W dzisiejszym świecie biznesu niezawodny i skuteczny dostęp do informacji stał się ważnym atutem w dążeniu do osiągnięcia przewagi konkurencyjnej. Szafy na dokumenty i góry dokumentów ustąpiły miejsca komputerom, które przechowują informacje w formie elektronicznej i zarządzają nimi. Współpracownicy oddaleni od siebie o tysiące mil mogą natychmiast udostępniać informacje, podobnie jak setki pracowników w jednym miejscu mogą jednocześnie przeglądać dane badawcze przechowywane online. Sieci komputerowe są spoiwem, które spaja te elementy razem. Publiczny Internet umożliwia firmom na całym świecie wymianę informacji między sobą i ich klientami. Globalna sieć komputerowa znana jako World Wide Web (WWW) zapewnia usługi, które pozwalają konsumentom kupować książki, ubrania, a nawet samochody przez Internet lub sprzedawać te same przedmioty, gdy nie są już potrzebne. W tym tekście przyjrzymy się bardzo dokładnie sieciom, a w szczególności standardowi sieci LAN / Ethernet, abyś mógł zrozumieć rzeczywistą mechanikę łączenia się wszystkich tych komputerów ze sobą, a kiedy lepiej to zrozumiesz, łatwiej Ci będzie kupić kartę sieciową LAN - trochę wiedzy nie zaszkodzi.

Praca w sieci umożliwia jednemu komputerowi wysyłanie i odbieranie informacji z innego komputera. Nie zawsze możemy zdawać sobie sprawę z tego, jak wiele razy uzyskujemy dostęp do informacji w sieciach komputerowych. Z pewnością Internet jest najbardziej rzucającym się w oczy przykładem sieci komputerowych, łączących miliony komputerów na całym świecie, ale mniejsze sieci odgrywają rolę w dostępie do informacji na co dzień. Wiele bibliotek publicznych zastąpiło swoje katalogi kartkowe terminalami komputerowymi, które pozwalają klientom na znacznie szybsze i łatwiejsze wyszukiwanie książek. Lotniska posiadają liczne ekrany wyświetlające informacje dotyczące przylatujących i odlatujących lotów. Wiele sklepów detalicznych wyposażonych jest w wyspecjalizowane komputery, które obsługują transakcje w punktach sprzedaży. W każdym z tych przypadków sieć umożliwia wielu różnym urządzeniom w wielu lokalizacjach dostęp do współdzielonego repozytorium danych. Zanim przejdziemy do szczegółów standardu sieciowego, takiego jak Ethernet, musimy najpierw zrozumieć kilka podstawowych terminów i klasyfikacji, które opisują i rozróżniają technologie sieciowe - więc zaczynajmy!

Technologie sieciowe możemy zaklasyfikować jako należące do jednej z dwóch podstawowych grup. Technologie sieci lokalnych (LAN) łączą wiele urządzeń, które są stosunkowo blisko siebie, zwykle w tym samym budynku. Terminale biblioteczne, które wyświetlają informacje o książkach, łączyłyby się przez sieć lokalną. Technologie sieci rozległych (WAN) łączą mniejszą liczbę urządzeń, które mogą być oddalone od siebie o wiele kilometrów. Na przykład, jeśli dwie biblioteki na przeciwległych krańcach miasta chciałyby udostępnić informacje o swoim katalogu książek, najprawdopodobniej skorzystałyby z technologii sieci rozległej, którą mogłaby być dedykowana linia dzierżawiona od lokalnej firmy telefonicznej, przeznaczona wyłącznie do tego, aby przenosić swoje dane. W porównaniu do sieci WAN, sieci LAN są szybsze i bardziej niezawodne, ale ulepszenia technologiczne nadal zacierają granicę. Światłowody pozwoliły technologiom LAN łączyć urządzenia oddalone od siebie o kilkadziesiąt kilometrów, jednocześnie znacznie poprawiając szybkość i niezawodność sieci WAN.

W 1973 roku w Centrum Badawczym Xerox Corporation w Palo Alto (bardziej znanym jako PARC) badacz Bob Metcalfe zaprojektował i przetestował pierwszą sieć Ethernet. Pracując na sposób połączyć Xerox komputera do drukarki, Metcalfe opracował metody fizycznego okablowania, które podłączone urządzenia w sieci Ethernet, jak również normy, które regulują komunikację na kablu. Od tego czasu Ethernet stał się najpopularniejszą i najczęściej stosowaną technologią sieciową na świecie. Wiele problemów związanych z Ethernetem jest wspólnych dla wielu technologii sieciowych, a zrozumienie, w jaki sposób Ethernet rozwiązuje te problemy, może stanowić podstawę, która poprawi ogólne zrozumienie sieci. Standard Ethernet rozrósł się i obejmuje nowe technologie w miarę dojrzewania sieci komputerowych, ale mechanika działania każdej dzisiejszej sieci Ethernet wywodzi się z oryginalnego projektu Metcalfe. Oryginalna komunikacja Ethernet opisana przez pojedynczy kabel współdzielony przez wszystkie urządzenia w sieci. 

Po podłączeniu urządzenia do tego kabla miało możliwość komunikowania się z każdym innym podłączonym urządzeniem. Umożliwia to rozbudowę sieci w celu dostosowania jej do nowych urządzeń bez konieczności dokonywania jakichkolwiek modyfikacji urządzeń znajdujących się już w sieci. A jakie są podstawy Ethernetu? Ethernet to technologia lokalna, w której sieci tradycyjnie działają w jednym budynku, łącząc urządzenia w bliskiej odległości. Co najwyżej urządzenia Ethernet mogą mieć tylko kilkaset metrów kabla między sobą, co sprawia, że ​​łączenie rozproszonych geograficznie lokalizacji jest niepraktyczne. Nowoczesne osiągnięcia znacznie zwiększyły te odległości, umożliwiając sieci Ethernet rozciąganie się na dziesiątki kilometrów A co z protokołami? W sieci termin protokół odnosi się do zestawu reguł rządzących komunikacją. Protokoły są dla komputerów tym, czym język dla ludzi. Ponieważ ten artykuł jest w języku polskim, aby go zrozumieć, musisz umieć czytać po polsku. Podobnie, aby dwa urządzenia w sieci mogły się pomyślnie komunikować, oba muszą obsługiwać te same protokoły.

Ethernet kieruje się prostym zestawem reguł, które rządzą jego podstawowymi działaniami. Aby lepiej zrozumieć te zasady, ważne jest, aby zrozumieć podstawy terminologii Ethernet.

Medium - urządzenia Ethernet są podłączane do wspólnego medium, które zapewnia ścieżkę, po której będą przemieszczać się sygnały elektroniczne. W przeszłości tym medium był koncentryczny kabel miedziany, ale obecnie jest to najczęściej skrętka dwużyłowa lub okablowanie światłowodowe.

Segment - pojedynczy współdzielony nośnik nazywamy segmentem sieci Ethernet.

Węzeł - urządzenia dołączone do tego segmentu to stacje lub węzły.

Ramka - węzły komunikują się w krótkich wiadomościach zwanych ramkami, które są fragmentami informacji o zmiennej wielkości.

Ramki są analogiczne do zdań w języku ludzkim. W języku polskim mamy zasady konstruowania naszych zdań - np. wiemy, że każde zdanie musi zawierać podmiot. Protokół Ethernet określa zbiór zasad konstruowania klatek. Istnieją wyraźne minimalne i maksymalne długości ramek oraz zestaw wymaganych informacji, które muszą pojawić się w ramce. Każda ramka musi obejmować, na przykład, zarówno adres docelowy i adres źródłowy, który identyfikacji odbiorcy i nadawcy wiadomości. Adres jednoznacznie identyfikuje węzeł, tak jak nazwa identyfikuje konkretną osobę. Żadne dwa urządzenia Ethernet nie powinny mieć nigdy tego samego adresu.

Medium Ethernet

Ponieważ sygnał w medium Ethernet dociera do każdego przyłączonego węzła, adres docelowy ma kluczowe znaczenie dla identyfikacji zamierzonego odbiorcy ramki. Na przykład, gdy komputer B przesyła dane do drukarki C, komputery A i D nadal będą odbierać i badać ramkę. Jednak gdy stacja po raz pierwszy odbiera ramkę, sprawdza adres docelowy, aby zobaczyć, czy ramka jest przeznaczona dla siebie. Jeśli tak nie jest, stacja odrzuca ramkę, nawet nie sprawdzając jej zawartości. Jedną z interesujących rzeczy w adresowaniu Ethernet jest implementacja adresu rozgłoszeniowego. Ramka z adresem docelowym równym adresowi rozgłoszeniowemu (w skrócie nazywana po prostu rozgłoszeniem) jest przeznaczona dla każdego węzła w sieci, a każdy węzeł będzie zarówno odbierał, jak i przetwarzał ten typ ramki.

CSMA / CD

Akronim CSMA / CD oznacza wielokrotny dostęp z wyczuciem nośnika z wykrywaniem kolizji i opisuje, w jaki sposób protokół Ethernet reguluje komunikację między węzłami. Chociaż termin może wydawać się onieśmielający, jeśli podzielimy go na części składowe, zobaczymy, że opisuje reguły bardzo podobne do tych, których ludzie używają w uprzejmej rozmowie. Aby pomóc zilustrować działanie sieci Ethernet, posłużymy się analogią rozmowy przy stole. Przedstawmy nasz segment Ethernet jako stół obiadowy i pozwólmy kilku osobom zaangażowanym w uprzejmą rozmowę przy stole reprezentować węzły. Termin wielokrotny dostęp obejmuje to, co omówiliśmy powyżej - kiedy jedna stacja Ethernet nadaje, wszystkie stacje na nośniku słyszą transmisję, tak jak gdy mówi jedna osoba przy stole, wszyscy obecni są w stanie ją usłyszeć. Teraz wyobraźmy sobie, że siedzisz przy stole i masz coś, co chciałbyś powiedzieć. W tej chwili jednak mówię ja. Ponieważ jest to uprzejma rozmowa, zamiast od razu mówić i przerywać, poczekałbyś, aż skończę mówić, zanim złożysz swoje “oświadczenie”. Jest to ta sama koncepcja opisana w protokole Ethernet jako sens nośnej. Przed rozpoczęciem nadawania stacja „nasłuchuje” nośnika, aby określić, czy nadaje inna stacja. Jeśli medium jest ciche, stacja rozpoznaje, że jest to odpowiedni czas na nadawanie.

Wykrywanie kolizji

Wielodostęp z wyczuciem przewoźnika daje nam dobry początek w regulowaniu naszej rozmowy, ale jest jeszcze jeden scenariusz, którym musimy się zająć. Wróćmy do naszej analogii ze stołem i wyobraźmy sobie, że w rozmowie następuje chwilowa cisza. Ty i ja mamy coś, co chcielibyśmy dodać, i oboje „wyczuwamy nośnik” na podstawie ciszy, więc zaczynamy mówić mniej więcej w tym samym czasie. W terminologii Ethernet kolizja występuje, gdy oboje rozmawialiśmy jednocześnie. W naszej rozmowie możemy z wdziękiem poradzić sobie z tą sytuacją. Oboje słyszymy drugą osobę mówiącą w tym samym czasie, w którym mówimy, więc możemy przestać, aby druga osoba mogła kontynuować. Węzły Ethernet również nasłuchują medium podczas transmisji, aby upewnić się, że są jedyną stacją nadającą w tym czasie. Jeśli stacje usłyszą swoją własną transmisję powracającą w zniekształconej formie, jak by się stało, gdyby jakaś inna stacja zaczęła nadawać w tym samym czasie swoją własną wiadomość, wtedy wiedzą, że nastąpiła kolizja. 

Pojedynczy segment sieci Ethernet jest czasami nazywany domeną kolizyjnąponieważ żadne dwie stacje w segmencie nie mogą nadawać w tym samym czasie bez powodowania kolizji. Gdy stacje wykryją kolizję, przerywają transmisję, czekają losową ilość czasu i próbują nadawać, gdy ponownie wykryją ciszę na nośniku. Losowa pauza i ponowna próba to ważna część protokołu. Jeśli dwie stacje zderzają się podczas jednej transmisji, obie będą musiały nadawać ponownie. Przy następnej odpowiedniej okazji do transmisji obie stacje uczestniczące w poprzedniej kolizji będą miały dane gotowe do transmisji. Gdyby nadawali ponownie przy pierwszej okazji, najprawdopodobniej zderzaliby się raz po raz w nieskończoność. Zamiast tego losowe opóźnienie sprawia, że ​​jest mało prawdopodobne, aby jakiekolwiek dwie stacje zderzyły się więcej niż kilka razy z rzędu. Pojedynczy współdzielony kabel może służyć jako podstawa dla całej sieci Ethernet, o czym mówiliśmy powyżej. Jednak w tym przypadku istnieją praktyczne ograniczenia rozmiaru naszej sieci Ethernet. 

Głównym problemem jest długość wspólnego kabla. Sygnały elektryczne rozprzestrzeniają się wzdłuż kabla bardzo szybko, ale słabną w miarę przemieszczania się, a zakłócenia elektryczne z sąsiednich urządzeń ( na przykład świetlówek ) mogą zakłócać sygnał. Kabel sieciowy musi być na tyle krótki, aby urządzenia na przeciwnych końcach mogły odbierać wzajemnie sygnały wyraźnie i z minimalnym opóźnieniem. To nakłada ograniczenie odległości na maksymalną separację między dwoma urządzeniami (zwaną średnicą sieci) w sieci Ethernet. Dodatkowo, ponieważ w CSMA / CD tylko jedno urządzenie może transmitować w danym czasie, istnieją praktyczne ograniczenia liczby urządzeń, które mogą współistnieć w jednej sieci - podłącz zbyt wiele urządzeń do jednego wspólnego segmentu, a rywalizacja o nośnik wzrośnie. Każde urządzenie może czekać niezmiernie długo, zanim będzie miało szansę na transmisję. Inżynierowie opracowali szereg urządzeń sieciowych, które łagodzą te trudności. Wiele z tych urządzeń nie jest specyficznych dla sieci Ethernet, ale odgrywa również role w innych technologiach sieciowych.

Repeatery

Pierwszym popularnym medium Ethernet był miedziany kabel koncentryczny zwany „grubą siecią”. Maksymalna długość grubego kabla wynosiła 500 metrów. W środowiskach dużych budynków lub kampusów 500-metrowy kabel nie zawsze może dotrzeć do każdego urządzenia sieciowego. Repeater rozwiązuje ten problem. Repeatery łączą wiele segmentów Ethernet, nasłuchując każdego segmentu i powtarzając sygnał słyszany w jednym segmencie na każdym innym segmencie podłączonym do repeatera. Prowadząc wiele kabli i łącząc je z repeaterami, można znacznie zwiększyć średnicę sieci.

Segmentacja

W naszej analogii do stołu obiadowego mieliśmy tylko kilka osób przy stole prowadzących rozmowę, więc ograniczenie się do jednego mówcy w danym momencie nie stanowiło znaczącej bariery w komunikacji. Ale co by było, gdyby przy stole siedziało wiele osób i tylko jedna mogła mówić w danym momencie?

W praktyce wiemy, że analogia załamuje się w takich okolicznościach. W przypadku większych grup osób często dochodzi do kilku różnych rozmów jednocześnie. Gdyby tylko jedna osoba w zatłoczonym pokoju lub na bankiecie mogła mówić w dowolnym momencie, wiele osób byłoby sfrustrowanych, czekając na okazję do rozmowy. W przypadku ludzi problem polega na samokorygowaniu - głosy docierają tylko do tej pory, a ucho jest biegłe w wyłapywaniu konkretnej rozmowy z otaczającego hałasu. Ułatwia nam to rozmowę wielu małych grup na przyjęciu w tym samym pokoju, ale kable sieciowe przenoszą sygnały szybko i skutecznie na duże odległości, więc ta naturalna segregacja rozmów nie występuje.

Sieci Ethernet borykały się z problemami zatorami w miarę zwiększania rozmiaru. Jeśli duża liczba stacji jest podłączonych do tego samego segmentu i każda z nich generuje znaczną ilość ruchu, wiele stacji może próbować nadawać, gdy tylko nadarzy się okazja. W takich okolicznościach kolizje stawałyby się coraz częstsze i mogłyby zacząć blokować udane transmisje, których ukończenie mogło zająć niezwykle dużo czasu. Jednym ze sposobów zmniejszenia przeciążenia byłoby podzielenie pojedynczego segmentu na wiele segmentów, tworząc w ten sposób wiele domen kolizyjnych . To rozwiązanie stwarza inny problem, ponieważ teraz te oddzielne segmenty nie są w stanie udostępniać sobie informacji.

Mosty

Aby złagodzić problemy związane z segmentacją, w sieciach Ethernet zastosowano mosty. Mosty łączą dwa lub więcej segmentów sieci, zwiększając średnicę sieci tak, jak robi to repeater, ale mosty pomagają również regulować ruch. Mogą wysyłać i odbierać transmisje tak jak każdy inny węzeł, ale nie działają tak samo jak normalny węzeł. Most nie generuje własnego ruchu jak przemiennik, odbija tylko to, co słyszy z innych stacji. Ale to ostatnie stwierdzenie nie jest do końca dokładne - mosty tworzą specjalną ramkę Ethernet, która umożliwia im komunikację z innymi mostami, ale jest to poza zakresem tego artykułu. Pamiętasz, jak wielodostęp i współdzielone medium Ethernet oznaczało, że każda stacja w kablu otrzymywała każdą transmisję, niezależnie od tego, czy była zamierzonym odbiorcą, czy nie? Mosty wykorzystują tę funkcję do przekazywania ruchu między segmentami. Na powyższym rysunku most łączy segmenty 1 i 2. Gdyby stacja A lub B miała nadawać, most odbierałby również transmisję w segmencie 1. W jaki sposób most powinien reagować na ten ruch? Mógłby automatycznie przesłać ramkę do segmentu 2, jak repeater, ale to nie zmniejszyłoby przeciążenia, ponieważ sieć zachowywałaby się jak jeden długi segment.

Jednym z celów mostu jest zmniejszenie zbędnego ruchu na obu segmentach. Robi to, sprawdzając adres docelowy ramki przed podjęciem decyzji, jak ją obsłużyć. Jeśli adres docelowy jest adresem stacji A lub B, nie ma potrzeby, aby ramka pojawiała się w segmencie 2. W tym przypadku most nic nie robi. Można powiedzieć, że mostek filtruje lub upuszcza ramkę. Jeśli adres docelowy jest adresem stacji C lub D, lub jeśli jest to adres rozgłoszeniowy, most transmituje lub przekaże ramkę do segmentu 2. Przesyłając pakiety, mostek umożliwia komunikację dowolnemu z czterech urządzeń, które na poczet wytłumaczenia tego jestesmy sobie w stanie wyobrazić. Dodatkowo, filtrując pakiety w razie potrzeby, most umożliwia stacji A nadawanie do stacji B w tym samym czasie, gdy stacja C nadaje do stacji D, umożliwiając jednoczesne prowadzenie dwóch rozmów.