Общие сведения о LAN

Сети строятся человеком для того, чтобы передавать данные от одной машины до другой. Делать это можно по-разному. Сигнал, кодирующий определённые данные, можно передавать по различным средам (в английской терминологии — media).

Металлический проводник

Это может быть металлический проводник — медный, омеднённый алюминиевый, чистый алюминиевый, любой другой. Главное, чтобы он проводил электрический ток: вам нужно передать электрический ток с одной точки на другую, показать напряжение между двумя жилами. Какой именно проводник будет использоваться — неважно, лишь бы он проводил ток.

Практика показывает, что на высоких частотах, на которых интересно передавать много данных, хорошо подходят именно металлические проводники.

Теоретически не только металл проводит электричество — можно сделать какую-нибудь свою реализацию Ethernet, работающую поверх жидкости. Но это экзотика. Те Ethernet-сети, с которыми мы будем чаще всего работать, работают именно по меди.

Медь vs омеднённый алюминий

Бывает медная витая пара, а бывает так называемая омеднённая алюминиевая витая пара (CCA) — когда в каждой жиле центральная часть из алюминия, а вокруг сердечника идёт тонкое медное покрытие.

Такой провод дешевле, потому что алюминий обходится дешевле и в производстве, и в добыче. Но у омеднённого алюминия есть ряд недостатков по сравнению с медью:

• хуже гнётся, легче ломается;
• на больших расстояниях начинаются проблемы с качеством сигнала — затухание становится неприемлемо высоким.

По стандарту IEEE 802.3 кабели для Ethernet должны выдерживать нормальную передачу сигнала с заданным качеством на расстоянии до 100 метров. Медные провода, как правило, это расстояние выдерживают. А вот омеднённый алюминий не всегда справляется со 100-метровыми сегментами — чаще всего он удобен на расстоянии 20–30 метров.

Если нужно протянуть большой сегмент — лучше омеднённый алюминий не использовать. Но не всегда это зависит от инженера: иногда вас просто ставят перед фактом, что нужно протянуть 100-метровый сегмент вот этой бухтой, которую купили закупщики. Они-то не знают, чем отличается один провод от другого — у них написано «бухта витой пары, 305 метров, категория 5e», и она стоит на 100 рублей дешевле.

Оптический кабель

Ещё есть оптический кабель — кварцевое (стеклянное) волокно, состоящее из двух важных слоёв:

1. Сердечник — центральная часть из кварца.
2. Оболочка — другое стеклянное волокно, тоже из кварца, но с другим коэффициентом преломления.

Благодаря разнице в коэффициентах преломления, пучок света, отправленный в сердечник, не может покинуть волокно. Он идёт по волокну, какую бы форму оно ни принимало — можно гнуть, складывать, и свет практически полностью дойдёт до другого конца. Это объяснение «на пальцах»; подробнее про оптику будет в отдельном уроке.

Радиоволны

У радиоволн есть ряд особенностей, которых нет у металлического проводника.

Если вы используете провод — он втыкается в узел слева, втыкается в узел справа. Всё, что вы отправляете, скорее всего, дойдёт до другого абонента (при разумных ограничениях на длину и форму сигнала). Вариантов, что кто-то подслушает сигнал, немного — вы не можете удалённо считать информацию с провода.

На самом деле такие технологии есть: на низких частотах (10 Мбит/с, 100 Мбит/с) можно удалённо, без физического доступа к проводу, считать передаваемую информацию. Но на сверхвысоких частотах (например, 10 Гбит/с) это физически невозможно — частота слишком большая.

С радиоволной ситуация противоположная. Как бы вы ни формировали лепестки антенн, радиоволна распространяется во все стороны — в какую-то больше, в какую-то меньше. Любой участник на небольшом расстоянии сможет услышать передаваемые данные и даже передать данные от имени одного из участников.

Поэтому реализации Ethernet поверх радио не существует. Для радио есть специальный стандарт — Wi-Fi (IEEE 802.11), заточенный под решение проблем, которые есть в радиосреде, но отсутствуют в проводных средах. Про Wi-Fi есть отдельные курсы и сертификации (CCNA Wireless, CCNP/CCIE Wireless) — даже в базовом CCNA Wireless два дня посвящены особенностям физики беспроводных сетей.

Экзотические среды

Инфракрасное излучение, видимый свет и прочее — мы затрагивать не будем, но они существуют. Для Ethernet это нехарактерно.

Итого: Ethernet — это либо металлический проводник (витая пара, коаксиал), либо оптический кабель.

---

Физические топологии

С физической точки зрения чаще всего рассматриваются две топологии.

Среда с общей шиной (Shared Bus)

Если вы застали Ethernet 20-летней давности, наверняка видели: толстый коаксиальный кабель, похожий на телевизионный, но с другими свойствами. Он тянулся через всю сеть, и к нему подключались все абоненты.

Сетевая карта вставлялась в PCI или ISA разъём компьютера. На внешней стороне был BNC-разъём, на который вешался T-коннектор. К T-коннектору подключался провод, ведущий до следующего T-коннектора, и так далее — все узлы подключались к одному длинному проводу.

На концах провода ставились заглушки — терминаторы. Они были красивые, блестящие, и народ любил их воровать. Но если открутить терминатор — цепь размыкается, и устройства теряют доступ к сети. Внутри терминатора было просто сопротивление, обеспечивающее нужную физическую характеристику между центральной жилой и внешней оплёткой коаксиала.

Среда с общей шиной была популярна изначально, когда Ethernet создавался.

Топология точка-точка (Point-to-Point)

Современные сети устроены иначе — по принципу точка-точка. Провод соединяет ровно два узла. Несколько узлов к одному проводу не подключаются.

Провод подключается к коммутатору (switch). Электрический сигнал распространяется только по одному проводу. Промежуточное устройство получает сигнал, декодирует его, кодирует заново и отправляет в другие провода. Причём новый сигнал может иметь совершенно другую форму и характеристики — например, один абонент подключён на скорости 10 Мбит/с, другой на 100 Мбит/с.

Каждый провод в топологии точка-точка соединяет ровно двух участников (или не соединяет никого). У каждого провода всегда ровно два конца — левый и правый.

Мы будем в основном изучать топологию точка-точка — то, как устроены современные Ethernet-сети. Но есть большое «но»: современные Ethernet работают в режиме совместимости со старым протоколом, который использовал общую шину. Поэтому для понимания, почему они работают именно так, придётся изучить и общую шину.

Хаб vs коммутатор

Хаб (концентратор, hub) — это электрический повторитель. Узел отправляет электрический сигнал, хаб просто усиливает его и передаёт дальше во все остальные провода. С точки зрения электрики хаб не обрабатывает сигнал — это фактически топология с общей шиной. Если взять хаб, убрать его, а провода скрутить вместе — принципиально получится то же самое.

Коммутатор (switch) работает принципиально иначе:

• Никогда не передаёт электрический сигнал напрямую из одного порта в другой.
• Декодирует полученный сигнал, извлекает логическую составляющую.
• На основании содержимого формирует новый электрический сигнал и отправляет его в нужный порт (или во все порты).

Хаб можно спаять из подручных радиодеталей — в журналах позднего советского времени публиковались такие схемы. Коммутатор из радиодеталей не соберёшь — это принципиально разные устройства.

Современные Ethernet с общей шиной

Хотя современные Ethernet в основном работают по принципу точка-точка, существуют современные стандарты с общей шиной — например, стандарт 2015 года, работающий по одному проводу. Это специальные решения для особых применений; в промышленных сценариях и на предприятиях вы их, как правило, не встретите.

---

Типы взаимодействия

Симплексное взаимодействие

Симплексное взаимодействие — однонаправленный канал, в котором есть ровно один передатчик. Пример: телевизионная вышка вещает на определённой частоте, телевизоры только принимают. Передатчик всегда один и тот же, телевизор никогда не начнёт передавать в сторону вышки.

Полудуплексное взаимодействие (Half-Duplex)

Полудуплексное взаимодействие — одна среда передачи данных, которую могут занимать несколько участников. Нужно определить, кто в каждый конкретный момент передаёт данные. Если два участника начнут передавать одновременно — получится «каша», и данные не будут восприняты.

Аналогия: комната с людьми. Если все начнут говорить одновременно — невозможно вычленить речь каждого. Поэтому в каждый момент времени ровно один участник занимает среду.

Дуплексное взаимодействие (Full-Duplex)

Дуплексное взаимодействие — одновременная передача и приём данных по каналу. Возможно только в топологии точка-точка. Аналогия: автострада с полосами в разных направлениях — они не пересекаются.

Различия в терминологии

Эти три типа задаются стандартами ANSI (Американский национальный институт стандартизации). ITU (Международный союз электросвязи) не различает симплексное и полудуплексное — у них только два типа: симплексное и дуплексное. Если телекомщик говорит «симплексное», он может иметь в виду и однонаправленную, и разделяемую среду.

---

Взаимодействие в разных топологиях

Точка-точка

В топологии точка-точка два участника, и передача, как правило, дуплексная: отдельный канал от А к Б и от Б к А — фактически две встречные симплексные передачи.

Если участников больше двух (Ethernet с коммутаторами), промежуточные узлы получают сигнал в одном проводе, обрабатывают его и передают в другом. Коллизия невозможна — сигналы от разных отправителей приходят в разных физических каналах и не смешиваются.

Общая шина

В топологии с общей шиной — единая среда передачи для многих абонентов. Все узлы слышат одинаковый сигнал. В каждый момент времени может передавать только одно устройство.

Если два устройства передают одновременно — получается смешанный сигнал, коллизия. Например, при напряжениях +0,7 В и -0,7 В:

• оба передают +0,7 В — результат 1,4 В (нераспознаваемый уровень);
• один передаёт +0,7 В, другой -0,7 В — результат 0 В (никто ничего не слышит).

Коллизия всегда плоха: время потрачено, ресурсы потрачены, данные не получены. В протоколах, подверженных коллизиям (включая Ethernet), существует механизм выхода из таких ситуаций.

В общей шине передача, как правило, полудуплексная.

NBMA и Wi-Fi

В Wi-Fi встречаются ещё более сложные ситуации. Возможно: первый видит второго, второй видит третьего, но первый третьего не видит. В среде с общей шиной это невозможно, а в беспроводных сетях — сплошь и рядом.

Такая топология называется NBMA (Non-Broadcast Multiple Access). Для решения проблемы NBMA обычно сводится к топологии point-to-multipoint: выделяется точка доступа (access point), и каждый участник обязан «достреливать» до неё.

Данные от узла А к узлу Б проходят через точку доступа: А отправляет точке доступа, та пересылает узлу Б. С точки зрения обычного абонента это выглядит как point-to-point — он общается только с точкой доступа.

В топологии point-to-multipoint передача полудуплексная для всех участников, с высокой вероятностью коллизий (узлы, не видящие друг друга, могут одновременно начать передачу). Для борьбы с этим в беспроводных сетях применяются специальные механизмы.

---

Физика передачи данных

Биты и байты

Данные физически передаются в битах — нулях и единицах, закодированных в электрическом сигнале. Но осмысленные данные передаются в байтах (как правило, 8 бит, хотя размер байта не всегда фиксирован).

Бывают случаи, когда одновременно передаётся несколько бит — например, по 8 проводам, каждый несёт отдельный бит, и за один такт проходит целый байт. Но физически в каждом отдельном проводе в каждый момент времени передаётся один бит.

Синхронная и асинхронная передача

Для корректного приёма данных получатель должен знать, когда включать и выключать приёмник.

Асинхронная передача — без привязки ко времени. Используются стартовые и стоповые биты (как в RS-232): передатчик сообщает «начинаю передачу» и «закончил передачу» специальными сигналами, которые невозможно спутать с данными.

Синхронная передача — передатчик и приёмник синхронизированы по времени. В каждом такте приёмник точно знает, когда начинается и заканчивается бит.

Синхронизация в Ethernet

В современных протоколах используется синхронная передача. Проблема: у устройств нет атомных часов, и границы тактов нужно как-то согласовать.

В Ethernet применяется автосинхронизация с помощью преамбулы. Каждый кадр начинается с характерного сигнала — чередующихся нулей и единиц:

1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 ...

По этому сигналу приёмник определяет:

1. Кто-то начинает передавать данные.
2. Где проходят границы тактов (переход из высокого напряжения в низкое = конец такта).

Синхронизация действует в рамках одного кадра — на высоких частотах часы расходятся очень быстро, поэтому синхронизировать их приходится в каждом кадре заново.

---

На этом теоретическая подготовка к изучению протокола Ethernet завершена. Далее поговорим про сам Ethernet — какой он бывает, зачем и почему.