Ethernet

Для начала обратимся к некоторым историческим фактам.

В 1973 году в исследовательском центре Пало‑Альто (более известном как PARC), принадлежащем корпорации Xerox, сотрудником этого центра Бобом Меткалфом была разработана и протестирована первая сеть Ethernet. Разрабатывая способ подключения компьютера Alto, разработанного в компании Xerox, с принтером, Меткалф создал физический метод кабельного подключения, соединяющего устройства в локальной сети, а также стандарты, регулирующие систему связи. Скорость передачи данных при таком подключении составляла приблизительно 3 Мбит/с. В своем первоначальном варианте доклад Меткалфа описывал Ethernet как «разветвленную широковещательную систему связи для доставки пакетов цифровых данных на локально‑распределенные вычислительные станции. Механизм доставки пакетов, обеспечиваемый Ethernet, используется для создания систем, которые можно рассматривать либо в качестве локальных компьютерных сетей, либо как слабосвязанную многопроцессорную систему. Совместно используемые средства связи в составе сети Ethernet, ее «эфир» (Ether) – это средства пассивной передачи без какого‑либо центрального управления. Координация доступа в эфир для трансляции пакетов распределяется между конкурирующими передающими станциями с использованием контролируемого статистического арбитража (разрешения конфликтов). Коммутация пакетов к их пунктам назначения в сети распределяется между принимающими станциями посредством распознавания адресов пакетов».

Вслед за этим консорциум, состоящий из трех компаний – Digital Equipment Corporation (DEC), Intel и Xerox – примерно в 1980 году осуществил совместную разработку, в результате которой была определена версия Ethernet 1.0, обеспечивающая скорость передачи данных 10 Мбит/с. В 1983 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) выпустил стандарт IEEE 802.3, основанный во многом на версии Ethernet 1.0 и очень на нее похожий.

В 1985 году официальный стандарт IEEE 802.3 был опубликован, ознаменовав собой начало новой эры, что и привело к появлению сети Интернет несколькими годами позже.

С той поры Ethernet превратился в самую популярную и наиболее широко используемую сетевую технологию в мире. Многие проблемы, связанные с Ethernet, являются общими для многих сетевых технологий, поэтому понимание того, как эти проблемы решаются в сетях Ethernet, может послужить основанием улучшения общего понимания сетевых технологий.

Основные категории сетей Ethernet Ethernet

10 Мбит/с (стандарт IEEE 802.3)

Данная категория сети Ethernet имеет отношение к первоначальной технологии локальных сетей, работающих со скоростью 10 Мбит/с. Ethernet может работать в различной проводной среде передачи данных, включая витую пару и коаксиальный кабель. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с отличается от других высокоскоростных технологий Ethernet, таких, как FastEthernet, Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet.

В зависимости от типа используемого кабеля различают следующие виды сетей 10 Мбит/с:

– 10BaseT– Ethernet на базе витой пары

– F10Base– Ethernet на базе оптоволокна

– 10Base2– Ethernet на базе тонкого коаксиального кабеля

– 10Base5– Ethernet на базе толстого коаксиального кабеля

Fast Ethernet (стандарт IEEE 802.3U)

Fast Ethernet включает в себя несколько спецификаций Ethernet 100 Мбит/с. Он обеспечивает десятикратное увеличение скорости передачи по сравнению со спецификацией 10BaseT Ethernet, сохраняя при этом такие качества, как формат фрейма данных, механизмы управления доступом к сетевой среде (MAC), а также максимальный размер передаваемого блока данных (MTU). Сходство между различными категориями сетей Ethernet позволяет использовать имеющиеся в наличии приложения 10BaseT и средства сетевого управления и в сетях стандарта Fast Ethernet.

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3Z)

Сетевая технология Gigabit Ethernet занимает высшую ступень среди протоколов семейства Ethernet, но здесь скорость передачи увеличивается уже в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet и достигает 1000 Мбит/с, или 1 гигабит в секунду (Гбит/с). За счет технологий Gigabit Ethernet клиентские машины в сети могут обмениваться между собой со скоростью 10/100 Мбит/с, а с сервером – со скоростью до 1000 Мбит/с.

За счет совместимости со стандартом Ethernet, а также с ранее инсталлированными коммутаторами и маршрутизаторами Ethernet и Fast Ethernet, сетевым администраторам нет необходимости переучиваться или повышать квалификацию специально для работы с новой технологией и обеспечения поддержки сетей стандарта Gigabit Ethernet.

Gigabit Ethernet для медного кабеля (IEEE 802.3AB)

Сетевая технология Gigabit Ethernet для медного кабеля (известная также как стандарт 1000BaseT) является расширенной версией стандарта Fast Ethernet. Данная технология предусматривает функционирование сетей Gigabit Ethernet на базе уже проложенных кабельных систем категорий 5е/6, тем самым создавая возможность для реализации высокоэкономичного технического решения. В результате большинство сетевых конфигураций Fast Ethernet, работающих по витой паре, могут также обеспечивать работу Gigabit Ethernet с использованием имеющейся сетевой инфраструктуры для значительного повышения производительности сети для особо требовательных к полосе пропускания приложений.

10 Gigabit Ethernet является по существу более быстрой версией технологии Ethernet. В ней используется протокол доступа к сетевой среде (MAC) стандарта IEEE 802.3 и такие же формат и размер фрейма. 10 Gigabit Ethernet поддерживает полнодуплексную связь так же, как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Так как 10 Gigabit Ethernet является развитием технологий Ethernet, он поддерживает все интеллектуальные сетевые службы, основанные на Ethernet, включая многопротокольную маршрутизацию с использованием меток (MPLS), коммутацию уровня 3, качество и класс предоставляемых услуг (QoS), кэширование, выравнивание нагрузки сервера и использование политик администрирования сетей.

Эта технология позволяет также минимизировать затраты на обучение пользователя за счет поддержки привычных средств управления и знакомой архитектуры. При скорости передачи данных в 10 Гбит/с, технология 10 Gigabit Ethernet предоставляет низкозатратное решение, одновременно удовлетворяя требования к высокой пропускной способности в локальных, региональных и глобальных сетях. Потенциальные сферы применения и рынок для 10 Gigabit Ethernet являются огромными, включая предприятия, университеты, поставщиков телекоммуникационных услуг и провайдеров услуг Интернет.

Беспроводная сеть Ethernet (стандарт IEEE 802.11)

Массовая популярность и практичность беспроводных коммуникаций между компьютерами, маршрутизаторами или цифровыми видеоустройствами делает такой вид связи все более распространенным, поэтому производители вынуждены выпускать все более совершенные и более дешевые устройства.

После того как многие годы на рынке царили несовместимые между собой разработки отдельных компаний и малоэффективные стандарты, наконец, и для беспроводных сетей решили утвердить единый комплекс стандартов (серия стандартов IEEE 802.11). Эти относительно недавно принятые стандарты определяют принципы работы беспроводного Ethernet или беспроводных локальных сетей (WLAN), которые также называют Wi‑Fi (Wireless Fidelity).

Основная масса продуктов относится к двум главным категориям. Первая имеет скорость передачи данных 11 Мбит/с, вторая – 54 Мбит/с. При этом большая часть этой продукции использует свободный диапазон частот 2.4 ГГц. Данная технология появилась относительно недавно, но уже завоевала большую популярность, поэтому в конце главы мы уделим больше места беспроводным сетям Ethernet.

Скорость передачи данных и типы сетевых кабелей

По определению Ethernet является технологией локальных сетей, то есть обеспечивает работу сетей, как правило, расположенных в пределах одного здания, соединяя близкорасположенные устройства. Первоначально в большинстве сетей Ethernet использовался коаксиальный кабель. Однако, витая пара категорий 3, 5 и 6 сейчас стала более предпочтительной передающей средой для небольших локальных сетей.

Ethernet использует шинную или звездообразную топологию (или их комбинацию) и поддерживает скорости передачи данных 10,100,1000 или 10000 Мбит/с. Вслед за базовой спецификацией Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с (часто называемой 10BaseT с использованием витой пары) стали разрабатываться более новые и быстрые стандарты, среди которых особенно известными являются стандарты 100 Мбит/с или Fast Ethernet, 1000 Мбит/с или Gigabit Ethernet, а также 10 Gigabit Ethernet, разработка которого велась во время написания данной книги и уже была близка к завершению.

Стандарт Ethernet постепенно включает в себя новые технологии по мере совершенствования компьютерных сетей, но в основе каждой современной сети Ethernet лежат принципы из первоначального проекта Меткалфа. Изначально стандарт Ethernet характеризовался тем, что связь обеспечивалась по единому кабелю, совместно используемому всеми устройствами в сети. Как только устройство подключается к такому кабелю, оно может взаимодействовать с любым другим устройством, подключенным к этому же кабелю. Это позволяет наращивать сеть, подключая к ней новые устройства, при этом устройства, уже имеющиеся в сети, не требуют никаких модификаций.

В таблице, приведенной выше, указывается приблизительное время, необходимое для загрузки файлов разного размера в сетях с различной пропускной способностью.

С какой скоростью происходит обновление видеокадров, передаваемых по сети, или сколько времени требуется на загрузку того или иного фрагмента архива – это один из наиболее часто задаваемых вопросов в современном видеонаблюдении.

Для того чтобы читатели смогли понять и рассчитать эти показатели, необходимо напомнить, что существует разница между битами (в английском языке пишется со строчной буквы «b» (bits )) и байтами (пишутся с прописной буквой «В» (Bytes )). Один байт состоит из 8 битов. Поэтому, делая приближенный расчет времени, требующегося для загрузки файла по какому‑либо определенному каналу передачи данных, скорость передачи данных в Мбит/с должна быть сначала переведена в Мбайт/с посредством деления на 8. Кроме того, необходимо принять в расчет потери вследствие конфликтов сетевого трафика и помех, а эти потери могут составлять от 10 до 50 %. Таким образом, при расчетах для большинства сценариев с наиболее неблагоприятными условиями, необходимо использовать величину в 50 % от значения скорости передачи данных.

Например, если у нас имеется коммутируемое соединение с Internet с использованием типового модема со скоростью соединения 56 кбит/с, то максимальная скорость передачи будет составлять примерно 6–7 кбайт/с при наиболее благоприятном сценарии и приблизительно 3 кбайт/с – при наихудшем сценарии. При подключении к сети с помощью модема по обычной коммутируемой телефонной линии связи (PSTN) мы все еще используем методы аналоговой модуляции, качество которой может колебаться в весьма значительных пределах в зависимости от помех на линии, расстояния и качества аппаратуры, поэтому возможно, что в случае наихудшего сценария скорость передачи может быть даже ниже, чем 3 кбайт/с. Таким образом, при использовании модема со скоростью передачи 56 кбит/с не может быть гарантии, что установленная связь будет обеспечивать скорость в 56 кбит/с, однако, эта цифра представляет максимально достижимую скорость передачи данных при идеальных условиях. Возвращаясь к нашему примеру, если нам необходимо загрузить, скажем, файл размером 1 Мбайт, то на это уйдет не менее 150 секунд (1024 килобайта делим на 7 кбайт/с) при условии наличия качественной связи по коммутируемой телефонной сети. Для передачи того же файла по Интернет‑каналу ADSL, имеющему скорость соединения 512 кбит/с, понадобится гораздо меньше времени, но не менее 16 секунд (512 кбит/с = 64 кбайт/с; 1024 кбайт делим на 64 кбайт и получаем 16 секунд), а может, понадобится даже и 32 секунды, при плохом качестве аппаратуры или линии.

И тем не менее, это намного быстрее по сравнению с более чем 2.5 минутами при соединении через модем, рассчитанный на 56 кбит/с.

При расчетах, подобных приведенным выше, необходимо учитывать тот факт, что самая высокая скорость загрузки файла будет равна самой низкой скорости, обеспечиваемой конкретной линией.

Это означает, что если компьютер, с которого вы загружаете файл, имеет ограниченную скорость передачи, гораздо меньшую, чем скорость загрузки на вашем компьютере, то этим и будет определяться ваше время загрузки.

Те же принципы в расчетах скорости передачи данных применимы к различным устройствам сетевой связи и хранения данных. Каждый компонент компьютера и сети накладывает свои собственные ограничения на систему в целом.

Очень важно не забывать об этом, особенно при проектировании современных цифровых систем видеонаблюдения, предъявляющих растущие требования для более быстрой передачи данных, записи с большего количества телекамер, а также большего числа кадров в секунду.

Все компоненты в такой цепи потокового видео оказывают влияние на общую производительность сети. Проблема «узких мест» не всегда создается самой сетью. Если, допустим, у нас имеется сеть Gigabit Ethernet (с соответствующими сетевыми адаптерами, сетевыми коммутаторами и маршрутизаторами), то может оказаться, что компьютер, выполняющий роль цифрового видеорегистратора, использует интерфейс жесткого диска АТА66, максимальная скорость которого ограничена 520 Мбит/с, то есть он является более медленным, чем сама сеть, и сам уже становится «узким местом» при воспроизведении изображений с нескольких телекамер на нескольких операторских пультах.

Четкое представление о цифровой сетевой системе в целом и о каждом ее отдельном компоненте является ключевым условием для успешной реализации этой новой технологии в области видеонаблюдения.

Рис. 11.7. График иллюстрирует пропускную способность в отношении различных типовых устройств и стандартов