемых пакетов — обычно приписывается к области верхней памяти (UMA), лежащей в диапазоне A0000h-FFFFFh. Дополнительные модули ROM BIOS адаптера обычно устанавливаются только для удаленной загрузки (Boot ROM) и также приписываются к UMA. Теневую память (Shadow RAM) и кэширование на область Adapter RAM задавать нельзя, на область Boot ROM — бессмысленно.

При ошибочном задании адресов RAM и ROM с перекрытием областей видеоадаптера компьютер или перестанет загружаться из-за ошибки тестирования видеоадаптера, или загрузится со «слепым» экраном (опасно для программно-конфигурируемых адаптеров).

Повторители и хабы Ethernet

Классический шинный вариант Ethernet на коаксиале при небольшом числе станций, территориально вписывающихся в допустимую длину сегмента, не требует какого-либо активного оборудования, кроме самих адаптеров узлов. Однако когда сеть состоит из нескольких сегментов, а также во всех случаях применения звездообразной физической топологии, возникает необходимость применения повторителей и хабов.

• Repeater (повторитель) в сетях Ethernet на коаксиале используется как средство преодоления ограничений длины кабеля и количества подключенных узлов (по электрическим характеристикам). Классический повторитель с внутренними терминаторами включается между концами соседних сегментов. Повторитель с внешними терминаторами может подключаться к Т-коннекторам (или трансиверам) в произвольных местах сегментов.

• Hub (хаб) является обязательным (кроме двухточечной сети) соединительным элементом сети на витой паре и средством расширения топологических, функциональных и скоростных возможностей для любых сред передачи. Простейшие хабы являются многопортовыми повторителями. Некоторые порты хабов могут иметь набор разъемов BNC, RJ-45, AUI, обеспечивая выбор среды передачи. К порту хаба можно подключать как отдельный узел, так и другой хаб или сегмент коаксиала. Хабы с набором разнотипных портов позволяют объединять сегменты сетей с различными кабельными системами.

• Intelligent Hub (интеллектуальный хаб) имеет более сложную архитектуру со встроенным микроконтроллером, позволяющим управлять сетью (обычно на основе средств SNMP). В хабе находится аппаратно-программный SNMP-агент, ведущий базу данных о состоянии управляемых ресурсов. Менеджер, управляющий хабом, взаимодействует с агентами по сети. Управляемость хаба обеспечивает возможность централизованного управления и диагностики состояния узлов сети, защиту от несанкционированного доступа, сегментирование сети для разделения графика.

• Stackable Hub (наращиваемый хаб) имеет специальные средства соединения нескольких хабов в стек, выступающий в роли единого целого. При этом обычно интеллектуальность одного хаба делает интеллектуальным весь стек. Расстояние между хабами в стеке может быть коротким (локальный стек) и длинным, до сотен метров (распределенный стек, более гибкий элемент для оптимизации кабельной системы).

• Switched Hub (коммутирующий хаб) — развитие технологии Ethernet, направленное на повышение производительности сети.

• Full-Duplex Hub (полнодуплексный хаб) — вариант коммутирующего, у которого порт может одновременно передавать и принимать пакеты.

Для логической шины Ethernet со скоростью 10 Мбит/с действует «правило 5-4-3»: не более пяти сегментов могут соединяться в одну сеть не более чем четырьмя повторителями, причем для подключения активных узлов (станций и серверов) возможно использование не более трех из этих сегментов. Многопортовые повторители позволяют существенно расширять топологические возможности в пределах этих ограничений, а применение хабов-мостов преодолевает это ограничение, поскольку разные порты моста относятся к различным сетям (имеющим и собственные сетевые адреса). Коммутирующие хабы, имеющие собственные буферы для пакетов, не подчиняются правилу 5-4-3. Для 100-мега-битных версий ограничения жестче — хабов в цепочке может быть не более двух.