трафик подчиняется пуассоновскому распределению. Когда же ученые рассмотрели реальные потоки данных, они обнаружили, что сетевой трафик редко распределен по Пуассону и часто включает множество пиков; см. Паксон и Флойд (Paxson and Floyd, 1995); Фонтюнь и др. (Fontugne et al., 2017). Это означает, что при увеличении периода усреднения трафик не сглаживается. Помимо использования сомнительных моделей, многие из этих работ фокусируются на «интересных» случаях невероятно высокой загрузки канала. Боггс и др. (Boggs et al., 1988) на практике доказали, что Ethernet хорошо работает в реальных условиях, даже когда загрузка относительно высока.

4.3.4. Коммутируемый Ethernet

Очень скоро Ethernet стал отходить от архитектуры с одним длинным кабелем, которая использовалась в классическом варианте. Проблема поиска обрывов или ведущих в пустоту соединений привела к новому способу подключения, в котором каждая станция соединяется с центральным концентратором (hub) отдельным кабелем. Концентратор просто соединяет все провода в электрическую схему, как если бы они были спаяны вместе. Такая конфигурация показана на илл. 4.17 (а).

Илл. 4.17. Конфигурация Ethernet. (а) Концентратор; (б) Коммутатор

Для соединения применялись витые пары — они и так уже были проложены телефонными компаниями в большинстве офисных зданий. Повторное использование было весьма выгодным, но максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором была ограничена до 100 м (или 200 м при условии качественной витой пары категории 5). В подобной конфигурации было легко удалять и добавлять станции, а также находить разрывы кабеля. Благодаря преимуществам использования существующей кабельной разводки и простоте обслуживания концентраторы на витой паре вскоре стали ведущей формой реализации сетей Ethernet.

Однако концентраторы не увеличивают пропускную способность, так как логически они эквивалентны одному длинному кабелю классической сети Ethernet. При добавлении станций доля каждой из них в общей фиксированной емкости канала уменьшается. Рано или поздно локальная сеть переполнится. Чтобы этого избежать, можно увеличить скорость передачи данных — например, с 10 на 100 Мбит/с, 1 Гбит/с или даже больше. Однако с ростом объемов мультимедийных данных и мощности серверов даже гигабитные версии Ethernet перестанут справляться.

К счастью, существует другой способ решения проблемы высокой загрузки — коммутируемая сеть Ethernet. Основой системы является коммутатор (switch), который включает высокоскоростную плату, объединяющую все порты (илл. 4.17 (б)). Внешне коммутатор ничем не отличается от концентратора. Оба представляют собой обычные коробки, оборудованные несколькими (от 4 до 48) стандартными разъемами RJ-45 для подключения витой пары. Каждый кабель соединяет коммутатор или концентратор с одним компьютером, как показано на илл. 4.18. У коммутатора есть все преимущества концентратора. Новую станцию легко добавить или удалить, подключив или отключив один провод. Большинство сбоев кабеля или портов легко выявляется по неправильной работе всего лишь одной станции. Общий компонент все же может подвести систему — речь идет о самом коммутаторе, — но если сеть пропадет на всех станциях, инженеры сразу поймут, в чем дело, и заменят устройство.

Однако внутри коммутатор и концентратор существенно различаются. Коммутаторы отдают фреймы только на порты, для которых те предназначены. Когда со станции на порт коммутатора приходит фрейм Ethernet, коммутатор проверяет адреса Ethernet и узнает, на какой порт этот фрейм нужно отдать. Для данного шага требуется, чтобы устройство могло сопоставлять номера портов и адреса. Этот процесс мы обсудим в разделе 4.8, где будет рассматриваться общий случай соединения нескольких коммутаторов друг с другом. Пока что предположим, что коммутатор знает порт получателя фрейма. Он пересылает фрейм на порт получателя через высокоскоростную плату. Скорость платы составляет несколько гигабит в секунду, а используемый протокол стандартизировать не требуется, так как он не выходит за пределы коммутатора. Затем порт получателя отправляет фрейм станции назначения по соединяющему их проводу. Другие порты об этом фрейме даже не подозревают.

Илл. 4.18. Коммутатор Ethernet

Что произойдет, если два компьютера или два порта станут передавать фреймы одновременно? Как мы помним, поведение коммутаторов отличается от концентраторов. Внутри концентратора все станции находятся в одной и той же области коллизий (collision domain). Для планирования пересылки фреймов требуется алгоритм CSMA/CD. У коммутатора каждый порт находится в своей области коллизий. Обычно передача по кабелю осуществляется в дуплексном режиме, а значит, и станция, и порт могут одновременно отправлять фреймы, не беспокоясь о других станциях и портах. Коллизии при этом невозможны, и CSMA/CD не нужен. Однако если кабель полудуплексный, то станция и порт должны договариваться о передаче с помощью обычного CSMA/CD.

Что касается производительности, у коммутатора два преимущества перед концентратором. Во-первых, поскольку коллизии отсутствуют, пропускная способность используется более эффективно. Во-вторых, что еще более важно, благодаря коммутатору разные станции могут посылать фреймы одновременно. Достигнув портов коммутатора, они перейдут по внутренней плате устройства на правильные выходные порты. Но так как на один выходной порт может быть одновременно отправлено два фрейма, внутри коммутатора должен быть буфер для их временного хранения, если моментальная доставка на выходной порт невозможна. В целом эти усовершенствования дают большое преимущество в производительности по сравнению с концентратором. Общую пропускную способность системы можно увеличить на порядок, в зависимости от числа портов и схем пересылки трафика.

Изменения в технологии портов, на которые пересылаются фреймы, также дают преимущества, связанные с безопасностью. Большинство интерфейсов LAN (сетевых адаптеров) могут работать в «неразборчивом режиме» (promiscuous mode), когда все фреймы передаются на все компьютеры, а не только адресату. При использовании концентратора каждый подключенный к нему компьютер может видеть трафик между всеми остальными устройствами (что очень радует мошенников). Коммутатор передает трафик только на порты адресатов. Это обеспечивает лучшую изоляцию и защиту от утечки данных: трафик не по­падет в чужие руки. Однако если вопрос безопасности в организации стоит очень серьезно, в дополнение к этому лучше применять шифрование.

Поскольку коммутатор ожидает фреймы Ethernet на каждом входном порте, некоторые из этих портов можно использовать в качестве концентраторов. На илл. 4.18 порт в правом верхнем углу соединен не со станцией, а с 12-портовым концентратором. Полученные концентратором фреймы конкурируют как обычно, с коллизиями и двоичной выдержкой. Победители попадают в коммутатор через концентратор и подвергаются там той же процедуре, что и все остальные входящие фреймы. Коммутатор не знает о том, что им пришлось с боем прорываться к нему. Он переправляет их на нужные выходные линии через высокоскоростную системную плату. Возможна ситуация, когда адресатом является одна из линий, подключенных к концентратору; это означает, что фрейм уже был доставлен, так что коммутатор удаляет его. В современных сетях в основном применяется коммутируемый Ethernet.