Šiuolaikiniuose kompiuterių tinkluose Ethernet technologija užima vieną svarbiausių vietų. Nuo jos atsiradimo 1972 m. ir vėlesnio IEEE 802.3 standartų formavimo, Ethernet tapo neatsiejama vietinių tinklų (LAN) dalimi. Ši technologija apibrėžia būdą, kuriuo duomenys perduodami tinklo terpėje, naudodama daugkartinės prieigos su nešlio kontrole ir konfliktų aptikimo (CSMA/CD) metodą. Šiame straipsnyje gilinsimės į Ethernet kadrų struktūrą, komutatorių vaidmenį tinkluose ir pažangesnes technologijas, tokias kaip VLAN.
Ethernet Kadrų Pagrindai ir Struktūra
Ethernet protokolas, išvystytas bendradarbiaujant tokioms kompanijoms kaip Digital Equipment, Intel ir Xerox, sudarė IEEE 802.3 standarto pagrindą. Šis standartas apibrėžia ne tik tinklo veikimo principus, bet ir duomenų perdavimo vienetų - kadrų - struktūrą.
Ethernet kadras prasideda preambule (7 baitai), kurią sudaro pasikartojantis bitų raštas 10101010. Ši preambulė, užkoduota Mančesterio kodu, leidžia imtuvui susinchronizuoti su siųstuvu. Po jos seka kadro pradžios atskyriklis (1 baitas), signalizuojantis kadro pradžią.
Toliau seka du pagrindiniai adresų laukai: paskirties adresas (destination MAC address) ir šaltinio adresas (source MAC address). Nors standartas leidžia 2 ar 6 baitų adresus, šiuolaikiniuose 10 Mb/s tinkluose dominuoja 6 baitų (48 bitų) MAC adresai. Vyriausias paskirties adreso bitas nurodo, ar adresas yra individualus (0), ar grupinis (1), leidžiantis siųsti duomenis kelioms stotims vienu metu (multicast). Adresas, sudarytas vien iš vienetų, naudojamas transliacijai (broadcast), kai duomenys siunčiami visoms tinklo stotims. 46-asis adreso bitas (U/L bitas) nurodo, ar adresas yra vietinis (skirtas tik vietiniam tinklui), ar globalus (unikalus visame pasaulyje). Trys vyresnieji adreso baitai identifikuoja gamintoją, o likę trys - gamintojas priskiria kiekvienai tinklo plokštei.
Po adresų laukų eina ilgio laukas (Length field) arba tipo laukas (Type field). IEEE 802.3 standartuose šis laukas nurodo duomenų lauko ilgį (0-1500 baitų). Ethernet (versija 2.0) naudoja šį lauką protokolo tipui identifikuoti, o reikšmė viršija 1500 (pvz., 05DCh). Tai leidžia atskirti Ethernet kadrą nuo 802.3 kadro.
Duomenų laukas (Data field) gali turėti nuo 0 iki 1500 baitų informacijos. Jei kadras trumpesnis nei minimalus leistinas ilgis (64 baitai nuo paskirties adreso iki kontrolinės sumos), pridedamas papildymo laukas (padding), kad pasiektų minimalų ilgį. Tai svarbu siekiant tinkamai aptikti kolizijas.
Galiausiai, kadras baigiamas kontrolinės sumos lauku (Frame Check Sequence - FCS), kuriame yra 4 baitų CRC (Cyclic Redundancy Check) reikšmė. Ši reikšmė apskaičiuojama iš paskirties adreso, šaltinio adreso, ilgio/tipo lauko ir duomenų lauko. Gaviklis perskaičiuoja kontrolinę sumą ir, jei ji nesutampa su gauta reikšme, kadras laikomas sugadintu ir atmetamas.
CSMA/CD ir Kolizijų Valdymas
Ethernet tinklai naudoja CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) metodą. Stotis "klauso" kabelio prieš siųsdama duomenis. Jei kabelis laisvas, ji pradeda siųsti. Jei tuo pačiu metu dvi ar daugiau stočių pradeda siųsti, įvyksta kolizija. Transiveris aptinka perdengiančius signalus ir perduoda specialų triukšmo paketą (Jam signalą), kad perspėtų kitas stotis.
Kolizijos atveju siuntėjai nutraukia perdavimą ir naudoja dvejetainio eksponentinio grįžimo (binary exponential backoff) algoritmą, kad atsitiktinai pasirinktų laukimo intervalą (slotą) prieš bandydami siųsti iš naujo. Šis algoritmas dinamiškai prisitaiko prie tinklo apkrovos, siekiant sumažinti pakartotinių kolizijų tikimybę ir vidutinę laukimo trukmę. Minimalus kadro ilgis (64 baitai) užtikrina, kad kadras bus visiškai perduotas prieš pasiekiant tinklo galą, kur galėtų įvykti kita kolizija. Tinklo ilgis ir sparta tiesiogiai susiję su minimaliu kadro ilgiu ir laukimo intervalų trukme.
Ethernet Komutatoriai: Tinklo Sumanumo Širdis
Ethernet komutatorius yra esminis tinklo įrenginys, veikiantis OSI modelio duomenų perdavimo (Data Link) sluoksnyje. Jis iš esmės yra kelių prievadų tinklo tiltas, kuris išmaniai nukreipia kadrus tarp tinklo segmentų.
Kiekvienas komutatoriaus prievadas tiesiogiai prijungtas prie tinklo įrenginio ir paprastai veikia visiško dvipusio ryšio (full-duplex) režimu, leidžiančiu vienu metu siųsti ir gauti duomenis be konfliktų. Komutatorius sugeba vienu metu sujungti kelias prievadų poras, užtikrinant, kad kiekviena bendraujanti įrenginių pora turėtų savo išskirtinę komunikacijos terpę.
Komutatoriaus veikimo principas grindžiamas MAC adresų lentele. Kai komutatorius gauna Ethernet kadrą, jis patalpina jį į atminties buferį, išanalizuoja gavėjo ir siuntėjo MAC adresus ir patikrina savo MAC adresų lentelę. Jei lentelėje yra įrašas apie gavėjo MAC adresą ir prie kurios sąsajos jis prijungtas, kadras siunčiamas tik į tą sąsają. Jei gavėjo adreso nėra lentelėje arba tai yra transliacijos (broadcast) kadras, komutatorius persiunčia jį į visus kitus prievadus (išskyrus tą, per kurį kadras buvo gautas). Gavimo metu komutatorius mokosi siuntėjo MAC adresą ir prideda jį į savo lentelę, susiejant jį su atitinkama sąsaja.
MAC adresų lentelėje gali būti įrašai:
- Dinaminiai (dynamic): Automatiškai sukurti komutatoriaus, analizuojant gaunamus kadrus. Jie ištrinami po tam tikro laiko, jei neatnaujinami.
- Pastovūs (permanent): Sukurti administratoriaus, priskiriant konkretų MAC adresą tam tikrai sąsajai. Šie įrašai panaikinami tik administratoriaus komanda.
- Riboti statiniai (restricted static): Taip pat sukurti administratoriaus, tačiau su papildomais apribojimais.
Komutatoriai gali turėti skirtingo pralaidumo prievadus (pvz., 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s ir didesnius) bei palaikyti skirtingus darbo režimus, tokius kaip pusiau dvipusis (half-duplex) ar visiško dvipusio ryšio (full-duplex).
Virtualūs Vietiniai Tinklai (VLAN)
VLAN (Virtual Local Area Network) technologija leidžia logiškai suskirstyti fizinį tinklą į kelis atskirus virtualius tinklus. Tai suteikia didesnį tinklo lankstumą, saugumą ir efektyvumą valdant transliacinius (broadcast) paketus.
VLAN sukūrimas apima komutatoriaus sąsajų priskyrimą vienam ar kitam VLAN. Kiekviena komutatoriaus sąsaja gali priklausyti tik vienam VLAN. Transliaciniai kadrai viename VLAN negali patekti į kitą VLAN, taip sumažinant nereikalingą tinklo srautą ir pagerinant saugumą.
Komutatoriai, palaikantys VLAN, riboja kadrų persiuntimą tik tarp tos pačios VLAN narėms priklausančių sąsajų. Kai keli komutatoriai turi būti sujungti ir perduoti skirtingų VLAN kadrus, naudojamos jungiamosios linijos (trunks). Šios linijos gali pernešti kelias VLAN srautus, paprastai naudojant tokius protokolus kaip ISL (Inter-Switch Link) arba IEEE 802.1Q.
Cisco Catalyst komutatoriai gali palaikyti dinaminį sąsajų priskyrimą VLAN tinklui per VMPS (VLAN Membership Policy Server) serverį. Šis serveris saugo duomenų bazę, kurioje nurodomi įrenginių MAC adresai ir jiems priskirti VLAN. Komutatorius, gavęs kadrą, gali pasikonsultuoti su VMPS serveriu, kad nustatytų siuntėjo VLAN.
ISL protokolas, naudojamas Cisco komutatoriuose, leidžia multipleksuoti kelis VLAN kadrus į vieną srautą, perduodamą tarp komutatorių ar tarp komutatoriaus ir maršrutizatoriaus. ISL prideda prie kadro savo antraštę ir kontrolinę sumą.
VLAN ID laukas (15 bitų) Ethernet kadre (dažnai įterpiamas tarp MAC adresų ir ilgio/tipo lauko, pvz., IEEE 802.1Q standarte) identifikuoja, kuriam VLAN priklauso kadras.
Įvairios Tinklų Standartizavimo Organizacijos
Tinklų technologijų vystymą ir standartizavimą vykdo įvairios organizacijos:
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Ypač svarbus 802 komitetas, kuris kuria standartus vietiniams tinklams. IEEE 802.3 apibrėžia Ethernet, 802.5 - Token Ring, o 802.2 - loginio ryšio valdymą.
- ANSI (American National Standards Institute): Sukūrė FDDI (Fiber Distributed Data Interface) standartus.
- ATM Forum ir ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector): Formuluoja Asynchronous Transfer Mode (ATM) standartus. ITU-T yra Jungtinių Tautų dalis, atsakinga už tarptautinių telekomunikacijų reguliavimą ir standartizavimą.
Ethernet Kadrų Detalesnė Analizė ir Modernizavimas
Istoriškai Ethernet vystėsi nuo lėtų 10 Mb/s tinklų iki šiuolaikinių gigabitinių ir spartesnių sprendimų. Skirtingi fiziniai terpės tipai, tokie kaip storasis (10Base5) ir plonasis (10Base2) koaksialinis kabelis, susuktoji pora (10Base-T) ir optinis pluoštas (10Base-F), buvo naudojami skirtingais laikotarpiais. Greitasis Ethernet (Fast Ethernet, 100 Mb/s) ir Gigabit Ethernet (1 Gb/s ir spartesni) standartai toliau plėtojo technologiją, išlaikydami pagrindinę 802.3 kadro struktūrą, bet didindami perdavimo spartą ir keisdami fizinius perdavimo metodus. Pavyzdžiui, 100Base-TX naudoja susuktąją porą, o 100Base-FX - optinį pluoštą. Gigabit Ethernet standartai, tokie kaip 1000Base-T (naudojantis keturiomis susuktosios poros gyslomis) ar 1000Base-LX (naudojantis optinį pluoštą), leidžia pasiekti milžiniškus duomenų perdavimo greičius.
Visi šie standartai išlaiko pagrindinę CSMA/CD prigimtį, tačiau spartai didėjant, tinklo segmentų dydis ir maksimalus atstumas tarp stočių tampa ribotesni, nebent naudojami kartotuvai (repeaters), tiltai (bridges) ar komutatoriai (switches), kurie regeneruoja ir perduoda signalus.
Šviesolaidžio Kanalo (Fiber Channel) ir Ethernet Jungiklių Palyginimas
Nors abu yra tinklo jungikliai, šviesolaidžio kanalo (FC) jungikliai ir Ethernet jungikliai tarnauja skirtingiems tikslams ir turi skirtingas charakteristikas.
Šviesolaidžio kanalo jungikliai: Daugiausia naudojami Saugojimo Zonos Tinkluose (SAN - Storage Area Network). FC yra didelės spartos tinklo technologija, skirta serveriams tiesiogiai prijungti prie didelės talpos duomenų saugyklų. FC jungikliai yra žinomi dėl savo be nuostolių (lossless) perdavimo, užtikrinant duomenų vientisumą net esant didelei tinklo apkrovai. Jie palaiko didelius perdavimo greičius, kurie nuolat auga (nuo 1 Gbps iki 128 Gbps ir daugiau). Dėl savo specializuotos paskirties ir didelio patikimumo, FC jungikliai paprastai yra brangesni nei Ethernet jungikliai.
Ethernet jungikliai: Plačiausiai naudojami vietiniuose tinkluose (LAN). Jie yra pigesni, lengviau prižiūrimi ir siūlo platų pralaidumo spektrą (nuo 10/100 Mbps iki 100 Gbps ir daugiau). Nors Ethernet jungikliai gali patirti kadrų praradimą (frame loss) perkrovos metu, viršutiniai protokolai, tokie kaip TCP, užtikrina duomenų patikimumą.
Apibendrinant, Ethernet jungikliai yra universalesni ir ekonomiškesni sprendimai daugumai LAN poreikių, o šviesolaidžio kanalo jungikliai yra specializuoti didelio našumo įrenginiai, skirti kritinėms saugojimo sistemoms.
Šiame straipsnyje apžvelgėme Ethernet kadrų struktūrą, tinklo komutatorių vaidmenį, VLAN technologiją ir palyginome skirtingus tinklų standartus bei jungiklių tipus. Toliau gilintis į šias temas galima tiriant specifinius protokolus, tinklo saugumo aspektus ir naujausias tinklų technologijas.