Архитектуры сетей.

Спросите любого администратора о том, какую сеть он использует, и его ответ наверняка будет начинаться со слов Ethernet, Token Ring или названия какой-то другой архитектуры. Архитектура сети определяет скорость передачи, стоимость и тип кабеля для сети.

В начале этого раздела описаны три сформировавшиеся архитектуры: Ethernet, Token Ring и ARCnet. Затем рассмотрены более новые и высокопроизводительные системы – FDDI, ATM и Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Сравнение различных архитектур сетей приведено в таблице.

Ethernet.

Это, вероятно, самый старый тип сетей – он был изобретен Xerox Corporation в 1973 г. Несмотря на возраст, эта архитектура наиболее часто используется в сетях, так как обладает удачным сочетанием низкой стоимости и высокой производительности.

Ethernet – идеал для небольших и средних сетей. Его основные преимущества:

• Недорогие карты адаптеров. Сетевые карты (NIC) для Ethernet гораздо доступнее, чем карты для других сетей, таких как Token Ring или FDDI.

• Простота установки. В Ethernet можно использовать различные типы кабелей, и установка сети проста и дешева. В ряде случаев можно использовать существующий телефонный кабель.

• Широкое использование. Так как Ethernet используется повсеместно, продукцию для нее выпускают многие фирмы, и они могут помочь в оптимизации сети и повышении ее производительности. Другое преимущество – простота стыковки.

• Скорость. В зависимости от загрузки сети скорость передачи Ethernet в достигает 10 Мбит/с.

Однако при выборе Ethernet необходимо иметь в виду следующие ее недостатки:

• Плохая производительность при сильной загрузке. Используемый в Ethernet протокол обмена данными CSMA/CD плохо ведет себя при увеличении нагрузки на сеть. В больших сетях производительность Ethernet сильно падает с ростом потока сообщений в сети.

• Сложность диагностики. Версии Ethernet, основанные на шинной топологии, могут очень плохо поддаваться диагностике отказов. В шинной топологии отказ в одной точке приводит к остановке всей сети.

Протокол CSMA/CD Ethernet. Каждая сетевая архитектура должна иметь метод управления доступом нескольких устройств к одному кабелю. В Ethernet для регулирования доступа нескольких устройств к одному сетевому кабелю используется метод под названием CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection). Это название расшифровывается как “множественный доступ с обнаружением несущей и разрешением столкновений”.

При работе Ethernet с CSMA/CD узел должен прослушать сетевой кабель перед тем, как пытаться передать что-либо по сети. Если узел не обнаружил в кабеле носителя сигнала, он передает кадр (носителем (carrier) называется электронный сигнал, свидетельствующий о том, что кабель занят другим устройством). Если кабель занят, перед повторной попыткой передачи узел должен определенное время подождать.

Когда адаптер начинает передачу, сигнал не достигает всех частей сети одновременно. На самом деле он передается по кабелю со скоростью, составляющей примерно 80% от скорости света.

После передачи кадра узел продолжает прослушивать кабель для обнаружения возможных столкновений (collisions). Если при занятом кабеле другой узел сети начинает передавать кадр, происходит столкновение. При этом кадры повреждаются. Перед повторной передачей кадров вовлеченные в столкновение станции должны отключиться и выждать случайный промежуток времени.

Перед повтором передачи нужно соблюдать осторожность, иначе сеть может оказаться перегруженной адаптерами, впустую пытающимися передавать, причем каждая передача будет приводить к коллизии. Чтобы избежать таких ситуаций, Ethernet использует стратегию двоичной экспоненциальной задержки, при которой отправитель ждет случайное время после первой коллизии, в два раза дольше, если вторая попытка передать, также привела к коллизии, в четыре раза дольше, если третья попытка привела к коллизии, и так далее. Идея, лежащая в основе экспоненциальной задержки, заключается в том, что при коллизии возможно, что большое число станций будет пытаться передавать одновременно и может возникнуть большие помехи для трафика. При таких помехах существует большая вероятность того, что две станции выберут похожие времена задержки. Поэтому вероятность того, что возникнет новая коллизия, велика. С помощью удвоения случайного времени задержки стратегия экспоненциальной задержки быстро распределяет попытки повторной передачи станций на достаточно большой промежуток времени, что делает вероятность дальнейших коллизий крайне маленькой.

Хотя в каждом кадре присутствует адрес узла назначения, каждый узел должен проверять все проходящие мимо него кадры. Если кадр не предназначен данному узлу, он передается следующему.

Если узел получает пакет, адресованный ему, перед обработкой пакета он должен проверить целостность данных. При этом тщательно проверяются некоторые поля полученного пакета. Первое и самое главное – узел должен проверить, что пакет не слишком длинный. В сетях Ethernet пакеты длиной более 1518 байт считаются слишком длинными; они не могут быть обработаны. Затем проверяется циклический избыточный код (cyclical redundancy check - CRC). И, наконец, последняя проверка – не является ли пакет слишком коротким. Длина пакета не может быть меньше 64 байт. Если пакет прошел эти проверки, он передается сетевому драйверу для дальнейшей обработки.

Вопрос на будущее! Чем объясняются ограничения на размер пакета Ethernet?

С ростом размера сети растет число столкновений в ней и, как следствие, падает производительность. Однако остроту этой проблемы можно сгладить за счет правильного распределения нагрузки на сеть и разбиения ее на сегменты (подсети).