Rambler's Top100
Статьи ИКС № 06 2011
Сергей ЗАКУРДАЕВ  14 июня 2011

Домовые сети Ethernet нового поколения

Локальные сети нового поколения (Next Generation LAN, NGL) не только позволят предоставлять широкополосный доступ в Интернет, ликвидировать нехватку IPv4-адресов и повысить безопасность пользования Всемирной паутиной, но и могут стать основой для построения новой глобальной сети связи – InterEthernet.

Сергей ЗАКУРДАЕВ, независимый экспертПостроение NGL

Первоначально компьютеры создавались для автономных вычислений, однако впоследствии возникла необходимость в их объединении в локальные сети (ЛВС). Так появилась технология Ethernet (стандарт IEEE 802.3); локальные сети в то время строились как одноранговые с разделяемой средой передачи, что резко снижало их эффективность.

Современные локальные сети на основе коммутаторов имеют архитектуру «клиент-сервер». При этом ПК играет роль универсального средства связи, обеспечивающего передачу данных, прием телевидения (IPTV) и телефонную связь (VoIP), а в перспективе, при оснащении всех ПК видео-камерами, можно будет организовать и видеосвязь по технологии Video Communications over IP (VCoIP). Сервер (кластер серверов-лезвий) локальной сети может выполнять разнообразные функции: осуществлять контроль и управление доступом в Интернет, динамическое назначение IP-адресов клиентам через службу DHCP, антивирусную защиту и контентную фильтрацию трафика; служить межсетевым экраном с поддержкой NAT, а также организовывать службы DNS, видеосвязи, видеоконференцсвязи, ТВ по требованию и виртуальные частные сети (VPN).

В коммутируемых локальных сетях порт коммутатора, соединенного с сервером, становится узким местом из-за угрозы его переполнения и возможности потери информации. Поэтому был разработан специальный протокол 802.3х, согласно которому на физическом уровне генерируются две команды: «Прекратить передачу» и «Разрешить передачу», что в итоге снижает эффективность работы всей сети.

Для организации эффективной работы локальной сети по схеме «клиент-сервер» необходимо обеспечить прямой и равноправный доступ каждого ПК-клиента к серверу, т.е. перейти от распределенной локальной сети на базе существующих коммутаторов к централизованной сети при сохранении в ПК существующих сетевых карт (network interface card), реализующих протокол Ethernet со скоростями 1/10/100 Мбит/с.

Это можно сделать путем использования нового класса устройств – семейства коммутирующих мультиплексоров («Декадный мультиплексор локальной сети», патент РФ № 2159511, 1999 г.), которые с целью обеспечения масштабируемости локальной сети нового поколения (NGL) на 10/100/1000 пользователей образуют иерархическую структуру.

 
 
 

При этом сетевым картам ПК в соответствии с процедурой LAA (locally administered address), предусмотренной стандартом IEEE 802.3, с помощью утилиты SMAC назначаются новые иерархические гибридные МАС-адреса: три младшие тетрады (разряды 1–12) используются для коммутации в локальной сети; разряды 13–44 отводятся для размещения IPv4-адреса сервера, который в данном случае является групповым адресом для всех ПК локальной сети; разряды 45–48 – служебные, причем 47-й разряд устанавливается равным 1 (рис. 1).

Коммутирующие мультиплексоры (SWItching multiPLEX, SWIPLEX, SX) включают в себя семейство устройств – младшего (SX1), среднего (SX2) и старшего (SX3) уровней, обеспечивающих предварительную буферизацию кадров (рис. 2), которые поступают из 10 каналов Ethernet С Мбит/с, и затем их мультиплексирование в один канал Ethernet 10С Мбит/с (С = 1, 10, 100) для восходящего трафика к серверу по принципу FIFO («первым вошел – первым вышел»).

Коммутирование кадров, поступающих по одному каналу Ethernet 10С Мбит/с, в 10 каналов Ethernet С Мбит/с для нисходящего трафика от сервера производится простым преобразованием двоичного четырехразрядного кода соответствующей тетрады иерархического МАС-адреса назначения поступившего кадра Ethernet в десятичный код адреса предварительной буферизации (значения от 1 до 10): первой тетрады – в SX1, второй тетрады – в SX2, третьей тетрады – в SX3.

Аппаратная реализация функций мультиплексирования и коммутации основана на использовании программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Такие схемы содержат несколько миллионов «эквивалентных вентилей» и позволяют создавать логические и функциональные схемы любой сложности. Это даст возможность исключить генерацию и обработку таблиц МАС-адресов в каждом порту, которые в существующих коммутаторах осуществляются высокопроизводительными микропроцессорами. Коммутирующие мультиплексоры можно будет выполнить по технологии plug & play, что резко снизит их стоимость и упростит эксплуатацию.

Каскадирование данных устройств, реализованных в виде плат (blade-swiplex), позволит строить сети NGL, масштабируемые от 10 до 1000 пользователей, причем каждому из абонентских ПК будет предоставлен дуплексный канал Ethernet 1/10/100 Мбит/с для связи с сервером, что исключит необходимость управления потоком в сети (протокол 802.3х).

Благодаря наличию прямого соединения между сервером и ПК последние могут быть выполнены в виде тонких клиентов без жестких дисков и даже в виде одноплатных компьютеров со встроенной клавиатурой. ПО тонкого клиента включает лишь ядро ОС, которое требуется для обеспечения его работы, а другие необходимые программы может предоставить сервер. Это облегчает отказ от автономной (и рассчитанной на все случаи жизни) ОС и переход на свободное ПО.

От NGL к домовым сетям

NGL могут стать основой для построения сети Home Ethernet, объединяющей домашних пользователей, когда волоконно-оптический канал по протоколу Gigabit Ethernet от кластера серверов-лезвий провайдера подводится к дому к стеку коммутирующих мультиплексоров SX3 – SX2 – SX1. Возможны два варианта подключения.

По оценке экспертов, большинству домашних пользователей, уже имеющих телефонную связь и кабельное телевидение (30 каналов и более), достаточно получить канал доступа в Интернет со скоростью 1 Мбит/с по умеренной цене. Такую возможность обеспечивает подключение через коммутирующий мультиплексор SX1 (рис. 3, а) (число абонентов может наращиваться от 100 до 1000). Продвинутым пользователям (до 100 абонентов) может быть предоставлен канал Ethernet 10 Мбит/с, по которому организуется мультисервисное обслуживание (рис. 3, б).

Кроме того, продвинутые пользователи могут создать себе «умную квартиру» путем построения собственной локальной сети с помощью концентратора, который может подключить до 15 новых устройств (ПК, домашних кинотеатров, СВЧ-печей, других приборов), а также систем учета (электричества, воды) и контроля (охранной и пожарной сигнализации).

Число пользователей может быть кратно увеличено, поскольку волоконно-оптический кабель может состоять из нескольких десятков волокон, а число серверов-лезвий в кластере не ограничено (в разумных пределах).

Все ПК благодаря протоколу Ethernet 802.2 (LLC-SNAP) имеют возможность как непосредственно использовать мультимедийные протоколы прикладного уровня (SIP, SDP и др.), так и подключать стек протоколов TCP/IP (в этом случае SNAP имеет код 0800). При этом протокол IP не будет выполнять главных своих функций – маршрутизации и формирования адреса нового кадра, а будет служить лишь для подключения портов протокола TCP, необходимых для реализации технологии NAT.

  

В перспективе NGL, создаваемые по всему миру и прежде всего в России, могут быть объединены (по технологии NAT) в новую глобальную сеть связи – InterEthernet, число пользователей которой сможет превысить число существующих абонентов Интернета (IPv4) более чем в 1000 раз. Эту сеть целесообразно также назвать Интернет-3 – в отличие от Интернет-2, сети, использующей протокол IPv6. Интернет-3 может стать физической основой для построения глобального информационного общества. 

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!