ЛВС, мосты и коммутаторы

Наиболее широко распространенной сетевой технологией в настоящее время является технология Ethernet. Поэтому эта часть будет посвящена обсуждению базовых принципов работы этой технологии, а также устройств, используемых при построении сетей Ethernet.

Для того чтобы полнее понять суть Ethernet, стоит обратиться к таким архаичным вещам, как спецификации 10Base2 и 10Base5. Эти спецификации определяли физический уровень раннего стандарта Ethernet. В этих сетях не было ни концентраторов, ни коммутаторов, ни патч-панелей – были лишь сегменты коаксиального кабеля, соединявшие одно сетевое устройство с другим.

Вследствие того что это была единственная шина, только один электрический сигнал мог распространяться по сети в каждый момент времени. Если же случалось, что в сеть было послано несколько сигналов, то они накладывались друг на друга и переставали быть распознаваемыми.

Неудивительно, что был разработан способ передачи данных, учитывающий эту неприятную особенность – в противном случае пользы от таких сетей не было бы вовсе. Алгоритм, известный как CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и с определением столкновений), определял порядок доступа к среде передачи. В упрощенном виде алгоритм доступа к среде выглядит примерно так:

n  Устройство, имеющее кадры для передачи, прослушивает сеть на предмет ее занятости.

n  Если сеть свободна, отправитель начинает передачу.

n  Во время процесса передачи отправитель продолжает прослушивать сеть, чтобы удостовериться в отсутствии столкновений.

n  Если во время передачи произошла коллизия, передающая сторона случайным образом генерирует интервал ожидания, по истечении которого повторяет первую операцию.

Протокол CSMA/CD решает значительное число проблем, однако его использование делает сеть малоэффективной при большом количестве пользователей. Две наиболее негативные особенности протокола заключаются в том, что:

n  Все столкнувшиеся кадры уничтожаются, и их приходится пересылать повторно. Это приводит к росту задержек в сети.

n  Задержка растет также и для станций, ожидающих права на передачу. Поскольку при возрастании количества участников обмена данными по сети трафик сети насыщается, то и время ожидания для каждой станции растет.

Разработка спецификации 10BaseT решило часть проблем, связанных с использованием предыдущих версий стандарта. Одним из преимуществ этой технологии стала возможность использования телефонного кабеля, который значительно проще в обращении и дешевле, нежели коаксиальный кабель. Кроме того, использование концентраторов привело к повышению надежности сети, т.к. обрыв одного луча приводил к отключению только одной рабочей станции, в то время как обрыв коаксиального сегмента полностью выводил сеть из строя. Концентратор представляет собой многопортовый повторитель и развивает концепцию 10Base2 и 10Base5. При этом проблема столкновений остается нерешенной. Поскольку все устройства сети имеют равные права на передачу данных и на полосу пропускания сети, подобные сети называются разделяемыми.

Несмотря на то что концентраторы решили часть проблем, связанных с прокладкой кабельной системы и надежностью сети, проблема падения производительности при росте числа подключений осталась очень острой. Проблема усугублялась тем, что разделяемые сети представляли собой единый домен коллизий, т.к. передаваемый сигнал ретранслируется всем устройствам сети, за исключением узла-отправителя.

Со временем для решения проблем, связанных с использованием алгоритма CSMA/CD были разработаны коммутаторы. Эти устройства не создают единой разделяемой шины – они работают с каждым своим портом, как с отдельной шиной. Кроме того, коммутаторы используют встроенную память для хранения приходящих кадров. Подобная буферизация также помогает предотвратить столкновения: так, если один компьютер сети передает широковещательный пакет, а другой просто пытается переслать пакет какому-либо узлу, то коммутатор может задержать в своем буфере широковещательное сообщение, предотвратив тем самым коллизию. Возвращаясь к истории, коммутаторы 10BaseT привнесли адресацию канального уровня, которая помогает избежать сетевых коллизий. Другими словами – если к порту подключено не более одного устройства, то столкновений в сети не будет. Подводя некий итог сказанному, можно прийти к выводу, что при отсутствии столкновений, отпадает необходимость в той части алгоритма, которая отвечает за их распознавание и предупреждение, а соответственно и полудуплексная передача более не актуальна. Таким образом, коммутаторы, у которых одному порту соответствует не более одного сетевого устройства, допускают полнодуплексный режим, т.е. одновременный прием и передачу кадров. Применение коммутаторов дает следующие преимущества: