История развития технологии Ethernet

УДК 681.1

Прошин А.А., Горячев Н.В., Юрков Н.К.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ETHERNET

Статья описывает зарождение и развитие технологии Ethernet. Дана краткая историческая справка о людях, стоящих у истоков технологии, подробно описана главная предшествующая технология Token Ring, рассказано о проблемах, возникающих на пути становления Ethernet как главной сетевой технологии, а также о путях и способах их решения. В заключении перечислены ступени эволюции Ethernet с описанием технологического превосходства каждой из них перед предыдущими Ключевые слова:

Сеть, технология, Token Ring, Ethernet, эфир, Меткольф, кабель, фрейм, MAC-адрес, хаб, свитч

Технология Ethernet на сегодняшний день является основополагающей с точки зрения компьютерных сетей. Это самая стандартная сеть, которой все мы пользуемся, но подавляющее большинство людей знает о ней катастрофически мало. Стоит исправить это недоразумение и в рамках данной статьи поговорить об этом чуде инженерной мысли.

Компьютерные сети начали активно развиваться с середины прошлого столетия и стандартов, определяющих принципы соединения нескольких вычислительных машин для той или иной цели, существует великое множество. Одним из самых молодых из них является всем известная технология Ethernet. На сегодняшний день роль технологии Ethernet в популяризации компьютерных сетей трудно переоценить. Было время, когда рядовой человек, не связанный с компьютерным бизнесом или научной работой, вообще не имел представления о компьютерной сети, а сегодня сетевой кабель приходит чуть ли не в каждую квартиру.

Истоки

В 197 3 году, в Пало-Альто, штат Калифорния, в лаборатории компании Xerox работала большая исследовательская группа, возглавляемая Робертом Меткольфом. Он собирался защитить докторскую диссертацию, и его работа строилась на технологии передачи данных по проводам, которые он называл таким физическим понятием, как эфир (рис. 1). По сей день на телевидении или радио говорят, что в эфире такая-то программа, подразумевая, что вы смотрите теле- или радиопередачу, которая доносится до вас в виде сигнала, распространяющегося в этом самом эфире.

Зл поле

(,Ъысокая скорость дбижения!

Рисунок 1 - Схематичное представление эфира

Концепцию эфира еще в XVII веке предложил Рене Декарт, но в конце XIX века физики зашли в тупик с этой теорией и решили от нее отказаться вообще, признав электромагнитное поле самодостаточным физическим объектом, который вообще не требует никакого носителя.

Тем не менее пассивная среда распространения электромагнитных волн пару веков называлась эфиром, что по-английски «ether» и, так как кабель вполне можно назвать средой распространения электромагнитных волн, именно его Меткольф и называл эфиром. Компьютерную же сеть, работающую на базе проводов, Меткольф логично назвал эфирной сетью, что в переводе на английский «Ethernet».

Предшественник

В то время основным стандартом компьютерных сетей был Token Ring (рис. 2). Суть этой технологии заключается в том, что, условно говоря,

данные «бегают» в сети по замкнутому кругу, «бегают» все время. И каждый кадр, летающий в этом кольце, имеет token, равный нулю. В момент, когда компьютер хочет передать данные другой машине, он записывает в доступный ему в данный момент фрейм некую информацию и помечает token. Данные продолжают лететь по кругу и принимаются каждым следующим компьютером в сети. Если компьютер видит, что прилетели данные, предназначенные не ему, он передает их дальше, следующей машине в круге. Если же машина видит, что данные предназначаются ей, она их себе копирует и заменяет значение token-а обратно на ноль. Когда этот фрейм по кругу снова придет к той машине, которая его отправляла, она увидит, что token стал нулем, а это значит, что компьютер, которому предназначались данные, успешно их получил, так что фрейм можно очистить и вернуть в сеть для дальнейшего использования.

Рисунок 2 - Схема технологии Token Ring

Таким образом, Token Ring можно представить, как большой конвейер по выдаче багажа в аэропорту. Кто-то положил на ленту сумку и ждет. Люди, которые видят эту сумку, не трогают ее, если она им не принадлежит. Наконец, кто-то узнает свою сумку и забирает ее себе. Человек, положивший сумку на конвейер, снова видит доехавший до него сегмент транспортной ленты и, обнаружив, что сумка там уже не лежит, решает, что законный владелец узнал ее и забрал, так что все в порядке. Но на физическом уровне пример с транспортной лентой не годится, потому что на самом деле каждая машина получает фрейм, анализирует его на предмет адреса доставки и, если не признает себя адресатом, то отправляет пакет дальше. То есть каждая машина в сети проделывает достаточно большую работу по распознаванию своего «багажа», вскрывая каждую такую «сумку».

Рассвет и проблематика

В предлагаемом новом стандарте Ethernet предполагалось объединить все компьютеры единым кабелем, который подключался бы к каждому компьютеру и работал бы как среда распространения сигналов, то есть все равно все компьютеры в сети получают абсолютно все данные, даже не предназначенные для них, но принципиальное отличие в том, что сетевой адаптер аппаратно анализирует заголовок каждого пакета, содержащий так называемый MAC-адрес узла назначения. Если этот MAC-адрес совпадает с MAC-адресом, вшитым в сетевую плату, которая анализирует пакет, очевидно, что пакет предназначен именно ей, или точнее компьютеру, в котором она установлена. И только в этом

случае она прерывает центральный процессор, передавая системе фрейм. Во всех остальных случаях сетевая карта вообще не беспокоит компьютер, попросту отбрасывая чужой пакет, так что производительность системы затрагивается только полезной работой.

Но по-прежнему получается, что, если такой единый коаксиальный кабель, которым объединены все сетевые карты в сети, оказывается поврежден в каком-то одном месте, вся сеть распадается на два сегмента. Кроме того, по умолчанию все компьютеры лишь «слушают» эфир, другими словами ждут появления сигнала в кабеле. Но, если кто-то хочет что-то «сказать», и в это же самое время еще какой-то компьютер хочет послать в сеть информацию, в эфире получается неразбериха, так называемая «коллизия», некорректный пакет, который придется отбросить и попросить компьютер отправить его заново. Это сильно сказывается на производительности сети, не говоря уж о том, что, так как кабель один, пропускную способность все машины делят между собой. Чем больше машин в сети, тем больше вероятность коллизий. Инсталляция в офисе большой Ethernet-сети с единым кабелем это, в принципе очень сложная задача, особенно на фоне того, как телефонные сети подключают каждый телефон отдельным двужильным витый кабелем, так называемой «витой парой».

Такие телефонные кабельные системы на витой паре зачастую закладываются в здание еще на стадии постройки, так что арендовавшей офис компании нужно было бы лишь включить телефоны в розетки, а затем в некоей центральной комнате установить мини-АТС. Стало очевидно, что лучшим, упрощающим внедрение Ethernet решением, могло бы стать некое централизованное устройство, к которому каждый компьютер в сети подключался бы отдельно. В качестве центрального устройства должен был выступать некий агрегат, подобно АТС, содержащий несколько Ethernet-портов. Так на свет появился Ethernet-хаб.

Разделение

Изначально это устройство работало фактически как простой электрический тройник. Кстати, сам Меткольф к 1978 году решил оставить Xerox и основать свою собственную компанию, которая вплотную бы занялась коммерческим внедрением Ethernet. Он основал компанию «3Com», которая и наладила производство таких Ethernet-хабов в промышленных масштабах.

Хабы существенно упростили процесс внедрения Ethernet, позволяя использовать существующую витую пару для организации компьютерной сети. Но, хоть Ethernet и стал древовидным, по сути это был все тот же единый кабель, где все компьютеры электрически соединены между собой, а это значит, что проблема коллизий никуда не делась. При этом было очевидно, что часть задачи уже решена, ведь теперь компьютеры по сути не соединены между собой, они все подключены в центральный хаб, который транслирует общий сетевой шум каждому из них.

Спрашивается, а зачем он это делает? И что, если научить хаб отдавать каждой сетевой карте только те пакеты, которые предназначены именно для нее? Выяснить, на каком порту какая сетевая

Рисунок 3 - Коннектор 8P8C (

карта находится совсем не трудно, ведь кроме MAC-адреса конечного адресата в каждом Ethernet-фрейме есть и MAC-адрес отправителя, чтобы было ясно, куда потом адресат должен слать ответ. Так и поступили, добавили хабу немного «мозгов», научив его действовать следующим образом. Когда на какой-то его порт приходит некий пакет, он смотрит MAC-адрес отправителя и запоминает, что некий компьютер с сетевой платой с этим MAC-адресом «живет» на этом порту. Полученный пакет он все так же бросает всем участникам сети. В результате, пакет доходит до адресата и тот отвечает на запрос. Таким образом хаб узнает тот порт, где находится адресат и больше разбрасывать пакеты по всем портам ему не нужно. Каждый следующий пакет для этого адресата будет отправлен уже только в тот Ethernet-порт, где засветился искомый MAC-адрес и, когда придет ответ на этот запрос, хаб сразу отдаст его только в порт изначального отправителя, потому что он запомнил его MAC еще во время первого запроса.

Такие умные хабы стали называть Switching Hub, или просто «свитч», то есть хаб с функцией переключения пакетов. Количество MAC-адресов на каждом порту, разумеется, может отличаться от единицы, потому что в порт может быть включен не только конечный компьютер, но и еще один или несколько свитчей, а значит MAC-ов на одном порту могут быть и десятки, и сотни, и даже тысячи, Но главное, что пакеты, предназначенные для любого из этих MAC-ов, будут отправляться только в этот порт, а остальные подключенные к сети компьютеры, могут «спать спокойно», они будут получать чужие пакеты только тогда, когда свитч еще не знает, на каком именно порту находится искомый MAC-адрес.

Использование свитчей искоренило такое явление как «большой домен коллизий», потому что теперь каждый компьютер индивидуально «общался» со своим портом коммутатора свитча и даже, если два компьютера посылали данные в сеть одновременно, свитч обрабатывал их индивидуально, не давая пересекаться. Таким образом, домен коллизий существовал только между портом свитча и сетевой картой компьютера. Он продолжал существовать, потому что двужильная витая пара по-прежнему использовалась для приема и передачи и, если свитч отправлял компьютеру пакет одновременно с тем, как компьютер отправлял пакет свитчу, все также возникала коллизия.

Решение этой проблемы пришло быстро. Достаточно было добавить еще одну пару жил, чтобы прием и передача велись по разным соединениям. В качество стандарта был принят восьмиконтактный коннектор 8P8C (рис. 3), который путают с коннектором RJ45 (рис. 3). И путают так давно и повсеместно, что вы уже нигде не встретите правильного названия 8P8C, но то, что называют RJ45 на самом деле именно 8P8C. Четыре витых пары в одном кабеле образуют восемь электрических соединений между свитчом и компьютером. Первая и вторая жилы передают информацию из компьютера в свитч, а третья и шестая жилы «слушают» ответ свитча. Проблема коллизий полностью исчезла. Именно в таком виде мы знаем Ethernet и по сей день.

К V

\

ва) и коннектор RJ45

Заключение

Разработанный в 1973 году Ethernet имел пропускную способность 2.94 Мбит. Датой рождения Ethernet принято считать 22 мая 1973 года, когда Меткольф впервые письменно употребил термин Ethernet.

В рамках компании 3Com Меткольфу удалось убедить таких гигантов как DEC, Intel и Xerox использовать в качестве стандартных сетей для своих продуктов именно Ethernet, в то время как Token Ring использовался практически только в продукции IBM.

Институт инженеров электроники и электротехники, который занимается стандартизацией технологий, поняв, что компьютерные сети требуется поскорее упорядочить, в феврале 1980 года организовал так называемый «Проект 802». Технология Ethernet получила номер стандарта IEEE 802.3, а технология Token Ring IEEE 802.5. Многие наверняка слышали, что беспроводная сеть, которая в

целом тоже относится к стандарту Ethernet, иногда называется 802.11b, 802.11g или 802.11n. Это и есть номера стандартов института IEEE, которые по-прежнему описывают очень динамично развивающиеся компьютерные сети.

Сам Ethernet к моменту получения номера 802.3 уже предлагал пропускную способность в 10 Мбит. К 1993 году он научился передавать данные по оптическому кабелю. В 1995 году новый стандарт 802.3u развил скорость в 100 Мбит, а в 1998 802.3z уже описал 1 Гбит/с. Несколько лет назад, в 2010 году, технология 802.3ba описала 100 Гбит-ный стандарт передачи данных, но он все еще не слишком распространен.

Кроме того, Ethernet обрастал и сопутствующими технологиями, вроде 802.3af, известный как Power over Ethernet (PoE), позволяющий передавать по Ethernet-кабелю не только данные, но и электричество для обеспечения работы подключаемого сетевого устройства. Наверняка, впереди эту технологию ждет еще много интересного.

ЛИТЕРАТУРА

1. Володин К.И. Информационная система сопровождения разработки встраиваемого программного обеспечения для беспроводных сенсорных сетей / К.И. Володин, А.И. Переходов // Надежность и качество сложных систем. 2015. № 1 (9). С. 85-90.

2. Брусникин М.С. Обнаружение точки подключения хоста в неуправляемой Ethernet сети / М.С. Брусникин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 261-262.

УДК 621.5.09: 621.22-56

Попов1 А.Н., Батраева2 И.А., Тетерин1 Д.П.

1АО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», Саратов, Россия

2ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского», Саратов, Россия

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К БОРТОВЫМ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫМ СРЕДСТВАМ ПЛАНИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ МАЛЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ВЕРТОЛЕТОВ

Предложена формализованная методика обоснования требований по назначению бортовых программно-аппаратных средств планирования траектории движения беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа Ключевые слова:

обоснования требований, требования по назначению, номенклатурный анализ, баллистиконавигационное обеспечение

Введение. Созданием и производством малых беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа взлетной массой до пятисот килограммов занимаются ведущие иностранные разработчики авиационной техники. Летательные аппараты указанного типа находят все более широкое применение при выполнении боевых, транспортных, поисково-спасательных и других специальных операций. Количество серийно выпускаемых беспилотных вертолетов гражданского и военного применения за рубежом с каждым годом многократно увеличивается.

В Российской Федерации беспилотные вертолеты рассматриваемого класса в настоящее время не производятся. Их разработка является проблемой федерального уровня, которая отнесена к разряду критических технологий государства и решается в рамках государственных оборонных программ. Успешное решение проблемы во многом зависит от степени совершенства отечественных бортовых систем управления, программно-аппаратные средства которых должны обеспечивать в т.ч. автономное планирование траектории движение летательного аппарата в режиме времени близком к реальному в зависимости от динамических характеристик вертолета, условий внешней среды и противодействия противника. Трудности обеспечения планирования траектории движения вертолетов до настоящего времени были связаны с ограниченными вычислительными ресурсами бортовых систем управления и недостаточной точностью применяемых методов бал-листиконавигационного обеспечения.

Разработке и совершенствованию методов и средств траекторного управления движением вертолетов посвящены труды российских ученых Бра-вермана А.С., Букова В.Н., Вайнтрауба А.П., Во-лодко А.М., Дмитриева И.С., Есаулова С.Ю., Кра-совского А.А., Михалева И.А., Петросяна Э.А., Саюрова В.Д., Пшихопова В.Х., Успенского О.В., Эрлиха И.А., Юрьева Б.Н. и др. Созданы и успешно

эксплуатируются пилотажные, пилотажно-навигаци-онные комплексы и системы управления для вертолетов с функциями автопилота [1-5] : САУ-3 2 (для вертолетов типа Ка-32), САУ-800 (Ка-52), САУ-62 (Ка-62), ПКВ-8 (Ми-8/17), ПКВ-171 (Ми-171), ПКВ-М24 (Ми-28Н, Ми-24ПН), ПКВ-26Д (Ми-26) и др.

За рубежом наибольших успехов в области разработки автопилотов для вертолетов добились компании Honeywell International Inc. (США), SAGEM (Франция), Genesys Aerosystems (США), Garmin International Inc. (США) и др. В области исследования методов планирования траектории движения вертолетов необходимо отметить работы ученых Amidi Omead и Mettler Bernard (Carnegie Mellon Universities, США), Chen Ben (National University of Singapore, Сингопур), Krainer Clemens (Paris-Lodron-Universitat Salzburg, Австрия), Lum Kai-Yew (National ChiNan University, Тайвань), Johnson Eric (Georgia Institute of Technology, США) и др .

Однако, несмотря на большой объем проводимых исследований, отечественные и зарубежные инженеры и конструкторы при создании малых беспилотных вертолетов (МБВ) в теоретическом плане вынуждены использовать методы и средства планирования траектории, созданные еще в прошлом веке. Эти методы и средства не позволяют автономно в режиме времени близком к реальному комплексно учитывать при планировании траектории динамические характеристики летательных аппаратов, условия внешней среды и противодействия противника. Поэтому научно-техническая задача совершенствования методического аппарата и создания специализированных бортовых средств автономного решения траекторных задач применительно к МБВ является актуальной.

В соответствие с действующими государственными стандартами на разработку авиационной техники разработка программно-аппаратных средств баллистиконавигационного обеспечения МБВ должна