Ethernet — пример стандартной технологии с коммутацией пакетов

Рассмотрим, каким образом описанные ранее концепции воплощены в одной из первых стандартных сетевых технологий — технологии Ethernet, работающей с битовой скоростью 10 Мбит/с. В этом разделе мы коснемся только самых общих принципов функционирования Ethernet. Детальное описание технологии Ethernet вы найдете в части III.

· Топология. Существует два варианта технологии Ethernet: Ethernet на разделяемой среде и коммутируемый вариант Ethernet. В первом случае все узлы сети разделяют общую среду передачи данных, и сеть строится по топологии общей шины. На рис. 3.16 показан простейший вариант топологии — все компьютеры сети подключены к общей разделяемой среде, состоящей из одного сегмента коаксиального кабеля.

Рис. 3.16. Сеть Ethernet на разделяемой среде

В том случае, когда сеть Ethernet не использует разделяемую среду, а строится на коммутаторах, объединенных дуплексными каналами связи, говорят о коммутируемом варианте Ethernet. Топология в этом случае является топологией дерева, то есть такой, при которой между двумя любыми узлами сеть существует ровно один путь. Пример топологии коммутируемой сети Ethernet показан на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Древовидная топология коммутируемой сети Ethernet

Топологические ограничения (только древовидная структура связей коммутаторов) связаны со способом построения таблиц продвижения коммутаторами Ethernet.

· Способ коммутации. В технологии Ethernet используется дейтаграммная коммутация пакетов. Единицы данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet, называются кадрами. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию. В том случае, когда сеть Ethernet построена на коммутаторах, каждый коммутатор продвигает кадры в соответствии с теми принципами коммутации пакетов, которые были описаны ранее. А вот в случае односегментной сети Ethernet возникает законный вопрос: где же выполняется коммутация? Где хотя бы один коммутатор, который, как мы сказали, является главным элементом любой сети с коммутацией пакетов? Или же Ethernet поддерживает особый вид коммутации? Оказывается, коммутатор в односегментной сети Ethernet существует, но его не так просто разглядеть, потому что его функции распределены по всей сети. «Коммутатор» Ethernet состоит из сетевых адаптеров и разделяемой среды. Сетевые адаптеры представляют собой интерфейсы такого виртуального коммутатора, а разделяемая среда — коммутационный блок, который передает кадры между интерфейсами. Часть функций коммутационного блока выполняют адаптеры, так как они решают, какой кадр адресован их компьютеру, а какой — нет.

· Адресация. Каждый компьютер, а точнее каждый сетевой адаптер, имеет уникальный аппаратный адрес (так называемый МАС-адрес, вы уже встречали этот акроним в главе 2). Адрес Ethernet является плоским числовым адресом, иерархия здесь не исполь­зуется. Поддерживаются адреса для выборочной, широковещательной и групповой рассылки.

· Разделение среды и мультиплексирование. В сети Ethernet на коммутаторах каждый канал является дуплексным каналом связи, и проблемы его разделения между интерфейсами узлов не возникает. Передатчики коммутаторов Ethernet используют дуплексные каналы связи для мультиплексирования потоков кадров от разных конечных узлов. В случае Ethernet на разделяемой среде конечные узлы применяют специальный метод доступа с целью синхронизации использования единственного полудуплексного канала связи, объединяющего все компьютеры сети. Единого арбитра в сети Ethernet на разделяемой среде нет, вместо этого все узлы прибегают к распределенному случайному методу доступа. Информационные потоки, поступающие от конечных узлов сети Ethernet, мультиплексируются в единственном передающем канале в режиме разделения времени. То есть кадрам разных потоков поочередно предоставляется канал. Чтобы подчеркнуть не всегда очевидную разницу между понятиями мультиплексирования и разделения среды, рассмотрим ситуацию, когда из всех компьютеров сети Ethernet только одному нужно передавать данные, причем данные от нескольких приложений. В этом случае проблема разделения среды между сетевыми интерфейсами не возникает, в то время как задача передачи нескольких информационных потоков по общей линии связи (то есть мультиплексирование) остается.

· Кодирование. Адаптеры Ethernet работают с тактовой частотой 20 МГц, передавая в среду прямоугольные импульсы, соответствующие единицам и нулям данных компьютера. Когда начинается передача кадра, то все его биты передаются в сеть с постоянной скоростью 10 Мбит/с (каждый бит передается за два такта). Эта скорость определяется пропускной способностью линии связи в сети Ethernet.

· Надежность. Для повышения надежности передачи данных в Ethernet используется стандартный прием — подсчет контрольной суммы и передача ее в концевике кадра. Если принимающий адаптер путем повторного подсчета контрольной суммы обнаруживает ошибку в данных кадра, то такой кадр отбрасывается. Повторная передача кадра протоколом Ethernet не выполняется, эта задача должна решаться другими технологиями, например протоколом TCP в сетях TCP/IP.

· Очереди. В коммутируемых сетях Ethernet очереди кадров, готовых к отправке, организуются обычным для сетей с коммутацией пакетов способом, то есть с помощью буферной памяти интерфейсов коммутатора.

В сетях Ethernet на разделяемой среде коммутаторы отсутствуют. На первый взгляд может показаться, что в Ethernet на разделяемой среде нет очередей, свойственных сетям с коммутацией пакетов. Однако отсутствие коммутатора с буферной памятью в сети Ethernet не означает, что очередей в ней нет. Просто здесь очереди переместились в буферную память сетевого адаптера. В те периоды времени, когда среда занята передачей кадров других сетевых адаптеров, данные (предложенная нагрузка) по-прежнему поступают в сетевой адаптер. Так как они не могут быть переданы в это время в сеть, они начинают накапливаться во внутреннем буфере адаптера Ethernet, образуя очередь. Поэтому в сети Ethernet существуют переменные задержки доставки кадров, как и во всех сетях с коммутацией пакетов.

Выводы

В сетях с коммутацией каналов по запросу пользователя создается непрерывный информационный канал, который образуется путем резервирования «цепочки» линий связи, соединяющих абонентов на время передачи данных. На всем своем протяжении канал передает данные с одной и той же скоростью. Это означает, что через сеть с коммутацией каналов можно качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (голос, видео). Однако невозможность динамического перераспределения пропускной способности физического канала является принципиальным недостатком сети с коммутацией каналов, который делает ее неэффективной для передачи пульсирующего компьютерного трафика.

При коммутации пакетов передаваемые данные разбиваются в исходном узле на небольшие части — пакеты. Пакет снабжается заголовком, в котором указывается адрес назначения, поэтому он может быть обработан коммутатором независимо от остальных данных. Коммутация пакетов повышает производительность сети при передаче пульсирующего трафика, так как при обслуживании большого числа независимых потоков периоды их активности не всегда совпадают во времени. Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования ресурсов в том темпе, в котором их генерирует источник. Однако этот способ коммутации имеет и отрицательные стороны: задержки передачи носят случайный характер, поэтому возникают проблемы при передаче трафика реального времени. В сетях с коммутацией пакетов может использоваться один из трех алгоритмов продвижения пакетов: дейтаграммная передача, передача с установлением логического соединения и передача с установлением виртуального канала.

Вопросы и задания

1. Какие из приведенных утверждений верны при любых условиях:

а) в сетях с коммутацией пакетов необходимо предварительно устанавливать соединение;

б) в сетях с коммутацией каналов не требуется указывать адрес назначения данных;

в) сеть с коммутацией пакетов более эффективна, чем сеть с коммутацией каналов;

г) сеть с коммутацией каналов предоставляет взаимодействующим абонентам гарантированную пропускную способность.

2. Какие из сформулированных свойств составного канала всегда соответствуют действительности:

а) данные, поступившие в составной канал, доставляются вызываемому абоненту без задержек и потерь;

б) составной канал закрепляется за двумя абонентами на постоянной основе;

в) количество элементарных каналов, входящих в составной канал между двумя абонентами, равно количеству промежуточных узлов плюс 1;

г) составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении.

3. Пусть для передачи голоса используется дискретизация по времени с интервалом 25 мкс и дискретизация по значениям на уровне 1024 градации звукового сигнала. Какая пропускная способность необходима для передачи полученного таким образом голосового трафика?

4. При каких условиях в коммутаторах сети с коммутацией пакетов должна быть предусмотрена буферизация? Варианты ответов:

а) когда средняя скорость поступления данных в коммутатор превышает среднюю скорость их обработки коммутатором;

б) всегда;

в) если пакеты имеют большую длину;

г) если пропускная способность сети ниже суммарной интенсивности источников трафика.

5. Определите, на сколько увеличится время передачи данных в сети с коммутацией пакетов по сравнению с сетью коммутации каналов, если известны следующие величины:

· общий объем передаваемых данных — 200 Кбайт;

· суммарная длина канала — 5000 км;

· скорость передачи сигнала — 0,66 скорости света;

· пропускная способность канала — 2 Мбит/с;

· размер пакета без учета заголовка — 4 Кбайт;

· размер заголовка — 40 байт;

· интервал между пакетами — 1 мс;

· количество промежуточных коммутаторов — 10;

· время коммутации на каждом коммутаторе — 2 мс.

Считайте, что сеть работает в недогруженном режиме, так что очереди в коммутаторах отсутствуют.