Способы организации и передачи данных в сети интернет

• Управления логическим звеном канала данных (Logical Link Control) – LLC. Функции соединения и контроля потока пакетов. Аналог HDLC.

• Управления доступа к среде (Media Access Control) – MAC. Функция доступа к каналу и арбитража (CSMA/CD).

 

Протоколы ЛВС имеют механизмы  взаимодействия с протоколами верхних  уровней (сетевого). Практически все  распространенные семейства протоколов сетевого и более верхних уровней  осуществляют поддержку ЛВС.

 

Спецификации физического  уровня для ЛВС разнообразны и  включают в себя практически все  известные физические среды: от простого телефонного кабеля до оптоволокна, включая коаксиал и радиоканалы, что позволяет передавать данные с высокими скоростями.

Рис 1.3.1 – Структура уровней спецификации ЛВС

 

Адресация в ЛВС подразумевает  использование типичных для сетевых  окружений адресов (MAC):

• Индивидуальный адрес (unicast) – обеспечивает однозначную идентификацию  каждого устройства на канальном  уровне

• Групповой адрес (multicast) – обеспечивает доставку кадра некоторой  группе хостов, взаимодействующих с  разделяемой средой

• Широковещательный (broadcast) – обеспечивает доставку кадра всем станциям в данной ЛВС

 

Отличительными признаками ЛВС являются:

• Высокая скорость передачи (10 – 1000 Мбит/с)

• Низкий уровень ошибок (P ≤ 10−7−10−8)

• Быстродействующий механизм управления обменом

• Ограниченное число компьютеров, подключенных к сети

 

 

1.2.  Место и роль локальных сетей  

Передача информации между  компьютерами существует, наверное, с  самого возникновения вычислительной техники. Она позволяет организовать совместную работу отдельных компьютеров, решать одну задачу с помощью нескольких компьютеров, специализировать каждый компьютер на выполнение какой-то одной  функции, совместно использовать ресурсы  и решать множество других проблем. Способов и средств обмена информацией существует множество – от простейшего переноса файлов с помощью USB-накопителя до всемирной компьютерной сети Internet, способной связать все компьютеры мира. Огромное место в этой иерархии отводится локальным сетям.

Чаще всего термин «локальные сети» (LAN, Local Area Network) понимают буквально, то есть, под локальными понимаются такие сети, которые имеют небольшие размеры, соединяют близко расположенные компьютеры – это обывательское мнение. Достаточно посмотреть на характеристики некоторых локальных сетей, чтобы понять, что такое определение не точно.

Некоторые авторы определяют локальную сеть как «систему для  соединения компьютеров». Компьютеры, связанные локальной сетью, объединяются, по сути, в один виртуальный компьютер, ресурсы которого доступны всем пользователям, причем этот доступ не менее удобен, чем к ресурсам входящим непосредственно в каждый компьютер. Также ключевыми отличиями локальной сети от любой другой являются высокая скорость обмена, низкий уровень ошибок при передаче данных, большая интенсивность обмена (трафик).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Сеть Ethernet – создание, развитие, модификации и стандарты

1. История создания сети Ethernet

Ethernet (эзернет, англ. Ethernet [ˈiːθərˌnɛt] от англ. ether [ˈiːθər]— эфир)  
пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Прообразом Ethernet стала экспериментальная  передачи данных Гавайского университета ALOHA, реализованная в конце 60-х  – начале 70-х годов как средство беспроводного взаимодействия ЭВМ. В дальнейшем, принципы, заложенные в ALOHA, нашли применение в сети Ethernet. Ether (англ.) – среда, эфир, хотя речь шла о кабельных сетях, т.е. таких, где используются физические линии связи.

 

Технология Ethernet была разработана  вместе со многими первыми проектами  корпорации Xerox PARC. В начале 70-х Роберт Меткалф (Bob Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) из исследовательского центра фирмы Xerox в Пало-Альто (Калифорния) – PARC реализовали сеть, соединяющую компьютеры и принтеры центра на скорости 2.94 Mb/s (такая скорость была выбрана потому, что компьютеры центра имели частоту синхронизации 2.89 МГц). Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. При рождении сеть получила имя Ethernet, базировалась на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. В декабре того же года Меткалф опубликовал докторскую работу "Packet Communication" ("Пакетная связь"), а в июле 1976 г. Меткалф и Боггс выпустили совместный труд "Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks" ("Ethernet: распределенная пакетная коммутация для локальных компьютерных сетей"). Таким образом, была создана теоретическая база для дальнейшего развития технологии.

 

Ethernet – это самый распространенный  на сегодняшний день стандарт  локальных сетей. Общее количество  сетей, работающих по протоколу  Ethernet в настоящее время, оценивается  в 5 миллионов, а количество  компьютеров с установленными  сетевыми адаптерами Ethernet – в  50 миллионов, и это число постоянно  растет. Когда говорят Ethernet, то  под этим обычно понимают любой  из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet –  это сетевой  стандарт, основанный  на экспериментальной сети Ethernet Network. Но законное право на технологию Меткалф получил через лишь несколько лет после создания сети.

 

 В 1976 году 5 июля Меткалф и Боггс опубликовали статью «Локальная распределенная технология с коммутацией пакетов» в материалах ACM (Association for Computing Machinery), a 13 декабря 1977 получили патент США за номером 4,063,220, за изобретение «Многоточечной системы передачи данных с обнаружением столкновений». 

 

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения

компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet . Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года под названием Version 1.0, которую также назвали «Ethernet Blue Book» или «стандарт DIX» (аббревиатура по первым буквам компаний-разработчиков). В спецификации речь шла о толстом «thick» Ethernet (аналог 10Base5),

функционирующем на скорости 10 Мбит/с и использующем алгоритм CSMA/CD. Первые контроллеры, поддерживающие стандарт DIX появились незадолго  до принятия окончательной версии DIX –Version 2.0, которая появилась в ноябре 1982 году. На основе второй версии стандарта после продолжительных дебатов был принят «проект 802» Института Инженеров по Электротехнике и Радиоэлектронике (IEEE 802.3). Он должен был заполнить нишу между глобальными сетями, низкоскоростными сетями и специализированными сетями компьютерных центров, которые работали на высокой скорости, но очень ограниченном расстоянии. Ethernet/IEEE 802.X хорошо подходит для приложений, где локальные коммуникации должны выдерживать высокие нагрузки при высоких скоростях в пиках.

 

Таким образом, вскоре соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET завершилось  — они  были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet.

 

 

 

2. Эволюция сети Ethernet. Стандарты

В 1979 году Digital Equipment Corporation (DEC), Intel и Xerox объединили усилия для разработки спецификации Ethernet. Она увидела свет в сентябре 1980 года под названием Version 1.0, которую также назвали «Ethernet Blue Book» или «стандарт DIX» (аббревиатура по первым буквам компаний-разработчиков). В спецификации речь шла о толстом «thick» Ethernet (аналог 10Base5), функционирующем на скорости 10 Мбит/с и использующем алгоритм CSMA/CD. Первые контроллеры, поддерживающие стандарт

DIX появились незадолго  до принятия окончательной версии DIX – Version 2.0, которая появилась  в ноябре 1982 году.

 

В 1983 году IEEE издал первый официальный стандарт на Ethernet, который  был разработан рабочей группой  комитета IEEE 802. Заголовок стандарта  звучал так: «802.3 Метод доступа CSMA/CD и спецификации физического уровня».IEEE переработал оригинальный стандарт, особенно в формате кадра и  структуре уровней (разбив канальный  на MAC и LLC, которые работают независимо друг от друга). Тем не менее, стандарт допускал функционирование параллельно  с DIX даже в пределах одной физической сети. На основе второй версии стандарта после продолжительных дебатов был принят «проект 802» института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE 802.3). Он должен был заполнить нишу между глобальными сетями, низкоскоростными сетями и специализированными сетями компьютерных центров, которые работали на высокой скорости, но очень ограниченном расстоянии. Ethernet/IEEE 802.X хорошо подходит для приложений, где локальные коммуникации должны выдерживать высокие нагрузки при высоких скоростях в пиках.

 

В 1985 году, рабочая группа IEEE 802.3а определила вторую версию официального стандарта, называемую тонким «thin» Ethernet или 10Base2, который использовал более  дешевый и тонкий коаксиальный кабель, что значительно упрощало монтаж и поддержку сети. Тем не менее, оба этих стандарта использовали шинную топологию, что значительно  усложняло внедрение изменений  в сети.

 

В 1987 IEEE реализовал два стандарта: Fiber Optic Inter-Repeater Link (FOIRL), который использовал два волоконно-оптических кабеля, что значительно увеличивало максимальную длину между повторителями до 1000м и стандарт IEEE 802.Зе, который описывал 10 Мбит/с Ethernet на витой паре (данный стандарт практически не использовался).

 

В 1990 году произошел один из главных прорывов в области Ethernet – IEЕЕ реализовал стандарт 802.3i (10Base-T), который описывал 10Мбит/с Ethernet, работающий по обыкновенным неэкранированным витым  кабелям, что позволяло использовать

существующую кабельную  инфраструктуру. А использование  топологии «звезда» позволяло также  существенно упростить изменения  и дополнения к сети, а также  существенно упрощало поиск неисправностей. В 1993 IEEE 802.3j стандарт для 10Base-F

расширил возможности FOIRL.

 

В 1995 году IEEE увеличил производительность Ethernet на порядок, реализовав спецификацию 100 Мбит/с 802.3u или 100Base-T. Данная версия также  имеет название «Fast Ethernet».

 

В 1997 IEEE 802.Зх стандарт определил  полнодуплексное функционирование «full-duplex», которое обошло ограничения  алгоритма доступа к среде CSMA/CD, позволяя функционировать станциям в режиме «точка-точка» и соответственно разделить потоки приема/передачи, увеличив пропускную способность по сравнению с полудуплексным вариантом  вдвое. Данный тип взаимодействия распространяется на сети со скоростями 10 МБит/с и  выше.

 

В 1998 году был реализован стандарт на 1ГБит/с или «Gigabit Ethernet»  на ВОЛС, а в 1999 году появился аналогичный  стандарт 802.ЗаЬ или 1000Base-T, который  подразумевал использование витой  пары пятой категории.

 

На сегодняшний день Ethernet и IEEE 802.3 являются наиболее распространенными  протоколами локальных вычислительных сетей. Сегодня термин Ethernet чаще всего  используется для описания всех ЛВС, работающих по принципу «множественный

доступ с опросом несущей  и обнаружением конфликтов». Они  соответствуют Ethernet, включая IEЕЕ 802.3. Это  не совсем корректно с точки зрения стандартов, но название «Ethernet» настолько  прочно прижилось, что оно осталось и за официальным стандартом, и  за всеми последующими его модификациями. Поэтому, в дальнейшем под термином «Ethernet» понимается официальный стандарт IEЕЕ 802.3. Структура стандартов выглядит следующим образом:

 

Рис 2.2.1 - Структура стандартов IEEE

 

В этой структуре на физическом уровне отражены как устаревшие технологии, основанные на применении коаксиального  кабеля (10 Base 5, 10 Base 2), так и современные, использующие витую пару (10 Base T) и  волоконно-оптические линии (10 Base F).

Технологии с коаксиальным кабелем использующие топологию  «общей шины» помимо применения дорогого кабеля требуют сложных подключений  отрезков коаксиальных кабелей к  основной коаксиальной шине. Эти подключения  создают неоднородности в линии  и приводят к появлению в ней  отраженных волн, что приводит к  неустойчивой работе ЛВС.

 

 

 

 

2.3   Самая распространенная  технология сетей Ethernet - 10 Base T

 

Технология 10 Base T сейчас наиболее распространена. В ее основе лежит  топология «звезда» (рис. 3.8), где  в центре «звезды» размещается многопортовый  повторитель, называемый концентратором или хабом. Назначение концентратора  заключается в регенерации на всех своих портах сигналов, поступающих  от одной из станций. Например, пакет  приходящий от станции А на порт 1 через порты 2, 3, 4 ретранслируется  по всем остальным станциям.

Рис 2.3.1 – Топология ЛВС с концентратором (хабом)

 

Основные достоинства  стандарта 10 Base T:

− дешевый кабель;

− простота подключения  станций.

К недостаткам следует  отнести:

− малая длина сегмента вследствие затухания сигнала в  линии;

− больший уровень внешних  помех по сравнению с коаксиальным вариантом.

 

Несмотря на различия в  физической топологии, логической топологией в 10 Base T остается «общая шина» и все  правила CSMA/CD. Технология 10 Base F позволяет  увеличить длину сегмента до 2000м  при использовании многомодового (MM) волоконно-оптического кабеля. Такая среда передачи не чувствительна к электрическим наводкам, обладает высокой помехоустойчивостью.

 

 

 

 

 

4.  Технология Fast Ethernet и её стандарты

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей  на  протяжении около 15 лет. Однако в  начале 1990-х годов начала ощущаться  его недостаточная пропускная способность. Назрела необходимость разработки «нового» Ethernet, то есть технологии, которая  была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с.

 

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Вместо подуровня физического  присоединения, как в классическом Ethernet, появились следующие подуровни: подуровень кодирования, подуровень физического  присоединения, подуровень зависимости  физической среды, подуровень автопереговоров  о скорости передачи. Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы  стандартов 802.3 и 802.2. Более сложная  структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней  используются три варианта кабельных  систем: