Одним из первых значительных протоколов, разработанных для беспроводных LAN и умеющих справляться с этими проблемами, является протокол MACA (Multiple Access with Collision Avoidance — множественный доступ с предотвращением коллизий) (Карн; Karn, 1990; Гарсиа-Луна-Асевес; Garcia-Luna-Aceves, 2017). Идея, лежащая в основе этого протокола, заключается в том, что отправитель заставляет получателя передать короткий фрейм. Соседние станции слышат эту передачу и воздерживаются от действий на время, требуемое для приема большого фрейма данных. Этот метод заменяет контроль несущей.

Протокол MACA проиллюстрирован на илл. 4.12. Рассмотрим ситуацию, в которой станция A передает станции B. Станция A начинает с того, что посылает станции B фрейм RTS (Request To Send — запрос на передачу), как показано на илл. 4.12 (а). Этот короткий фрейм (30 байт) содержит длину фрейма данных, который последует за ним. Затем B отвечает фреймом CTS (Clear To Send — разрешение передачи), см. илл. 4.12 (б). Он также содержит длину фрейма данных (скопированную из фрейма RTS). Приняв фрейм CTS, A начинает передачу.

Теперь выясним, как реагируют станции, фиксирующие передачу одного из этих фреймов. Любая станция, которая фиксирует RTS, находится близко к станции A и поэтому должна молчать, пока та не примет CTS. Станции, слышащие CTS, находятся рядом с B, следовательно, должны воздержаться от передачи, пока станция B не получит фрейм данных (его длину они могут узнать из CTS).

На илл. 4.12 станция C находится в зоне станции A, но не входит в зону станции B. Поэтому она фиксирует RTS от A (но не CTS от B). Поскольку она не интерферирует с CTS, она не обязана воздерживаться от передачи в то время, пока пересылается фрейм с данными. D, напротив, находится близко от B, но далеко от A. Она не слышит RTS, но фиксирует CTS, а это означает, что она находится вблизи станции, собирающейся принять фрейм с данными. Поэтому ей нельзя вести передачу, пока этот фрейм не будет получен. E слышит оба управляющих сообщения и так же, как и D, должна хранить молчание, пока не будет завершена передача фрейма данных.

Илл. 4.12. Протокол MACA. (а) Станция A посылает фрейм RTS станции B. (б) станция B отвечает фреймом CTS станции A

Несмотря на все меры предосторожности, коллизии все равно могут произойти. Например, станции B и C могут одновременно послать RTS станции A. Возникнет коллизия, и фреймы не будут приняты. В этом случае передатчики, не услышав CTS в установленный срок, ждут случайное время и повторяют попытку.

4.3. Сеть Ethernet

Теперь, когда мы рассмотрели общие вопросы, касающиеся протоколов распределения канала, пришло время обсудить их практическое применение в реальных системах. Большое число технологий для персональных (PAN), локальных (LAN) и общегородских (MAN) сетей описано в серии стандартов IEEE 802. Некоторые из них используются до сих пор, но многие утратили актуальность, как показано на илл. 1.37. Те, кто верит в реинкарнацию, считают, что один из членов Ассоциации стандартов IEEE — вновь родившийся Чарльз Дарвин, отбраковывающий слабые технологии. И действительно, выжили сильнейшие: среди них наиболее важными являются стандарты 802.3 (Ethernet) и 802.11 (беспроводные LAN). Технология Bluetooth (беспроводные PAN) применяется очень широко, но ее описывают другие стандарты помимо 802.15.

Мы начнем изучение реальных систем с Ethernet, вероятно, наиболее распространенной в мире технологии для объединения устройств в сеть. Существует два типа Ethernet: классический Ethernet (classic Ethernet), который решает проблему множественного доступа с помощью методов, представленных в этой главе; и коммутируемый Ethernet (switched Ethernet), в котором для соединения компьютеров используются коммутаторы (switches). Важно понимать, что хотя в обоих названиях присутствует слово Ethernet, между этими технологиями много различий. Классический Ethernet — изначальный вариант, достигавший скорости 3–10 Мбит/с. Коммутируемый Ethernet — результат развития классического. Различают быстрый, гигабитный, 10-гигабитный, 40-гигабитный и 100-гигабитный коммутируемый Ethernet; он работает на скоростях 100, 1000, 10 000, 40 000 или 100 000 Мбит/с соответственно. На сегодняшний день используется только такой тип Ethernet.

Мы рассмотрим этапы развития Ethernet в хронологическом порядке. Так как Ethernet и IEEE 802.3 — это одно и то же (за исключением двух небольших деталей, кратко описанных ниже), оба названия употребляются равнозначно, в том числе и в этой книге. Дополнительную информацию, касающуюся Ethernet, можно найти в книге Сперджена и Циммермана (Spurgeon and Zimmerman, 2014).

4.3.1. Физический уровень классического Ethernet

История Ethernet начинается приблизительно во времена системы ALOHA, когда студент Боб Меткалф получил магистерскую степень в Массачусетском технологическом университете. Позже он защитил докторскую в Гарварде, где ознакомился с наработками Абрамсона по системе ALOHA. Эта тема так заинтересовала Меткалфа, что после выпуска из Гарварда он решил провести лето на Гавайях, работая с Абрамсоном. После он перешел в исследовательский центр Xerox, где стал свидетелем разработки и создания устройств, которые впоследствии назовут «персональными компьютерами». Однако эти устройства были изолированы друг от друга. Используя результаты исследований Абрамсона, Меткалф вместе со своим коллегой Дэвидом Боггсом разработал и реализовал первую локальную сеть (Metcalfe and Boggs, 1976). В ней использовался длинный толстый коаксиальный кабель, а пропускная способность составляла 3 Мбит/с.

Система получила название «Ethernet», в честь люминофорного эфира, через который, как когда-то считалось, распространяются электромагнитные лучи. (В XIX веке британский физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электромагнитное излучение можно описать волновым уравнением. Ученые предположили, что пространство должно быть заполнено некой эфирной средой, по которой излучение распространяется. Только после знаменитого эксперимента Майкельсона — Морли в 1887 году физики поняли, что оно способно распространяться в вакууме.)