Full-duplex
В стандарте Ethernet 10Base-T каждая точка
доступа использует для передачи и приема
пакетов разные пары кабеля. Более того -
физические параметры приемников и
передатчиков не позволяют использовать
витую пару в роли соединителя шинного типа,
что означает следующее: на каждой витой
паре может быть только один передатчик и
один приемник, и находиться они должны на ее
концах. То есть единственный способ
физического соединения сетевых
интерфейсов Ethernet на витой паре, это "точка-точка",
когда приемник точки А соединяется с
передатчиком точки Б, а приемник точки Б
соединяется с передатчиком точки А.
Если немного подумать, то становится ясно,
что в такой физической среде коллизия
пакетов невозможна - ведь к каждой паре
проводов подключен один, и только один,
передатчик. Более того, поскольку
передатчик и приемник любой точки
подключения независимы друг от друга,
появляется возможность передавать и
принимать разные пакеты данных
одновременно, что увеличивает суммарную
полосу пропускания сети вдвое и снижает
задержки при передаче. Такой режим работы
называется Full-Duplex - в отличие от
стандартного режима работы Ethernet IEEE 802.3, при
котором передача и прием пакетов
происходят попеременно, в режиме Half-Duplex.
Важной особенностью режима Full-Duplex
является то, что он, наконец, отменяет
доставшийся Ethernet в наследство от
коаксиального кабеля алгоритм работы CSMA/CD.
В этом режиме сетевому интерфейсу больше
нет необходимости прослушивать канал,
проверяя отсутствие чужой передачи перед
началом собственной, и нет необходимости
определять коллизии - поэтому он начинает
передачу немедленно при поступлении данных
и может передавать пакеты, не делая между
ними предусмотренных стандартом IEEE 802.3 пауз,
что дополнительно повышает суммарную
скорость передачи и снижает среднее время
задержки пакетов в сети. Впрочем, не все
сетевые интерфейсы (особенно старые) в
состоянии принимать пакеты без стандартных
пауз между ними...
Менее очевидное следствие применения
режима Full-Duplex - отмена "правила MRT", то
есть для сетей в этом режиме совершенно
неважно, какой величины достигает задержка
сигнала при распространении. Они будут
работать, лишь бы физические параметры
сигнала в точке приема (амплитуда, уровень
помех и т.д.) удовлетворяли стандарту.
Концентраторы - классика UTP-сетей
Поскольку физически витая пара позволяет
осуществлять только соединение точка-точка,
понадобилось какое-то устройство, могущее
объединить вместе несколько таких
соединений, образовав внутри себя
логическое подобие привычной для стандарта
Ethernet шинной магистрали. Такое устройство
было изобретено и называется концентратор,
или Hub.
Концентратор берет сигналы со всех своих
входов и суммирует их, затем усиливает и
отдает одновременно на все выходы. Это
позволяет любому сетевому интерфейсу,
соединенному с концентратором UTP-кабелем,
слышать как передачу других подсоединенных
к концентратору интерфейсов, так и свою
собственную (точно так, как это происходило
в коаксиальном кабеле). Соответственно,
именно внутри концентратора приходящие по
независимым линиям пакеты данных могут
столкнуться (наложиться), вызвав коллизию,
что вынуждает применять для передачи все
тот же привычный алгоритм CSMA/CD и не
позволяет точкам доступа одновременно
передавать и принимать данные (то есть
работа может идти только в режиме Half-Duplex).
Поскольку концентраторы обычно выполняют
также функцию регенерации (восстановления)
амплитуды и формы сигнала, они могут
соединяться друг с другом (это называется
каскадированием) точно так же, как с обычным
сетевым интерфейсом. Однако из-за того, что
в концентраторах разъемы "перевернуты"
(например, контакты 1-2 являются входом
приемника, а не выходом передатчика, как в
точках доступа типа сетевых карт), для их
каскадирования необходимо использовать
специальный "перевернутый" (Cross-Over)
кабель, либо воспользоваться на одном из
концентраторов Uplink-гнездом с "нормальной"
(как у сетевых карт) разводкой.
Таким образом, хотя UTP-сеть с
концентраторами является на физическом
уровне топологии "многолучевой звездой"
(что определяет ее гораздо более высокую
надежность по сравнению с коаксиальным
кабелем, так как нарушение контакта в любом
разъеме или UTP-кабеле вызывает отказ только
в одном луче, а не во всем сегменте), на
логическом уровне эта сеть остается
классической для IEEE 802.3 "общей шиной".
Коммутаторы - шаг вперед
Концентраторы просты по устройству и
поэтому дешевы, однако они превращают сеть
с полнодуплексной проводкой UTP в логическое
подобие сети на полудуплексном
коаксиальном кабеле, со многими ее минусами
(коллизионная среда, ограничение
геометрического размера из-за задержек
сигнала в кабеле, и т.д.). Понятно, что
мириться с этим конструкторам сетевого
оборудования не хотелось, и они придумали
устройство, подключаемое к сети точно так
же, как концентратор, но свободное от его
недостатков. Это устройство называется
коммутатор (Switch).
Идея работы коммутатора очень проста: он
принимает посылаемые любой точкой доступа (сетевой
картой), подключенной к коммутатору, пакеты
данных и отправляет их только на тот свой
выход, к которому подключена точка доступа,
для которой эти пакеты предназначены. Таким
образом для каждого пакета данных
осуществляется как бы логическое
соединение (коммутация) между гнездом
коммутатора, к которому подключен источник
(передатчик) пакета данных, и гнездом, к
которому подключен тот приемник, для
которого этот пакет предназначен.
Этот механизм оказывается возможен
потому, что в каждом посылаемом по сети Ethernet
пакете данных содержится заголовок, в
котором указаны уникальные номера (так
называемые MAC-адреса) передатчика,
посылающего пакет, и приемника, для
которого этот пакет предназначен. Вы
спросите - а откуда же коммутатор знает, к
какому из его портов подключен приемник с
определенным MAC-адресом? Все очень просто:
коммутатор запоминает адреса передатчиков
всех пакетов, приходящих на его порты, в
специальной памяти, и связывает с ними
номер порта, на который пакет с таким
адресом передатчика пришел. А поскольку
адрес передатчика и приемника у точки
доступа Ethernet один и тот же - эта таблица
очень быстро оказывается исчерпывающим
списком распределения всех приемников по
портам коммутатора. После этого
коммутатору, принявшему пакет, остается
лишь просмотреть таблицу, и, найдя там MAC-адрес
получателя, отправить пакет на указанный в
таблице порт.
Разумеется, возможен случай, что адреса
получателя в таблице MAC-адресов еще нет, или
что поле адреса получателя в пакете
заполнено логическими единицами (то есть
адрес является широковещательным, и пакет
предназначен для всех узлов сети). В таком
случае коммутатор просто транслирует пакет
на все свои порты, подобно тому, как это
делает обычный концентратор - но с той
важной разницей, что одновременно с такой
трансляцией коммутатор продолжает
принимать пакеты от узлов сети.
Несколько хитрее происходит обработка
пакетов с так называемым "групповым"
MAC-адресом получателя. Простые коммутаторы
поступают с ними точно так же, как с
широковещательными, а более сложные (прежде
всего коммутаторы для магистральных сетей,
или backbone) осуществляют поиск в таблице MAC-адресов
всех адресов, соответствующих групповому, и
транслируют пакет на те порты, к которым
подключены соответствующие узлы-получатели.
Таким образом, коммутаторы обеспечивают
сети Ethernet целый букет преимуществ по
сравнению с сетями на простых
концентраторах:
- Режим Full-Duplex ускоряет передачу данных и
снижает среднюю задержку пакетов в сети
за счет их одновременной передачи и
приема;
- Устраняются коллизии, что существенно
расширяет пропускную способность сети,
особенно в случаях больших нагрузок;
- На соединениях с Full-Duplex перестает
работать правило MRT, что позволяет
добиться большей масштабируемости сети и
увеличить физическую длину ее лучей;
- Перестает работать и правило "четырех
концентраторов" - поскольку каждый
коммутатор по природе своей не допускает
коллизий, и изолирует имеющиеся в
сегментах сети коллизии (например, от
подключенного концентратора) в пределах
одного порта. Это намного увеличивает
масштабируемость сети;
- Суммарная пропускная способность сети
резко возрастает - теперь физическая
скорость передачи не делится между всеми
точками доступа, а каждая из них может
передавать пакеты независимо, на полной
скорости, обеспечиваемой передатчиком.
Все это предопределило победу
коммутаторов над концентраторами даже
несмотря на их большую сложность и
стоимость, особенно в современных сетях
FastEthernet.
Коммутатор коммутатору рознь
Однако коммутаторы бывают разные. Во-первых,
они различаются по размеру таблицы MAC-адресов:
- Магистральные коммутаторы. Имеют
таблицу более 32.000 MAC-адресов, из которой
не менее 8.000 MAC-адресов может выделяться
на любой порт.
- Базовые коммутаторы. Имеют таблицу
более 8.000 MAC-адресов, из которой не менее 512
MAC-адресов может выделяться на любой порт.
- Коммутаторы для рабочих групп ("оконечные"
коммутаторы, или, как их неправильно
называют, Switching Hubs). Обычно имеют таблицу
от 256 до 8.000 MAC-адресов, однако с
большинством портов связывается только
один MAC-адрес (все остальные адреса
связываются с Uplink-портом).
Из этих технических различий следуют и
различия в областях применения:
магистральные коммутаторы используются
для объединения крупных сетей и
подключения их к магистральному кабелю
(backbone), базовые коммутаторы используют для
объединения концентраторов и коммутаторов
внутри сети, а коммутаторы рабочих групп,
которые всегда есть у нас на складе в
ассортименте, используются вместо
классических концентраторов для
подключения к сети большого числа рабочих
станций и серверов. Обратите внимание на то,
что коммутатор для рабочих групп может
каскадироваться только единственным Uplink-портом
и не допускает подключения на остальные
порты ни других коммутаторов, ни
концентраторов - только точки доступа (компьютеры,
принт-серверы, маршрутизаторы и т.д.).
Остальные два типа коммутаторов
каскадируемы практически неограниченно.
Также отличается и применяемый в
коммутаторах алгоритм коммутации пакетов.
В настоящее время используются две
технологии коммутации:
- Store-And-Forward (запомнить и переслать).
Основная идея в том, что коммутатор
принимает весь пакет данных до конца,
сверяет его контрольную сумму, и если
пакет оказался неповрежденным - передает
его по назначению, а если он поврежден - то
просто отбрасывает (точно так же, как
сетевые карты отбрасывают пакеты, во
время приема которых возникла коллизия).
Минус технологии - задержка передачи в
коммутаторе равна длине пакета.
- Cut-Trough (гнать насквозь). Основная идея -
принять только начало пакета (заголовок,
содержащий MAC-адреса отправителя и
получателя), на его основе осуществить
коммутацию и сразу начать передавать
пакет. Задержка при этом не зависит от
размера пакета и гораздо меньше, чем в
первом методе, но при этом теряется
возможность проверить пакет на
отсутствие повреждений.
Технология Store-And-Forward применяется
повсеместно, а Cut-Trough - как правило, только в
магистральных коммутаторах или близких к
ним по назначению моделях, поскольку она
реально имеет смысл лишь для соединения
источников с заведомо "чистым"
трафиком.
Популярность коммутаторов на уровне
подразделений продолжает расти. Это
связано с тем, что установка коммутаторов
обойдется дешевле, чем развертывание,
скажем, АТМ или Gigabit Ethernet. Обе эти технологии
предполагают значительные
капиталовложения. Коммутаторы же позволяют
повысить отдачу от уже сделанных
инвестиций. Кроме того, продвижению
коммутаторов на рынке способствует
простота их установки.
Локальнаяя сеть для малого офиса
И в конце статьи поговорим немного об
общих принципах построения локальной сети
в малых и больших офисах. Локальная сеть
малого офиса не предполагает наличия
сложной иерархической структуры. Как
правило, для управления сетью достаточно
одного файл-сервера. Сеть фактически
состоит из одной рабочей группы. При
количестве рабочих мест менее 10 можно
обойтись без сервера (т.н. одноранговая сеть).
Распределение ресурсов (совместный доступ
к данным, общие принтеры, другие совместно
используемые периферийные устройства)
организуется путем предоставления
локальных ресурсов и периферийных
устройств в общее пользование, хотя не
исключено и использование сетевых
устройств, главным образом принтеров. Файл-сервер,
помимо основной задачи, - хранения данных,
может являться также и сервером приложения,
например обеспечивать совместный доступ к
базе данных.
Локальнаяя сеть для большого офиса
В схеме представлена типовая сеть офиса
предприятия, имеющего несколько
структурных подразделений. Офис подключен
к выделенному каналу связи,
обеспечивающему как телефонию, так и доступ
в Интернет. Сеть состоит из группы серверов,
ряда рабочих групп, количество и состав
которых определяется структурой и
размерами предприятия, служебных
компьютеров и коммутационного
оборудования. Управление локальной
вычислительной сетью осуществляется
группой из трех серверов, включающей:
- Головной сервер (Main), отвечающий за
распределение ресурсов, хранение
информации и политику безопасности, с
подключенным к нему дисковым массивом;
- Резервный сервер (Backup), который
выполняет роль вторичного контроллера
домена и отвечающий за резервное
копирование информации;
- Web сервер, на котором размещается Web-сайт
предприятия
- Почтовый сервер (Mail) и служба
электронной почты
Кроме того, в группу серверов входит
рабочее место администратора сети. К
служебным компьютерам относятся сервер
доступа, обеспечивающий защиту локальной
сети от несанкционированного доступа извне.
В состав коммутационного оборудования
входят концентраторы и коммутаторы,
обеспечивающие коммуникацию между
компьютерами в составе локальной сети и
оптимальную пропускную способность,
мультиплексор, к которому подключен
внешний канал связи и маршрутизатор,
соединяющий локальную сеть с глобальным
информационным пространством. Физическая
структура сети организуется при помощи
кабеля UTP категории 5, обеспечивающего
передачу информации со скоростью до 100Мбит
в секунду. В случае, когда офис предприятия
расположен на нескольких этажах, сегменты
сети каждого этажа могут соединяться с
помощью коаксиального кабеля. При
интеграции офиса, занимающего несколько
зданий, удаленных друг от друга на
значительное расстояние (до 1 км), в сеть
включаются усилители сигнала (репитеры) или,
в случае невозможности организации
проводной связи, радиомодемы.
Заключение
Пока что мы обсудили проблемы и методы
реализации классических сетей Ethernet и
FastEthernet, все более и более уходящих в прошлое
под давлением новых технологий (например,
GigabitEthernet, о которых мы возможно поговорим в
будущем). Однако без понимания этих "старых"
технологий невозможно ни перейти к
проектированию современных сетей, ни
понять проблем модернизации существующих
структур и разумного перевода их на новые
технологии.
|
