Локальні мережі, частина 2

Мережа Ethernet на основі коаксіального кабелю, описана в попередній нотатці, має ряд обмежень:

Обмежена кількість підключених комп'ютерів. Усі учасники мережі мають ділити між собою загальну смугу пропускання; починаючи з якогось моменту мережа стане надто повільною навіть без урахування колізій, а з досить великою кількістю комп'ютерів трафік мережі складатиметься в основному з них.
Комп'ютери мережі повинні знаходитись один від одного на невеликій відстані, обмеженій максимально допустимою довжиною кабелю. Закони фізики ніхто не скасовував, загасання сигналу та шуми неминучі в будь-якому провіднику. Також для нормальної роботи мережі необхідно, щоб події, що відбуваються одночасно, відбувалися досить одночасно, згадайте визначення колізії. Тож довжина кабелю обмежена: за стандартом, товстий коаксіал – 500 метрів, тонкий – 185 метрів. Організаціям, які мають, наприклад, кілька офісів у різних районах міста, одну локальну мережу організувати за такою технологією не вийде, я вже не кажу про офіси в різних містах.
Пошкодження кабелю в будь-якому місці виводить з ладу всю мережу, навіть у сегментах, що залишилися (з технічних причин, пошкоджений кабель псуватиме сигнал).

Підключення комп'ютера по "тонкому" коаксіалу.

Розвиток локальних мереж йшло шляхом подолання цих обмежень.

Репітери та Хаби

Сигнал кабелю йде цифровим? Цифровий. Отже, його можна ретранслювати, прибравши цим обмеження на довжину кабелю, викликане шумами. Так з'явилися репітери (від англійської — повторювати). Вони мали два роз'єми (далі називаю їх портами), до яких можна було підключити по сегменту мережі хоч максимальну довжину. Працюютьрепітери просто: все те, що приходить на один порт, ретранслюється на інший; для логіки роботи мережі репітер прозорий.

Логічним розвитком ідеї буде додати ще портів - так з'явилися хаби (hub англійською; одне зі значень слова - маточина в колесі, до якої сходяться спиці), також відомі як мережеві концентратори. Працюють вони так само, як і репітери - просто повторюють все те, що прийшло на один порт, на всі інші порти.

Хаби спочатку були недешевими пристроями, призначеними для наворочених мереж, і будувалися ці мережі за простою схемою: один хаб і приєднані до нього ланки мережі на звичному коаксіалі. Але рано чи пізно хтось мав підключити один хаб до іншого.

Ethernet на кручений парі

Мережі на коаксіальних кабелях були відносно дорогі в монтажі, незручні в розширенні і мали слабку надійність, і у разі проблем дефект кабелю було не так просто локалізувати. Непогано було б знайти зручніший спосіб організації мережі. Експерименти з хабами підказали інженерам ідею щодо цього, вдала реалізація якої зробила Ethernet де-факто єдиним стандартом локальної мережі: Ethernet на кручений парі.

Приклад мережі на хабах

Кабелі - дешеві, легко замінні та прості в монтажі. В результаті вартість мережі визначається фактично вартістю необхідного мережевого обладнання. Як тільки хаби подешевшали достатньою мірою, щоб не лякати своїм цінником клієнтів, аргументів на користь інших варіантів мереж просто не залишилося. Десь із середини дев'яностих Ethernet на кручений парі витіснив усі попередні варіанти мереж.

Перехід на мережу деревоподібної топології, що базується на хабах, приносить такі вигоди:

Надійність та простота ремонту мережі.Ушкодження кабелю не порушує роботу всієї мережі. Фактично, у цьому випадку мережа розпадається на дві нехай окремі, але фізично працюючі мережі. У цьому випадку знайти пошкоджений кабель відносно нескладно, достатньо з будь-якого комп'ютера перевірити зв'язок з іншими комп'ютерами. Цієї інформації буде достатньо, щоб визначити пошкоджений кабель, якщо він один. Заміна кабелю також набагато простіше, ніж у варіанті з коаксіалом — змінюється лише один сегмент мережі, і нічого разом паяти не потрібно.
Простота розширення мережі. Підключення нового комп'ютера не порушує роботу мережі. Просто підключіть комп'ютер до хаба. Якщо в хабі немає вільних портів — звільніть один порт, підключіть до нього новий хаб, і вже новий хаб підключіть новий комп'ютер і раніше від'єднаний. При цьому порушено роботу лише одного комп'ютера в існуючій мережі.
Абстрагування фізичної реалізації мережі. Мережева карта комп'ютера повинна вміти спілкуватися лише з хабом. А ось у варіанті з коаксіалом мережна карта мала вміти спілкуватися з іншими комп'ютерами безпосередньо. Якби захотілося щось змінити у фізичній реалізації мережі, потрібно було або змінювати всі мережеві карти, або створювати якийсь спеціальний пристрій, що замінює кабель, але веде себе як кабель ... це ж хаби! І вони вже є. Поки хаб реалізує відомий мережевий карті протокол спілкування з підключеними пристроями, всередині він може робити що завгодно. Також ніщо не заважає йому домовлятися про щось спеціальне з іншими хабами, якщо вони це підтримують, і мережевих карток на комп'ютерах все це не стосується. Це — величезне і комерційно цікаве поле для різних розробок, і вони не змусили на себе чекати. Ймовірно, перша плюшка такого роду — це інтеграція старих коаксіальних мереж унову на кручений парі. Багато ранніх хаб мали порти під коаксіал, так що при переході на нову мережу на кручений парі стару мережу не потрібно було демонтувати, її просто підключали до нової. Між комп'ютерами в старій і новій мережі ходять усім відомі пакети Ethernet, і нічого страшного, що фізично вони представлені дуже по-різному; хаб забезпечить необхідний механізм ретрансляції пакетів

Спочатку хаби – досить примітивні пристрої. Але такий стан справ тривав недовго, оскільки абстрагування мережі надає безліч можливостей реалізувати цікавий функціонал.

Фізично мережа тепер не один провідник, а безліч невеликих проводів, з'єднанням яких управляють хаби. Хаби, власне, і не керують їх з'єднанням, вони завжди з'єднують усі дроти разом; а що, якщо вони керуватимуть? Тоді, можливо, не обов'язково комп'ютеру передавати кожен свій пакет на всю мережу? Фізично це можливо. Так з'явилися свічі (switch – перемикати, вимикач), або комутатори – хаби, які керують підключеннями до них.

Таким чином, свічі дозволяють у помітній мірі збільшити пропускну здатність мережі за рахунок зменшення кількості колізій, що виникають.

Поява свічів дозволило зробити з'єднання комп'ютерів з дуплексним мережею (full-duplex). Дуплексне з'єднання дозволяє одночасно приймати і передавати сигнал, а напівдуплексне - тільки приймати або передавати. Традиційний Ethernet на коаксіалі, очевидно, напівдуплекс. Спочатку Ethernet на кручений парі теж був напівдуплексним, але надалі став підтримувати повний дуплекс. Це зажадало деякої зміни протоколу роботи мережевих карток, але справа того коштувала, оскільки пропускна спроможністьмережі значно збільшується. До того ж, зміна виявилася невеликою і не торкалася логіки роботи мережі. Адже як свіч ізолює комп'ютер від конкретних деталей реалізації мережі, він ізолює і мережу від конкретних деталей реалізації з'єднання комп'ютера і хаба.

Ось ще одна ілюстрація можливостей свічок. Взагалі, мережа Ethernet вимагає, щоб від будь-якого комп'ютера чи свічка в мережі до будь-якого іншого комп'ютера чи свічки можна було потрапити лише одним способом. Іншими словами, у мережі не може бути петель. Така схема істотно спрощує логіку роботи мережі (інакше ті ж свічі реалізувати було б набагато складніше, тому що пакети від одного комп'ютера могли б приходити на різні порти), але вона не дуже надійна. Пошкодження дроту обов'язково порушить роботу мережі, а це не завжди припустимо навіть як теоретичну можливість. Необхідні механізми організації надлишкових сполук, і деякі свічі їх надають. Два свічки з'єднуються між собою двома кабелями, але один із них налаштовується як запасний і не використовується, якщо основний кабель у робочому стані. Якщо основний кабель буде пошкоджено, запасний буде задіяний автоматично. І топологія мережі коректна, і надмірність досягається.

Свіч - набагато функціональніший пристрій, ніж хаб. Єдина перевага хаба - це нижча ціна, але свічки давно вже недорого коштують. Кілька років тому брав додому гігабітний свіч на вісім портів, то він коштував мені десь 30 доларів. Тож нині примітивних хабів у продажу не лишилося, є лише свічки.

Обмеження відстані 100 метрів між свічками не створює проблем, якщо локальна мережа знаходиться в одній будівлі. А що робити, якщо, наприклад, фірма має пару-трійку офісів на відстані кількох кілометріводин від одного? Чи взагалі філія в іншому місті? Спеціально для вирішення таких завдань було розроблено кілька варіантів для з'єднання свічок між собою за допомогою оптичного волокна, з передачею сигналів по них за допомогою лазера. Ці варіанти відрізняються ціною питання і максимальною довжиною оптоволокна, яка може становити від сотень метрів до десятків кілометрів. Цих відстаней достатньо для вирішення будь-яких практичних завдань.

Також були розроблені рішення для мереж Ethernet з передачею сигналів радіо, які використовують у тих випадках, коли прокладання оптичного кабелю нераціональна. Бурові нафтові платформи як приклад.

Вирішенням цієї проблеми став WiFi, технологія організації Ethernet-підключення по радіо. Спеціальний пристрій (точка доступу) підключається до дротової мережі Ethernet і дозволяє підключитися через неї до мережі різних пристроїв WiFi. Без спеціальних хитрощів метрів на 20 у приміщенні вистачає, зазвичай цього достатньо.

WiFi побудований на зовсім інших фізичних технологіях, ніж будь-який Ethernet на кабелях, але для програм ніякої принципової різниці немає, оскільки по радіо передаються ті самі пакети Ethernet за тими самими правилами. Єдина видима відмінність – це наявність програмного підключення до мережі. З цієї точки зору, точка доступу – це спеціалізована свічка.

Гонитва за швидкістю

Перший Ethernet на кручений парі працював на частоті 10 мегабіт. Звичайно, якщо цей параметр можна було покращити, то поліпшать обов'язково. Був розроблений Ethernet на 100 мегабіт, а через кілька років (за рахунок використання якіснішого і трохи дорожчого кабелю) - і на 1000 мегабіт, або гігабіт. Існують і застосовуються Ethernet 10 гігабіт і навіть варіанти на 40 і 100 гігабіт, орієнтовані навеликих провайдерів. Що робити, інтернет росте як на дріжджах, і пропускної спроможності завжди мало.

Для потреб сучасного будинку та дрібного офісу з головою вистачає гігабітної мережі. Якщо колись цього не вистачатиме, перейдемо на десятигігабітну мережу, але поки що такої необхідності не спостерігається.

Багато чого можна зробити засобами сучасних локальних мереж, але одного все також зробити не можна: об'єднати в одну мережу велику кількість комп'ютерів. Навіть із усіма вищезгаданими хитрощами, кількість комп'ютерів, які можуть бути приєднані до однієї локальної мережі, обмежена в кращому разі сотнями штук. Інтернету лише на основі технологій локальних мереж не зробити. Потрібно ще щось, принципово інше.