Eternet network - основни понятия

Мрежовата архитектура комбинира стандарти, топологии и протоколи за да създаде работеща мрежа. Този урок описва Ethernet мрежа.
Най-използвана в днешно време архитектура за изграждане на мрежи безспорно е Ethernet.


Основните компоненти на Ethernet
История – Произход

Физическата / преносна / среда
Формат на кадрите
Хардуерни компоненти използвани при изграждането на Ethernet мрежа
Стандарти
Фактори , влияещи върху производителността


История – Произход на Eternet
В края на 60-те в Хавайския университет е разработена WAN наречена ALOHA, поради факта че този университет е разположен върху голяма географска област.Една от ключовите функции на проекта е използването на CSMA/CD като метод на достъп. Това служи за основа на Ethernet, разработен през 70-те години в лабораториите на Xerox, първоначално позволявал изграждането на мрежи с дебел коаксиален кабел и скорост на предаване на данни от 2.94Mbps в система която свързва около 100 компютъра с кабел с дължина около 1км. През годините Ethernet е претърпял множество метаморфози, благодарение на отворения си стандарт, особено, след като към проекта се включват фирми като DEC и Intel. Така се въведе стандарт за 10 Mbps Ethernet - тази спецификация , описва метод за свързване и поделяне на кабели между компютърни системи.
Ethernet спецификацията изпълнява същите функции при комуникацията на данни, както физическия и каналния слоеве на OSI модела. Тази схема служи за основа на стандарта IEEE 802.3, фиксиращ общите правила за предаване на данни в локалните мрежи (LAN): IEEE 802.3 "Carrier Sense Multiple Access Method and Physical Layer Specifications".
Първоначално се използва примитивна схема от типа „Слушай преди да говориш” , която носи името CSMA - Carrier Sense Multiple Access. При този метод всяка станция , която иска да изпраща данни , първо трябва да провери дали това е възможно. Следващата методология за достъп до среда CSMA/CD е с подобрение в посока откриване на колизии по мрежата.

Физическата / преносна / среда
Физическата среда на Ethernet е пасивна, което означава, че получава захранване от компютрите и няма да се разпадне, освен ако кабелите не са прекъснати физически или не са правилно терминирани. Използват се коаксиални кабели /тънък и дебел/, кабели с усукани двойки / UTP, STP, ?TP/ и кабели с оптични влакна. На сегашния етап на развитие, най -често се използват кабели с усукани двойки . Какви са особеностите и как се прави свързването чрез TP (twisted pair – усукана двойка) кабел и RJ-45 накрайници погледнете тук.

Формат на кадрите
Данните са организират в пакети във формат различаващ се от другите мрежи. В Ethernet данните се разделят на кадри /frame/ - това е пакетирана информация , която се изпраща като отделна единица. Кадърът може да е дълъг между 64 и 1518 байта, но самия той използва за служебна информация минимум 18 байта, така че за данни остават между 46 и 1500 байта. Всеки кадър съдържа контролна информация и следва една и съща контролна подредба.

Поддържан хардуер – Хардуерни компоненти използвани при изграждането на Ethernet мрежа
Тези компоненти са независими от типа на средата. Хардуера, който може да се използва при мрежите Ethernet включва мрежови интерфейсни карти, повтарящи концентратори (Repeater), които усилват сигнала който получават, неповтарящи концентратори, комутатори и маршрутизатори . С развитието на технологиите някои от тези устройства като концентраторите (Hubs) вече са останали в историята.


Мрежовата карта
представлява платка , която се инсталира в I/O магистралата на компютъра. Задната частна картата съдържа физически интерфейс за специфичен тип конектор в зависимост от специфичната преносна среда. Тази карта осъществява връзката вътрешните системни ресурси на компютъра и външните ресурси свързани към мрежата. Тя изразява логиката на нива 1 и 2 от OSI модела

Повторители
сравнително просто устройство което поема входния сигнал, усилва го без да променя формата му и го връща в преносната среда. Тези устройства са известни под името концентратори /хъбове/, въпреки че по същността си представляват мулти портови повторители. Използват се за свързване на множество компютри в една мрежа. Устройството оперира по следния начин - при получаване на сигнал на някой от портовете му, то разпространява този сигнал към всички останали портове, в резултат на което се осигурява връзка между всички възли свързани към него. Проблемите, които възникват при използване на хъб в дадена мрежа е факта, че той натоварва мрежата с излишни сигнали към устройства към които не са предназначени, както и при едновременно получаване на сигнал на два или повече порта на даден хъб възниква конфликт (колизия). Тази причина налага да се използва хъб за изграждане на дадена мрежа, само в малки сегменти от нея. При Ethernet мрежите, ако възникне ситуация, при която два или повече възела се опитат да изпратят данни едновременно, се получава конфликт/колизия, при което всички участници в този конфликт прекратяват предаването и правят повторен опит за предаване след известно закъснение. Целият този процес на прекратяване на предаването на данни, на изчакване на някакво време за повторен опит се реализира от мрежовия контролер във всеки от компютрите участващи в конфликта.

Комутатор
е свързващо устройство, използвано за връзка в локална мрежа. Информацията предаване между устройствата в локалната мрежа (компютри, сървъри, принтери) се разделя на пакети, като всеки пакет има source и destination адрес. Tе показват от кое устройство идва информацията и към кое отива. При получаване на един пакет даден порт от комутатора, действията, които той извършва са следните: буферира получения пакет до пълното му получаване и прави проверка за това дали пакета е коректно получен (отсъствие на грешка при предаване на данните), след което проверява в собствената си таблица дали има направен запис за MAC-адреса на получателя. Ако няма такъв запис, комутатора изпраща пакета през всичките си портове, след което получава отговор от устройството към което е предназначен пакета. Тогава той записва в таблицата си на кой изходен порт отговаря този MAC- адрес. Всички следващи пакети с този source и destination адрес се препращат директно на съответния порт. Ако Комутатора открие запис в таблицата си за съответния пакет, той го препраща директо към съответния порт. Съществуват три вида destination адреси - broadcast, multicast, unicast. При Broadcast адрес пакета се изпраща на всички портове. При multicast адрес пакета се изпраща на предварително определени портове - multicast се използва за Video on demand, Conference call, video conference. При Unicast адрес, пакета се изпраща само към едно устройство (един порт). В резултат на това се формира виртуална връзка между подател и получател, никой друг възел (с изключение на свързващите устройства по пътя на пакета) не виждат информацията, обменяна между получател и подател. Този механизъм на работа повишава сигурността на мрежата и капацитета и.

Маршрутизатори
Това е устройство за предаване на пакети на ниво 3 от OSI-модла, като поддържа интерфейс към всички стандартни мрежови технологии. Основното му приложение е да свързва локалната мрежа с мрежите извън мрежовия домейн. Първо – да осигури връзка към глобалната мрежа (Internet) . Второ – Сигурност и управление на пропусквателната способност на линията ( Bandwith) в големи мрежи разделени на работни групи. Трето – връзка между различни сегменти в мрежата, които нямат видимост помежду си, ако се използва само комутатор. Локалната мрежа ще има сегментирани колизионни домейни , но не и сегментирани broadcast домейни.
Целта му е въз основа на локална база от данни (routing table) от маршрути (routes) да определи къде трябва да бъде насочен даден пакет. При получаване на пакет, маршрутизаторът преглежда IP адреса на получателя, въз основа на който се определя дали той се намира в локална за маршрутизатора мрежа или не. Ако получателят не е локално свързано устройство/компютър, то се преминава към препращане на пакета към друг маршрутизатор, който е обявен в локалната база данни като маршрутизатор, (ако получателя го няма в тази база данни, пакета се препраща на всички интерфейси) който има информация за това, как да се достигне до получателя на пакета. Интернет е изграден от маршрутизатори, като всеки маршрутизатор разполага с определена информация за това към кои мрежи той има директна връзка и към кои други маршрутизатори е свързан.

И така можем да обобщим основните компоненти на Ethernet са :
Топология – линейна шина /linear bus/, звезда шина /start/bus/,смесена
Архитектура – едноканална /baseband/
Метод на достъп - CSMA/CD
Спецификации – IEEE 802.3
Скоростна трансфер – 10 Mbps , 100 Mbps , 1000Mbрs, 10Gbps
Вид на кабела –коаксиален, усукана двойка и оптичен кабел

 

Стандарти
Съществуват множество мрежови стандарти и спецификации, различаващи се по скоростта на LAN, вида на използвания проводник, метода на предаването на сигнала и др.
По името на стандарта може да се съди за характеристиките на мрежата. Така, например 10Base5 се дешифрира по следният начин:
10 - скорост на локалната мрежа в Mbps
Base=Baseband - вид на сигнала - едноканално предаване
Broad=Broadbant – вид на сигнала - широколентово
5 - дължина на мрежовият сегмент в стотици метри
Или
100BaseT4 – Т4 означава 4 двойки UTP, категория 3,4 или 5
100BaseFX - FX оптичен кабел с два проводника


В следващата таблиза са показани мрежови стандарти и спецификации

Фактори , влияещи върху производителността
Ethernet може да използва няколко комуникационни протокола , включително TCP/IP. Един от начините за подобряване на производителността е сегментирането – когато натоварен сегмент се раздели на два с по-малка „населеност” и се свържат с маршрутизатор. Времето за достъп се подобрява защото има по – малко компютри , опитващи се да предават данни по сегмента. Това е добра идея когато към мрежата се добавят голям брой нови потребители или нови приложения изискващи висока пропускателна способност, например програми за бази данни или видео. За избягване колизиите в мрежата се използва Комутатор. Комутаторите създават т.нар. "colision domain", докато маршрутизаторите създават "broadcast domain"

 

Препоръчителни адреси по темата

http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3-2002.pdf
http://www.citforum.ru/nets/semenov/4/41/eth_4111.shtml
http://www.ethermanage.com/ethernet/standard.html
Информация за подредбата необходима за направа на кабел е взета от адрес
http://www.ertyu.org/~steven_nikkel/ethernetcables.html
http://www.lantronix.com/learning/tutorials/etntba.html
HomeNetHelp: http://www.homenethelp.com/web/explain/about-hubs-and-switches.asp
Topology: http://fcit.usf.edu/nework/chap5/chap5.htm
Wikipedia: Network Topology: http://en.wikipedia.org/wiki/Network_topology
Network Topologies: http://www.webopedia.com/quick_ref/topologies.asp
Designing a Network Topology: http://staff.rit.tafensw.edu.au/mfinemore/NW%20Theory%20HTML%20pages/network_topology.htm