2.4.1. Кабели на основе витых пар

Витые пары проводов используются в самых дешевых и на сегодняшний день, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Обычно в кабель входит две или четыре витые пары.

 

Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также слабой защищенностью от подслушивания с целью, например, промышленного шпионажа. Перехват передаваемой информации возможен как с помощью контактного метода (посредством двух иголочек, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Для устранения этих недостатков применяется экранирование.

 

 

В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk — перекрестные наводки). Естественно, экранированная витая пара гораздо дороже, чем неэкранированная, а при ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы, поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.

 

 

Основные достоинства неэкранированных витых пар — простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также простота ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то становится понятным, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 100 Мбит/с и ведутся работы по повышению скорости передачи до 1000 Мбит/с.

 

Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):

• Кабель категории 1 — это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только реч

Компьютерные сети от А до Я: технология Ethernet и коммутаторы

Расскажем, что такое технология Ethernet, затронем ее типы, виды, коммутаторы и особенности их работы в коммутируемом типе Ethernet.

Предыдущая статья

Ethernet – технология локальных сетей, отвечающая за передачу данных по кабелю, доступную для устройств компьютерных и промышленных сетей. Данная технология располагается на канальном (подуровни LLC и MAC) и физическом уровнях модели OSI.

По скорости передачи данных существуют такие технологии:

1. Ethernet – 10 Мб/с
2. Fast Ethernet – 100 Мб/с
3. Gigabit Ethernet – 1 Гб/с
4. 10G Ethernet – 10 Гб/с

Современное оборудование позволяет достигать скорости в 40 Гб/с и 100 Гб/с: такие технологии получили название 40GbE и 100GbE соответственно.

Также стоит выделить классический и коммутируемый Ethernet. Первый изначально использовал разделяемую среду в виде коаксиального кабеля, который позже был вытеснен концентраторами (hub). Основные недостатки – низкая безопасность и плохая масштабируемость (искажение данных при одновременной передаче 2-мя и более компьютерами, также известное как «коллизия»).

 

Коммутируемый Ethernet является более новой и усовершенствованной технологией, которая используется по сей день. Чтобы устранить недостатки предыдущей версии, разделяемую среду исключили и использовали соединение точка-точка. Это стало возможным благодаря новым устройствам под названием «коммутаторы» (switch).

Классическая технология Ethernet давно и успешно заменена новыми технологиями, но некоторые нюансы работы сохранились. Рассмотрим классическую версию.

Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных. Это:

• коаксиальный кабель
• витая пара
• оптоволокно

Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, что ничем не отличаются для различных сред передачи данных. Подуровни LLC и MAC в классической технологии присутствуют вместе.

MAC-адреса позволяют идентифицировать устройства, подключенные к сети Ethernet, и идентичных при этом быть не должно, в противном случае из нескольких устройств с одинаковыми адресами будет работать только одно.

По типам MAC-адреса разделяются на:

• Индивидуальные (для отдельных компьютеров).
• Групповые (для нескольких компьютеров).
• Широковещательные (для всех компьютеров сети).

Адреса могут назначаться как производителем оборудования (централизованно), так и администратором сети (локально).

Технология Ethernet и формат кадра:

Также не стоит забывать о коллизиях. Если сигнал, который принят, отличается от переданного, это означает, что произошла коллизия.

Технология CSMA/CD разработана с учетом возникновения коллизий и предполагает их контроль. Модель CSMA/CD выглядит следующим образом:

Классический Ethernet плох тем, что становится неработоспособным при нагрузке более чем 30%.

На сегодняшний день это наиболее оптимальная альтернатива, которая полностью исключает возможность появления коллизий и связанных с ними проблем.

Суть коммутируемого Ethernet в том, что вместо хаба используется свич (коммутатор) – устройство, которое работает на канальном уровне и обладает полносвязной топологией, что обеспечивает соединение всех портов друг с другом напрямую по технологии точка-точка.

Таблицы коммутации есть в каждом таком устройстве. Они описывают, какие компьютеры к какому порту свича подключены. Чтобы узнать MAC-адреса, используется алгоритм обратного обучения, а для передачи данных – алгоритм прозрачного моста.

Простейшая таблица коммутации:

Алгоритм обратного обучения работает таким образом: коммутатор принимает кадры, анализирует заголовок и извлекает из него адрес отправителя. Таким образом, к определенному порту подключен компьютер с конкретным MAC-адресом.

Прозрачный мост не требует настройки и так назван за счет того, что он не заметен для сетевых устройств (у него нет своего MAC-адреса). Коммутатор принимает кадр, анализирует заголовок, извлекает из него адрес получателя и сопоставляет его с таблицей коммутации, определяя порт, к которому подключено устройство. Таким образом, кадр передается на конкретный порт получателя, а не на все порты, как в случае с концентратором. Если же адрес не найден в таблице, коммутатор работает так же, как и хаб.

Технология Ethernet претерпела немало изменений с момента своего появления. Сегодня она способна обеспечить высокоскоростное соединение, лишенное коллизий и не ограниченное небольшой нагрузкой сети, как это было в случае с классическим Ethernet.

В современных локальных сетях используются коммутаторы, которые по своей функциональности значительно эффективнее концентраторов. Больше нет разделяемой среды и связанных с ней коллизий, затрудняющих работу с сетью. Свичи анализируют заголовки и передают кадры только конечному получателю по принципу точка-точка. Способны «изучать» сеть благодаря таблице коммутации и алгоритму обратного обучения.

Плюсами коммутируемого Ethernet являются масштабируемость, высокая производительность и безопасность.

Основы компьютерных сетей. Тема №1. Основные сетевые термины и сетевые модели / Habr

Всем привет. На днях возникла идея написать статьи про основы компьютерных сетей, разобрать работу самых важных протоколов и как строятся сети простым языком. Заинтересовавшихся приглашаю под кат.

Немного оффтопа: Приблизительно месяц назад сдал экзамен CCNA (на 980/1000 баллов) и осталось много материала за год моей подготовки и обучения. Учился я сначала в академии Cisco около 7 месяцев, а оставшееся время вел конспекты по всем темам, которые были мною изучены. Также консультировал многих ребят в области сетевых технологий и заметил, что многие наступают на одни и те же грабли, в виде пробелов по каким-то ключевым темам. На днях пару ребят попросили меня объяснить, что такое сети и как с ними работать. В связи с этим решил максимально подробно и простым языком описать самые ключевые и важные вещи. Статьи будут полезны новичкам, которые только встали на путь изучения. Но, возможно, и бывалые сисадмины подчеркнут из этого что-то полезное. Так как я буду идти по программе CCNA, это будет очень полезно тем людям, которые готовятся к сдаче. Можете держать статьи в виде шпаргалок и периодически их просматривать. Я во время обучения делал конспекты по книгам и периодически читал их, чтобы освежать знания.

Вообще хочу дать всем начинающим совет. Моей первой серьезной книгой, была книга Олиферов «Компьютерные сети». И мне было очень тяжело читать ее. Не скажу, что все было тяжело. Но моменты, где детально разбиралось, как работает MPLS или Ethernet операторского класса, вводило в ступор. Я читал одну главу по несколько часов и все равно многое оставалось загадкой. Если вы понимаете, что какие то термины никак не хотят лезть в голову, пропустите их и читайте дальше, но ни в коем случае не отбрасывайте книгу полностью. Это не роман или эпос, где важно читать по главам, чтобы понять сюжет. Пройдет время и то, что раньше было непонятным, в итоге станет ясно. Здесь прокачивается «книжный скилл». Каждая следующая книга, читается легче предыдущей книги. К примеру, после прочтения Олиферов «Компьютерные сети», читать Таненбаума «Компьютерные сети» легче в несколько раз и наоборот. Потому что новых понятий встречается меньше. Поэтому мой совет: не бойтесь читать книги. Ваши усилия в будущем принесут плоды. Заканчиваю разглагольствование и приступаю к написанию статьи.

Итак, начнем с основных сетевых терминов.

Что такое сеть? Это совокупность устройств и систем, которые подключены друг к другу (логически или физически) и общающихся между собой. Сюда можно отнести сервера, компьютеры, телефоны, маршрутизаторы и так далее. Размер этой сети может достигать размера Интернета, а может состоять всего из двух устройств, соединенных между собой кабелем. Чтобы не было каши, разделим компоненты сети на группы:

1) Оконечные узлы: Устройства, которые передают и/или принимают какие-либо данные. Это могут быть компьютеры, телефоны, сервера, какие-то терминалы или тонкие клиенты, телевизоры.

2) Промежуточные устройства: Это устройства, которые соединяют оконечные узлы между собой. Сюда можно отнести коммутаторы, концентраторы, модемы, маршрутизаторы, точки доступа Wi-Fi.

3) Сетевые среды: Это те среды, в которых происходит непосредственная передача данных. Сюда относятся кабели, сетевые карточки, различного рода коннекторы, воздушная среда передачи. Если это медный кабель, то передача данных осуществляется при помощи электрических сигналов. У оптоволоконных кабелей, при помощи световых импульсов. Ну и у беспроводных устройств, при помощи радиоволн.

Посмотрим все это на картинке:

На данный момент надо просто понимать отличие. Детальные отличия будут разобраны позже.

Теперь, на мой взгляд, главный вопрос: Для чего мы используем сети? Ответов на этот вопрос много, но я освещу самые популярные, которые используются в повседневной жизни:

1) Приложения: При помощи приложений отправляем разные данные между устройствами, открываем доступ к общим ресурсам. Это могут быть как консольные приложения, так и приложения с графическим интерфейсом.

2) Сетевые ресурсы: Это сетевые принтеры, которыми, к примеру, пользуются в офисе или сетевые камеры, которые просматривает охрана, находясь в удаленной местности.

3) Хранилище: Используя сервер или рабочую станцию, подключенную к сети, создается хранилище доступное для других. Многие люди выкладывают туда свои файлы, видео, картинки и открывают общий доступ к ним для других пользователей. Пример, который на ходу приходит в голову, — это google диск, яндекс диск и тому подобные сервисы.

4) Резервное копирование: Часто, в крупных компаниях, используют центральный сервер, куда все компьютеры копируют важные файлы для резервной копии. Это нужно для последующего восстановления данных, если оригинал удалился или повредился. Методов копирования огромное количество: с предварительным сжатием, кодированием и так далее.

5) VoIP: Телефония, работающая по протоколу IP. Применяется она сейчас повсеместно, так как проще, дешевле традиционной телефонии и с каждым годом вытесняет ее.

Из всего списка, чаще всего многие работали именно с приложениями. Поэтому разберем их более подробно. Я старательно буду выбирать только те приложения, которые как-то связаны с сетью. Поэтому приложения типа калькулятора или блокнота, во внимание не беру.

1) Загрузчики. Это файловые менеджеры, работающие по протоколу FTP, TFTP. Банальный пример — это скачивание фильма, музыки, картинок с файлообменников или иных источников. К этой категории еще можно отнести резервное копирование, которое автоматически делает сервер каждую ночь. То есть это встроенные или сторонние программы и утилиты, которые выполняют копирование и скачивание. Данный вид приложений не требует прямого человеческого вмешательства. Достаточно указать место, куда сохранить и скачивание само начнется и закончится.

Скорость скачивания зависит от пропускной способности. Для данного типа приложений это не совсем критично. Если, например, файл будет скачиваться не минуту, а 10, то тут только вопрос времени, и на целостности файла это никак не скажется. Сложности могут возникнуть только когда нам надо за пару часов сделать резервную копию системы, а из-за плохого канала и, соответственно, низкой пропускной способности, это занимает несколько дней. Ниже приведены описания самых популярных протоколов данной группы:

FTP- это стандартный протокол передачи данных с установлением соединения. Работает по протоколу TCP (этот протокол в дальнейшем будет подробно рассмотрен). Стандартный номер порта 21. Чаще всего используется для загрузки сайта на веб-хостинг и выгрузки его. Самым популярным приложением, работающим по этому протоколу — это Filezilla. Вот так выглядит само приложение:

TFTP- это упрощенная версия протокола FTP, которая работает без установления соединения, по протоколу UDP. Применяется для загрузки образа бездисковыми рабочими станциями. Особенно широко используется устройствами Cisco для той же загрузки образа и резервных копий.

Интерактивные приложения. Приложения, позволяющие осуществить интерактивный обмен. Например, модель «человек-человек». Когда два человека, при помощи интерактивных приложений, общаются между собой или ведут общую работу. Сюда относится: ICQ, электронная почта, форум, на котором несколько экспертов помогают людям в решении вопросов. Или модель «человек-машина». Когда человек общается непосредственно с компьютером. Это может быть удаленная настройка базы, конфигурация сетевого устройства. Здесь, в отличие от загрузчиков, важно постоянное вмешательство человека. То есть, как минимум, один человек выступает инициатором. Пропускная способность уже более чувствительна к задержкам, чем приложения-загрузчики. Например, при удаленной конфигурации сетевого устройства, будет тяжело его настраивать, если отклик от команды будет в 30 секунд.

Приложения в реальном времени. Приложения, позволяющие передавать информацию в реальном времени. Как раз к этой группе относится IP-телефония, системы потокового вещания, видеоконференции. Самые чувствительные к задержкам и пропускной способности приложения. Представьте, что вы разговариваете по телефону и то, что вы говорите, собеседник услышит через 2 секунды и наоборот, вы от собеседника с таким же интервалом. Такое общение еще и приведет к тому, что голоса будут пропадать и разговор будет трудноразличимым, а в видеоконференция превратится в кашу. В среднем, задержка не должна превышать 300 мс. К данной категории можно отнести Skype, Lync, Viber (когда совершаем звонок).

Теперь поговорим о такой важной вещи, как топология. Она делится на 2 большие категории: физическая и логическая. Очень важно понимать их разницу. Итак, физическая топология — это как наша сеть выглядит. Где находятся узлы, какие сетевые промежуточные устройства используются и где они стоят, какие сетевые кабели используются, как они протянуты и в какой порт воткнуты. Логическая топология — это каким путем будут идти пакеты в нашей физической топологии. То есть физическая — это как мы расположили устройства, а логическая — это через какие устройства будут проходить пакеты.

Теперь посмотрим и разберем виды топологии:

1) Топология с общей шиной (англ. Bus Topology)

Одна из первых физических топологий. Суть состояла в том, что к одному длинному кабелю подсоединяли все устройства и организовывали локальную сеть. На концах кабеля требовались терминаторы. Как правило — это было сопротивление на 50 Ом, которое использовалось для того, чтобы сигнал не отражался в кабеле. Преимущество ее было только в простоте установки. С точки зрения работоспособности была крайне не устойчивой. Если где-то в кабеле происходил разрыв, то вся сеть оставалась парализованной, до замены кабеля.

2) Кольцевая топология (англ. Ring Topology)

В данной топологии каждое устройство подключается к 2-ум соседним. Создавая, таким образом, кольцо. Здесь логика такова, что с одного конца компьютер только принимает, а с другого только отправляет. То есть, получается передача по кольцу и следующий компьютер играет роль ретранслятора сигнала. За счет этого нужда в терминаторах отпала. Соответственно, если где-то кабель повреждался, кольцо размыкалось и сеть становилась не работоспособной. Для повышения отказоустойчивости, применяют двойное кольцо, то есть в каждое устройство приходит два кабеля, а не один. Соответственно, при отказе одного кабеля, остается работать резервный.

3) Топология звезда (англ. Star Topology)

Все устройства подключаются к центральному узлу, который уже является ретранслятором. В наше время данная модель используется в локальных сетях, когда к одному коммутатору подключаются несколько устройств, и он является посредником в передаче. Здесь отказоустойчивость значительно выше, чем в предыдущих двух. При обрыве, какого либо кабеля, выпадает из сети только одно устройство. Все остальные продолжают спокойно работать. Однако если откажет центральное звено, сеть станет неработоспособной.

4)Полносвязная топология (англ. Full-Mesh Topology)

Все устройства связаны напрямую друг с другом. То есть с каждого на каждый. Данная модель является, пожалуй, самой отказоустойчивой, так как не зависит от других. Но строить сети на такой модели сложно и дорого. Так как в сети, в которой минимум 1000 компьютеров, придется подключать 1000 кабелей на каждый компьютер.

5)Неполносвязная топология (англ. Partial-Mesh Topology)

Как правило, вариантов ее несколько. Она похожа по строению на полносвязную топологию. Однако соединение построено не с каждого на каждый, а через дополнительные узлы. То есть узел A, связан напрямую только с узлом B, а узел B связан и с узлом A, и с узлом C. Так вот, чтобы узлу A отправить сообщение узлу C, ему надо отправить сначала узлу B, а узел B в свою очередь отправит это сообщение узлу C. В принципе по этой топологии работают маршрутизаторы. Приведу пример из домашней сети. Когда вы из дома выходите в Интернет, у вас нет прямого кабеля до всех узлов, и вы отправляете данные своему провайдеру, а он уже знает куда эти данные нужно отправить.

6) Смешанная топология (англ. Hybrid Topology)

Самая популярная топология, которая объединила все топологии выше в себя. Представляет собой древовидную структуру, которая объединяет все топологии. Одна из самых отказоустойчивых топологий, так как если у двух площадок произойдет обрыв, то парализована будет связь только между ними, а все остальные объединенные площадки будут работать безотказно. На сегодняшний день, данная топология используется во всех средних и крупных компаниях.

И последнее, что осталось разобрать — это сетевые модели. На этапе зарождения компьютеров, у сетей не было единых стандартов. Каждый вендор использовал свои проприетарные решения, которые не работали с технологиями других вендоров. Конечно, оставлять так было нельзя и нужно было придумывать общее решение. Эту задачу взвалила на себя международная организация по стандартизации (ISO — International Organization for Standartization). Они изучали многие, применяемые на то время, модели и в результате придумали модель OSI, релиз которой состоялся в 1984 году. Проблема ее была только в том, что ее разрабатывали около 7 лет. Пока специалисты спорили, как ее лучше сделать, другие модели модернизировались и набирали обороты. В настоящее время модель OSI не используют. Она применяется только в качестве обучения сетям. Мое личное мнение, что модель OSI должен знать каждый уважающий себя админ как таблицу умножения. Хоть ее и не применяют в том виде, в каком она есть, принципы работы у всех моделей схожи с ней.

Состоит она из 7 уровней и каждый уровень выполняет определенную ему роль и задачи. Разберем, что делает каждый уровень снизу вверх:

1) Физический уровень (Physical Layer): определяет метод передачи данных, какая среда используется (передача электрических сигналов, световых импульсов или радиоэфир), уровень напряжения, метод кодирования двоичных сигналов.

2) Канальный уровень (Data Link Layer): он берет на себя задачу адресации в пределах локальной сети, обнаруживает ошибки, проверяет целостность данных. Если слышали про MAC-адреса и протокол «Ethernet», то они располагаются на этом уровне.

3) Сетевой уровень (Network Layer): этот уровень берет на себя объединения участков сети и выбор оптимального пути (т.е. маршрутизация). Каждое сетевое устройство должно иметь уникальный сетевой адрес в сети. Думаю, многие слышали про протоколы IPv4 и IPv6. Эти протоколы работают на данном уровне.

4) Транспортный уровень (Transport Layer): Этот уровень берет на себя функцию транспорта. К примеру, когда вы скачиваете файл с Интернета, файл в виде сегментов отправляется на Ваш компьютер. Также здесь вводятся понятия портов, которые нужны для указания назначения к конкретной службе. На этом уровне работают протоколы TCP (с установлением соединения) и UDP (без установления соединения).

5) Сеансовый уровень (Session Layer): Роль этого уровня в установлении, управлении и разрыве соединения между двумя хостами. К примеру, когда открываете страницу на веб-сервере, то Вы не единственный посетитель на нем. И вот для того, чтобы поддерживать сеансы со всеми пользователями, нужен сеансовый уровень.

6) Уровень представления (Presentation Layer): Он структурирует информацию в читабельный вид для прикладного уровня. Например, многие компьютеры используют таблицу кодировки ASCII для вывода текстовой информации или формат jpeg для вывода графического изображения.

7) Прикладной уровень (Application Layer): Наверное, это самый понятный для всех уровень. Как раз на этом уроне работают привычные для нас приложения — e-mail, браузеры по протоколу HTTP, FTP и остальное.

Самое главное помнить, что нельзя перескакивать с уровня на уровень (Например, с прикладного на канальный, или с физического на транспортный). Весь путь должен проходить строго с верхнего на нижний и с нижнего на верхний. Такие процессы получили название инкапсуляция (с верхнего на нижний) и деинкапсуляция (с нижнего на верхний). Также стоит упомянуть, что на каждом уровне передаваемая информация называется по-разному.

На прикладном, представления и сеансовым уровнях, передаваемая информация обозначается как PDU (Protocol Data Units). На русском еще называют блоки данных, хотя в моем круге их называют просто данные).

Информацию транспортного уровня называют сегментами. Хотя понятие сегменты, применимо только для протокола TCP. Для протокола UDP используется понятие — датаграмма. Но, как правило, на это различие закрывают глаза.
На сетевом уровне называют IP пакеты или просто пакеты.

И на канальном уровне — кадры. С одной стороны это все терминология и она не играет важной роли в том, как вы будете называть передаваемые данные, но для экзамена эти понятия лучше знать. Итак, приведу свой любимый пример, который помог мне, в мое время, разобраться с процессом инкапсуляции и деинкапусуляции:

1) Представим ситуацию, что вы сидите у себя дома за компьютером, а в соседней комнате у вас свой локальный веб-сервер. И вот вам понадобилось скачать файл с него. Вы набираете адрес страницы вашего сайта. Сейчас вы используете протокол HTTP, которые работает на прикладном уровне. Данные упаковываются и спускаются на уровень ниже.

2) Полученные данные прибегают на уровень представления. Здесь эти данные структурируются и приводятся в формат, который сможет быть прочитан на сервере. Запаковывается и спускается ниже.

3) На этом уровне создается сессия между компьютером и сервером.

4) Так как это веб сервер и требуется надежное установление соединения и контроль за принятыми данными, используется протокол TCP. Здесь мы указываем порт, на который будем стучаться и порт источника, чтобы сервер знал, куда отправлять ответ. Это нужно для того, чтобы сервер понял, что мы хотим попасть на веб-сервер (стандартно — это 80 порт), а не на почтовый сервер. Упаковываем и спускаем дальше.

5) Здесь мы должны указать, на какой адрес отправлять пакет. Соответственно, указываем адрес назначения (пусть адрес сервера будет 192.168.1.2) и адрес источника (адрес компьютера 192.168.1.1). Заворачиваем и спускаем дальше.

6) IP пакет спускается вниз и тут вступает в работу канальный уровень. Он добавляет физические адреса источника и назначения, о которых подробно будет расписано в последующей статье. Так как у нас компьютер и сервер в локальной среде, то адресом источника будет являться MAC-адрес компьютера, а адресом назначения MAC-адрес сервера (если бы компьютер и сервер находились в разных сетях, то адресация работала по-другому). Если на верхних уровнях каждый раз добавлялся заголовок, то здесь еще добавляется концевик, который указывает на конец кадра и готовность всех собранных данных к отправке.

7) И уже физический уровень конвертирует полученное в биты и при помощи электрических сигналов (если это витая пара), отправляет на сервер.

Процесс деинкапсуляции аналогичен, но с обратной последовательностью:

1) На физическом уровне принимаются электрические сигналы и конвертируются в понятную битовую последовательность для канального уровня.

2) На канальном уровне проверяется MAC-адрес назначения (ему ли это адресовано). Если да, то проверяется кадр на целостность и отсутствие ошибок, если все прекрасно и данные целы, он передает их вышестоящему уровню.

3) На сетевом уровне проверяется IP адрес назначения. И если он верен, данные поднимаются выше. Не стоит сейчас вдаваться в подробности, почему у нас адресация на канальном и сетевом уровне. Это тема требует особого внимания, и я подробно объясню их различие позже. Главное сейчас понять, как данные упаковываются и распаковываются.

4) На транспортном уровне проверяется порт назначения (не адрес). И по номеру порта, выясняется какому приложению или сервису адресованы данные. У нас это веб-сервер и номер порта — 80.

5) На этом уровне происходит установление сеанса между компьютером и сервером.

6) Уровень представления видит, как все должно быть структурировано и приводит информацию в читабельный вид.

7) И на этом уровне приложения или сервисы понимают, что надо выполнить.

Много было написано про модель OSI. Хотя я постарался быть максимально краток и осветить самое важное. На самом деле про эту модель в Интернете и в книгах написано очень много и подробно, но для новичков и готовящихся к CCNA, этого достаточно. Из вопросов на экзамене по данной модели может быть 2 вопроса. Это правильно расположить уровни и на каком уровне работает определенный протокол.

Как было написано выше, модель OSI в наше время не используется. Пока разрабатывалась эта модель, все большую популярность получал стек протоколов TCP/IP. Он был значительно проще и завоевал быструю популярность.
Вот так этот стек выглядит:

Как видно, он отличается от OSI и даже сменил название некоторых уровней. По сути, принцип у него тот же, что и у OSI. Но только три верхних уровня OSI: прикладной, представления и сеансовый объединены у TCP/IP в один, под названием прикладной. Сетевой уровень сменил название и называется — Интернет. Транспортный остался таким же и с тем же названием. А два нижних уровня OSI: канальный и физический объединены у TCP/IP в один с названием — уровень сетевого доступа. Стек TCP/IP в некоторых источниках обозначают еще как модель DoD (Department of Defence). Как говорит википедия, была разработана Министерством обороны США. Этот вопрос встретился мне на экзамене и до этого я про нее ничего не слышал. Соответственно вопрос: «Как называется сетевой уровень в модели DoD?», ввел меня в ступор. Поэтому знать это полезно.

Было еще несколько сетевых моделей, которые, какое то время держались. Это был стек протоколов IPX/SPX. Использовался с середины 80-х годов и продержался до конца 90-х, где его вытеснила TCP/IP. Был реализован компанией Novell и являлся модернизированной версией стека протоколов Xerox Network Services компании Xerox. Использовался в локальных сетях долгое время. Впервые IPX/SPX я увидел в игре «Казаки». При выборе сетевой игры, там предлагалось несколько стеков на выбор. И хоть выпуск этой игры был, где то в 2001 году, это говорило о том, что IPX/SPX еще встречался в локальных сетях.

Еще один стек, который стоит упомянуть — это AppleTalk. Как ясно из названия, был придуман компанией Apple. Создан был в том же году, в котором состоялся релиз модели OSI, то есть в 1984 году. Продержался он совсем недолго и Apple решила использовать вместо него TCP/IP.

Также хочу подчеркнуть одну важную вещь. Token Ring и FDDI — не сетевые модели! Token Ring — это протокол канального уровня, а FDDI это стандарт передачи данных, который как раз основывается на протоколе Token Ring. Это не самая важная информация, так как эти понятия сейчас не встретишь. Но главное помнить о том, что это не сетевые модели.

Вот и подошла к концу статья по первой теме. Хоть и поверхностно, но было рассмотрено много понятий. Самые ключевые будут разобраны подробнее в следующих статьях. Надеюсь теперь сети перестанут казаться чем то невозможным и страшным, а читать умные книги будет легче). Если я что-то забыл упомянуть, возникли дополнительные вопросы или у кого есть, что дополнить к этой статье, оставляйте комментарии, либо спрашивайте лично. Спасибо за прочтение. Буду готовить следующую тему.

Что такое Ethernet. Коммутируемый и классический Ethernet

Ethernet — распространённая технология проводных локальных сетей, отвечающая за передачу данных по кабелю, доступную для устройств компьютерных и промышленных сетей. Изобретена Робертом Метклафом в 1973году в Xerox.

Изначальная цель разработки: подключить к одному лазерному принтеру как можно больше компьютеров.

В последствии Xerox, DEC, Intel решают использовать Ethernet в качестве стандартного сетевого решения (Ethernet II). В 1982 выходит спецификация IEEE 802.3 для стандартизации Ethernet.

Данная технология располагается на канальном (подуровни LLC и MAC) и физическом уровнях модели OSI.

Место Ethernet в модели OSI

Классификация Ethernet по скорости

По скорости передачи данных существуют такие технологии:

1. Ethernet – 10 Мб/с.
2. Fast Ethernet – 100 Мб/с.
3. Gigabit Ethernet – 1 Гб/с.
4. 10G Ethernet – 10 Гб/с.

Современное оборудование позволяет достигать скорости в 40 Гб/с и 100 Гб/с: такие технологии получили название 40GbE и 100GbE соответственно.

Также стоит выделить классический и коммутируемый Ethernet. Первый изначально использовал разделяемую среду в виде коаксиального кабеля, который позже был вытеснен концентраторами (hub). Основные недостатки – низкая безопасность и плохая масштабируемость (искажение данных при одновременной передаче 2-мя и более компьютерами, также известное как “коллизия”). Коллизия – это наложение двух и более кадров, передающихся компьютерами в один и тот же момент времени.

Коллизия

 

Коммутируемый Ethernet является более новой и усовершенствованной технологией, которая используется по сей день. Чтобы устранить недостатки предыдущей версии, разделяемую среду исключили и использовали соединение точка-точка. Это стало возможным благодаря новым устройствам под названием “коммутаторы” (switch).

Hub vs Switch

Классический Ethernet

Классическая технология Ethernet давно и успешно заменена новыми технологиями, но некоторые нюансы работы сохранились. Рассмотрим классическую версию.

Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных.

Это:

• коаксиальный кабель
• витая пара
• оптоволокно

Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, что ничем не отличаются для различных сред передачи данных. Подуровни LLC и MAC в классической технологии присутствуют вместе.

MAC-адреса позволяют идентифицировать устройства, подключенные к сети Ethernet. Идентичных адресов при этом быть не должно. В противном случае из нескольких устройств с одинаковыми MAC будет работать только одно.

По типам MAC-адреса разделяются на:

• Индивидуальные (для отдельных компьютеров).
• Групповые (для нескольких компьютеров).
• Широковещательные (для всех компьютеров сети).

Адреса могут назначаться как производителем оборудования (централизованно), так и администратором сети (локально).

Технология Ethernet и формат кадра

Технология Ethernet и формат кадра

Также не стоит забывать о коллизиях. Если сигнал, который принят, отличается от переданного, это означает, что произошла коллизия.

Технология CSMA/CD разработана с учетом возникновения коллизий и предполагает их контроль. Модель CSMA/CD выглядит следующим образом:

CSMA/CD выглядит следующим образом

Классический Ethernet плох тем, что становится неработоспособным при нагрузке более чем 30%.

Коммутируемый Ethernet

На сегодняшний день это наиболее оптимальная альтернатива, которая полностью исключает возможность появления коллизий и связанных с ними проблем.

Суть коммутируемого Ethernet в том, что вместо хаба используется свич (коммутатор) – устройство, которое работает на канальном уровне и обладает полносвязной топологией, что обеспечивает соединение всех портов друг с другом напрямую по технологии точка-точка.

Таблицы коммутации есть в каждом таком устройстве. Они описывают, какие компьютеры к какому порту свича подключены. Чтобы узнать MAC-адреса, используется алгоритм обратного обучения, а для передачи данных – алгоритм прозрачного моста.

Простейшая таблица коммутации:

Таблица коммутации

Алгоритм обратного обучения работает таким образом:

1. коммутатор принимает кадры;
2. анализирует заголовок;
3. извлекает из него адрес отправителя.

Таким образом, к определенному порту подключен компьютер с конкретным MAC-адресом.

Прозрачный мост не требует настройки и так назван за счет того, что он не заметен для сетевых устройств (у него нет своего MAC-адреса). Коммутатор принимает кадр, анализирует заголовок, извлекает из него адрес получателя и сопоставляет его с таблицей коммутации, определяя порт, к которому подключено устройство. Таким образом, кадр передается на конкретный порт получателя, а не на все порты, как в случае с концентратором. Если же адрес не найден в таблице, коммутатор работает так же, как и хаб.

Выводы

Технология Ethernet претерпела немало изменений с момента своего появления. Сегодня она способна обеспечить высокоскоростное соединение, лишенное коллизий и не ограниченное небольшой нагрузкой сети, как это было в случае с классическим Ethernet.

В современных локальных сетях используются коммутаторы, которые по своей функциональности значительно эффективнее концентраторов. Больше нет разделяемой среды и связанных с ней коллизий, затрудняющих работу с сетью. Свичи анализируют заголовки и передают кадры только конечному получателю по принципу точка-точка. Способны “изучать” сеть благодаря таблице коммутации и алгоритму обратного обучения.

Плюсами коммутируемого Ethernet являются масштабируемость, высокая производительность и безопасность.

Источник.

Ethernet — Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 15:03, 2 ноября 2018.

Ethernet

Communications protocol
Ethernet
Purpose	Локальная сеть
Developer(s)	Intel и Xerox
Introduced	22 мая 1973 года
Influenced	Развитие компьютерных сетей в целом
OSI layer	физический, канальный
Port(s)	RJ-45
RFC(s)	IEEE группы 802.3

Ethernet (Локальная сеть) (англ. Ethernet от англ. ether — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI [рис.5]. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Token Ring, FDDI и ARCNET.

Становление технологии Ethernet

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети.^{[Источник 1]}

Ethernet является одной из самых распространенных при построении компьютерных сетей технологией. Существует множество разновидностей данного протокола для различных сред передачи, необходимой полосы пропускания и расстояний между оконечными устройствами.

О том, что такое Ethernet, стало известно в семидесятых годах XX столетия. Появление Ethernet принято датировать 22 мая 1973 года, в связи с публикацией Робертом Меткалфом [рис.1](Robert Metcalf) и Дэвидом Боггсом (David Boggs) описания экспериментальной сети, построенной ими в исследовательском центре фирмы Xerox.

Рисунок 1 — Роберт Меткалф — один из создателей Ethernet

После Гарварда Меткалфу подвернулась работа в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center, там нужно было создать технологию подключения разработанных в PARC персональных компьютеров Alto к недавно созданному в том же центре лазерному принтеру. Ни один из существовавших на тот момент способов подключения не обеспечивал нужную скорость передачи данных. Напарник по работе, Дэвид Боггс, имел образование радиоинженера. Это Боггс подсказал идею использовать радио в качестве прототипа для среды-носителя. Объединив знания по передаче пакетов с радио, они составили отличную связку. Вместе 22 мая 1973 года они написали внутренний документ, где были описаны механизмы передачи данных по разным видам соединений (по телефонному каналу, по коаксиальному кабелю и по радио) с использованием протоколов ALOHAnet, однако он немного отличался от проекта в Xerox и являлся предпосылкой к созданию Ethernet. Любопытно, что в самом Xerox PARC проект, позже названный Ethernet, взял верх над проектом SIGNET (Simonyi’s Infinitely Glorious NETwork) Чарльза Симони.^{[Источник 2]}

Первая версия спецификации (Ethernet I) была выпущена в 1983 году в виде стандарта IEEE 802.3. Стандартом определялась шинная топология сети. Передача данных в сетях этого типа возможна по коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с (стандарты IEEE 10Base5 и 10Base2). В 1985 году была выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), которая изменила структуру пакета данных, обеспечила идентификацию адресов в сети (MAC-addresses) и возможность регистрации уникальных адресов. В 1990 году была выпущена спецификация Ethernet для витых пар (стандарт 10Base-T), в 1991 году — стандарт IEEE 802.3i для неэкранированных витых пар, а в 1993 году — спецификация для волоконно-оптического кабеля (стандарт 10Base-FL). В 1990-х годах начали развиваться беспроводные сети: так называемые радио-Ethernet (базовый стандарт — IEEE 802.11), а также — Fast Ethernet (стандарт 100BaseTX), Gigabit Ethernet (стандарт 100BaseTX). Метод доступа, используемый в кабельных сетях Ethernet — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов). Этот протокол описан в Ethernet — и Fast Ethernet-стандартах. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий. Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети.^{[Источник 3]}

Протокол Ethernet относится к физическому и канальному уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection). Он описывает порядок доступа в сеть, правила разграничения общей полосы передачи, требования к линии связи и другие важные характеристики. Протокол Ethernet предполагает, что все участники информационного обмена используют общую среду передачи. Это может быть коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или даже радиосоединение. Для разграничения общей среды применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Суть его будет рассмотрена ниже.

Принцип работы

Этот тип сети имеет звездообразную или линейную структуру со скоростью 10-100 мегабит/секунду. Первоначально Ethernet был основан на коаксиальном кабеле, однако со временем технология изменилась, и сеть начали строить на базе оптоволоконных кабелей или витых пар. Сейчас существует около тридцати видов сети Ethernet, которые отличаются по скорости, топографии, величине и типу кабеля. Далеко не все разновидности нашли коммерческое применение.

Принцип работы протокола Ethernet заключается в следующем: перед отправкой информации в сеть она нарезается на сегменты размером от 72 до 1526 байт. После этого к сегменту добавляется заголовок, содержащий адреса отправителя и получателя информации. Также добавляется «концевик», содержащий контрольную сумму, необходимую для контроля возникновения ошибок. До того как отправить получившийся пакет в сеть передатчик проверяет: не занята ли в данный момент общая среда. Если источник информации обнаружит, что среда занята, то он отложит передачу на некоторое (обычно случайное) время, после чего повторит попытку. Интервал времени, через который будет осуществляться повторный контроль среды передачи, увеличивается от попытки к попытке. Как только передатчик обнаружит, что среда свободна пакет будет передан в сеть. Все устройства, включенные в сеть, непрерывно анализируют заголовки пакетов передаваемых по сети. Если одно из устройств обнаружит, что адрес получателя соответствует его адресу, то он принимает этот пакет, все остальные устройства будут его игнорировать.^{[Источник 4]}

Пропускная способность сети Ethernet

Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.

Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.

Стандарты

Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox. Xerox Ethernet – технология, основанная на коаксиальном кабеле с максимальной скоростью 3 мегабита в секунду. Модификация StarLan, в которой впервые была применена витая пара. Скорость такого соединения невелика – всего 1 мегабит в секунду.

Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co — совместно и axis — ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах.^{[Источник 5]}

IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet

Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба. Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных.

Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных:

• 10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
• 10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
• 10Base-T — кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
• 10Base-F — волоконно-оптический кабель.

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» — метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.

Рисунок 2 — l0Base-5

10Base-5 Кабель [рис.2] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик — трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.

Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:

Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты.

Рисунок 3 — l0Base-2

10Base-2 Кабель [рис.3] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также используется правило 5-4-3.

10Base-T кабель [рис.4] бразует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору — Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx.

Рисунок 4 — l0Base-T

Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары: В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).

В модификации 100BASE-T на базе витой пары скорость увеличилась до ста мегабит/секунду. Этот тип получил дальнейшее развитие. 100BASE-FX передает данные по оптоволоконному кабелю на расстояние 10 километров со скоростью сто мегабит/секунду. В 1000BASE-T используются четыре вытые пары, а расстояние равняется ста метрам. В модификации 1000BASE-LH расстояние увеличилась до 100 километров. Скорость два последних вида имеют самую высокую, она достигает 1000 мегабит в секунду.

l0Base-F Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м.^{[Источник 6]}

Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 4,а максимальная длина сети — 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Рисунок 5 — Место Ethernet в модели OSI

Типы Ethernet

Название	Скорость	Кабель	Стандарт
Ethernet	10Mb/s	Толстый, тонкий коаксиал, Витая пара, оптика	802.3
Fast Ethernet	100Mb/s	Витая пара, оптика	802.3u
Gigabit Ethernet	1Gb/s	Витая пара, оптика	802.3z, 802.3ab
10G Ethernet	10Gb/s	Витая пара, оптика	802.3ae, 802.3an

Есть 2 технологии Ethernet:

1. Классический Ethernet

• Разделяемая среда
• Ethernet — Gigabit Ethernet

2. Коммутируемый Ethernet

• Точка-точка
• Появился в Fast Ethernet
• Единственный вариант в 10G Ethernet^{[Источник 7]}

Существуют две конкурирующие технологии для передачи данных по сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с — это стандарты 100Base-T и 100VG-AnyLAN. Архитектура Ethernet позволяет производить объединение нескольких кабельных ЛВС в распределенную вычислительную сеть. Версия Ethernet фирмы Apple носит наименование EtherTalk (не путать с AppleTalk).

Пример передачи сообщений в сети Ethernet

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame [рис.6]). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.

Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным.

Рисунок 6 — Пример передачи данных

Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.

MAC-адреса и кадры позволяют разделить данные в общем Ethernet-эфире. Интерфейс обрабатывает только те кадры, MAC-адрес назначения которых совпадает с его собственным MAC-адресом. Кадры, адресованные другим получателям, интерфейс должен игнорировать. Достоинство такого подхода – простота реализации. Но есть и масса недостатков. Во-первых, проблемы безопасности. Любой может прослушать все данные, транслируемые в общий эфир. Во-вторых, эфир можно заполнить помехами. На практике, одна сбойная сетевая карта, постоянно отсылающая какие-то кадры, может повесить всю сеть предприятия. В-третьих, плохая масштабируемость. Чем больше компьютеров в сети, тем меньший кусочек эфира им достаётся, тем меньше эффективная пропускная способность сети.^{[Источник 8]}

В процессе работы сети Ethernet может возникнуть ситуация, когда сразу несколько передатчиков начнут передавать информацию одновременно. Для предотвращения данной ситуации и применяется метод обнаружения коллизий. Если одна из рабочих станций в процессе передачи обнаружит коллизию, т.е. одновременную передачу пакетов сразу от нескольких источников, то в первую очередь источник информации приостанавливает передачу. Далее он посылает в сеть специальный сигнал – «jam signal», который увеличивает вероятность обнаружения коллизии другими станциями, чтобы они также остановили процесс обмена информацией. Далее передатчик информации выжидает некоторое случайное время, после которого он снова пытается получить доступ в сеть. Если среда передачи будет занята, то интервал ожидания будет увеличен и так далее, до тех пор, пока среда не окажется свободный и информация не будет передана.

Как уже было сказано ранее, существует целое семейство протоколов, объединенных под общим название Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и т.д. Разработкой данного стандарта в настоящее время занимается IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и версии выходят под обозначением «802.3х». Одним из последних стандартов является 100 Gigabit Ethernet, который предусматривает скорость передачи до 100 Гбит/сек по оптическому волокну. В сотовой связи стандарт Ethernet получил достаточно широкое распространение. Уже давно он используется для подключения различных элементов сети, установленных на одной площадке, либо в непосредственной близости друг к другу (до 100 метров), например MSС и HLR, BSC и транскодер.

С распространением оптоволоконных линий связи и появлением систем сотовой связи 3G, в частности UMTS, Ethernet начал применятся практически на всех интерфейсах в стыке с IP-протоколом: NodeB-RNC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.д. Широкое распространение данной технологии обусловлено в первую очередь высокой надежностью, быстротой развертывания и настройки, большого выбора маршрутизаторов и каналообразующего оборудования, а также достаточно высоких возможных скоростей передачи данных. Благодаря появлению стандартов 10G и 100G Ethernet данная технология получает широкие перспективы для применения в системах сотовой связи 4G, таких как LTE.^{[Источник 9]}

Источники

Сетевая плата — Википедия

Сетевая плата (ISA) с разъёмами AUI (сверху справа) и BNC (снизу). Сетевая плата 3Com 3CXFE575CT, установленная в ноутбук.

Сетевая плата (в англоязычной среде NIC — англ. network interface controller/card), также известная как сетевая карта, сетевой адаптер (в терминологии компании Intel^[1]), Ethernet-адаптер — по названию технологии — дополнительное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В настоящее время в персональных компьютерах и ноутбуках контроллер и компоненты, выполняющие функции сетевой платы, довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства, в том числе унификации драйвера и удешевления всего компьютера в целом.

По конструктивной реализации сетевые платы делятся на:

На 10-мегабитных сетевых платах для подключения к локальной сети используются 4 типа разъёмов:

Эти разъёмы могут присутствовать в разных комбинациях, но в любой данный момент работает только один из них.

На 100-мегабитных платах устанавливают либо разъём для витой пары (8P8C, ошибочно называемый RJ-45^[3]), либо оптический разъем (SC, ST, MIC^[4]).

Рядом с разъёмом для витой пары устанавливают один или несколько информационных светодиодов, сообщающих о наличии подключения и передаче информации.

Одной из первых массовых сетевых карт стала серия NE1000/NE2000 фирмы Novell с разъемом BNC.

При конфигурировании карты сетевого адаптера могут быть доступны следующие параметры:

• номер линии запроса на аппаратное прерывание IRQ
• номер канала прямого доступа к памяти DMA (если поддерживается)
• базовый адрес ввода-вывода
• базовый адрес памяти ОЗУ (если используется)
• поддержка стандартов автосогласования дуплекса/полудуплекса, скорости ^[5][6]
• поддержка тегированных пакетов VLAN (802.1q) с возможностью фильтрации пакетов заданного VLAN ID
• параметры WOL (Wake-on-LAN)
• функция Auto-MDI/MDI-X автоматический выбор режима работы по прямой либо перекрестной обжимке витой пары
• MTU канального уровня

В зависимости от мощности и сложности сетевой карты она может реализовывать вычислительные функции (преимущественно подсчёт и генерацию контрольных сумм кадров) аппаратно либо программно (драйвером сетевой карты с использованием центрального процессора).

Серверные сетевые карты могут поставляться с двумя (и более) сетевыми разъёмами. Некоторые сетевые карты (встроенные в материнскую плату) также обеспечивают функции межсетевого экрана (например, nForce).

Функции и характеристики сетевых адаптеров[править | править код]

Сетевой адаптер (Network Interface Card (или Controller), NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем (OSI) в конечном узле сети — компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и MAC-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802. Например, в ОС Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS, общем для всех драйверов сетевых адаптеров, независимо от того, какую технологию поддерживает драйвер.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и приём кадра. Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов (некоторые могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования):

• Приём кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией MAC-уровня. Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в оперативной памяти. Данные для передачи в сеть помещаются в эти буферы протоколами верхних уровней, которые извлекают их из дисковой памяти либо из файлового кэша с помощью подсистемы ввода-вывода операционной системы.
• Оформление кадра данных MAC-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC (с отброшенными флагами 01111110). Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы.
• Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скремблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Этот этап используется не во всех протоколах — например, технология Ethernet 10 Мбит/с обходится без него.
• Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом — манчестерским, NRZI, MLT-3 и т. п.

Приём кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия:

• Приём из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток.
• Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию могут выполнять различные специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSP. В результате в приёмнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком.
• Если данные перед отправкой в кабель подвергались скремблированию, то они пропускаются через дескремблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком.
• Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из MAC-кадра извлекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя.

Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении. Примером такого адаптера может служить сетевой адаптер SMC EtherPower со встроенным процессором Intel i960.

В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора, то многие адаптеры Ethernet сегодня поддерживают две скорости работы и имеют в своем названии приставку 10/100. Это свойство некоторые производители называют авточувствительностью.

Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA) и базовый адрес портов ввода-вывода.

Если сетевой адаптер, аппаратура компьютера и операционная система поддерживают стандарт Plug-and-Play, то конфигурирование адаптера и его драйвера осуществляется автоматически. В противном случае нужно сначала сконфигурировать сетевой адаптер, а затем повторить параметры его конфигурации для драйвера. В общем случае, детали процедуры конфигурирования сетевого адаптера и его драйвера во многом зависят от производителя адаптера, а также от возможностей шины, для которой разработан адаптер.

Если сетевой адаптер работает некорректно, может происходить флаппинг его порта.

В качестве примера классификации адаптеров используем подход фирмы 3Com. Фирма 3Com считает, что сетевые адаптеры Ethernet прошли в своем развитии 5 поколений.

Первое поколение[править | править код]

Адаптеры первого поколения были выполнены на дискретных логических микросхемах, в результате чего обладали низкой надежностью. Они имели буферную память только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптера, так как все кадры передавались из компьютера в сеть или из сети в компьютер последовательно. Кроме этого, задание конфигурации адаптера первого поколения происходило вручную, с помощью перемычек. Для каждого типа адаптеров использовался свой драйвер, причем интерфейс между драйвером и сетевой операционной системой не был стандартизирован.

Второе поколение[править | править код]

В сетевых адаптерах второго поколения для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. При этом следующий кадр загружается из памяти компьютера в буфер адаптера одновременно с передачей предыдущего кадра в сеть. В режиме приёма, после того как адаптер полностью принял один кадр, он может начать передавать этот кадр из буфера в память компьютера одновременно с приёмом другого кадра из сети.

В сетевых адаптерах второго поколения широко используются микросхемы с высокой степенью интеграции, что повышает надежность адаптеров. Кроме того, драйверы этих адаптеров основаны на стандартных спецификациях. Адаптеры второго поколения обычно поставляются с драйверами, работающими как в стандарте NDIS (спецификация интерфейса сетевого драйвера), разработанном фирмами 3Com и Microsoft и одобренном IBM, так и в стандарте ODI (интерфейс открытого драйвера), разработанном фирмой Novell.

Третье поколение[править | править код]

Микроконтроллер (интегрированной сетевой карты) Intel 82559

В сетевых адаптерах третьего поколения (к ним фирма 3Com относит свои адаптеры семейства EtherLink III) осуществляется конвейерная схема обработки кадров. Она заключается в том, что процессы приёма кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени. Таким образом, после приёма нескольких первых байт кадра начинается их передача. Это существенно (на 25—55 %) повышает производительность цепочки «оперативная память — адаптер — физический канал — адаптер — оперативная память». Такая схема очень чувствительна к порогу начала передачи, то есть к количеству байт кадра, которое загружается в буфер адаптера перед началом передачи в сеть. Сетевой адаптер третьего поколения осуществляет самонастройку этого параметра путём анализа рабочей среды, а также методом расчета, без участия администратора сети. Самонастройка обеспечивает максимально возможную производительность для конкретного сочетания производительности внутренней шины компьютера, его системы прерываний и системы прямого доступа к памяти.

Адаптеры третьего поколения базируются на специализированных интегральных схемах (ASIC), что повышает производительность и надежность адаптера при одновременном снижении его стоимости. Компания 3Com назвала свою технологию конвейерной обработки кадров Parallel Tasking, другие компании также реализовали похожие схемы в своих адаптерах. Повышение производительности канала «адаптер-память» очень важно для повышения производительности сети в целом, так как производительность сложного маршрута обработки кадров, включающего, например, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, глобальные каналы связи и т. п., всегда определяется производительностью самого медленного элемента этого маршрута. Следовательно, если сетевой адаптер сервера или клиентского компьютера работает медленно, никакие быстрые коммутаторы не смогут повысить скорость работы сети.

Четвёртое поколение[править | править код]

Сетевые адаптеры Fast Ethernet можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит ASIC, выполняющая функции MAC-уровня (англ. MAC-PHY), скорость развита до 1 Гбит/сек, а также есть большое количество высокоуровневых функций. В набор таких функций может входить поддержка агента удаленного мониторинга RMON, схема приоритизации кадров, функции дистанционного управления компьютером и т. п. В серверных вариантах адаптеров почти обязательно наличие мощного процессора, разгружающего центральный процессор. Примером сетевого адаптера четвертого поколения может служить адаптер компании 3Com Fast EtherLink XL 10/100.

Пятое поколение[править | править код]

Выпускаемые с 2006 года сетевые карты Gigabit Ethernet. Так же выпускаются домашние коммутаторы и маршрутизаторы для гигабитной связи. Поддерживают протоколы IPv6, цифровое телевидение и многое другое.

Шестое поколение[править | править код]

Терабитный Ethernet находится в стадии разработки для домашнего пользователя, но реально применяется интернет-провайдерами для осуществления связи.

Кабель Ethernet: описание, назначение, виды изделий

Для прокладки компьютерных сетей используют специальный кабель Ethernet (Lan-кабель). Существует несколько основных типов таких проводов: витая пара, коаксиальный и оптоволоконный. Первый вид считается самым дешевым и наиболее простым, поэтому его используют более 90 процентов всех локальных сетей.

Виды витой пары

Этот кабель Ethernet является самым распространенным и известным. Он состоит из восьми медных проводников, которые попарно переплетены между собой. В качестве изоляционного материала используется ПВХ пластикат. Существует множество типов витой пары, отличающихся друг от друга типом защиты либо ее отсутствием. Защитную функцию может выполнять алюминиевая фольга, обернутая вокруг проводов, либо медная оплетка каждой пары. Кроме того, существуют комбинированные виды защиты. Экранированный кабель Ethernet более устойчив к воздействию внешних помех, но, соответственно, имеет большую стоимость. Также существует несколько типов витой пары, которые обозначаются маркировкой «СА», что определяет категорию провода. Предусмотрено семь видов данного параметра. Чем выше цифра категории, тем больше пропускная способность кабеля, то есть используется больше проводников. Так, седьмая категория витой пары (последняя на сегодняшний день) позволяет передавать информацию со скоростью 40 Гбит/с. Чтобы обеспечить такую скорость без искажения сигнала, у каждой пары проводников в кабеле должно быть волновое сопротивление 100 Ом.

Коаксиальный кабель Ethernet

Этот вид провода состоит из экрана и проводника, имеющих общую ось вращения. Кабель содержит проводник, изолятор, ПВХ-оболочку, медную или алюминиевую оплетку. Сегодня данный тип провода используется в качестве проводника для антенн. Локальных сетей, организованных на коаксиальных кабелях, практически нет. Наиболее распространен провод с волновым сопротивлением 50 Ом — для компьютерных сетей — и 77 Ом – для передачи телевизионного сигнала. Максимальная способность пропускания данных составляет 10 Мбит/с. Кроме того, он непрактичен, так как довольно сложен в ремонте поврежденных участков, что впоследствии приводит к существенным потерям.

Оптическое волокно

Эти кабели Ethernet характеризуются низким уровнем затухания, даже при передаче данных на большие расстояния они не подвержены помехам. Кроме того, оптическое волокно обладает высокой скоростью трансляции. Для ремонта рассматриваемого кабеля требуются специализированные инструменты и техника, а для подключения понадобится спектральное оборудование. Данный тип редко используют для прокладки сетей по квартире или офису, поскольку, кроме сложного оборудования, он имеет довольно высокую цену.

Распиновка Ethernet-кабеля

Стандартный четырехпарный кабель витая пара для построения локальных сетей обжимается коннектором типа RJ-45. Схема подключения имеет следующий порядок: бело-зеленый, зеленый, бело-оранжевый,синий, бело-синий, оранжевый, бело-коричневый и коричневый провода. Схемы обжима отличаются в зависимости от назначения соединительных линий, технологий и стандартов передачи информации. Иногда используют прямую и обратную (перекрестную) обжимку коннектора.