4. Коммутируемые сети Ethernet
 

4.1              Примеры сетей

Компьютерные сети бывают очень разными: большими и маленькими, всемирно известными и почти никому не известными. Они преследуют в своей работе раз­ные цели, имеют разные масштабы, используют разные технологии. В этом разделе мы рассмотрим несколько примеров, помогающих осознать, насколько многооб­разен мир сетей. Первым примером будет самая известная сеть сетей, Интернет. Вы узнаете, как она появилась, как эволюционировала и какие технологии при этом использовались. Затем мы обратимся к технологии ATM, которая часто слу­жит ядром больших (телефонных) сетей. Технически ATM довольно сильно отличается от Интернета, их даже можно в некотором смысле противопоставить. Мы представим также основную технологию, использующуюся при создании ло­кальных вычислительных сетей, – Ethernet. Наконец, последним примером в этом разделе будет стандарт беспроводных локальных сетей IEEE 802.11

Интернет

Для начала следует еще раз напомнить о том, что Интернет вообще не является сетью, это собирательное название разных сетей, использующих определенные общие протоколы и предоставляющие определенные сервисы. Эта система не­обычна тем, что ее никто специально не планировал и не контролировал. Чтобы лучше понять, почему так получилось, мы начнем с самых истоков существова­ния Интернета. В качестве прекрасного пособия по истории Интернета можно порекомендовать книгу, которую написал Джон Нотон (John Naughton) в 2000 го­ду. Это редкое издание, потому что оно не только легко читается, но и содержит двадцатистраничный библиографический список параллельных мест и цитат, ко­торые будут полезны людям, всерьез занимающимся историей. Часть материала, представленного далее, основывается именно на этой книге.

ARPANET

История глобальных сетей началась в конце 50х годов. В самый разгар холодной войны Министерство обороны США пожелало иметь сеть, которая могла бы пере­жить даже ядерную войну. В то время все военные телекоммуникации базировались на общественной телефонной сети, которая была сочтена слишком уязвимой. Графически эта уязвимость демонстрируется на рис. 1.21. Здесь черными точками обозначены коммутационные станции, с каждой из которых были связаны тысячи абонентов. Эти коммутаторы, в свою очередь, являлись абонентами для станций более высокого уровня – междугородных. Междугородные станции формировали национальные сети. При этом степень резервной избыточности была минимальной. Уязвимость заключалась в том, что потеря всего одного ключе­вого коммутатора или междугородной станции разделила бы сеть на изолирован­ные участки.

Для решения этой проблемы Министерство обороны обратилось к корпорации RAND. Один из ее работников, Пол Бэрен (Paul Baran), разработал проект высоконадежной распределенной сети (рис. 1.21, б). Поскольку по линиям такой большой длины тяжело было бы передать аналоговый сигнал с допустимым уровнем искажений, Бэрен предложил передавать цифровые данные и использовать технологию коммутации пакетов. Им было написано несколько отчетов для Министерства обороны, в которых описывались подробности реализации его идей. Пентагону понравилась предложенная концепция, и компании AT&T (тогдаш­нему монополисту в США по части телефонных сетей) было поручено разрабо­тать прототип. AT&T сразу же отклонила идеи Бэрена. Конечно, богатейшая и крупнейшая компания не могла позволить какому-то мальчишке указывать ей, как следует строить телефонные сети. Было заявлено, что бэреновскую сеть построить невозможно, и на этом проект был закрыт.

 

Прошло еще несколько лет, но Министерству обороны так и не было предло­жено никакой замены существующей системе оперативного управления. Чтобы понять, как развивались события дальше, мы вспомним октябрь 1957 года, когда в СССР был запущен первый в мире искусственный спутник Земли и тем самым основной соперник США получил преимущество в космосе. Тогда президент Эйзенхауэр задумался о том, кто же допустил такой прокол. И выяснилось, что армия, флот и ВВС США только зря проедают деньги, отпущенные Пентагоном на научные исследования. Было немедленно решено создать единую научную организацию под покровительством Министерства обороны, ARPA (Advanced Research Projects Agency, Управление перспективного планирования научноис следовательских работ). У ARPA не было ни ученых, ни лабораторий. У нее вообще практически ничего не было, за исключением небольшого офиса и скромного (по меркам Пентагона) бюджета. ARPA занималось тем, что выбирало из множества предлагаемых университетами и компаниями проектов наиболее пер­спективные и организовывало выделение грантов под эти проекты и заключение контрактов с этими организациями.

Все первые годы своего существования ARPA пыталось определиться с на­правлением своей деятельности, пока внимание ее директора Ларри Робертса (Larry Roberts) не привлекли компьютерные сети. Он наладил контакты с различными экспертами, пытаясь понять, какие разработки могут представлять наибольший интерес для Министерства обороны. Один из экспертов, Весли Кларк (Wesley Clark), предложил построить подсеть с коммутацией пакетов, где каж­дый хост имел бы собственный маршрутизатор, как показано на рис. 1.8.

После преодоления собственного скептицизма Робертс все же решился при­обрести эту идею и представил некий смутный отчет, касающийся этого, на сим­позиуме ACM SIGOPS, посвященном принципам работы операционных систем.

Симпозиум состоялся в Гетлингбурге, штат Теннесси, в конце 1967 года (Ro­berts, 1967). К большому удивлению Робертса, он услышал доклад, в котором описывалась очень похожая система, причем эта система была не только спроектирована, но и реализована под руководством Дональда Дэвиса (Donald Davis) в Национальной физической лаборатории (NPL) Англии. Разработанная NPL сеть, конечно, не охватывала всю страну – она вообще соединяла лишь несколь­ко компьютеров на территории организации, но ее реализация доказала, что па­кетная коммутация может с успехом применяться на практике. Более того, то, что услышал Робертс, практически цитировало отвергнутую когда-то разработку Бэрена! Директор ARPA уехал из Гетлингбурга с твердым намерением создать в Америке то, что позднее будет названо ARPANET.

Подсеть должна была состоять из специализированных миникомпьютеров, называемых IMP (Interface Message Processor), соединенных линиями связи, пере­дающими информацию со скоростью 56 Кбит/с. Для повышения надежности каж­дый IMP должен был соединяться как минимум с двумя другими IMP. Подсеть должна была быть дейтаграммной, чтобы в случае если какиелибо линии и IMP разрушатся, сообщения могли бы автоматически выбрать альтернативный путь.

Каждый узел сети должен был состоять из IMP и хоста, находящихся в одной комнате и соединенных коротким проводом. Хост мог пересылать своему IMP сообщения длиной до 8063 бит, которые IMP разбивал на пакеты, как правило, по 1008 бит, и пересылал их далее, независимо друг от друга, к пункту назначения. Пакет пересылался дальше только после того, как он был получен целиком, – таким образом, это была первая электронная коммутирующая пакеты сеть с промежуточным хранением.

Затем агентство ARPA предложило тендер на строительство подсети. В тен­дере участвовали двенадцать компаний. Оценив предложения, агентство ARPA выбрало BBN, консалтинговую фирму в Кембридже, штат Массачусетс, и в де­кабре 1968 года подписало с ней контракт на постройку подсети и создание для нее программного обеспечения. BBN решило использовать специально модифи­цированные миникомпьютеры Honeywell DDP316 с 12 Кбайт 16разрядных слов оперативной памяти в качестве IMP. У IMP не было дисков, поскольку движущиеся детали были сочтены ненадежными. Их соединили линиями с пропускной способностью по 56 Кбит/с, арендованными у телефонных компаний. Хотя в наше время 56 Кбит/с – это выбор подростков, которые еще не могут позволить себе ADSL или прокладку качественного кабеля, в 1968 году ничего более высокоскоростного просто не существовало.

Программное обеспечение было разбито на две части: для подсети и хостов. Подсетевое программное обеспечение состояло из части соединения хост – IMP со стороны IMP, протокола IMP–IMP и протокола между IMP-источником и IMP-приемником, разработанного для улучшения надежности. Оригинальная структура сети ARPANET показана на рис. 1.22.

Вне подсети также требовалось программное обеспечение, а именно: соединение хост–IMP со стороны хоста, протокол хост–хост и прикладные программы. 'Как вскоре выяснилось, фирма BBN полагала, что ее задача ограничивается приемом сообщения на линии хост–IMP и передачей его на линии IMP–хост приемника.

 

Чтобы решить проблему программного обеспечения для хостов, Ларри Робертс летом 1969 года созвал совещание сетевых исследователей, большей частью аспирантов, в городе Сноуберд (Snowbird), штат Юта. Аспиранты ожидали, что какойнибудь эксперт в области сетей объяснит им устройство сети и его программное обеспечение, после чего распределит между ними работу. С изум­лением они обнаружили, что не было ни специалиста по сетям, ни плана. Они должны были сами решать, что нужно сделать.

Тем не менее в декабре 1969 года удалось запустить экспериментальную сеть, состоящую из четырех узлов, расположенных в Калифорнийском университете в Ло-сАнджелесе (UCLA), Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB), Исследовательском институте Стэнфорда (SRI, Stanford Research Institute) и уни­верситете штата Юта. Были выбраны эти четыре университета, поскольку у них был большой опыт общения с агентством ARPA; кроме того, у всех имелись различные и совершенно несовместимые компьютеры-хосты (чтобы было веселее). Сеть быстро росла по мере создания и установки новых IMP. Вскоре она охватила все Соединенные Штаты. На рис. 1.23 показано, как быстро росла сеть ARPANET в первые три года.

Помимо помощи развивающейся сети ARPANET, агентство ARPA также фи­нансировало исследовательские работы по спутниковым сетям и разработку мобильных пакетных радиосетей. На одной знаменитой демонстрации грузовик, который ездил по Калифорнии, посылал сообщения по пакетной радиосети в SRI, которые затем передавались по ARPANET на Атлантическое побережье США и по спутниковой сети транслировались в University College в Лондоне. Таким образом, исследователь в грузовике мог работать с компьютером, находящимся в Лондоне.

При этой демонстрации также выяснилось, что имеющиеся протоколы сети ARPANET непригодны для работы с объединенными сетями. В результате были произведены дополнительные исследования в области протоколов, завершив­шиеся изобретением модели и протоколов TCP/IP (Cerf и Kahn, 1974). TCP/IP был специально разработан для управления обменом данными по интерсетям, что становилось все более и более важным по мере подключения все новых сетей к ARPANET.

 

Чтобы поощрить принятие новых протоколов, ARPA заключило несколько контрактов с BBN и Калифорнийским университетом в Беркли для интеграции этих протоколов в Berkeley UNIX. Исследователи в Беркли разработали удоб­ный программный интерфейс для выхода в сеть (сокеты), а также написали мно­жество приложений, утилит и управляющих программ, чтобы упростить работу с сетью.

Время было выбрано прекрасно. Многие университеты только что приобрели второй или третий компьютер VAX и ЛВС, чтобы их соединить, но у них не было сетевого программного обеспечения. С появлением системы UNIX 4.2 BSD, в которую вошли TCP/IP, сокеты и большое количество сетевых утилит, полный пакет был принят немедленно. Кроме того, TCP/IP позволял легко соеди­нить локальную сеть с ARPANET, что многие и делали.

В течение 80х годов к ARPANET были подсоединен еще ряд сетей, в основном ЛВС. По мере роста размеров глобальной сети задача поиска хостов становилась все сложнее. В результате была создана система DNS (Domain Name System – служба имен доменов), позволившая организовать компьютеры в домены и преобразовывать имена хостов в IPадреса. С тех пор DNS стала обоб щенной распределенной системой баз данных, хранящей имена хостов и доменов.

4.2              Технология Ethernet

Интернет это глобальная сеть. Однако в различных компаниях, университетах и других организациях имеется множество компьютеров, которые необходимо соединять между собой. Эта необходимость привела к возникновению и развитию технологий локальных вычислительных сетей. В этом разделе мы вкратце рассмотрим наиболее популярную технологию ЛВС под названием Ethernet.

Ее история началась на девственно чистых, ничего не знающих о высоких технологиях Гавайских островах. Под «высокими технологиями» имеется в виду хотя бы самая обычная телефонная сеть. Даже ее там тогда еще не было. Это избавляло от назойливых звонков отдыхающих там туристов, но заметно усложняло жизнь исследователю Норману Абрамсону (Norman Abramson) и его коллегам из Гавайского университета, которые пытались соединить пользователей, разбросанных по островам, с центральным компьютером в Гонолулу. Протягивание собственных кабелей по дну Тихого океана не входило в планы ученых, поэтому необходимо было найти какое-то альтернативное решение.

И оно нашлось. За техническую основу было принято радио ближнего радиуса действия. Каждый терминал был оборудован небольшой радиостанцией, работавшей на двух частотах, одна из которых использовалась для передачи исходящего потока (к центральному компьютеру), а другая – для входящего (все от того же центрального компьютера). Если нужно было соединиться с компьютером, радиостанция передавала пакет данных по исходящему каналу. Если в этот момент никто больше не занимался пересылкой данных, то пакет успешно уходил в нужном направлении, что удостоверялось специальным подтверждением от входящего канала принимающей стороны. Если же пакет по какойто причине не мог быть доставлен, терминал-отправитель замечал отсутствие подтверждения и пробовал снова. Поскольку заполнять данными входящий поток каждого терминала мог только один источник – центральный компьютер, то коллизий здесь возникнуть не могло. Система была названа ALOHANET и прекрасно работала в условиях низкого трафика, однако с повышением нагрузки на сеть она быстро задохнулась.

Примерно в то же время студент по имени Боб Меткаф (Bob Metcalfe) получил диплом бакалавра в Массачусетском технологическом институте (США) и встал на путь получения звания кандидата наук в Гарвардском университете. В процессе учебы он ознакомился с разработкой Абрамсона. Она настолько заинтересовала его, что он решил провести лето на Гавайских островах, работая с Абрамсоном, перед тем как начать свою запланированную деятельность в исследовательском центре Xerox. Когда же Меткаф приступил к работе в Xerox, он обнаружил, что ученые из этой компании разработали нечто, что позднее было названо персональным компьютером. Однако эти устройства никак не были связаны между собой. Используя свои знания разработок Абрамсона, Меткаф вместе со своим коллегой Дэвидом Боггсом (David Boggs) разработал и реализовал первую локальную вычислительную сеть (Metcalfe and Boggs, 1976).

Система была названа Ethernet. (От luminiferous ether, что означает «люминесцентный эфир» – вещество, в котором, как когдато предполагалось, распространяется электромагнитное излучение. Когда в XIX веке английский физик Джеймс Максвелл (James Maxwell) открыл явление электромагнитного излучения, было не совсем понятно, в какой среде это излучение может существовать. Ученые того времени предположили, что такая среда должна быть заполнена специальным эфиром. Только известный эксперимент, проведенный Михельсоном и Морли (Michelson – Morley) в 1887 году, убедил физиков в том, что электромагнитное излучение может распространяться в вакууме.)

Тем не менее средой передачи данных в Ethernet был не вакуум, не эфир, а толстый коаксиальный кабель, длина которого могла достигать 2,5 км (с повторителями через каждые 500 м.) К системе с помощью приемопередатчиков (Трансиверов), прикрученных к кабелю, можно было подключать до 256 машин. Кабель с вычислительными машинами, параллельно подключенными к нему, называется моноканалом. Скорость системы составляла 2,94 Мбит/с. Схема такой сети приведена на рис. 1.30. Наиболее существенное преимущество Ethernet по сравнению с ALOHANET заключается в том, что перед началом обмена данными каждый компьютер прослушивает линию, определяя ее состояние. Если по линии уже передаются данные, значит, она занята и собственную передачу следует отложить. Такой метод обеспечивает исключение наложения данных и является довольно эффективным. В ALOHANET ничего подобного не было, поскольку там была задействована радиосвязь, и терминалу, расположенному на одном далеком острове, было тяжело определить наличие передачи с терминала, расположенного на другом далеком острове. Когда же есть один кабель, проблем с этим не возникает.

Есть одна проблема, связанная с тем, что компьютеры прослушивают линию, – непонятно, как действовать, если два или более компьютера после определения свободного состояния линии захотят начать передачу? Решение было найдено в том, чтобы компьютеры прослушивали линию и во время собственной передачи и при обнаружении интерференции с чужими данными блокировали бы линию для всех отправителей. При этом тот, кто обнаружил коллизию, должен снять свои данные с линии и в течение случайного интервала времени ожидать повторной попытки. Если и после этого возникнет коллизия, время ожидания удваивается, и т. д. Это позволяет более свободно распределить во времени попытки передачи, чтобы один из компьютеров всетаки смог начать первым.

Xerox Ethernet был настолько популярен, что фирмы DEC, Intel и Xerox в 1978 году совместно разработали стандарт DIX, описывающий Ethernet, работающий со скоростью 10 Мбит/с. С двумя небольшими изменениями DIX превратился в 1983 году в стандарт IEEE 802.3.

К сожалению, у фирмы Xerox уже был печальный опыт удачных начальных разработок (например, персональный компьютер) и неудачной маркетинговой политики – эта история описана в книге «Fumbling the Future» (Smith and Alexander, 1988). Когда Xerox проявила себя неспособной получить нормальный доход от чеголибо связанного с Ethernet, кроме сопроводительных стандартов, Меткаф организовал собственную фирму 3Com и стал производить сетевые адаптеры Ethernet для ПК. Было продано более 100 миллионов экземпляров этих устройств.

Технология Ethernet продолжала развиваться, она развивается и сейчас. Уже вышли новые версии, работающие на 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и выше. Улучшилось качество кабелей и коммутаторов, были добавлены новые возможности. Более подробно мы обсудим Ethernet в главе 4.

Между прочим, Ethernet (IEEE 802.3) – это не единственный стандарт ЛВС. Комитетом по стандартизации зарегистрированы также технологии «маркерная шина» (802.4) и «маркерное кольцо» (802.5). Но необходимость в наличии трех более или менее совместимых стандартов вызвана причинами не столько техническими, сколько политическими. Во время стандартизации компания General Motors продвигала ЛВС с архитектурой, повторяющей Ethernet (линейный кабель). Отличие состояло только в способе определения очередности передачи. Для этого было предложено пересылать от компьютера к компьютеру специальный короткий пакет, называемый маркером. Начать передачу мог только тот, кто захватил маркер. Таким образом, обеспечивалось отсутствие коллизий в моноканале. И все бы ничего, но General Motors заявила, что именно такая схема принципиальна для разработки автомобильной электроники. С этой позиции компанию ничто не могло сдвинуть. Несмотря на это стандарт 802.4 както очень быстро исчез из виду.

Аналогичным образом поступила фирма IBM, выдвинув в качестве своей новой разработки в области технологий ЛВС маркерное кольцо. Идея состояла в передаче маркера по кольцевому маршруту. Захватив маркер, компьютер мог осуществлять передачу и только после ее окончания передавал маркер далее. В отличие от 802.4, такая схема используется до сих пор, – правда, исключительно в вычислительных центрах IBM. Вне этих центров встретить маркерное кольцо сложно. Тем не менее, ведется разработка гигабитного маркерного кольца (802.5v), однако вряд ли эта технология сможет составить серьезную конкуренцию Ethernet. В общем, в соперничестве маркерной шины, маркерного кольца и Ethernet победила технология Ethernet, и во многом это объясняется тем, что она была первой, а все остальные разработки оказались вторичными как по времени создания, так и по уровню.