Максимальная производительность сети ethernet кратко

Обновлено: 05.07.2024

Производительность компьютерной сети – это ее свойство, определяющее время на передачу и обработку информации в сети. Производительность сети зависит от быстродействия всех ее компонентов, участвующих в передаче и обработке информации. Вопросы производительности играют важную роль в КС. Процессы взаимодействия многих компонентов сети отличаются сложностью и многообразием, что может привести к непредсказуемым последствиям, сопровождаемым снижением производительности КС.

Глобальные вопросы производительности сети в целом решаются на транспортном уровне модели OSI.

К ключевым вопросам производительности сети относятся следующие:

- методы и средства измерения производительности;

- проектирование сети, удовлетворяющей требованиям по производительности;

- обеспечение быстрой обработки информационных модулей, т.е. единиц информации, которыми осуществляется обмен на транспортном уровне;

- разработка протоколов управления обменом данными для перспективных высокопроизводительных сетей.

Рассмотрим кратко существо этих вопросов.

Выявление узких мест. Узкими называются места, ограничивающие пропускную способность или производительность всей сети. Пропускная способность всей сети определяется пропускной способностью наименее быстродействующего компонента.

Наиболее характерными причинами снижения производительности сети являются следующие.

1. Временное отсутствие свободных ресурсов. Например, перезагрузка маршрутизатора, вызванная большим входным трафиком, превышающим возможности маршрутизатора. Образуемый затор приводит к снижению производительности сети.

2. Структурный дисбаланс ресурсов. Например, подсоединение маломощного компьютера к гигабитной линии связи. В этом случае компьютер не справляется с обработкой приходящих пакетов, что чревато потерей некоторых пакетов, которые рано или поздно будут переданы повторно. Это приводит к неэффективному использованию пропускной способности линии связи и снижению общей производительности сети.

4. Неверная системная настройка. Например, компьютер имеет мощный центральный процессор и большую оперативную память, но под буфер выделено недостаточно памяти. В этом случае буфер будет переполняться и часть поступающих пакетов потеряется.

5. Неверная установка значений таймеров ожиданий. При отправке информационного модуля обычно включается таймер на случай потери этого модуля. Выбор слишком короткого интервала ожидания подтверждения приводит к излишним повторным передачам модулей, а слишком большого – к увеличению задержки в случае потери модуля. В обоих случаях это негативно сказывается на производительности сети.

Измерение производительности сети. Измерения следует производить разными способами и во многих местах. Один из наиболее распространенных способов измерения состоит в том, что таймер включается во время начала какой-либо активности и измерение продолжается до окончания этой активности. Например, ключевым измерением является измерение интервала времени, необходимого для получения отправителем подтверждения в ответ на отправку информационного модуля.

Не следует ограничиваться единственным измерением какого-нибудь параметра, например времени на передачу одного информационного модуля. Измерение необходимо повторить многократно, а затем вычислить среднее значение. Более того, всю последовательность измерений следует повторить в различное время суток и в разные дни недели, чтобы заметить влияние различной загруженности сети на измеряемые параметры.

Результаты некоторых измерений (например, измерения времени чтения удаленного файла) зависят от конфигурации сети, операционной системы клиента и сервера, аппаратного интерфейса сетевых карт, их драйверов и других факторов. Такие измерения будут пригодны только для данной совокупности факторов.

Инструментальные средства измерения производительности сети рассматриваются ниже.

Проектирование производительных сетей. С помощью измерения и настройки можно улучшить производительность уже спроектированной сети, но только до определенного уровня. Для дальнейшего повышения производительности необходима переделка проекта. Существуют несколько эмпирических правил по проектированию производительных сетей, основанных на опыте работы со многими сетями. Наиболее существенные из них состоят в следующем.

1. Производительность хоста важнее пропускной способности канала. Многочисленные эксперименты показали, что почти во всех сетях временные затраты на работу операционной системы хоста и протокола составляют основное время задержки сетевой операции. При работе с гигабитной линией связи основная задача заключается в обеспечении достаточно быстрой передачи битов из буфера хоста (компьютера пользователя) в линию, а также в том, чтобы на приемной стороне обработка информации осуществлялась с той скоростью, с которой она приходит. Можно утверждать, что удвоение производительности процессора компьютера пользователя может привести к почти удвоению пропускной способности канала связи. Однако удвоение пропускной способности канала часто не дает никакого эффекта, так как узким миром обычно являются хосты.

2. Для уменьшения программных накладных расходов необходимо уменьшить число пакетов в фиксированном объеме передаваемой информации.

Решение вопроса о размере пакета связано с необходимостью не только учета накладных расходов на обработку заголовков (т.е. программных накладных расходов), но и учета накладных расходов нижних уровней. Прибытие каждого пакета вызывает прерывание, сопровождающееся нарушением работы процессорного конвейера, снижением эффективности функционирования кэш-памяти, необходимостью сохранения в стеке значительного числа регистров процессора. Следовательно, уменьшение числа посылаемых пакетов дает соответствующее снижение числа прерываний и накладных расходов.

3. Необходимо минимизировать число операций копирования поступающих пакетов. Часто полученный пакет копируется три или четыре раза, прежде чем содержащиеся в нем данные доставляются по назначению. На каждое копирование затрачивается время работы процессора. Грамотно разработанные операционные системы компьютера позволяют сократить число операций копирования и в конечном счете повысить эффективность функционирования компьютера.

4. Сокращение времени задержки в линии связи важнее повышения ее пропускной способности. Более высокая пропускная способность может быть обеспечена использованием более качественной передающей среды или прокладкой дополнительного кабеля. Но от этого времени задержки меньше не станет. Для ее снижения потребуется улучшение программного обеспечения протоколов, операционной системы или сетевого интерфейса.

5. Лучше избегать перегрузки в сети, чем бороться с уже возникшей перегрузкой. При возникновении перегрузки образуется затор, пакеты теряются, пропускная способность линии связи растрачивается впустую, увеличиваются издержки и т.п. Процесс восстановления после перегрузки связан с потерей времени. Более эффективной стратегией является предотвращение перегрузки.

6. Необходимо минимизировать количество тайм-аутов. Каждое срабатывание таймера обычно сопровождается повторением какого-либо действия. Но это повторение действительно должно быть необходимым. Период ожидания следует устанавливать с небольшим запасом. Таймер, срабатывающий слишком поздно, увеличивает задержку в случае потери пакета. Преждевременно срабатывающий таймер растрачивает попусту время процессора, пропускную способность линии связи и увеличивает нагрузку на маршрутизаторы.

Обеспечение быстрой обработки информационных модулей. На пути повышения производительности сетей основным препятствием является программное обеспечение протоколов. Некоторые способы преодоления этого препятствия рассмотрены в специальной литературе, где обращено внимание на способы сокращения затрат времени на обработку заголовков пакетов и на обработку каждого байта в пакете. Рассматриваются также две другие области, в которых возможны основные улучшения производительности сети, - это управление буферами и управление таймерами.

Разработка протоколов для высокопроизводительных (гигабитных) сетей. Гигабитные сети появились в начале 90-х годов XX- го века. Попытки применить к ним старые протоколы натолкнулись на ряд проблем. Наиболее важные из них следующие.

1. Ограниченность адресного пространства старых протоколов. В них используются 32-разрядные порядковые номера. Для типичной скорости выделенных линий между маршрутизаторами, равной 56 Кбит/с, количество номеров 232 вполне достаточно, так как хосту, при постоянной выдаче в сеть данных потребовалось бы больше недели на то, чтобы у него закончились порядковые номера. Это вполне приемлемо, если учесть, что максимальное время жизни пакета в сети Internet равно 120 с. Однако ситуация резко изменяется в гигабитных сетях. Если, например, сеть Ethernet выдает в Internet данные со скоростью 1 Гбит/с, порядковые номера закончатся примерно через 34 с, что существенно меньше времени жизни пакета. Это означает, что отправителю, посылающему достаточно много пакетов, придется повторять их порядковые номера в то время, как старые пакеты все еще будут блуждать по сети.

Следовательно, предположение разработчиков протоколов, что время цикла пространства порядковых номеров значительно превосходит максимальное время жизни пакетов, оказалось неприемлемым для гигабитных сетей.

2. Более быстрый рост скорости передачи данных, чем скорости обработки данных. Это обстоятельство вынуждает разработчиков протоколов управления обменом данными и обработки данных искать приемлемые решения.

3. В длинных гигабитных линиях главным ограничивающим фактором является не пропускная способность, а задержка. Этим гигабитные линии принципиально отличаются от мегабитных. В гигабитных линиях время на передачу фиксированного объема информации с возрастанием скорости передачи уменьшается, но только до определенного предела. При дальнейшем увеличении скорости передачи время на передачу почти не изменяется, главным ограничивающим фактором становится задержка. Такая зависимость демонстрирует ограничения старых сетевых протоколов. Например, протоколы с ожиданием подтверждений, такие как удаленный вызов процедуры, имеют врожденное ограничение на производительность.

4. Появление новых гигабитных мультимедийных приложений, для которых постоянство времени передачи пакета так же важно, как и среднее значение времени задержки. Постоянная скорость доставки, даже если она низкая, часто предпочтительнее высокой, но непостоянной. Эта проблема связана уже не с протоколами или технологиями.

Некоторые методы решения указанных проблем рассматриваются ниже.

Главный принцип, которым должны руководствоваться разработчики гигабитных сетей, формулируется так: при проектировании таких сетей следует стремиться увеличивать скорость обработки пакетов, а не пропускную способность линий связи. В гигабитных сетях нет смысла экономить пропускную способность, так как ее более чем достаточно. Необходимо при разработке протоколов минимизировать время обработки.

Попытки ускорить работу сетей за счет создания быстрых сетевых интерфейсов на аппаратном уровне обычно не приводят к положительным результатам, так как такой интерфейс представляет собой дополнительный сопроцессор со своей программой. Если его сделать быстрым, то он будет очень дорогим, если медленным, то центральный процессор будет ждать, пока сопроцессор закончит свою работу. Более того, для взаимодействия двух процессоров общего назначения потребуются тщательно продуманные протоколы, обеспечивающие их корректную синхронизацию. Как правило, лучшим решением является создание простых протоколов, реализацию которых возложить на центральный процессор.

В гигабитных сетях крайне важен формат пакета. В заголовке должно быть как можно меньше полей, а сами поля должны быть достаточно большими, чтобы нести в себе как можно больше необходимой служебной информации. Все это позволит сократить время обработки заголовков.

Контрольные суммы заголовка и данных лучше подсчитывать раздельно. Это дает возможность определять контрольные суммы быстрее и, кроме того, позволяет убедиться в правильности заголовка, прежде чем начать копировать данные в пространство получателя. Контрольную сумму данных лучше проверять во время копирования данных.

Размер поля данных в пакете должен быть достаточно большим. Это уменьшает общую сумму заголовков в потоке передаваемых данных (т.е. снижает накладные расходы на их обработку) и, кроме того, обеспечивает возможность эффективной работы сети даже при наличии больших задержек.

В гигабитных сетях линии связи, как правило, являются высококачественными, ошибки в них появляются очень редко. Поэтому разработчик этих сетей должен в первую очередь минимизировать время обработки для нормального режима работы, когда ошибки отсутствуют. Минимизация времени обработки в случае наличия ошибок на линии связи должна быть на втором месте.

Производительность или мощность сети зависит от следующих параметров: скорость транспортировки кадров по каналам связи, скорость обработки кадров коммуникационными методами а также алгоритма покрывающего дерева. Скорость транспортировки кадров по каналам связи зависит от реализуемых протоколов канального и физических уровней. Номинальная скорость протокола — это скорость, с какой протокол транспортирует биты по каналам связи.проблемы защиты информации в сетях могут возникать при плохой скорости.

Скорость обработки кадров зависит от мощности процессоров и скорости сетевого адаптера, или других параметров коммуникационного устройства. Очевидно, что скорость этого устройства должна быть равна скорости работы канала.Если она меньше, то будут очереди. Если больше, смысла нет. Для анализа нужно мощности коммуникационного средства, нужно оценить мощность сегмента Ethernet но не в бит/с, а в кадрах в секунду. При одинаковой битовой скорости, количество кадров которые поступают на устройство в единицу времени, является максимальным при их наименьшей длине. При указании мощностей сети, термины пакет и кадр являются синонимами.

Данные которые показано на рис.1., используем их для расчета максимальной мощности сегмента Ethernet, в числе транспортируемых пакетов через концентратор минимальной длины в секунду. Затрата на минимальную длину пакета (576 бит) являет 57,5 мкс. Добавив междкадровый интервал в 9,6 мкс получится период сдевания кадра 67,1 мкс. Делая итог максимально пропускная характеристика сегмента Ethernet — 13 880 кадр/с. Используя кадры максимальной длины (1500 байт) что вместе с служебной информацией и преамбулой составляет 1526 байт, или 12 208 бит. То макс. пропускная характеристика такого сегмента будет 813 кадр/с. Видно что при работе с большими кадрами, нагрузка на устройства(мосты,коммутаторы и тд) снижается.

Полезная пропускная способность протокола — называют максимальную скорость транспортировки пользовательской информации, которые передаются в поле данных кадра. Эта скорость всегда меньше номинальной битовой скорости протокола, из-за:

меж кадровых интервалов (IPG);
служебной инфы кадра;
ожидания доступа к среде.

Для кадров максимальной длины пропускная способность равна — 813 * 1500 * 8 = 9,76 Мбит/с.
Для кадров минимальной длины — 14 880 * 46 * 8 = 5,48 Мбит/с. Надо учитывать что такие маленькие кадры используются в основном для транспортировки квитанций. Так что это скорость имеет не сильное значение. Однако надо еще учитывать, на данном участке нету других станций и отсутствует ожидание доступа и коллизии.

Таким образом, получается, что метод CSMA /CD не только не предотвращает коллизии , наоборот, он их предполагает и даже провоцирует, а затем разрешает. Например, если заявки на передачу возникли у нескольких абонентов во время занятости сети, то после ее освобождения все эти абоненты одновременно начнут передачу и образуют коллизию . Коллизии появляются и в случае свободной сети, если заявки на передачу возникают у нескольких абонентов одновременно. В обоих случаях под словом "одновременно" понимается "в пределах интервала двойного прохождения сигнала по сети", то есть в пределах 512-битовых интервалов. Точно так же в пределах 512-битовых интервалов обнаруживаются все коллизии в сети.

Если коллизия обнаруживается раньше 480 – битового интервала, то в результате в сети образуются пакеты, длина которых меньше нижнего установленного предела в 512 – битовых интервалов (64 байта) даже с добавлением сигнала ПРОБКА. Такие пакеты (кадры) называются карликовыми (runt frames). Если же коллизия обнаруживается в конце 512-битового интервала (после 480 – битового интервала), то в результате может получиться пакет допустимой длины (вместе с сигналом ПРОБКА). Такие пакеты называть карликовыми не совсем корректно. Сигнал ПРОБКА, образующий 32 последних бита пакета, выступает в виде контрольной суммы пакета. Однако вероятность того, что ПРОБКА будет соответствовать правильной контрольной сумме пакета, бесконечно мала (примерно 1 случай на 4,2 миллиарда).

Коллизии (наложения пакетов в процессе передачи) могут и должны обнаруживаться до окончания передачи. Действительно, анализ принятого в конце каждого пакета поля FCS , фактически содержащего помехоустойчивый циклический код CRC ( Cyclic Redundancy Check ), привел бы к неоправданному снижению скорости передачи.

Практически коллизии обнаруживаются либо самим передающим абонентом, либо повторителями в сети, возможно, задолго до окончания передачи заведомо испорченного пакета. Если учесть, что длина пакетов в локальной сети типа Ethernet / Fast Ethernet может лежать в диапазоне от 64 до 1518 байт, то досрочное прекращение передачи и освобождение линии означает заметное повышение эффективности использования ее пропускной способности.

Первым признаком возникновения коллизии является факт получения сигнала ПРОБКА передающим абонентом во время передачи пакета. Другие признаки связаны с неверным форматом пакетов , передача которых была досрочно прекращена из-за возникновения коллизии :

длина пакета меньше 64 байт (512 бит);
пакет имеет неверную контрольную сумму FCS (точнее, неверный циклический код );
длина пакета не кратна восьми.

Наконец, в таких сетях как Ethernet используется код Манчестер-II и аппаратный способ определения коллизии , основанный на анализе отклонения среднего значения сигнала от нуля.

Даже при загруженной сети для одного абонента число подряд следующих коллизий обычно не превышает 3. Этому способствует случайный характер возникновения запроса на передачу и случайная дискретная величина отсрочки следующей попытки передачи при возникновении коллизии . Число коллизий тем больше, чем больше диаметр (размер) сегмента и чем дальше расположены друг от друга абоненты с интенсивным трафиком.

Оценка производительности сети

Вопрос об оценке производительности сетей, использующих случайный метод доступа CSMA /CD, не очевиден из-за того, что существуют несколько различных показателей. Прежде всего, следует упомянуть три связанные между собой показателя, характеризующие производительность сети в идеальном случае – при отсутствии коллизий и при передаче непрерывного потока пакетов, разделенных только межпакетным интервалом IPG . Очевидно, такой режим реализуется, если один из абонентов активен и передает пакеты с максимально возможной скоростью. Неполное использование пропускной способности в этом случае связано, кроме существования интервала IPG , с наличием служебных полей в пакете Ethernet (см. рис. 10.2).

Пакет максимальной длины является наименее избыточным по относительной доле служебной информации. Он содержит 12304 бит (включая интервал IPG ), из которых 12000 являются полезными данными.

Поэтому максимальная скорость передачи пакетов (или, иначе, скорость в кабеле – wire speed) составит в случае сети Fast Ethernet

$10^<8></p> <p>\ бит/с/ \ 12304 бит \approx 8127,44 \ пакет/с.$

Пропускная способность представляет собой скорость передачи полезной информации и в данном случае будет равна

$8127,44 \ пакет/с \times 1500 \ байта \approx 12,2 \ Мбайт/с.$

Наконец, эффективность использования физической скорости передачи сети, в случае Fast Ethernet равной 100 Мбит/с, по отношению только к полезным данным составит

$8127,44 \ пакет/с \times 12000 \ бит/ 10^<8></p> <p>\ бит/с \approx 98\%.$

При передаче пакетов минимальной длины существенно возрастает скорость в кабеле, что означает всего лишь факт передачи большого числа коротких пакетов. В то же время пропускная способность и эффективность заметно (почти в два раза) ухудшаются из-за возрастания относительной доли служебной информации.

Для реальных сетей, в частности Fast Ethernet с большим числом активных абонентов N пропускная способность на уровне 12,2 Мбайт/с для какого-либо абонента является пиковым, редко реализуемым значением. При одинаковой активности всех абонентов средняя пропускная способность для каждого из них составит 12,2/N Мбайт/с, а на самом деле может оказаться еще меньше из-за возникновения коллизий , ошибок в работе сетевого оборудования и влияния помех (в случае работы локальной сети в условиях, когда кабельная система подвержена влиянию больших внешних электромагнитных наводок). Влияние помех, так же как и поздних конфликтов (late collision ) в некорректных сетях, отслеживается с помощью анализа поля FCS пакета.

Для реальных сетей более информативен такой показатель производительности, как показатель использования сети (network utilization), который представляет собой долю в процентах от суммарной пропускной способности (не поделенной между отдельными абонентами). Он учитывает коллизии и другие факторы. Ни сервер, ни рабочие станции не содержат средств для определения показателя использования сети , этой цели служат специальные, не всегда доступные из-за высокой стоимости такие аппаратно-программные средства, как анализаторы протоколов .

Считается, что для загруженных систем Ethernet и Fast Ethernet хорошим значением показателя использования сети является 30%. Это значение соответствует отсутствию длительных простоев в работе сети и обеспечивает достаточный запас в случае пикового повышения нагрузки. Однако если показатель использования сети значительное время составляет 80. 90% и более, то это свидетельствует о практически полностью используемых (в данное время) ресурсах, но не оставляет резерва на будущее. Впрочем, для реальных сетей, к примеру Fast Ethernet, это скорее гипотетическая ситуация.

На рис. 10.2 приведена зависимость показателя использования сети от времени при условии, что предложенная нагрузка ( offered load), то есть текущий запрос на пропускную способность, линейно возрастает. Сначала показатель использования сети также линейно повышается, но затем конкуренция за владение средой передачи порождает коллизии , и рассматриваемый показатель достигает максимума (точка полной нагрузки на графике). При дальнейшем увеличении предложенной нагрузки показатель использования сети начинает уменьшаться, особенно резко после точки насыщения. Это "плохая" область работы сети. Считается, что сеть работает хорошо, если и предложенная нагрузка, и показатель использования сети высоки.

Рис. 10.2. Зависимость показателя использования сети от времени при линейном увеличении предложенной нагрузки (1 – наилучшая область работы, 2 – приемлемая, 3 – плохая)

Некоторые авторы предлагают для широко распространенного понятия "перегрузка" ( overload ) сетей на основе метода доступа CSMA /CD следующее определение: сеть перегружена, если она не может работать при полной нагрузке в течение 80% своего времени (при этом 20% времени показатель использования сети недопустимо мал из-за коллизий ). После точки насыщения наступает крах Ethernet (Ethernet collapse ), когда возрастающая предложенная нагрузка заметно превышает возможности сети. Стоит заметить, что реально маловероятно, чтобы предложенная нагрузка постоянно увеличивалась во времени и надолго превышала пропускную способность сети типа Fast Ethernet. Более того, любой детерминированный метод доступа не может обеспечить реализацию сколь угодно большой предложенной нагрузки, существующей продолжительное время. Если данный вариант детерминированного метода доступа не использует, как и метод CSMA /CD, систему приоритетов, то никакой из абонентов не может захватить сеть более чем на время передачи одного пакета, однако передача данных отдельными пакетами с долгими паузами между ними ведет к снижению скорости передачи для каждого абонента. Преимущество детерминированных методов состоит в возможности простой организации системы приоритетов, что полезно из-за наличия определенной иерархии в любом крупном коллективе.

Вынужденная пауза в выходе новых статей подошла к концу и, собственно, этой статьей мы положим начало активному периоду наполнения сайта новым контентом. С выбором темы для статьи было в этот раз все максимально просто - в далекие-далекие времена была обещана статья про работу с Ethernet, наконец-то настало время исполнить обещанное. Но начнем мы для начала с общего обзора и описания технологии и некоторых нюансов, связанных с работой. А уже в следующих статьях будет практическое использование.

Семейство технологий Ethernet.

Как в самом начале не привести максимально "стандартное" и распространенное определение, вот оно: Ethernet - семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. А теперь уже переходим непосредственно к сути.

В сетевой модели OSI (про нее скоро тоже будет статья, а здесь появится ссылка на нее) Ethernet отвечает за 2 самых низких уровня - физический и канальный. Собственно, физический уровень определяет метод, который используется для непосредственной передачи двоичных данных. Канальный же, в свою очередь, обеспечивает упаковку полученных с физического уровня данных в структурированные кадры, а также контролирует их целостность и безошибочность.

Модификации Ethernet.

Классификация модификаций Ethernet в основном заключается в различиях двух факторов - используемого типа кабеля, а также возможной скорости передачи данных. Различают:

Варианты соединения	Скорость
Ethernet	Коаксиальный кабель, оптика, витая пара	10 Мб/с
Fast Ethernet	Оптика, витая пара	100 Мб/с
Gigabit Ethernet	Оптика, витая пара	1 Гб/с
10G Ethernet	Оптика, витая пара	10 Гб/с

Как мы и отметили сразу, различаются, в первую очередь, скорость передачи данных и тип используемого кабеля. На заре развития Ethernet использовались исключительно коаксиальные кабели, и лишь затем появились варианты с витой парой и оптикой, что привело к значительному расширению возможностей. К примеру, использование витой пары дает одновременно:

на порядки более высокую помехозащищенность, благодаря использованию дифференциального сигнала, что мы уже отмечали ранее, при обсуждении RS-485.
повышенная надежность сети, в основном, за счет появления возможности использовать соединение по топологии "звезда". То есть при обрыве связи между любыми двумя узлами сети это не влияет на незатронутые этим обрывом остальные узлы.
возможность использовать Full Duplex передачу данных. В двух словах об этом, наглядная табличка:

Внутри указанных четырех модификаций (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet) присутствует дополнительное "внутреннее" разделение. Например, возьмем 10 Мбит/с Ethernet. Этот тип включает в себя:

Ethernet (10 Мб/с)
10Base-2
10Base-5
10Base-T
10Base-F
10Base-FL

При этом различная физическая реализация подключения (разные кабели) приводят к возможности использования разных топологий сети. Для 10Base-5 максимально топорно:

А вот 10Base-T уже может использовать полнодуплексную передачу данных:

Здесь, как видите присутствует устройство под названием сетевой концентратор. Поэтому небольшое лирическое отступление на эту тему.

Зачастую термины сетевой концентратор, сетевой коммутатор и маршрутизатор перемешиваются и могут использоваться для описания одного и того же. Но строго говоря, все эти три термина относятся к абсолютно разному типу устройств:

Сетевой концентратор (хаб) работает на 1-м (физическом) уровне модели OSI и ретранслирует сигнал с одного входящего порта, на несколько исходящих. На этом его функционал заканчивается.
Сетевой коммутатор (свитч) работает на 2-м (канальном уровне). Здесь также происходит передача данных от одного устройства нескольким, но при этом коммутатор анализирует кадры на предмет MAC-адреса получателя и передает пакет только тому узлу, которому он адресован(!). Адресацию и структуру кадров подробно разберем чуть ниже.
Маршрутизатор же и вовсе работает на 3-м уровне (сетевом) модели OSI.

Возвращаемся к схеме для стандарта 10Base-T. Поскольку для передачи и приема используются физически разные линии, то нет и препятствий для одновременного протекания данных процессов. Принцип же формирования данных остается неизменным практически для всех модификаций Ethernet, к обсуждению чего мы и переходим.

Кадр Ethernet.

Вся передаваемая информация поделена на пакеты/кадры, имеющие следующий формат:

Рассмотрим блоки подробнее:

MAC-адрес устройства, которому предназначен данный кадр.
MAC-адрес отправителя.
EtherType - двухбайтное поле, которое служит для указания типа протокола для данных, передаваемых в этом кадре. Для наглядности, некоторые возможные значения:
- 0x0800 - IPv4
- 0x86DD - IPv6
- 0x0842 - Wake-on-LAN
- 0x809B - AppleTalk
Все поля, кроме поля данных, являются служебными.

Методика анализа контрольной суммы абсолютно стандартна: отправитель рассчитывает контрольную сумму на основе остальных данных кадра и добавляет рассчитанное значение к этому же отправляемому кадру. Получатель также рассчитывает контрольную сумму на основе принятых данных и сравнивает ее с принятой (которую рассчитывал отправитель). Несовпадение рассчитанного и принятого значений CRC - явный сигнал к тому, что данные повреждены и некорректны.

При этом контрольная сумма в данном случае никоим образом не может помочь в устранении ошибки, она только сигнализирует о ее наличии. В результате принятый кадр целиком считается некорректным. Это, в свою очередь, приводит к необходимости передать ошибочный кадр еще раз.

Кроме этого, возможна еще одна неприятная ситуация, так называемая коллизия - когда несколько узлов начинают передавать данные одновременно. Для предотвращения этого в Ethernet используется технология CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Эта тема тоже довольно-таки интересная, в связи с чем, принято волевое решение посвятить ей отдельную статью ) Поэтому здесь и сейчас на этом не останавливаемся.

В первых по очередности двух полях кадра Ethernet содержатся MAC-адреса узлов сети - передатчика и приемника. Изначально при разработке первых версий технологии было предусмотрено, что любая сетевая карта должна иметь свой уникальный идентификатор. Роль этого идентификатора и играет MAC-адрес, состоящий из 6 байт.

При работе он позволяет идентифицировать все устройства в сети и определить, какому именно из них предназначен тот или иной кадр данных. Распределением MAC-адресов занимается регулирующий комитет IEEE Registration Authority, именно сюда производитель сетевого устройства должен обращаться для выделения ему некоего диапазона адресов, которые он сможет использовать для своей продукции.

И на этой ноте заканчиваем вводную теоретическую часть по Ethernet, в дальнейшем приступим к практическому использованию в своих устройствах. До скорого 🤝

Читайте также: