Internetinio tinklo paketų perdavimas

Kaip viskas prasidėjo ir kodėl tai svarbu

Kai prisijungiate prie interneto namuose ar biure, greičiausiai naudojate interneto technologiją, net jei apie tai negalvojate. Tas mėlynas ar geltonas laidas, kyšantis iš jūsų kompiuterio į maršrutizatorių? Tai interneto kabelis. Bet kas iš tikrųjų vyksta tame laide, kai siunčiate el. laišką, žiūrite filmą ar naršote internete?

Interneto technologija gimė dar 1973 metais, kai Xerox PARC laboratorijoje dirbo inžinierius Bob Metcalfe. Jis ieškojo būdo, kaip sujungti kelis kompiuterius tarpusavyje, kad jie galėtų dalintis informacija. Idėja buvo paprasta – sukurti bendrą „magistralę”, kuria visi kompiuteriai galėtų siųsti duomenis. Tačiau įgyvendinimas buvo sudėtingesnis nei atrodė.

Pavadinimas” Internetas” kilo iš senovinio fizikos termino „ether” – kadaise mokslininkai manė, kad egzistuoja nematomoji medžiaga, kuria sklinda šviesa. Nors eterio teorija seniai paneigta, pavadinimas puikiai tiko technologijai, kuri „nematoma” perduoda duomenis tarp įrenginių.

Paketai – duomenų siuntiniai su adresu

Įsivaizduokite, kad norite nusiųsti draugui storą knygą paštu. Jūs neįkišite visos knygos į vieną voką – tai būtų per sunku ir nepatogu. Vietoj to, galite išplėšti puslapius ir išsiųsti juos mažesniais vokeliais, kiekviename nurodydami numerį, kad gavėjas žinotų, kokia tvarka juos sudėlioti.

Ethernet veikia panašiai. Kai jūsų kompiuteris nori išsiųsti duomenis – pavyzdžiui, užkrauti svetainę – jis nesiunčia visko vienu gabaliu. Vietoj to, informacija padalijama į mažus gabalėlius, vadinamus paketais. Kiekvienas paketas yra tarsi mažas vokelis su konkrečia informacija:

– Gavėjo MAC adresas – unikalus įrenginio identifikatorius (tarsi namų adresas)
– Siuntėjo MAC adresas – kad gavėjas žinotų, kam atsakyti
– Duomenys – tikrasis turinys (dalis svetainės kodo, vaizdo ar kitos informacijos)
– Kontrolinė suma – matematinis kodas, padedantis patikrinti, ar duomenys nepažeisti

Tipiškas Ethernet paketas gali būti nuo 64 iki 1518 baitų dydžio. Tai gali atrodyti nedaug, bet kai per sekundę siunčiami tūkstančiai ar net milijonai tokių paketų, galite perduoti milžinišką informacijos kiekį.

MAC adresai – kiekvieno įrenginio pirštų atspaudai

Kiekvienas įrenginys, galintis prisijungti prie Ethernet tinklo, turi unikalų MAC (Media Access Control) adresą. Tai 48 bitų numeris, paprastai užrašomas šešioliktaine sistema, atrodantis maždaug taip: 00:1A:2B:3C:4D:5E.

Šie adresai yra „įdegti” į tinklo plokštę gamykloje ir teoriškai turėtų būti unikalūs visame pasaulyje. Pirmieji trys baitai nurodo gamintoją (pavyzdžiui, Apple, Dell ar Intel), o likusieji trys – konkretų įrenginį. Tai tarsi automobilio numeris – niekas kitas neturėtų tokio paties.

Kai jūsų kompiuteris nori išsiųsti paketą, jis į paketo „voką” įrašo gavėjo MAC adresą. Bet kaip jis žino, koks tas adresas? Čia įsiterpia specialus protokolas, vadinamas ARP (Address Resolution Protocol). Jūsų kompiuteris iš esmės sušunka į tinklą: „Kas turi IP adresą 192.168.1.1?” Įrenginys su tuo IP atsako: „Tai aš, ir mano MAC adresas yra XX:XX:XX:XX:XX:XX.” Dabar jūsų kompiuteris žino, kur siųsti paketus.

Kaip paketai keliauja laidais

Ethernet kabelyje yra kelios varinės gyslelės, susuktos poromis. Kodėl susuktos? Tai sumažina elektromagnetinių trukdžių poveikį – kai gyslelės susuktos, trukdžiai veikia abi vienodai ir anuliuojasi. Protinga, ar ne?

Kai jūsų kompiuteris nori išsiųsti paketą, tinklo plokštė paverčia skaitmeninius duomenis (nulius ir vienetus) elektriniais signalais. Tai vyksta neįtikėtinu greičiu. Pavyzdžiui, Gigabit Ethernet perduoda 1 milijardą bitų per sekundę. Tai reiškia, kad kiekvienas bitas trunka tik vieną milijardinę sekundės dalį!

Signalai keliauja kabeliu šviesos greičio dalimi (maždaug 200 000 km/s varinėje laidoje). Nors tai skamba greitai, kai duomenys turi keliauti per kelis tinklo įrenginius ir didelius atstumus, pradeda kauptis vėlavimas, vadinamas latencija.

Moderniuose Ethernet tinkluose naudojama full-duplex technologija, kuri leidžia duomenims keliauti abiem kryptimis vienu metu – tarsi dviejų juostų greitkelis, kur automobiliai gali važiuoti į abi puses tuo pačiu metu. Senesnėse sistemose buvo naudojamas half-duplex režimas, kai duomenys galėjo keliauti tik viena kryptimi konkrečiu momentu.

Susidūrimai ir kaip jų išvengiama

Ankstyvose Ethernet versijose buvo didelė problema – susidūrimai. Įsivaizduokite kambarį, kuriame visi žmonės bando kalbėti vienu metu. Niekas nieko negirdi, tiesa? Tas pats vykdavo Ethernet tinkluose, kai keli kompiuteriai vienu metu bandydavo siųsti duomenis ta pačia linija.

Sprendimui buvo sukurtas CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) mechanizmas. Tai sudėtingas pavadinimas paprastam principui:

Carrier Sense – prieš siųsdamas, įrenginys „klauso”, ar linija laisva
Multiple Access – visi įrenginiai turi lygias teises naudotis linija
Collision Detection – jei du įrenginiai pradeda siųsti vienu metu, jie tai aptinka

Kai įvyksta susidūrimas, abu įrenginiai nustoja siųsti ir laukia atsitiktinį laiką prieš bandydami iš naujo. Tai tarsi du žmonės, kurie pradeda kalbėti vienu metu, sustoja ir vienas sako: „Tu pirmas”, o kitas: „Ne, tu pirmas.” Galiausiai vienas pradeda kalbėti, kol kitas laukia.

Šiuolaikiniuose tinkluose ši problema beveik išspręsta naudojant jungiklius (switches) vietoj senų koncentratorių (hubs). Jungikliai kuria atskirus „kelius” kiekvienai komunikacijai, todėl susidūrimai tampa labai reti arba visiškai neįmanomi.

Jungikliai – protingi eismo reguliuotojai

Ethernet jungiklis yra vienas protingiausių tinklo įrenginių. Kai jis gauna paketą, jis pasižiūri į gavėjo MAC adresą ir nusprendžia, per kurį prievadą tą paketą siųsti toliau. Kaip jis tai žino?

Jungiklis turi vidinę lentelę, kurioje saugo informaciją, kuris MAC adresas prijungtas prie kurio prievado. Šią lentelę jis sukuria automatiškai – kai paketas ateina per tam tikrą prievadą, jungiklis įsimena, kad siuntėjo MAC adresas yra būtent tame prievade. Tai vadinama „mokymusi” (learning).

Jei jungiklis dar nežino, kur yra gavėjo MAC adresas, jis elgiasi paprastai – siunčia paketą per visus prievadus (išskyrus tą, iš kurio paketas atėjo). Tai vadinama „flooding”. Skamba neefektyviai, bet tai vyksta tik pirmą kartą. Kai gavėjas atsako, jungiklis įsimena jo vietą ir daugiau nebefloods.

Pažangūs jungikliai gali dar daugiau – jie palaiko VLAN (Virtual LAN) technologiją, leidžiančią logiškai atskirti tinklą į segmentus, nors fiziškai visi prijungti prie to paties jungiklio. Tai naudinga saugumo ir našumo tikslais.

Greičiai ir standartai – nuo 10 iki 400 gigabitų

Ethernet technologija per dešimtmečius labai išsivystė. Pirmasis standartas, 10BASE-T, galėjo perduoti 10 megabitų per sekundę. Šiandien tai atrodo juokingai lėtai – jūsų išmanusis telefonas tikriausiai turi greitesnį Wi-Fi.

Štai kaip vystėsi Ethernet greičiai:

– 10 Mbps (10BASE-T) – 1980-ųjų pabaiga, pakako el. paštui ir tekstiniams failams
– 100 Mbps (Fast Ethernet) – 1995 m., jau galėjai dalintis vaizdais ir nedideliais video
– 1 Gbps (Gigabit Ethernet) – 1999 m., tapo standartu namų ir biurų tinkluose
– 10 Gbps – 2002 m., daugiausia duomenų centruose ir serverių kambariuose
– 40/100 Gbps – 2010 m., dideliems duomenų centrams
– 400 Gbps – 2017 m., naujausiems debesų kompiuterijos centrams

Kiekvienas greičio šuolis reikalavo naujų kabelių, jungiklių ir tinklo plokščių. Tačiau vienas nuostabių Ethernet privalumų – atgalinis suderinamumas. Galite prijungti seną 100 Mbps įrenginį prie naujo Gigabit jungiklio, ir jis veiks (nors ir lėčiau).

Kabelių kategorijos taip pat svarbu. Cat5e kabelis tinka iki 1 Gbps, Cat6 – iki 10 Gbps trumpais atstumais, o Cat6a ar Cat7 – iki 10 Gbps ilgais atstumais. Jei planuojate naują tinklo instaliaciją, verta investuoti į geresnius kabelius – jie tarnaus ilgiau ir palaikys greitesnes technologijas.

Optiniai kabeliai – kai varis nebepakanka

Variniai kabeliai turi fizinį ribojimą – signalai silpnėja, kai keliauja ilgais atstumais. Paprastai Ethernet kabelis veikia iki 100 metrų. Kas nutinka, jei reikia sujungti pastatus, esančius toliau?

Čia į pagalbą ateina šviesolaidiniai (optiniai) kabeliai. Vietoj elektros signalų, jie naudoja šviesos impulsus, keliaujancius per plonas stiklo ar plastiko gijas. Šviesa beveik nepatiria nuostolių ir gali keliauti kilometrų atstumus be sustiprinimo.

Optiniai kabeliai taip pat nejaučia elektromagnetinių trukdžių – galite juos tiesti šalia elektros laidų, ir jie veiks puikiai. Be to, jie saugesni – niekas negali „pasiklausyti” optinio kabelio nepažeisdamas jo fiziškai, o tai būtų pastebima.

Trūkumas? Kaina ir sudėtingumas. Optiniai kabeliai brangesni, o jų montavimas reikalauja specialių įrankių ir įgūdžių. Todėl namuose ar mažuose biuruose jie retai naudojami, bet dideli duomenų centrai ir telekomunikacijų tinklai be jų neįsivaizduojami.

Praktiniai patarimai ir kas verta žinoti

Jei kuriate ar tobulinat savo tinklą, štai keletas patarimų, kaip išspausti maksimalų našumą iš Ethernet:

Visada rinkitės laidinį ryšį svarbiausiems įrenginiams. Wi-Fi patogus, bet Ethernet vis dar greitesnis ir patikimesnis. Jūsų darbo kompiuteris, žaidimų konsolė ar Smart TV turėtų būti prijungti laidu, jei įmanoma.

Kabelių kokybė tikrai svarbu. Pigūs kabeliai iš didmenų parduotuvių gali būti blogai pagaminti – netinkamai susuktos gyslelės, blogi jungtys. Geriau investuoti keletą eurų daugiau ir gauti kokybišką Cat6 ar Cat6a kabelį, kuris tarnaus metus.

Netieskit kabelių greta elektros laidų ar fluorescencinių lempų. Nors šiuolaikiški kabeliai turi gerą ekranavimą, stiprūs elektromagnetiniai laukai vis tiek gali sukelti trukdžių. Jei privalote kirsti elektros laidą, darykite tai statmenai, ne lygiagrečiai.

Jungiklių išdėstymas svarbus didesniuose tinkluose. Geriau turėti keletą mažesnių jungiklių, strategiškai išdėstytų, nei vieną didelį, nuo kurio visi kabeliai veržiasi į visas puses. Tai sumažina kabelių ilgį ir pagerina patikimumą.

Stebėkite savo tinklo našumą. Daugelis šiuolaikiškų maršrutizatorių ir jungiklių turi statistikos funkcijas, rodančias, kiek duomenų perduodama, ar yra klaidų, kokie greičiai. Jei pastebite daug klaidų ar paketų praradimų, tai gali reikšti blogą kabelį ar gedusį įrenginį.

Power over Ethernet (PoE) – puiki technologija, jei montuojate IP kameras, belaidžio ryšio taškus ar VoIP telefonus. Vienas kabelis perduoda ir duomenis, ir elektrą – nereikia atskirų maitinimo laidų. Tiesa, jums reikės PoE palaikančio jungiklio ar inžektoriaus.

Ateitis jau čia, tik nelygiai paskirstyta

Ethernet technologija švenčia penkiasdešimtmetį, bet ji tikrai nemiršta. Priešingai – ji nuolat evoliucionuoja ir prisitaiko prie naujų poreikių. Naujausi standartai siekia 800 Gbps ir net terabitų per sekundę greičius. Tai sunku įsivaizduoti – galėtumėte perkelti visą Netflix filmų biblioteką per kelias minutes.

Tuo pačiu metu matome įdomų reiškinį – kai kuriose srityse Ethernet grįžta. Automobilių pramonė pradeda naudoti Ethernet autonominiams automobiliams – reikia perduoti milžiniškus duomenų kiekius iš daugybės jutiklių ir kamerų. Pramoninė automatika taip pat vis dažniau renkasi Ethernet vietoj senų specializuotų protokolų.

Namuose ir biuruose Wi-Fi tampa vis populiaresnis dėl patogumo, bet Ethernet išlieka kaip patikimas stuburas, prie kurio prijungiami belaidžio ryšio taškai. Hibridiniai tinklai – kur svarbiausios jungtys laidinės, o mobilūs įrenginiai naudoja Wi-Fi – greičiausiai bus norma dar ilgus metus.

Paketų perdavimo principas, sukurtas prieš penkis dešimtmečius, pasirodė esąs neįtikėtinai tvirtas ir lankstus. Nors technologijos detalės pasikeitė – greičiai išaugo tūkstančius kartų, kabeliai tapo sudėtingesni, jungikliai protingesni – pagrindinė idėja išliko ta pati. Duomenys skaidomi į paketus, kiekvienas paketas keliauja nepriklausomai, o gavėjas juos surenka atgal. Paprasta, efektyvu, veikia.

Kai kitą kartą prijungsite Ethernet kabelį ir per kelias sekundes pradėsite žiūrėti 4K video ar atsisiųsite gigabaitų dydžio failą, sustokite akimirkai ir pagalvokite apie tą neįtikėtiną technologiją, veikiančią fone. Milijonai paketų, kiekvienas su savo adresu ir duomenimis, skuba laidais šviesos greičiu, o protingi jungikliai juos nukreipia tiksliai ten, kur reikia. Ir visa tai vyksta taip sklandžiai, kad mes net nepastebime – o tai ir yra geriausios technologijos požymis.