Физический уровень сети Ethernet
Наиболее распространенное на текущий момент семейство протоколов, на основе которого строятся локальные сети и Интернет – это семейство Ethernet, определяемое различными итерациями стандарта IEEE 802.3. Внутри этого семейства существуют десятки различных протоколов, однако они обладают общими характеристиками, которые, в основном, и будут обсуждаться.
Протоколы Ethernet являются протоколами первых двух уровней, поскольку определяют перевод информации в физическую форму и упаковку этой информации.
Начнем с обсуждения физического уровня, и дальше будем строить вверх.
Топология сети
Физический носитель может быть использован по-разному. Способы соединения узлов сети называются топологией сети. Основные варианты топологий:
- Точка-точка
- Шина
- Кольцо
- Звезда
- Меш (сетка)
Топологии точка-точка используются в конвенциональной телефонии (телефонную “лапшу” видели? вот об этом речь). Основная идея в том, что два узла сети содединяются при помощи механических переключателей практически напрямую. Такой вариант очевидно не позволяет поддерживать связь с несколькими узлами одновременно. Топология шины решает эту проблему: при этом все узлы сети передают данные через один и тот же носитель. Это позволяет, во-первых, экономить на носителе, а во-вторых, передавать данные нескольким узлам без механического переключения канала связи. Однако возникает проблема коллизий: два узла не могут передавать данные одновременно. Эта проблема становится значительной при росте количества узлов. К тому же, физические повреждения проводника часто приводили к неработоспособности всей сети, и поиск подобных повреждений становился весьма утомительным процессом. Топология кольца является некоторой вариацией топологии шины. Эта топология не использовалась в стандарте Ethernet, однако отчасти решала проблемы топологии шины, например в протоколе Token Ring. Топология звезды предполагает наличие центрального переключателя или хаба, с которым соединен каждый узел сети. Это отчасти решает проблему поиска физических повреждений на шине и, при использовании управляемых переключателей, позволяет решить проблему коллизий. Топология сетки это вариант, наиболее подходящий для случаев беспроводной свзяи, когда узлы эффективно расширяют область покрытия за счет соединения между собой. Сравнительно недавно такая топология стала популярна в роботехнике для связи между “роями” маленьких роботов, и часто говорят о возможности построения меш-сети при помощи персональных устройств связи (мобильных телефонов).
Пара слов о разнице между хабом и свитчем: хаб является активным либо пассивным “повторителем”, который просто транслирует сигнал, пришедший на одном из подключений, на все остальные. Программируемые переключатели (свитчи) стараются передавать информацию только туда, куда она должна уйти – то есть производит рудиментарную маршрутизацию на основе физических адресов.
Физический носитель
В качестве физического носителя для сетей Ethernet выступает либо коаксиальный кабель (этот вариант был очень популярен в первых версиях), либо витая пара (очень популярный сейчас вариант), либо оптический кабель (встречается не слишком часто, существуют другие протоколы для оптических сетей).
Коаксиальный кабель представляет из себя тонкий медный проводник, завернутый в слой изолятора, сверху оплетенный другим проводником (или аллюминиевой фольгой), так же завернутый в (более тонкий) слой изолятора. Поскольку по сути структура кабеля представляет соосные цилиндры, кабель называется коаксиальным (соосным).
Основные стандарты, использующие коаксиальный кабель – это 10BASE5 (“Толстый Ethernet”) и 10BASE2 (“Тонкий Ethernet”). Они отличались максимальной длиной проводника (коаксиального кабеля) и его толщиной. 10BASE5 мог иметь длину до 500 м, а 10BASE2, соответственно, до 200. Цифра 10 относится к максимальной пропускной способности – 10 Мбит/c. Оба этих стандарта предполагали топологию шины.
Витая пара, практически повсеместно используемая сегодня, используется стандартами семейства Fast Ethernet, а так же стандартом 1BASE5 из семейства Ethernet, который, хотя и практически не использовался, но предполагал топологию звезды и активные хабы – то, что сейчас используется практически повсеместно. Его естественным развитием стал стандарт 10BASE-T, отличавшийся кодированием информации и более быстрой скоростью работы (10 Мбит/c).
Основной стандарт Fast Ethernet, используемый сейчас – 100BASE-TX (другие близкие варианты 100BASE-T2 и 100BASE-T4 практически не используются, поэтому его неформально часто обозначают как 100BASE-T). Fast Ethernet имеет пропускную способность 100 Мбит/c.
10BASE5/2
Использование топологии шины и коаксиального кабеля требовало подключения на концах кабеля “терминаторов” – специальных сопротивлений, гасивших отражения электромагнитных волн от концов проводника. Как можно догадаться, при обрыве кабеля, на оборванных концах терминаторов не было, поэтому, как правило, вся сеть переставала работать. При не столь сильных повреждениях кабеля, пропускная способность сети резко падала, а иногда и вовсе пропадала, либо сеть разделялась на несколько изолированных сегментов, ввиду падения максимальной дальности передачи.
Узлы сети – компьютеры – подключались при помощи коннекторов-“вампиров”, которые физически прокалывали внешний и внутренний слои изоляции коаксиального кабеля. Неаккуратное подключение легко приводило к проблемам во всей сети.
Как уже упоминалось, максимальная пропускная способность составляла 10 Мбит/c. Однако при большом числе узлов (несколько десятков) пропускная способность падала ниже плинтуса, в связи с коллизиями.
Так же присутствовала сложность в том, что невозможно было одновременно принимать и передавать данные, в результате чего эффективная пропускная способность составляла в лучшем случае 5-7 Мбит/c.
100BASE-TX
Современный вариант Ethernet (хотя уже устаревающий). Использует витую пару (8-жильную, 5 или 6 категории) и топологию звезды.
Из 8 жил витой пары на самом деле используются только 4: два для приема и два для передачи.
Стандартный коннектор для витой пары – 8P8C 1 (иногда неверно называемый RJ45 2 ), имеет 8 выводных контактов, которые нумеруются от 1 до 8.
Стандартная разводка витой пары на 8P8C использует контакты 1 и 2 для передачи и 3 и 6 для приема на узлах, и наоборот, 1 и 2 для приема и 3 и 6 для передачи на разветвителях (хабах или свитчах). По сути это приводит к существованию двух равноправных стандартов обжимки, T568A и T568B соответственно. Кабель, обжатый по-разному с разных сторон называется перекрестным (“кросс-овером”). Большинство современных устройств автоматически определяют, используется ли перекретсный кабель и работают в любом случае. Раньше же для соединения двух компьютеров или двух свичтей/хабов напрямую было необходимо использовать перекрестный кабель, в то время как для соединения компьютера со свитчем/хабом – только прямой.
Пары в кабеле витой пары кодируются цветом:
| № пары | Цвет |
|---|---|
| 1 | синий |
| 2 | оранжевый |
| 3 | зеленый |
| 4 | коричневый |
| № | Цвет | № пары |
|---|---|---|
| 1 | бело-зеленый | 3 |
| 2 | зеленый | 3 |
| 3 | бело-оранжевый | 2 |
| 4 | синий | 1 |
| 5 | бело-синий | 1 |
| 6 | оранжевый | 2 |
| 7 | бело-коричневый | 4 |
| 8 | коричневый | 4 |
| № | Цвет | № пары |
|---|---|---|
| 1 | бело-оранжевый | 2 |
| 2 | оранжевый | 2 |
| 3 | бело-зеленый | 3 |
| 4 | синий | 1 |
| 5 | бело-синий | 1 |
| 6 | зеленый | 3 |
| 7 | бело-коричневый | 4 |
| 8 | коричневый | 4 |
1000BASE-T
Стандарт появился в 1999, и постепенно вытесняет 100BASE-TX. 1000BASE-T поддерживает передачу данных на скорости до 1 Гбита/с 3 . Стандарт 1000BASE-T использует медную витую пару, и все четыре пары для передачи данных, и использует кабели 5-й категории и выше. Существует вариант стандарта 1000BASE-TX, который использует две пары, но требует кабеля 6-й категории и выше. Он слабо распространен.
- 8 позиций, 8 контактов. Другие разъемы той же серии включают “телефонные” разъемы 6P4C и 6P2C и другие.↩︎
- стандарт RJ45 (точнее RJ45S) использует разъём 8P8C с ключом, который физически не совместим со стандартным разъёмом 8P8C↩︎
- В данном случае гигабит – это 1 000 000 000 бит. Это примерно 120 мебибайт в секунду.↩︎
Три основных вида топологии: шина, кольцо и звезда
Существуют три основных вида топологии сети: шина, кольцо и звезда. Некоторые локальные сети типа Ethernet используют несколько типов топологии. Все три вида показаны на рис. 9. У каждой топологии есть свои плюсы и минусы.
Рис. 9 Три основных вида топологии локальной сети: шина, кольцо и звезда
В шинной топологии каждое устройство подключается к общему кабелю, что очень похоже на шину питания в компьютерах. Классические коаксиальная «толстая» Ethernet и коаксиальная «тонкая» Ethernet являются примерами шинной топологии. Все устройства в шине могут наблюдать за данными, отправленными любым другим устройством, и наоборот, все передачи идут одновременно ко всем устройствам, подключенным к шине. Так как передача данных проходит на большой скорости и между устройствами могут возникать конфликты, то шинная топология должна подчиняться жестким правилам для стабильной работы сети, в том числе относительно времени передачи, подключений к шине, размера шины, разрешения конфликтов и разрыва шины.
Кольцевая топология подключает каждое устройство к следующему устройству в сети, т.е. последнее устройство соединено с самым первым, что создает кольцо. Данные передаются от одного устройства к другому, пока не дойдут до точки назначения. Цифровые данные обычно регенерируются на каждом устройстве, а для управления передачей и для того, чтобы устройство не заняло всю возможную ширину полосы частот, часто используется маркерная схема.
Звездообразная топология соединяет каждое устройство с концентратором, находящимся в центре звезды. Все сообщения между приборами проходят через концентратор. Некоторые люди называют такую сеть «концентратор и лучи», но термин «звезда» используется чаще. Широко распространенные Ethernet-концентраторы и коммутаторы представляют данную топологию в современных сетях. Как только сигнал с данными от любого подключенного устройства доходит до концентратора или коммутатора, процесс «повторения» регенерирует сигнал.
Некоторые топологии сети представляют собой комбинациию нескольких базовых видов топологий. Например, в Token-Ring соединение происходит по принципу звезды, а ее «лучи» соединены с концентратором Token-Ring (или модулем многостанционного доступа, Multistation Access Unit — MSAU) в телекоммуникационном помещении для формирования кольца. Как вы понимаете, у каждой топологии и стандарта локальной сети есть свои сторонники и противники. Мы не будем оспаривать ту или иную точку зрения, если только вопрос не касается использования кабельной системы для нескольких топологий.
В данной главе мы сосредоточимся исключительно на современных технологиях, в том числе на системе витой пары и волоконно-оптической системе сетей Ethernet.