Всё, что нужно знать о сети Ethernet: от кабеля до доменов коллизий и мостов

Если вы когда-нибудь пытались понять, как же устроена ваша домашняя или офисная сеть, и что там за загадочные термины вроде «домен коллизий», «мост», «концентратор», или «повторитель», то вы попали по адресу! Здесь мы разберём всё по полочкам — от кабеля до сложных устройств, чтобы вы не чувствовали себя на экзамене по сетевым технологиям, а могли уверенно объяснить это даже бабушке.

Давайте заглянем под капот сети Ethernet, изучим, почему не все кабели одинаково полезны, какие сложности таит передача данных, и как с помощью хитрых устройств всё работает как часы. Плюс, в конце вас ждёт супер-практичный FAQ и чек-лист — берите на вооружение!

Что такое домен коллизий и почему он не нравится сетям?

Представьте себе толпу на вечеринке, где все хотят одновременно рассказать свою историю — ну полный хаос, правда? В мире Ethernet это называется доменом коллизий — часть сети, где узлы борются за право говорить по очереди.

Когда два компьютера пытаются передать данные одновременно, их сигналы сталкиваются, и получается коллизия — это как два человека, говорящих в один микрофон одновременно, никто не слышит ни слова. Чтобы не драться, сеть использует метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) — на русском звучит как «слушай канал и не перебивай, а если перебил — подожди случайное время и попробуй снова».

Вот почему важно знать, что сеть, построенная на повторителях (концентраторах), образует один большой домен коллизий — сигнал коллизии распространяется повсюду, и вся сеть замирает, чтобы избежать путаницы.

Таблица: Типы устройств и влияние на домен коллизий

Сетевые кабели: витая пара и коаксиал — кто кого?

Ethernet вырос на коаксиальном кабеле — таком толстом, как пожарный шланг (10Base-5), и тонком, как школьный карандаш (10Base-2). Коаксиал хорош тем, что это разделяемая среда, в которой все узлы слушают один кабель, но эта общая шина может создавать проблемы с коллизиями.

Позже на сцену вышла витая пара (10Base-T) — тонкие провода, скрученные парами. Представьте, что эти пары — это романтические дуэты, которые минимизируют внешние помехи и шепчут друг другу. В витой паре обычно используется только две пары из четырех для передачи и приема (одна пара — отправка, другая — прием). Остальные пары в кабеле — как запасные игроки, готовые подключиться в будущем или служить для других целей, например, для телефона.

Почему не все пары заняты?

• Механическая надежность 4-парного кабеля выше
• Поддержка будущих стандартов, таких как Gigabit Ethernet, где используются все пары
• Возможность использования технологии Power over Ethernet

Ограничения длины сегмента: почему нельзя больше 100 метров на витой паре?

Почему длина сегмента на витой паре не больше 100 метров? Тут всё дело в времени распространения сигнала и необходимости обнаружения коллизий.

Если кабель слишком длинный, сигнал от одного узла до другого идёт слишком долго, и узлы могут не успеть обнаружить коллизию, если начнут передачу одновременно. Это как если два друга стоят слишком далеко друг от друга и не услышат, что сказали «стоп» — в результате всё заканчивается катастрофой.

Чтобы избежать этого, для разных стандартов Ethernet установлены максимальные длины сегментов:

Кадры Ethernet: почему они не могут быть слишком маленькими?

Минимальный размер кадра в Ethernet — 64 байта. Зачем так много? Чтобы узлы успели заметить коллизию вовремя.

Если передать слишком короткий кадр, передатчик может закончить передачу до того, как сигнал коллизии дойдет обратно. В результате никто не узнает, что был конфликт, и данные потеряются.

Когда кадр меньше 64 байт, в него добавляется специальное поле — заполнитель (pad), чтобы «растянуть» кадр до минимального размера. Так что кадры не всегда маленькие просто так, это хитрый способ сохранить порядок.

Повторители и концентраторы: усилители сигнала или цифровые эхолоты?

Повторитель — это усилитель сигнала. Он принимает битовую волну из одного сегмента и повторяет её в другой, восстанавливая форму сигнала, чтобы не потерять данные. В сетях Ethernet повторители могут объединять несколько сегментов, но при этом увеличивают задержки, что накладывает ограничения на число повторителей.

Концентратор (хаб) — многопортовый повторитель. Он транслирует входящий сигнал на все остальные порты, создавая одну общую среду передачи — логическую шину. Поэтому концентраторы всегда увеличивают домен коллизий.

Мосты и коммутаторы: супергерои локализации трафика

Если представить сеть как город, то мосты и коммутаторы — это светофоры и развязки, которые регулируют трафик, не давая машинам (данным) мешать друг другу.

Как работают мосты?

Мосты разделяют сеть на логические сегменты, пропуская трафик между ними только тогда, когда это необходимо. Они запоминают MAC-адреса устройств и знают, через какой порт находятся какие компьютеры. Если кадр направлен внутри одного сегмента, мост не пустит его дальше, уменьшая лишний трафик и повышая производительность.

Есть два типа мостов:

• Прозрачные мосты — учатся на ходу, анализируя MAC-адреса из проходящих кадров. Они полностью прозрачны для протоколов верхних уровней.
• Мосты с маршрутизацией от источника — вычисляют маршрут для кадра заранее, основываясь на информации в самом кадре (используется в Token Ring).

Чем отличаются коммутаторы?

Коммутатор — это мост нового поколения с отдельным процессором для каждого порта, который обрабатывает кадры параллельно. Это значительно повышает пропускную способность и снижает задержки.

Логическая и физическая топологии: кто где тусуется?

• Физическая топология — это реальные провода и устройства, соединённые друг с другом. Как план дома.
• Логическая топология — это путь данных, который они проходят по сети. Как маршрут по городу.

Иногда физическая и логическая топологии совпадают (например, сеть в форме звезды), иногда — нет. Логическая структуризация помогает оптимизировать движение трафика, разделяя сеть на сегменты с локальным трафиком, чтобы избежать пробок.

Правила 5-4-3 и 4-х хабов: сетевые дорожные ограничения

• Правило 5-4-3 относится к коаксиальным сетям Ethernet. В сети может быть не более 5 сегментов, соединённых 4 повторителями, и только 3 сегмента могут быть нагруженными (с конечными устройствами).
• Правило 4-х хабов относится к 10Base-T — нельзя иметь больше 4 концентраторов подряд между двумя конечными узлами.

Эти правила помогают гарантировать корректную работу сети, чтобы коллизии распознавались вовремя.

Время оборота сигнала (PDV) и межкадровый интервал (IPG): часы и паузы сети

• PDV (Propagation Delay Variation) — время, которое требуется сигналу, чтобы пройти от одного конца сети до другого. Если PDV слишком велик, узлы не успеют обнаружить коллизии.
• IPG (Interpacket Gap) — промежуток между кадрами, дающий время устройствам «перекурить» перед следующей передачей.

Сеть Ethernet корректна, если PDV не превышает 575 битовых интервалов, а сокращение IPG — не больше 49 битовых интервалов. Если нарушить эти условия — капец коллизиям и стабильности.

Gigabit Ethernet: все пары в работе и полнодуплекс

Старшие братья Ethernet, как Gigabit Ethernet, уже используют все 4 пары кабеля одновременно, и делают это в двух направлениях сразу — как говорить и слушать одновременно, не мешая друг другу.

Чтобы снизить частоту модуляции и повысить надежность, Gigabit Ethernet применяет пятиуровневое импульсно-амплитудное кодирование (PAM-5) — это как передавать два бита одним сигналом, и добавлять избыточность для исправления ошибок.

Вопросы и ответы: FAQ по Ethernet

Q: Что будет, если в сети слишком много коллизий?
A: Сеть тормозит, пакеты теряются, и нужно оптимизировать структуру, например, использовать мосты и коммутаторы для разделения доменов коллизий.

Q: Можно ли использовать витую пару длиннее 100 метров?
A: Теоретически можно, но риск пропустить коллизию и сбои растут. Лучше использовать повторители или оптику для больших расстояний.

Q: Чем мост отличается от маршрутизатора?
A: Мост работает на канальном уровне и использует MAC-адреса, маршрутизатор — на сетевом уровне с IP-адресами, обеспечивает более гибкую маршрутизацию и разделение сети.

Чек-лист по построению Ethernet-сети

• [ ] Выбрана подходящая среда передачи (коаксиал, витая пара, оптика)
• [ ] Максимальная длина сегмента не превышена
• [ ] Количество повторителей/концентраторов соответствует правилам (5-4-3 или 4-х хабов)
• [ ] Используются мосты или коммутаторы для локализации трафика
• [ ] Учтено время оборота сигнала и межкадровый интервал
• [ ] Устройства поддерживают нужные стандарты (10Base-T, Gigabit Ethernet и т.д.)
• [ ] Минимальный размер кадра — 64 байта соблюдён
• [ ] Параметры кабеля и подключений проверены (например, правильное использование пар витой пары)

Советы для сетевого мастера

• Не бойтесь использовать мосты и коммутаторы — они повышают безопасность сети.
• Следите за правильной топологией — петли с концентраторами строго запрещены!
• При модернизации сети учитывайте возможность использования свободных пар кабеля для будущих нужд.
• Не забывайте обновлять оборудование, чтобы поддерживать современные стандарты и скорости передачи данных.

Вот теперь вы вооружены знаниями и готовы стать героем любой сетевой битвы. Помните, Ethernet — это живой организм, который нуждается в заботе, порядке и умной архитектуре. А с этими знаниями ваша сеть будет работать, как часы... или даже лучше!