Технологии локальных сетей: от Рюрика до гигабита

Павел Нагибин

Основные способы доступа к среде к среде передачи

Из истории Ethernet

Незаслуженно забытый ARCNET

Token Ring — классический пример передачи маркера

FDDI — первая локальная сеть на оптоволокне

Разработка AT&T и HP — 100VG-AnyLAN

Сети параллельных миров

   Apple Talk, Local Talk

   UltraNet — сеть для суперкомпьютеров

   Промышленные и специализированные сети

   ATM как универсальная технология передачи данных

Стремительное развитие локальных сетей, получившее в наши дни дальнейшее воплощение в стандарте 10 Gigabit Ethernet и технологиях построения беспроводных сетей IEEE 802.11b/a, приковывает к себе все большее внимание. Для кабельных сетей в настоящее время стандартом де-факто стала технология Ethernet. И хотя в классическом виде технология Ethernet уже давно не встречается, те идеи, которые были изначально заложены в протоколе IEEE 802.3, получили свое логическое продолжение как в технологии Fast Ethernet, так и в Gigabit Ethernet. Ради исторической справедливости отметим, что заслуживают внимания и такие технологии, как Token Ring, ARCNET, 100VG-AnyLAN, FDDI и Apple Talk. Ну что ж. Восстановим историческую справедливость и вспомним технологии минувших дней.

умаю, можно не рассказывать о стремительном прогрессе в полупроводниковой индустрии, наблюдавшемся в последнее десятилетие. Сетевое оборудование постигла судьба всей отрасли: лавинообразный рост производства, большие скорости и минимальные цены. В 1995 году, который считается переломным в истории развития Интернета, было продано около 50 млн. новых портов Ethernet. Неплохой задел для доминирования на рынке, которое за следующие пять лет стало подавляющим.

Для специализированного телекоммуникационного оборудования такой уровень цен недоступен. Сложность устройства при этом не играет особой роли — вопрос, скорее, в количестве. Сейчас это кажется вполне естественным, но еще десять лет назад безусловное господство Ethernet было далеко не очевидным (например, в промышленных сетях до сих пор нет явного лидера).

Однако только в сравнении с другими способами построения сетей можно выявить преимущества (или недостатки) сегодняшнего лидера.

Основные способы доступа к среде к среде передачи

изические принципы, в соответствии с которыми функционирует оборудование, не слишком сложны. По методу получения доступа к среде передачи их можно разделить на два класса: детерминированные и недетерминированные.

При детерминированных методах доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального механизма управления, гарантирующего передачу данных узла в течение некоторого промежутка времени.

Наиболее распространенными (но далеко не единственными) детерминированными методами доступа являются метод опроса и метод передачи права. Метод опроса мало применим в локальных сетях, но широко используется в промышленности для управления технологическими процессами.

Метод передачи права, наоборот, удобен для передачи данных между компьютерами. Принцип работы состоит в передаче по сети с кольцевой логической топологией служебного сообщения — маркера.

Получение маркера предоставляет устройству право на доступ к разделяемому ресурсу. Выбор у рабочей станции в этом случае ограничен лишь двумя вариантами. В любом случае она должна отправить маркер следующему по очереди устройству. Причем сделать это можно после доставки данных адресату (при их наличии) или сразу (при отсутствии информации, нуждающейся в передаче). На время прохождения данных маркер в сети отсутствует, остальные станции не имеют возможности передачи, и коллизии невозможны в принципе. Для обработки возможных ошибок, в результате которых маркер может быть утерян, существует механизм его регенерации.

Недетерминированными называют случайные методы доступа. Они предусматривают конкуренцию всех узлов сети за право передачи. Возможны одновременные попытки передачи со стороны нескольких узлов, в результате чего возникают коллизии.

Наиболее распространенным методом такого типа является CSMA/CD (carrier-sense multiple access/collision detection) — множественный доступ с контролем несущей/обнаружением коллизий. Перед началом передачи данных устройство «прослушивает» сеть, чтобы убедиться, что никто больше ее не использует. Если среда передачи в этот момент кем-то используется, адаптер задерживает передачу, если же нет — начинает передавать данные.

В случае когда два адаптера, обнаружив свободную линию, начинают передачу одновременно, происходит коллизия. При ее обнаружении обе передачи прерываются и устройства повторяют передачу через некоторое произвольное время (естественно, предварительно опять «прослушав» канал на предмет занятости). Для получения информации устройство должно принимать все пакеты в сети, чтобы определить, не оно ли является адресатом.

Из истории Ethernet

сли бы мы начали рассмотрение локальных сетей с какой-либо другой технологии, то не учли бы реального значения, которое Ethernet имеет в настоящее время в этой области. Волею ли сложившихся обстоятельств или вследствие технических преимуществ, но конкуренции он на сегодня не имеет, занимая около 95% рынка.

Днем рождения Ethernet считается 22 мая 1973 года. Именно в этот день Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Базировалась она на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Новая технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).

К концу 70-х годов под Ethernet была подведена солидная теоретическая база. А в феврале 1980 года фирма Xerox совместно с DEC и Intel представила разработку IEEE, которая спустя три года была утверждена в качестве стандарта 802.3.

Метод получения доступа к среде передачи данных у Ethernet недетерминированный  — это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Проще говоря, устройства разделяют среду передачи хаотично, случайным образом. При этом алгоритм может приводить к далеко не равноправному разрешению соперничества станций за доступ к среде. Это, в свою очередь, может породить длительные задержки доступа, особенно в условиях перегрузки. В экстремальных случаях скорость передачи может упасть до нуля.

Из-за такого неупорядоченного подхода долгое время считалось (и считается до сих пор), что Ethernet не обеспечивает качественной передачи данных. Предсказывали его вытеснение сначала маркерным Token Ring, потом АТМ, но в действительности все произошло наоборот.

То, что Ethernet до сих пор доминирует на рынке, объясняется большими изменениями, которым он подвергся за время своего 20-летнего существования. Тот «гигабит» в полном дуплексе, который мы видим сейчас уже в сетях начального уровня, мало похож на родоначальника семейства 10Base 5. В то же время после введения 10Base-T совместимость сохраняется как на уровне взаимодействия устройств, так и на уровне кабельной инфраструктуры.

Развитие от простого к сложному, рост вместе с потребностями пользователей — вот ключ невероятного успеха технологии. Судите сами:

• март 1981 года — фирма 3Сom представляет Ethernet-трансивер;
• сентябрь 1982 года — создан первый сетевой адаптер для персонального компьютера;
• 1983 год — появилась спецификация IEEE 802.3, определена шинная топология сети 10Base 5 (толстый Ethernet) и 10Base 2 (тонкий Ethernet). Скорость передачи  — 10 Мбит/с. Установлено предельное расстояние между точками одного сегмента  — 2,5 км;
• 1985 год — выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), в которой небольшие изменения были внесены в структуру заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet-устройств (МАС-адреса). Был создан список адресов, в котором любой производитель может зарегистрировать уникальный диапазон (сейчас это стоит всего 1250 долл.);
• сентябрь 1990 года — IEEE утверждает технологию 10Вase-T (витая пара) с физической топологией «звезда» и концентраторами (hub). Логическая топология CSMA/CD не изменилась. В основу стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet;
• 1990 год — фирма Kalpana (впоследствии она была быстро куплена вместе с разработанным коммутатором CPW16 будущим гигантом Cisco) предлагает технологию коммутации, основанную на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента;
• 1992 год — начало применения коммутаторов (swich). Используя адресную информацию, содержащуюся в пакете (МАС-адрес), коммутатор организует независимые виртуальные каналы между парами узлов. Коммутация фактически незаметно для пользователя преобразует недетерминированную модель Ethernet (с конкурентной борьбой за полосу пропускания) в систему с адресной передачей данных;
• 1993 год — спецификация IEEE 802.3x, появляется полный дуплекс и контроль соединения для 10Вase-T, спецификация IEEE 802.1p добавляет групповую адресацию и 8-уровневую систему приоритетов. Предложен Fast Ethernet;
• в июне 1995 года введен Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u (100Base-T).

На этом краткую историю можно закончить: Ethernet принял вполне современные очертания, но развитие технологии, конечно, не остановилось — речь об этом пойдет немного позже.

Незаслуженно забытый ARCNET

ttached Resourse Computing Network (ARCNET) — сетевая архитектура, разработанная компанией Datapoint в середине 70-х годов. В качестве стандарта IEEE ARCNET принят не был, но частично соответствует IEEE 802.4 как сеть с передачей маркера (логическое кольцо). Пакет данных может иметь любой размер в пределах от 1 до 507 байт.

Из всех локальных сетей ARCNET обладает самыми широкими возможностями в области топологий. Кольцо, общая шина, «звезда», «дерево» могут быть применены в одной сети. В дополнение к этому можно использовать весьма протяженные сегменты (до нескольких километров). Такие же широкие возможности касаются и среды передачи  — подходят и коаксиальный, и оптоволоконный кабели, а также витая пара.

Доминировать на рынке этому недорогому стандарту помешало низкое быстродействие  — всего-то 2,5 Мбит/с. Когда в начале 90-х годов Datapoint разработала ARCNET PLUS со скоростью передачи до 20 Мбит/с, время было уже упущено. Fast Ethernet не оставил ARCNET ни малейшего шанса на широкое применение.

Тем не менее в пользу большого (но так и не реализованного) потенциала этой технологии можно сказать, что в некоторых отраслях (обычно АСУТП) эти сети живут до сих пор. Детерминированный доступ, возможности автоконфигурирования, согласования скорости обмена в диапазоне от 120 Кбит/с до 10 Мбит/с в сложных условиях реального производства делают ARCNET просто незаменимой.

Кроме того, ARCNET обеспечивает необходимую для систем управления возможность точно определять максимальное время доступа к любому устройству в сети при любой нагрузке по простой формуле: T = (TDP + TOBЅNb)ЅND, где TDP и TOB — соответственно время передачи пакета данных и одного байта, зависящее от выбранной скорости передачи, Nb — количество байтов данных, ND — количество устройств в сети.

Token Ring — классический пример передачи маркера

oken Ring — еще одна технология, берущая свое начало в 70-х годах. Эта разработка голубого гиганта — IBM, являющаяся основой стандарта IEEE 802.5, имела больше шансов на успех, чем многие другие локальные сети. Token Ring является классической сетью с передачей маркера. Логическая топология (и физическая в первых версиях сети) — кольцо. Более современные модификации построены на витой паре по топологии «звезда», и с некоторыми оговорками совместимы с Ethernet.

Изначальная скорость передачи, описанная в IEEE 802.5, составляла 4 Мбит/с, однако существует более поздняя реализация на 16 Мбит/с. Из-за более упорядоченного (детерминированного) метода доступа к среде Token Ring на ранних этапах развития часто продвигалась как более качественная замена Ethernet.

Несмотря на существование схемы приоритетного доступа (который назначался каждой станции в отдельности), обеспечить постоянный темп передачи битов (Constant Bit Rate, CBR) не удавалось по весьма простой причине: приложений, которые могли бы использовать преимущества этих схем, тогда не существовало. Да и в настоящее время их стало не намного больше.

Учитывая это обстоятельство, можно было гарантировать только то, что производительность для всех станций сети снизится в равной мере. Но для победы в конкурентной борьбе этого было мало, и сейчас найти реально работающую сеть Token Ring практически невозможно.

FDDI — первая локальная сеть на оптоволокне

ехнология Fiber Distributed Data Interface (FDDI) была разработана в 1980 году комитетом ANSI. Это была первая компьютерная сеть, использовавшая в качестве среды передачи только оптоволоконный кабель. Причинами, побудившими производителей создать FDDI, были недостаточные в то время скорость (не более 10 Мбит/с) и надежность (отсутствие схем резервирования) локальных сетей. Кроме того, это была первая (и не слишком удачная) попытка вывести сети передачи данных на «транспортный» уровень, составив конкуренцию SDH.

Стандарт FDDI оговаривает передачу данных по двойному кольцу оптоволоконного кабеля со скоростью 100 Мбит/с, что позволяет получить надежный (зарезервированный) и быстрый канал. Расстояния довольно значительные — до 100 км по периметру. Логически работа сети была построена на передаче маркера.

Дополнительно предусматривалась развитая схема приоритезации трафика. Сначала рабочие станции разделялись на два вида: синхронные (имеющие постоянную полосу пропускания) и асинхронные. Последние, в свою очередь, распределяли среду передачи с помощью восьмиуровневой системы приоритетов.

Несовместимость с сетями SDH не позволила FDDI занять сколько-нибудь значимую нишу в области транспортных сетей. Сегодня эта технология практически вытеснена АТМ. А высокая стоимость не оставила шансов FDDI в борьбе с Ethernet за локальную нишу. Не помогли стандарту и попытки прейти на более дешевый медный кабель. Технология CDDI, основанная на принципах FDDI, но с применением в качестве среды передачи витой пары, популярностью не пользовалась и сохранилась только в учебниках.

Разработка AT&T и HP — 100VG-AnyLAN

ту технологию, как и FDDI, можно отнести ко второму поколению локальных сетей. Создавалась она в начале 90-х годов совместными усилиями компаний AT&T и HP как альтернатива технологии Fast Ethernet. Летом 1995 года она практически одновременно со своим конкурентом получила статус стандарта IEEE 802.12. 100VG-AnyLAN имела неплохой шанс на победу благодаря своей универсальности, детерминированности и более полной, чем у Ethernet, совместимости с существующими кабельными сетями (витая пара категории 3).

Схема квартетного кодирования Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В, позволяла применять 4-парную витую пару категории 3, которая была тогда распространена едва ли не больше, чем современная 5-я категория. Переходный период, по сути, не затронул Россию, где из-за более позднего начала строительства коммуникационных систем сети были повсеместно проложены уже с использованием 5-й категории.

Кроме использования старой проводки каждый концентратор 100VG-AnyLAN может быть настроен на поддержку кадров 802.3 (Ethernet) либо кадров 802.5 (Token Ring). Метод доступа к среде Demand Priority определяет простую двухуровневую систему приоритетов — высокий для мультимедийных приложений и низкий для всех остальных.

Надо сказать, это была серьезнейшая заявка на успех. Подвела высокая стоимость, обусловленная большей сложностью и в немалой мере закрытостью технологии от тиражирования сторонними производителями. К этому прибавилось уже знакомое по Token Ring отсутствие реальных приложений, использующих преимущества системы приоритетов. В результате 100Вase-T удалось надолго и окончательно захватить лидерство в отрасли.

Новаторские технические идеи немного позже нашли применение сначала в 100Base-T2 (IEEE 802.3у), а затем и в «гигабитном» Ethernet 1000Вase-T.

Сети параллельных миров

роме локальных сетей персональных компьютеров архитектуры РС существует несколько параллельных систем передачи данных. Их развитие шло (и идет до сих пор) по своим правилам, лишь иногда пересекаясь с массовым Ethernet.

«Яблочные» сети.

Apple Talk, Local Talk

Apple Talk — стек протоколов, предложенный компанией Apple в начале 80-х годов. Изначально протоколы Apple Talk применялись для работы с сетевым оборудованием, объединяемым названием Local Talk (адаптеры, встроенные в компьютеры Apple).

Топология сети строилась как общая шина или «дерево», максимальная длина ее составляла 300 м, скорость передачи — 230,4 Кбит/с. Среда передачи — экранированная витая пара. Сегмент Local Talk мог объединять до 32 узлов.

Малая пропускная способность быстро вызвала необходимость разработки адаптеров для сетевых сред с большей пропускной способностью: Ether Talk, Token Talk и FDDI Talk для сетей стандарта Ethernet, Token Ring и FDDI соответственно. Таким образом, Apple Talk пошел путем универсальности на канальном уровне и может подстраиваться под любую физическую реализацию сети.

Как и большинство других изделий компании Apple, эти сети живут внутри «яблочного» мира и практически не пересекаются с PC.

UltraNet — сеть для суперкомпьютеров

Еще одним практически неизвестным в России видом сетей является UltraNet. Она активно использовалась для работы с вычислительными системами класса суперкомпьютеров и мэйнфреймами, но в настоящее время активно вытесняется Gigabit Ethernet.

UltraNet использует топологию «звезда» и способна обеспечить скорость обмена информацией между устройствами до 1 Гбит/с. Эта сеть отличается весьма сложной физической реализацией и очень высокими, под стать суперкомпьютерам, ценами. Для управления UltraNet используются компьютеры РС, которые подключаются к центральному концентратору. Дополнительно в состав сети могут входить мосты и роутеры для соединения с сетями, построенными по технологиям Ethernet или Token Ring.

В качестве среды передачи могут использоваться коаксиальный кабель и оптоволокно (на расстояния до 30 км).

Промышленные и специализированные сети

Следует отметить, что сети передачи данных используются не только для связи между компьютерами или для телефонии. Есть еще довольно большая ниша промышленных и специализированных устройств. Например, достаточно популярна технология CANBUS, созданная для замены одной общей шиной толстых и дорогих жгутов проводов в автомобилях. В этой сети нет большого выбора физических соединений, ограничена длина сегмента, небольшая (до 1 Mбит/с) скорость передачи. Однако CANBUS — это удачное сочетание необходимых для малой и средней автоматизации показателей качества и низкого ценового уровня реализаций. К подобным системам можно также отнести ModBus, PROFIBUS, FieldBus.

Сегодня интересы разработчиков CAN-контроллеров постепенно смещаются в сторону домашней автоматизации.

ATM как универсальная технология передачи данных

Описание стандарта АТМ не зря помещено в конец статьи. Это, пожалуй, одна из последних, но безуспешных попыток дать бой Ethernet на его поле. Эти технологии являются полной противоположностью друг другу по истории создания, ходу внедрения и идеологии. Если Ethernet поднимался «снизу вверх, от частного к общему», увеличивал скорость и качество, следуя за потребностью пользователей, то АТМ развивался совсем иначе.

В середине 80-х годов Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT, МККТТ) начали разработку стандартов ATM (Asynchronous Transfer Mode — Асинхронный режим передачи) как набора рекомендаций для сети B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). Только в 1991 году усилия академической науки увенчались созданием АТМ-Форума, который до сих пор определяет развитие технологии. Первым же крупным проектом, сделанным с использованием этой технологии в 1994 году, стала магистраль известной сети NSFNET, до этого использовавшей канал Т3.

Суть работы АТМ очень проста: нужно смешать все виды трафика (голос, видео, данные), уплотнить и передать по одному каналу связи. Как уже отмечалось выше, достигается это не путем каких-либо технических прорывов, а скорее многочисленными компромиссами. В чем-то это похоже на способ решения дифференциальных уравнений. Непрерывные данные разбиваются на интервалы, которые достаточно малы и с которыми можно проводить операции по коммутации.

Естественно, такой подход сильно усложнил и без того непростую задачу разработчиков и производителей реального оборудования и недопустимо для рынка задержал сроки внедрения.

На размер минимальной порции данных (ячеек — в терминологии АТМ) влияют несколько факторов. С одной стороны, увеличение размера снижает требования к скорости процессора-коммутатора ячеек и повышает эффективность использования канала. С другой стороны, чем меньше ячейка, тем скорее возможна передача.

Действительно, пока одна ячейка передается, вторая (пусть самая первоочередная) ждет. Сильная математика, механизм очередей и приоритетов может немного сгладить эффект, но не устранить причину. После достаточно долгих экспериментов в 1989 году для ячейки был определен размер в 53 байта (5 байт служебных и 48 — данных). Очевидно, что для разной скорости этот размер может быть различным. Если для скоростей от 25 до 155 Мбит/с подходит размер в 53 байта, то для гигабита 500 байт будут ничем не хуже, а для 10 гигабит годятся и 5000 байт. Но в этом случае проблема совместимости становится неразрешимой. Рассуждения носят отнюдь не академический характер — именно ограничение на скорость коммутации поставило технический предел повышению скорости АТМ более 622 Мбит и резко повысило стоимость на меньших скоростях.

Второй компромисс АТМ — технология с установлением соединения. Перед сеансом передачи на канальном уровне устанавливается виртуальный канал отправитель—получатель, который не может использоваться другими станциями, тогда как в традиционных технологиях статистического уплотнения соединение не устанавливается, а в среду передачи помещаются пакеты с указанным адресом. Для этого в таблицу коммутации заносятся номер порта и идентификатор соединения, который присутствует в заголовке каждой ячейки. Впоследствии коммутатор обрабатывает поступающие ячейки, основываясь на идентификаторах соединения в их заголовках. Опираясь на этот механизм, можно регламентировать для каждого соединения пропускную способность, задержку и максимальную потерю данных — то есть обеспечить определенное качество обслуживания.

Все перечисленные свойства плюс хорошая совместимость с иерархией SDH позволили АТМ сравнительно быстро стать стандартом магистральных сетей передачи данных. Но с полной реализацией всех возможностей технологии возникли большие проблемы. Как это бывало не раз, локальные сети и клиентские приложения не поддерживали функций АТМ, а без этого мощная технология с большим потенциалом оказывалась только лишним преобразованием между мирами IP (по сути Ethernet) и SDH. Сложилась весьма неприятная ситуация, которую сообщество АТМ попыталось исправить. К сожалению, не обошлось без стратегических просчетов. Несмотря на все преимущества волоконной оптики по сравнению с медными кабелями, высокая цена интерфейсных плат и портов коммутаторов делала ATM на 155 Мбит/с чрезвычайно дорогой для использования в этом сегменте рынка.

Предприняв попытку определить низкоскоростные решения для настольных систем, ATM Forum ввязался в разрушительные споры по поводу того, на какие скорость и тип соединения следует ориентироваться. Производители разделились на два лагеря: сторонников медного кабеля со скоростью 25,6 Мбит/с и сторонников оптического кабеля со скоростью 51,82 Мбит/с. После ряда громких конфликтов (первоначально была выбрана скорость 51,82 Мбит/с) ATM Forum провозгласил 25 Мбит/с в качестве стандарта. Но драгоценное время было потеряно безвозвратно. На рынке технологии пришлось встретиться уже не с «классическим» Ethernet с его разделяемой средой передачи, а с Fast Ethernet и коммутируемым 10Вase-T (с надеждой на скорое появление коммутируемого 100Вase-T). Высокая цена, небольшое количество производителей, необходимость в более квалифицированном обслуживании, проблемы с драйверами и т.п. только усугубили ситуацию. Надежды на внедрение в сегмент корпоративных сетей рухнули, и достаточно слабая промежуточная позиция АТМ на некоторое время закрепилась. Таково ее положение в отрасли и сегодня.

КомпьютерПресс 10'2002