Ethernet: Mala poslovna mreža

Za "malu poslovnu mrežu" potrebni su nam jedan Ethernet Switch, onoliko LAN kablova koliko računara povezujemo i naravno, PC računari sa instaliranim LAN kartama.

Da bismo napravili mrežu koja će raditi bez problema - potrebno je da poznajemo osnovne principe rada Ethernet mreže, ali i tehnička ograničenja samog Ethernet standarda umrežavanja.

Videćemo da pravljenje male Ethernet mreže nije komplikovan posao, dovoljno je nešto novca i početnička sreća, ali zaplet neminovno nastaje kada budemo hteli da našu »malu mrežu« proširimo. Jer, zadatak će u prvi mah biti povezivanje računara u jednoj kancelariji, pa zatim u susednim, dok na kraju ne stigne do svih radnih mesta unutar firme...

Ethernet sistem
Ethernet sistem se sastoji od tri osnovna elementa:
Fizičkog medija koji prenosi Ethernet signale između računara,
Skupa pravila kontrole pristupa mediju za svaki Ethernet interfejs,
Ethernet paket podataka koji sadrži standardizovani set digitalnih informacija koji prenose podatke kroz sistem.

Šta sve ovo znači?
Fizički medijum je najčešće bakarni provodnik, pravila kontrole pristupa obezbeđuju red i mir u mreži, a Ethernet paket je informacija koja putuje mrežom.
Pošto smu obradili razne vrste i klase fizičkih medijuma preostaje nam da pogledamo kako se održava  red u Ethernet mreži i kako Ethernet  mreža funkcioniše.Kako radi Ethernet?

Svaki računar sa Ethernet adapterom radi nezavisno od drugih računara u mreži: nema centralnog kontrolera. Svi računari  priključeni u Ethernet dele sistem signalizacije. Da bi poslao podatke računar  prvo osluškuje kanal i kada je kanal slobodan prenosi podatke u formi Ethernet paketa. Posle svakog prenosa paketa, svi računari moraju podjednako da se kvalifikuju za pravo sledećeg prenosa. Ovo obezbeđuje da je pristup mrežnom kanalu fer i da ni jedna mrežna stanica svojim radom ne blokira druge stanice. Pristup deljenom kanalu je određen “kontrolom pristupa medijumu” (MAC) unutar Ethernet interfejsa u svakom računaru. MAC mehanizam je baziran na sistemu pod nazivom:
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).

CSMA/CD protokol

CSMA/CD protokol radi na način sličan razgovoru u mračnoj sobi: svi oko stola moraju da slušaju pre nego progovore (Carrier Sence). Onog trenutka kada nastane pauza svi imaju podjednake šanse da nešto kažu (Multiple Access). Ako dvoje počnu sa pričom, to treba istog trenutka da shvate i stanu (Collision Detect). Prevedeno na Ethernet terminologiju, svaki interfejs mora da sačeka dok na kanalu ne bude signala i tada može da počne sa prenosom. Ako neki drugi interfejs u tom trenutku prenosi podatke, na kanalu postoji signal koji se zove nosilac (Carrier). Svi ostali interfejsi pre nego počnu sa prenosom moraju da čekaju da nosilac nestane.

Svi Ethernet interfejsi imaju jednaku mogućnost prenosa paketa po mreži. Ni jedan nema prioritet u odnosu na druge. Kako je signalima potrebno konačno vreme da pređu sa kraja na kraj Ethernet sistema, prvi biti Ethernet paketa stižu u različite delove mreže u različito vreme. Tako je moguće da dva interfejsa primete da je kanal slobodan i počnu da prenose pakete u isto vreme. U ovakvom slučaju, Ethernet sistem ima definisan način da primeti koliziju, prekine i ponovi prenos, što se naziva detekcijom kolizije.

CSMA/CD protokol je projektovan da obezbedi ravnopravan pristup deljenom kanalu tako da sve stanice imaju šansu da koriste mrežu. Posle prenosa pojedinog paketa sve stanice koriste CSMA/CD protokol da odrede koja od njih će sledeća da zauzme Ethernet kanal.

Mali Ethernet rečnik
Hab (engleski: Hub, preciznije: Repeater Hub)
Hab je uređaj za priključenje više LAN kablova. Hab najčešće ima 8, 16 ili 24 priključaka. Ako bilo koja konekcija na Hubu pravi probleme ostatku mreže, hub može da je isključi sa mreže (»partcionira«) i omogući nesmetani rad ostalim čvorovima u mreži.

Transiver (Tranceiver)
Drugo ime za Transivere je Media Attacment Unit (ili kraće MAU) i koriste se za povezivanje čvorova mreže na razne Ethernet medije. Transiveri omogućavaju priključenje 10base-T i 10base-2 kablova sa jedne strane na 15 pinski D konektor poznatiji kao AUI (Application User Interface), sa druge strane.

Ripiter (Repeater)
Ripiter se koristi pri povezivanju dva ili više Ethernet segmenta na bilo koji medijum. Mogu se koristiti za povećanje broja čvoraova i produženje segmenata preko svoje maksimalne dužine, jer popravljaju kvalitet signala. Takođe se koriste za povezivanje raznorodnih Ethernet segmenata u jedan veći segment. Ripiter se računa kao čvor mreže u svakom segmentu na koji je priključen.

Bridž (Bridge)
Zadatak Bridža je da poveže dve razdvojene Ethernet mreže. Bridž mapira (prevodi) Ethernet adrese čvorova koji se nalaze u svim mrežama koje povezuje i tako omogućava da iz mreže u mrežu teče samo potreban saobraćaj. Bridž takođe može da filtrira saobraćaj i spreči da neki paketi pređu iz jednu u drugu mrežu.
Kada paket podataka stigne do Bridža, bridž određuje odredište i izvor podatka. Ako je segment isti, paket se »odbacuje« (filtrira), a ako su segmenti različiti - paket se preusmerava (forward) na traženi segment. Takođe, bridž sprečava da se mrežom šire neispravni i oštećeni paketi.
Bridž se naziva »sačuvaj-i-prosledi« uređajem, jer gleda ceo Ethernet paket pre nego što donesu odluku o odbacivanju ili prosleđivanju paketa.

Svič (Switch)
Ethernet svič je bridž koji može da poveže više segmenata.
Zadatak mu je da ukloni sav nepotrebni saobraćaj sa svakog segmenta tako što prosleđuje samo potrebne pakete za pojedini segment, što značajno popravlja performansu mreže.

Ruter (Router)
Ruteri rade slično bridževima i svičevima tako što filtriraju saobraćaj na mreži. Međutim, ne rade po adresi paketa već po specifičnom protokolu.
IP ruter može da podeli mrežu na više podmreža tako da samo saobraćaj upućen za određenu IP adresu prolazi između segmenata. Cena za ovakvo inteligentno prosleđivanje i filtriranje se prenosi na brzinu mreže, jer su protokol filtri dosta sporiji od paket filtera.

Sudari u mreži - Kolizije

Ako se desi da više od jedne mrežne stanice prenosi podatke po Ethernet kanalu u istom trenutku, tada kažemo da se signali ”sudaraju”. Mrežne stanice detektuju ovakav događaj i istog trenutka menjaju svoj vremenski raspored prenosa koristeći poseban algoritam. Kao deo algoritma, stanice biraju slučajan period vremena posle koga pokušavaju da ponove prenos, čime se sprečava ciklično izlaženje na kanal.

"Kolizija" je ne baš srećno izabran termin za način kontrole pristupa medijumu, jer zvuči kao da se nešto "loše" dogodilo i time dovodi ljude u poziciju da misle da su kolizije indikacija pogrešnog rada mreže.

Istina je da su kolizije potpuno normalni i očekivani događaji na Ethernetu i prosto rečeno - indiciraju da CSMA/CD protokol radi. Kako se dodaje još mrežnih stanica, tako raste i broj kolizija kao normalan način rada Ethernet sistema.

Dizajn sistema obezbeđuje da se većina kolizija na Ethernetu koji nije preopterećen razrešava veoma brzo - u mikrosekundama. Normalna kolizija ne izaziva gubitak podataka. U slučaju kolizije Ethernet čeka neki broj mikrosekundi i tada automatski ponavlja prenos podataka.

Na mrežama sa velikim opterećenjem može se desiti da dođe do višestrukih kolizija prilikom pokušaja prenosa paketa. Ovo je normalno ponašanje i stanice u tom slučaju počinju da proširuju svoj niz vremena čekanja, po principu slučajnog odabira.

Ponovljene kolizije za dati paket indiciraju zauzetu mrežu. Proširenje vremena čekanja obezbeđuje stanicama automatski metod za prilagođavanje prometu na mreži. Tek posle 16 uzastopnih bezuspešnih pokušaja (kolizija) stanica odbacuje Ethernet paket. Ovo se dešava ako je kanal trajno preopterećen ili fizički prekinut.

Prenos podataka metodom najboljeg pokušaja

Ovo nas dovodi do interesantne tačke, koja znači da Ethernet kao i još neke mrežne tehnologije, radi po principu "najboljeg pokušaja". Da bi se složenost  i cena LAN mreže zadržala na razumnom nivou, ne daje se garancija pouzdanosti prenosa.

Iako se nivo grešaka pri prenosu LAN kanala pažljivo projektuje, greške ipak nastaju.

Do gubitka paketa može doći, na primer, usled impulsne električne smetnje ili usled dugotrajnog preopterećenja LAN mreže. Bez obzira na tehnologiju, ni jedna LAN mreža nije savršena, zbog čega se korekcija grešaka obavlja unutar protokola viših slojeva mrežnog softvera (na primer, unutar TCP/IP-ja).

Viši protokoli obezbeđuju da se prenos podataka korektno obavlja. Pouzdani prenos se postiže uvođenjem brojeva sekvenci prenosa i potvrdom prijema u okviru viših protokola.

Ethernet paket i Ethernet adrese

Srce Ethernet sistema je Ethernet paket koji se koristi za prenos podataka između računara. Paket se sastoji od niza bita organizovnih u više polja. Polja sadrže adrese, podatke promenljive dužine (od 46 do 1.500 bajta), i polje za proveru greške, odnosno proveru integriteta bita u paketu.

Prva dva polja u paketu su 48-bitne adrese, koje se nazivaju odredišna i izvorna adresa. IEEE kontroliše dodelu ovih adresa tako što administrira 24-bitska adresna područja. 48-bitska adresa se naziva i fizičkom adresom, odnosno MAC adresom.

Svakom Ethernet interfejsu se tokom proizvodnje dodeljuje jedinstvena 48-bitska adresa, što značajno olakšava podešavanje i rad mreže.

Kako se svaki Ethernet paket šalje po deljenom kanalu, svi Ethernet interfejsi gledaju prvo, 48-bitsko, polje paketa koje sadrži odredišnu adresu. Interfejsi porede odredišnu adresu sa svojom adresom i ako se one slažu prelazi se na čitanje celog paketa i prenosa ka mrežnom softveru. Svi drugi mrežni interfejsi prestaju sa čitanjem paketa kada primete da se odredišna adresa paketa ne slaže sa njihovom adresom.

Multicast i Broadcast adrese

Multicast adrese omogućavaju grupi računara da prime isti Ethernet paket. Mrežni softver može podesiti Ethernet adapter tako da osluškuje određene Multicast adrese. Ovim je moguće da se podesi grupa stanica kao Multicast grupa sa određenom Multicast adresom.

Specijalni slučaj Multicast adrese je Broadcast adresa, koja je 48-bitska adresa sastavljena samo od binarnih jedinica (111111...). Svi Ethernet adapteri koji vide paket sa ovakvom adresom čitaju ga i prosleđuju nadređenom mrežnom softveru.

ARP protokol

Rad ARP-a je jednostavan. Neka IP stanica "A" ima TCP/IP adresu 192.168.1.1 i želi da pošalje podatke preko Ethernet kanala drugoj IP stanici "B" sa adresom 192.168.1.2. Stanica "A" šalje paket na Broadcast adresu sa ARP zahtevom. ARP u osnovi govori: "Hoće li stanica na ovom Ethernet kanalu sa adresom 192.168.1.2 da mi kaže svoju Ethernet adresu?".

Kako se ARP upiti šalju unutar Broadcast paketa, svaki Ethernet interfejs je čita i prepušta zahtev ARP softveru na dalju obradu. Samo će stanica "B" odgovoriti na upit, slanjem paketa sa svojom Ethernet adresom.

Ethernet sistem može da nosi više različitih vrsti protokola. Na primer, isti Ethernet može da nosi TCP/IP i istovremeno Novell i NetBEUI. Ethernet je prosto noseći mehanizam koji prenosi pakete podataka između računara i ne mari šta se u njima nalazi.

Topologija sistema i vreme prostiranja signala po mediju

Kada se dođe do načina na koji signal putuje preko niza medija segmenata koji čine Ethernet sistem, potrebno je da se razume topologija sistema. Topologija signala, ili logička topologija se razlikuje od stvarne fizičke topologije ožičenja.

Logička topologija Etherneta daje jedinstven kanal (ili Bus) koji prenosi Ethernet signale do svih stanica.

Višestruki Ethernet segmenti se mogu povezati u formu velike Ethernet LAN mreže pomoću uređaja koji vrše pojačanje i korekciju vremena prostiranja - pod nazivom Repeater (ripiter). Upotrebom ripitera, Ethernet sistem može da raste u formi "stabla bez korena". Ovo znači da je svaki medija segment pojedinačna grana ukupnog sistema. Iako se može desiti da medija segmenti budu fizički povezani u formi zvezde, sa više segmenata prikačenih na ripiter, logička struktura je ista kao i kod jedinstvenog Ethernet kanala koji sprovodi signale do svih stanica.

"Stablo" je samo formalni naziv za ovakve sisteme, i tipični dizajn mreže je u stvari kompleksno nadovezivanje mrežnih segmenata.

"Bez korena" znači da krajnji sistem povezanih segmenata može rasti u bilo kom pravcu i nema određen početni segment. Još važnije, segmenti se nikada ne smeju povezati u petlju. Svaki segment mora da ima dva kraja, Ethernet ne radi ispravno u slučaju zatvorenih putanja.


Slika 1. Topologija Ethernet signala

Slika prikazuje više segmenata povezanih ripiterima i priključenih na mrežne stanice. Signal poslat sa bilo koje stanice putuje preko izvornog segmenta i pojačava se i ponavlja na svim drugim segmentima. Ovako se signal prostire do svih stanica na istom Ethernet kanalu.

Fizička struktura može da ima oblik Busa ili zvezde. Suština je, da ma kako se povežu segmenti, postoji jedan kanal koji dostavlja pakete do svih stanica unutar Ethernet LAN-a.

Proširenje Etherneta pomoću Hub uređaja

Ethernet je dizajniran tako da može da bude lako proširiv, da bi se prilagodio potrebama mreže unutar određenog objekta. Da bi se proširili Ethernet sistemi, proizvođači mrežne opreme prodaju uređaje koji obezbeđuju višestruke Ethernet priključke. Ovi uređaji se nazivaju Hubovima.

Postoje dve osnovne vrste Hub uređaja: Repeater i Switch.  Svaki port Repeater Huba povezuje međusobno individualne Ethernet medija segmente da bi se formirala veća mreža koja radi kao jedinstven LAN.
Switching Hub obezbeđuje dinamičku distribuciju paketa, slično formi rada Bridge uređaja.

Važno je uočiti da svaki port Switcha obezbeđuje konekciju ka Ethernet medija sistemu koji radi kao nezavisni - odvojeni LAN. Za razliku od običnog (Repeater) Huba, čiji portovi kombinuju segmente u jedan veliki LAN, Switch daje mogućnost podele grupa Ethernet medija sistema u višestruke LAN mreže koje su povezane paket-switching elektronikom u Switching Hubu. Proračun vremena propagacije LAN mreže se završava na portu Ethernet Switcha. Time se stvara mogućnost za povezivanje velikog broja individualnih LAN mreža.

Ethernet LAN se sastoji od kablovskog segmenta koji povezuje neki broj računara, ili se sastoji od Repeater Huba koji povezuje više medija segmenata. Kompletne LAN mreže se mogu međusobno povezati u proširenu formu pomoću paket Switching Huba, čime se dolazi do mreže koja povezuje i više hiljada računara.

Nekada i sada

Iz prethodnog opisa rada Ethernet sistema videli smo da je za konstrukciju Ethernet mreže minimalno potrebno da obezbedimo da karakteristike opreme i prenosnog medijuma (najčešće UTP kabl) budu unutar standarda. U složenijim slučajevima treba da obavimo i komplikovan proračun vremena prostiranja signala, vremena između paketa, kao i analizu »najgore« trase. Suština ovakvih proračuna je da se obezbedi ispravan rad Ethernet mreže, a to je da se »kolizije« reše tokom prenosa prvih 64 bita Ethernet paketa.

Do skora su primenjivala takozvana »5-4-3« pravila, koja znače da Ethernet mreža ne sme da ima više od 5 redno vezanih kablovskih segmenata, povezana sa do 4 ripitera (pojačivača signala) i najviše 3 kablovska segmenta u kojima su priključeni računari (putem svojih mrežnih karti).

Ovo se sve odnosi na više segmente Ethernet mreže građene pomoću Ripitera i Hubova, a dobra vest je da primena Ethernet Switch uređaja značajno olakšava projektovanje Ethernet mreže - jer se kolizioni domen (CSMA/CD) završava na priključku Switcha.

Kako su cene Ethernet Switcheva danas postale uporedive sa cenom Ethernet Hub uređaja, ceo proračun postaje nepotreban. Sve što nam treba je centralni Switch, na koji se zvezdasto vezuju postojeći PC-ji i Ethernet (ripiter) Hubovi.

Dužine kablova

Ipak, postoje tehnička ograničenja koja moramo da poštujemo, a to je maksimalna dužina kabla zavisno od tipa mreže.

Za najrasprostranjenije UTP mreže tipa 10base-T i 100base-TX to je do 100 metara, pri čemu, na primer segmenti sa optičkim kablom (100base-FX) mogu da budu dugački i 400 m.

Za malu poslovnu mrežu treba da obezbedimo da ni jedna pojedina kablovska trasa nije duža od 90 -100 m. Najveći raspon ovakve mreže u slučaju idealne pravolinijske veze je nešto manji od 200 m.

Ako nam ipak treba duža trasa, potrebno je da uvedemo dodatni Ethernet Switch (ili Hub), tako da u idealnom slučaju sa dva Ethernet uređaja možemo da pokrijemo prostor dužine i do 300 m (što više ni po čemu nije »mala« mreža).


Treba biti oprezan pri »razvlačenju« mreže do graničnih vrednosti dužine kablova. Sve specifikacije su date za instalacione kablove sa krutim žicama, koji na žalost nisu pogodni za vezivanje (krimpovanje) muških RJ45 konektora. Ako kabliranje radimo fleksibilnim (licnastim) kablom, treba da znamo da su njegove karakteristike po pitanju prenosa signala i 20% lošije od krutog kabla iste kategorije...

Puštanje u rad

Mreža se pušta u rad tako što se PC računari povežu svojim UTP kablovima sa Ethernet Switchem i podese parametri mreže.

Ethernet Switch za svaki priključak ima LED diodu koje zelenom bojom pokazuje da su kabl i računar ispravno povezani. Uređaj je malih dimenzija (cca 15 x 10 x 3 cm) i uz par šrafova i tiplova može se montirati na zid.

Međutim, 10/100 uređaji ne mogu jednom LED diodom da označe sva stanja na priključku. Najčešće se primenjuje sledeća konvencija:
- Svetli zelena dioda – port radi na 100 Mbps
- Svetli žuta dioda – port radi na 10 Mbps
- Žuta dioda trepće – port je isključen zbog greške
- Ni jedna dioda ne svetli – veza nije ispravna (treba proveriti kabl i uređaj na drugom kraju)

Pri povezivanju dva Switcha i Huba potrebno je da se povezivanje obavi putem posebno obeleženog »Uplink« porta ili ako ga ni jedan uređaj nema – putem ukrštenog (Crossover) kabla.

Zaključak

Videli smo da za 100 - 150 evra možemo da napravimo 100 Mbps mrežu koja povezuje 5-6 računara u par susednih soba. Po principu »koliko para toliko muzike«, opisano rešenje ima i jedan bitan nedostatak: kablovi su fizički nezaštićeni i time podložni raznim mehaničkim oštećenjima. Pošto su pravljeni po meri, u slučaju prekida potrebno je da se opet izrade po meri - što može da potraje. Zbog toga ne bi bilo loše predvideti jedan kabl dužine 20-30 m - za rezervu.

Složenija i skuplja rešenja podrazumevaju ugradnju (krutih) instalacionih kablova u posebne plastične i metalne kanalske kutije, terminiranje trasa ženskim konektorima sa minimalnim raspredanjem parica i spajanje opreme fleksibilnim prespojnim (Patch) kablovima. Oprema se smešta u metalne ormane, konektori se u ormanu organizuju u prespojna polja, a u blizini računara i servera se postavljaju LAN priključne kutije. Prespojni kablovi u ormanu su dužine do 1 m, a od priključne kutije do računara 3-4 m.

Međutim, ovo je deo još veće priče o Ethernet mrežama – radi se o standardu strukturnog kabliranja - ANSI/TIA/EIA-568-A, odnosno o načinu kako se prave "veće LAN mreže".

Mali Ethernet rečnik
Hab (engleski: Hub, preciznije: Repeater Hub)
Hab je uređaj za priključenje više LAN kablova. Hab najčešće ima 8, 16 ili 24 priključaka. Ako bilo koja konekcija na Hubu pravi probleme ostatku mreže, hub može da je isključi sa mreže (»partcionira«) i omogući nesmetani rad ostalim čvorovima u mreži.

Transiver (Tranceiver)
Drugo ime za Transivere je Media Attacment Unit (ili kraće MAU) i koriste se za povezivanje čvorova mreže na razne Ethernet medije. Transiveri omogućavaju priključenje 10base-T i 10base-2 kablova sa jedne strane na 15 pinski D konektor poznatiji kao AUI (Application User Interface), sa druge strane.

Ripiter (Repeater)
Ripiter se koristi pri povezivanju dva ili više Ethernet segmenta na bilo koji medijum. Mogu se koristiti za povećanje broja čvoraova i produženje segmenata preko svoje maksimalne dužine, jer popravljaju kvalitet signala. Takođe se koriste za povezivanje raznorodnih Ethernet segmenata u jedan veći segment. Ripiter se računa kao čvor mreže u svakom segmentu na koji je priključen.

Bridž (Bridge)
Zadatak Bridža je da poveže dve razdvojene Ethernet mreže. Bridž mapira (prevodi) Ethernet adrese čvorova koji se nalaze u svim mrežama koje povezuje i tako omogućava da iz mreže u mrežu teče samo potreban saobraćaj. Bridž takođe može da filtrira saobraćaj i spreči da neki paketi pređu iz jednu u drugu mrežu.
Kada paket podataka stigne do Bridža, bridž određuje odredište i izvor podatka. Ako je segment isti, paket se »odbacuje« (filtrira), a ako su segmenti različiti - paket se preusmerava (forward) na traženi segment. Takođe, bridž sprečava da se mrežom šire neispravni i oštećeni paketi.
Bridž se naziva »sačuvaj-i-prosledi« uređajem, jer gleda ceo Ethernet paket pre nego što donesu odluku o odbacivanju ili prosleđivanju paketa.

Svič (Switch)
Ethernet svič je bridž koji može da poveže više segmenata.
Zadatak mu je da ukloni sav nepotrebni saobraćaj sa svakog segmenta tako što prosleđuje samo potrebne pakete za pojedini segment, što značajno popravlja performansu mreže.

Ruter (Router)
Ruteri rade slično bridževima i svičevima tako što filtriraju saobraćaj na mreži. Međutim, ne rade po adresi paketa već po specifičnom protokolu.
IP ruter može da podeli mrežu na više podmreža tako da samo saobraćaj upućen za određenu IP adresu prolazi između segmenata. Cena za ovakvo inteligentno prosleđivanje i filtriranje se prenosi na brzinu mreže, jer su protokol filtri dosta sporiji od paket filtera.