Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Мы начнем исследование реальных систем с Ethernet, вероятно, наиболее распространенном типе компьютерных сетей в мире. Существует два типа Ethernet: классический Ethernet (classic Ethernet), который решает проблему множественного доступа с помощью техник, представленных в этой главе; и коммутируемый Ethernet (switched Ethernet), в котором для соединения компьютеров используются устройства под названием коммутаторы. Важно понимать, что хотя в обоих названиях присутствует слово Ethernet, между этими сетями много различий. Классический Ethernet — это воплощение оригинальной задумки; эти сети работали на скоростях от 3 до 10 Мбит/с. Коммутируемый Ethernet — это более высокий уровень; эти сети работают на скоростях 100, 1000 или 10 000 Мбит/с и носят названия Fast Ethernet («быстрый Ethernet»), Gigabit Ethernet («гигабитный Ethernet») и 10-Gigabit Ethernet («10-гигабитный Ethernet»). Сегодня на практике используется только коммутируемый Ethernet.

Мы обсудим эти исторические формы Ethernet в хронологическом порядке, продемонстрировав развитие сети. Так как Ethernet и IEEE 802.3 — это одно и то же (за исключением двух небольших деталей, которые мы вкратце обсудим), то многие используют оба названия. Мы тоже будем говорить то «Ethernet», то «IEEE 802.3». Дополнительную информацию, касающуюся Ethernet, можно найти в книге (Spurgeon, 2000).

4.3.1. Физический уровень классической сети Ethernet

История Ethernet начинается приблизительно во времена ALOHA, когда студент Боб Меткальф получил магистерскую степень в Массачусетском технологическом университете, а потом сменил место жительство, чтобы защитить докторскую в Гарварде. Во время учебы он познакомился с работой Абрамсона. Она так заинтересовала его, что после выпуска из Гарварда он решил провести лето на Гавайях, работая с Абрамсоном, и только после этого перебираться в исследовательский центр Xerox. Оказавшись в исследовательском центре, он увидел то, что впоследствии должно было стать персональным компьютером. Однако машины были изолированы. Используя свои знания о работе Абрамсона, он, вместе с коллегой Дэвидом Боггсом, создал и реализовал первую локальную сеть (Metcalfe, Boggs, 1976). Для нее использовался длинный толстый коаксиальный кабель, а скорость сети составляла 3 Мбит/с.

Они назвали систему Ethernet в честь люминофорного эфира, через который, как когда-то считалось, распространяются электромагнитные лучи. (Когда в XIX веке британский физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электромагнитное излучение можно описать волновым уравнением, ученые предположили, что пространство должно быть заполнено некой эфирной средой, с помощью которой излучение распространяется. Только после знаменитого эксперимента Майкельсона—Морли, проведенного в 1887 году, физики поняли, что электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме.)

Система Xerox Ethernet оказалась настолько успешной, что в 1978 году DEC Intel и Xerox разработали стандарт 10-мегабитного Ethernet, который называется стандартом DIX (DIX standard). С небольшими изменениями в 1983 году стандарт DIX превратился в стандарт IEEE 802.3. К несчастью для Xerox, у этой компании уже к тому моменту была длинная история значительных изобретений (таких как персональный компьютер), которые они не сумели успешно выпустить на рынок (прочитайте об этом в книге «Fumbling the Future», Smith, Alexander, 1988). Когда стало понятно, что у Xerox нет никакой заинтересованности в Ethernet и предложить эта компания может разве что помощь в стандартизации, Меткальф основал собственную компанию, 3Com, и стал продавать адаптеры Ethernet для персональных компьютеров. Были проданы миллионы устройств.

Классический Ethernet — это один длинный кабель, обвивающий здание, к которому подключаются компьютеры. Такая архитектура показана на рис. 4.13. Первый вариант, называемый в народе толстым Ethernet (thick Ethernet), напоминал желтый садовый шланг с маркировкой каждые 2,5 метра — в этих местах подключались компьютеры. (По стандарту 802.3 не требовалось, чтобы кабель был желтым, но это подразумевалось.) Ему на смену пришел тонкий Ethernet (thin Ethernet); эти кабели лучше гнулись, а соединения выполнялись с помощью стандартных разъемов BNC. Тонкий Ethernet был намного дешевле и проще в установке, но длина сегмента не превышала 185 метров (вместо 500 метров для толстого Ethernet), и каждый сегмент поддерживал не более 30 машин (вместо 100).

Все версии Ethernet имеют ограничения по длине кабелей в сегменте, то есть участкам кабелей без использования усилителя. Для построения сетей больших размеров несколько кабелей соединяются повторителями( repeaters). Повторитель — это устройство физического уровня. Он принимает, усиливает (регенерирует) и передает сигналы в обоих направлениях. С точки зрения программного обеспечения, ряд кабелей, соединенных повторителями, не отличается от сплошного кабеля (отличие заключается только во временной задержке, связанной с повторителями).

Рис. 4.13.Архитектура классической сети Ethernet

Информация по этим кабелям передается с использованием манчестерского кода. Сеть Ethernet может состоять из большого количества сегментов кабеля и повторителей, однако два приемопередатчика должны располагаться на расстоянии не более 2,5 км и между ними должно быть не более четырех повторителей. Причина такого ограничения лежит в протоколе MAC, о котором мы поговорим далее.

4.3.2. Протокол подуровня управления доступом к среде в классическом Ethernet

Формат кадра, применяемый для отправки данных, показан на рис. 4.14. Сначала идет поле Preamble (преамбула, заголовок) длиной 8 байт, которое содержит последовательность 10101010 (за исключением последнего байта, в котором значения последних двух битов равны 11). Последний байт в стандарте 802.3 называется разделителем Start of Frame (Начало кадра). Манчестерское кодирование такой последовательности битов дает в результате меандр с частотой 10 МГц и длительностью 6,4 мкс, что позволяет получателю синхронизировать свои часы с часами отправителя. Два последних бита, равных единице, говорят получателю, что сейчас начнется новый кадр.

Затем следуют два адреса: получателя и отправителя. Каждый занимает по 6 байт. Первый передаваемый бит адреса получателя содержит 0 для обычных адресов и 1 для групповых получателей. Групповые адреса позволяют нескольким станциям принимать информацию от одного отправителя. Кадр, отправляемый групповому адресату, может быть получен всеми станциями, входящими в эту группу. Такой механизм называется групповой рассылкой( multicasting). Если адрес состоит только из единиц, то кадр могут принять абсолютно все станции сети. Таким способом осуществляется широковещание( broadcasting). Групповая рассылка более избирательна, но требует некоторых усилий при управлении группами. Широковещание — это более грубая технология, но зато не требует никакой настройки групп.