Начиная с 2018 года несколько компаний стали внедрять 100-гигабитные коммутаторы и сетевые адаптеры. Для тех, кто не хочет ограничиваться полосой 100 Гбит/с, уже начата работа над стандартами сетей со скоростями до 400 Гбит/с — сетей класса 400GbE. Для подробного ознакомления смотрите стандарты 802.3cd, 802.3ck, 802.3cm и 802.3cn. Заметим, что при скорости 400 Гбит/с обычный (сжатый) фильм в формате 4K можно полностью скачать примерно за 2 с.
4.3.9. Ретроспективный взгляд на Ethernet
Ethernet существует вот уже более 40 лет, и никаких серьезных конкурентов у него не появилось. Скорее всего, он не потеряет актуальности в течение долгого времени. Не многие микропроцессорные архитектуры, операционные системы и языки программирования могут похвастаться таким продолжительным и уверенным лидерством. Вероятно, Ethernet выгодно отличается от всех остальных систем. Чем же?
Возможно, основной причиной столь длительного успеха является простота и гибкость системы. Простота в данном случае означает прежде всего надежность, невысокую цену и легкость обслуживания. С тех пор как были созданы архитектуры на базе концентраторов и коммутаторов, чисто технические поломки стали чрезвычайно редкими. Человек так устроен, что с трудом может отказаться от хорошо работающей системы в пользу чего-то нового. Нужно принять во внимание и тот факт, что огромное количество кое-как собранного компьютерного оборудования работает не слишком надежно. Именно по этой причине так называемые апгрейды часто дают противоположный ожидаемому результат, и системы после них работают не лучше, а, наоборот, хуже.
Вторая причина популярности Ethernet — это низкая цена. Витая пара сравнительно недорога, так же как аппаратные компоненты. Затрат может потребовать, например, переход на новые платы Gigabit Ethernet или коммутаторы, но это всего лишь дополнения к существующей сети (а не замена всего имеющегося оборудования), к тому же оптовые цены значительно выгоднее розничных.
Сети Ethernet не доставляют большой головной боли системным администраторам — они обслуживаются без особых проблем. Не нужно устанавливать никакое программное обеспечение (кроме драйверов), и очень мало конфигурационных таблиц (в которых так просто ошибиться). Новые узлы добавляются очень просто.
Еще одно достоинство Ethernet заключается в хорошем взаимодействии с TCP/IP — доминирующим протоколом сети интернет. IP — протокол без установления соединения, поэтому он без проблем внедряется в локальных сетях Ethernet, работающих по тому же принципу. IP имеет довольно плохую совместимость с сетями ATM, ориентированными на установление соединения. Этот факт крайне негативно сказывается на популярности ATM.
И что важнее всего, разработчикам Ethernet удалось добиться хороших показателей по самым главным направлениям. Скорости выросли на несколько порядков, в систему были внедрены коммутаторы и концентраторы, но эти изменения никак не коснулись программного обеспечения. Помимо этого, часто допускается временное использование существующей кабельной разводки. Если продавец скажет: «Вот отличная новая сетевая система! Она работает просто фантастически быстро и надежно! Вам необходимо только выкинуть весь ваш старый железный хлам и стереть все старые программы», — у него возникнут проблемы с объемами продаж.
Многие альтернативные технологии (о которых вы, вероятно, даже не слышали) в момент своего появления были даже быстрее тогдашнего Ethernet. Помимо ATM, этот список включает FDDI и волоконно-оптический канал (FC, Fibre Channel)28 — две оптические локальные сети на базе кольца. Обе были несовместимы с Ethernet, и обе канули в Лету. Они были слишком запутанными, что вело к усложнению микросхем и повышению цен. Главный урок — не забывать принцип KISS (Keep It Stupid Simple), то есть «будьте проще». Позже Ethernet догнал и перегнал конкурентов по скорости, по пути заимствуя элементы их технологий (например, кодирование 4B/5B у FDDI и 8B/10B у FC). У соперников не осталось никаких преимуществ, и они либо исчезли, либо стали применяться в узкоспециализированных сферах.
Создается впечатление, что области применения Ethernet продолжат некоторое время расширяться. 10-гигабитный Ethernet освободился от ограничений максимального расстояния, накладываемых CSMA/CD. Много внимания уделяется Ethernet операторского класса (carrier-grade Ethernet), который позволит сетевым провайдерам предоставлять услуги, основанные на Ethernet, своим клиентам в MAN и WAN (Хокинс; Hawkins, 2016). Эта система способна передавать Ethernet-фреймы на большие расстояния по оптоволоконному кабелю и требует усовершенствования возможностей управления, чтобы операторы смогли предлагать пользователям надежные высококачественные услуги. Сверхбыстродействующие сети класса 100GbE также находят применение в системных платах, соединяющих компоненты больших маршрутизаторов и серверов. Эти варианты использования представляют собой дополнение к передаче фреймов между компьютерами в офисах. Следующим и, вероятно, не последним шагом являются сети класса 400GbE.
28 Данная технология получила название «Fibre Channel», а не «Fiber Channel», так как документ с ее описанием редактировал британец.
4.4. Беспроводные локальные сети
Популярность беспроводных локальных сетей постоянно растет. Все больше домов, офисных зданий, кафе, библиотек, аэровокзалов, зоопарков и других общественных мест оснащаются соответствующим оборудованием для подключения настольных компьютеров, ноутбуков, планшетов и смартфонов к интернету. Кроме того, беспроводные LAN позволяют двум или нескольким расположенным неподалеку компьютерам обмениваться данными и без выхода в интернет.
Больше двух десятилетий основным стандартом беспроводных LAN был 802.11. Общие сведения о нем уже были даны в разделе 1.4.3. Пришло время рассмотреть этот стандарт более детально. В последующих разделах речь пойдет о стеке протоколов, методах радиопередачи (на физическом уровне), протоколе подуровня MAC, структуре фрейма и службах. Более подробные сведения о стандарте 802.11 можно найти в работах Бинга (Bing, 2017) и Дэвиса (Davis, 2018). Чтобы получить информацию из первых рук, обратитесь к официальному техническому описанию стандартов IEEE.
4.4.1. Стандарт 802.11: архитектура и стек протоколов
Сети 802.11 можно использовать в двух режимах. Наиболее популярный — инфраструктурный режим (infrastructure mode). Это подключение клиентов (например, ноутбуков и смартфонов) к другой сети, например внутренней сети компании или интернету. Данная схема представлена на илл. 4.23 (а). Каждый клиент связывается с точкой доступа (Access Point, AP), которая, в свою очередь, подключена к сети. Клиент отправляет и получает пакеты через AP. Несколько AP можно объединять, например, в проводную сеть под названием «распределительная сеть» (distribution system). Так формируется расширенная сеть 802.11. В этом случае клиенты могут отправлять фреймы другим клиентам через их точки доступа.
Илл. 4.23. Архитектура сети стандарта 802.11. (а) Инфраструктурный режим. (б) Произвольный режим
Второй режим, показанный на илл. 4.23 (б), называется децентрализованной сетью (ad hoc network). Это набор компьютеров, которые связаны таким образом, чтобы напрямую отправлять фреймы друг другу. Точка доступа не используется. Поскольку доступ в интернет — революционная технология в беспроводных соединениях, децентрализованные сети не слишком популярны.
Теперь рассмотрим протоколы. Все протоколы, используемые семейством стандартов 802.х, включая 802.11 и Ethernet, схожи по структуре. Часть стека протоколов, соответствующая основным вариантам стандарта 802.11, изображена на илл. 4.24. И для клиентов, и для точек доступа применяется один стек. Физический уровень почти такой же, как и в модели OSI, а вот канальный уровень во всех протоколах 802.х разбит на два или более подуровня. Что касается 802.11, то MAC (подуровень управления доступом к среде) отвечает за распределение канала, то есть за то, какая станция будет передавать следующей. Выше находится LLC (подуровень управления логической связью), цель которого в том, чтобы скрыть различия стандартов 802.х от сетевого уровня. Это ответственная задача, но, помимо этого, LLC сегодня является связующим уровнем, отвечающим за идентификацию протокола (например, IP), информация о котором передается во фрейме 802.11.