Rozdział 7. ¨ Historia standardów Ethernet, Token-Ring i ARCnet              165

Rozdział 7.
Historia standardów Ethernet, Token-Ring
i ARCnet

u        Jak standardy utorowały sobie drogę.

u        Ethernet starszy.

u        Gigabit Ethernet.

u        Token-Ring: metoda IBM.

u        ARCnet: dobra rzecz, która nie chwyciła.

u        Szybszy transfer danych.

u        Sieciowe alternatywy.

Fizyczne elementy systemu okablowania sieci LAN (karty sieciowe, kable i złącza) są definiowane przez zestaw standardów, który ewoluował począwszy od początku lat 70. Standardy te – po wielu zmianach – zapewniają wzajemną współpracę
i kompatybilność urządzeń sieciowych. Komisje normalizacyjne powołane przez takie organizacje, jak Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), Electronic Industries Association (EIA) i International Telecommunications Union (ITU), od lat pracują nad opracowaniem porozumień i adaptowaniem standardów dotyczących sposobów sygnalizacji, wymiany danych i obsługi problemów stosowanych w urządzeniach elektronicznych. To jednak nie komisje normalizacyjne, ale firmy opracowują urządzenia zgodne z tymi standardami. Niektóre firmy a w szczególności IBM – zwykły ustanawiać własne zamknięte standardy dla swoich produktów (przynajmniej po części po to, aby „usidlić” klientów w obrębie swoich technologii), jednak obecnie przeważają „systemy otwarte” budowane w oparciu o standardy ustanowione przez narodowe i międzynarodowe organizacje normalizacyjne.

Teoretycznie rzecz biorąc produkt dowolnej firmy opracowany i działający zgodnie ze standardem powinien współpracować z produktami innych firm zgodnymi z tym samym standardem. W praktyce jednak firmy często implementują standardy w tak różny sposób, że współpraca różnych produktów wymaga wielu dodatkowych zabiegów. Tym niemniej idea jest jak najbardziej słuszna, a stały wysiłek wkładany w poprawienie kompatybilności produktów dla sieci LAN przynosi pożądane efekty.

W zasięgu zainteresowań praktycznych pozostają trzy standardy okablowania i sterowania dostępem do nośnika w sieciach LAN: Ethernet, Token-Ring i ARCnet. Każdy z tych standardów łączy w sobie tylko właściwy sposób fizyczną i logiczną topologię, metody transmisji i techniki sterowania dostępem do nośnika. Te ważne cechy każdego ze standardów zostaną kolejno opisane w niniejszym rozdziale.

Jak standardy utorowały sobie drogę

Aktywne komisje działające w ramach IEEE oznaczane są numerami. Komisja 802 to duża organizacja, która skupia członków rekrutujących się ze środowisk przemysłowych i akademickich zainteresowanych szeroką dziedziną systemów sieci rozległych i lokalnych. Opracowywaniem i utrzymywaniem standardów dla kilku topologii sieci LAN zajmują się podkomisje działające przy komisji 802. Do oznaczania swoich prac podkomisje używają liczb, które po kropce dziesiętnej dodawane są do numeru komisji. Oprócz przedstawionych w tym rozdziale standardów 802.3 i 802.5, wiele standardów komisji 802 opisano w glosariuszu.

Standard IEEE 802.5 dotyczy architektury Token-Ring. Opisuje on protokół przekazywania znacznika (żeton) używany w sieci stacji połączonych w specjalny sposób, łączący logiczną topologię pierścienia (w której każda stacja aktywnie przekazuje informację do kolejnej stacji w pierścieniu) z fizyczną topologią gwiazdy.

Z kolei standard IEEE 802.3 opisuje system, który wiele zawdzięcza wcześniejszemu systemowi Ethernet. Sieci zgodne ze standardem IEEE 802.3 używają do sterowania dostępem do nośnika techniki carrier sense multiple access (CSMA) w elektrycznej topologii magistrali. Standard ten umożliwia wykorzystanie kilku rodzajów okablowania, w tym kabla koncentrycznego i nieekranowanej skrętki.

ARCnet nie jest standardem IEEE. Z tego względu oraz z powodu zachowawczych działań firmy Datapoint Corporation, ARCnet kilka lat temu został wykluczony. Wciąż jeszcze można znaleźć firmy gdzie, pracują lokalne sieci ARCnet, jednak
w miarę zmian, fuzji i przejęć zanikną one zupełnie.

Ethernet Starszy

Ethernet to jedna z pierwszych architektur sieci LAN. To rozwiązanie sieciowe wprowadzono na rynek pod koniec lat 70., a jednak wciąż jest ono szanowanym
i uznawanym standardem. Przyczyna długowieczności Ethernetu jest prosta: ten standard zapewniał wysoką prędkość transmisji po dobrej cenie i oferował szeroką obsługę różnych zastosowań w sieciach LAN i w systemach łączących minikomputery z systemami mainframe.

Firmy sprzedające karty sieciowe dla Ethernetu robią to do dziś, ponieważ dzisiaj także Ethernet jest najlepszym standardem sieci. Istnieje prosta i w miarę ekonomiczna droga migracji z sieci 10 Mb/s do systemów o większej przepustowości, takich jak Ethernet z komutacją pakietów , Fast Ethernet (100 Mb/s) i Gigabit Ethernet (1000 Mb/s).

Obecnie można kupić najprostszą kartę sieciową umożliwiającą podłączenie peceta do sieci Ethernet już za 50 zł, ale ceny detaliczne niektórych produktów mogą sięgać kilkuset złotych. Na Rrysunku 7.1 pokazano kartę firmy Intel przeznaczoną do zastosowania w serwerze. Z ponad dwudziestu firm, które produkują karty sieci Ethernet, prawdopodobnie najbardziej znane i najbardziej konkurencyjne to 3Com
i Intel. Aż do połowy lat 90. większość kart była budowana na podstawie tych samych zestawów układów scalonych, które zwykle produkowane były przez National Semiconductor Corporation.

Dzisiaj wielu producentów używa własnych procesorów. Niektóre karty na przykład lepiej nadają się do serwerów niż do klientów PC, a poza tym jest wiele ważnych różnic w funkcjach, wydajności i cenie.

Ludzie często kojarzą Ethernet z elementami sieciowymi pozostającymi poza zakresem objętym w schemacie okablowania i sygnalizacji wynalezionym wspólnie przez Roberta Metcalfe i Davida Boggsa z Palo Alto Research Center (PARC) firmy Xerox. Według Metcalfe nazwa Ethernet pochodzi od eteru, który miał wypełniać cały kosmos, aby umożliwić rozchodzenie się światła”.

Od strony bardziej praktycznej Ethernet to specyfikacja opisująca metodę łączenia komputerów i wykorzystywania wspólnego okablowania do transmisji danych. Ethernet dotyczy komunikacji danych na poziomach określanych przez ISO jako warstwa fizyczna i warstwa łącza danych.

Rodzina standardów IEEE 802.3 obejmuje specyfikacje starszych protokołów standardu Ethernet, jednak w swoich pracach komisja ujęła również zmiany w podstawowej strukturze pakietów danych. A zatem termin Ethernet z technicznego punktu widzenia nie obejmuje wszystkich opcji wchodzących w skład standardów 802.3.

Eigth-oh-two-dot-three (osiem-zero-dwa-kropka-trzy, a nie np. osiemset dwa i trzy dziesiąte – przyp. tłum.) jest bardziej wyczerpującym opisem standardu, jednak więcej osób zna termin Ethernet.

Podstawowe parametry wczesnego fizycznego łącza Ethernet to prędkość transmisji 10 Mb/s maksymalna odległość pomiędzy stacjami do 2,8 kilometra. Łącze to było wykonywane z ekranowanego kabla koncentrycznego i wykorzystywano w nim specjalny schemat sygnalizacji elektrycznej zwany Manchester-encoded digital baseband. Późniejsza specyfikacja opisuje sygnały elektryczne przedstawiające zera
i jedynki przesyłane nieustannie w sieci. Chociaż prędkość transmisji współczesnych systemów urosła do 1 Gb/s, a kabel koncentryczny wyparła skrętka UTP i światłowody, ograniczenie zasięgu, schemat kodowania i sterowanie dostępem do nośnika są wciąż takie same.

Główna część specyfikacji warstwy łącza danych dla Ethernetu opisuje sposób,
w jaki stacje dzielą się dostępem do kabla koncentrycznego w procesie nazywanym wielokrotny dostęp z wykrywaniem nośnej i wykrywaniem kolizji (carrier sense multiple access with colision detect – CSMA/CD). CSMA/CD to rodzaj schematu działania nazywany przez współczesne jednostki normalizacyjne protokołem sterowania dostępem do nośnika (Media Access Control – MAC). Nośnikiem (medium) jest kabel łączący węzły sieciowe a protokół MAC określa, w jaki sposób węzły w sieci wspólnie użytkują ten kabel.

Ethernet na wieki

Przez wiele lat Ethernet był najszybciej rozwijającym się systemem sieciowym
i najczęstszym wyborem wielu menedżerów działów informatyki i integratorów systemów. Przez krótki okres nowymi możliwościami łączenia pecetów z systemami mainframe przy użyciu sieci Token-Ring nęcił klientów IBM. Robił to na tyle skutecznie, że na chwilę spowolnił wzrost Ethernetu. Jednak obecnie pod względem liczby nowych instalacji Ethernet jest daleko poza konkurencją jakichkolwiek systemów sieciowych.

W porównaniu z Ethernetem instalacje Token-Ring są bardzo drogie, a ponadto Ethernet oferuje efektywne metody łączenia systemów komputerowych o różnych architekturach i systemach operacyjnych.

Ethernet ma wiele sieci potomnych. Firmy – takie jak 3Com – oferują karty sieciowe Ethernet przeznaczone do kabli światłowodowych. Obszar największego wzrostu to karty Ethernet działające w połączeniu z kablami z nieekranowanej skrętki
z prędkością 100 Mb/s (Fast Ethernet). W określonych zastosowaniach – na przykład przy łączeniu dużych przełączników i punktów dystrybucyjnych – rośnie znaczenie Gigabit Ethernetu.

System okablowania na kablu koncentrycznym instalowany w sieciach komputerów PC pod koniec lat 80. i na początku 90. do połączenia kolejnych komputerów wykorzystuje cienki kabel koncentryczny o impedancji 50 W. Kabel ten, popularnie zwany Thin Ethernet (a czasami „cheapernet” – z ang. odpowiednio „cienki ethernet” lub „tańszy ethernet” – przyp. tłum.), ma zasięg ograniczony do 305 metrów (1000 stóp), ale specyfikacja IEEE jeszcze go zmniejsza do 185 m (600 stóp).

Karty sieciowe zainstalowane we wszystkich komputerach w sieci są podłączane do tego kabla za pomocą złącza typu T (trójnika), który ułatwia dołączanie i odłączanie stacji bez przerywania ciągłości kabla (patrz rysunek 7.2).

Cienki

podpis do rysunku pozostawiłem w treści tekstu (dobrze się komponuje)

kabel koncentryczny w sieci Ethernet biegnie od stacji do stacji w fizycznej topologii łańcucha. Do każdego węzła kabel podłączany jest za pomocą koncentrycznego złącza typu T. Krytyczne znaczenie dla prawidłowego działania sieci mają terminatory na obu końcach kabla. W sieciach używających tego rodzaju okablowania powinno się używać wyłącznie złączy typu T, które spełniają wymagania specyfikacji wojskowej UG-274.

Najstarsze systemy okablowania sieci Ethernet można częściej znaleźć w instalacjach z większymi komputerami. W systemach tych używano solidnie ekranowanego kabla koncentrycznego (nieformalnie nazywanego „zamarzniętym pomarańczowym wężem ogrodowym”, co odpowiadało jego rozmiarowi, kolorowi i łatwości instalacji), który stanowił szkielet sieci łączący grupy węzłów rozrzucone po całym budynku.

W tym przypadku maksymalna długość kabla pomiędzy wtórnikami wynosiła 500 metrów (1640 stóp) i kabel dołączany był do urządzeń nazywanych transceiverami, które umożliwiały użycie czegoś odpowiedniejszego do podłączenia komputera PC lub terminala. Pomiędzy transceiverem a portem AUI karty sieciowej stosowano elastyczny kabel ze skrętki ekranowanej. Kabel transceivera mógł mieć do 15 m (45 stóp) długości i podłączany był do karty sieciowej za pomocą 15-stykowego złącza D (patrz rysunek 7.3).

Standardowy kabel Ethernetu to gruby kabel koncentryczny, który zwykle jest prowadzony pod tynkiem w ścianach. Transceivery łączą się bezpośrednio z tym kablem i umożliwiają podłączenie do niego węzłów sieci poprzez kabel AUI.

Pakowanie i wysyłka danych: metoda Ethernetu

Do przesyłania danych w sieci Ethernet wykorzystano koncepcję datagramów. Technika dostępu do nośnika CSMA/CD czuwa, aby żadne dwa datagramy nie zostały wysłane jednocześnie, a jeśli tak się zdarzy, zajmuje się arbitrażem.

Koncepcja ethernetowych datagramów jest oparta na prostym założeniu, że każdy węzeł komunikacyjny będzie starał się zrobić wszystko, co możliwe, aby przesłać wiadomość przez sieć. Koncepcja ta nie obejmuje gwarancji, że ta wiadomość dotrze w określonym czasie lub będzie wolna od błędów lub duplikatów.

System datagramów nie gwarantuje nawet, że dostawa będzie miała miejsce. Wszystkie powyższe gwarancje można natomiast zaimplementować na wyższym poziomie oprogramowania.

Datagramy w Ethernecie mają postać samodzielnych pakietów z danymi. Pakiety te składają się z pól zawierających – oprócz samych danych – informacje o miejscu docelowym i miejscu nadania, a także o rodzaju zawieranych danych. Ponieważ pole danych w pakiecie nie może być większe niż 1500 bajtów, większe wiadomości muszą pokonywać sieć podzielone na kilka pakietów. (Artykuły opisujące statystyczną wydajność systemów transmisji pakietowej opartej na metodzie „usilnych starań” (best effort) stanowiły ulubiony „wypełniacz” pism specjalistycznych odkąd Bob Metcalfe opublikował swoją pracę doktorską na Uniwersytecie Harvarda pod tytułem „Komunikacja pakietowa” w roku 1973).

Jeden z elementów struktury pakietu ethernetowego, pokazanej na rysunku 7.4, różni się od kodyfikacji komisji IEEE 802.3.