Łączenie wielu urządzeń w sieci Ethernet
Dwa komputery można połączyć jednym kablem sieciowym. Jest to połączenie punkt-punkt. Przy trzech, czterech lub dziesięciu komputerach bezpośrednie połączenie każdej pary wymagałoby wielu kabli oraz osobnych interfejsów, więc szybko przestałoby być praktyczne. Liczba połączeń rośnie wraz z każdą kolejną parą urządzeń, dlatego sieci lokalne potrzebują wspólnego punktu przyłączenia.
Rozwiązaniem stały się centralne urządzenia sieciowe. Każdy komputer otrzymuje własny kabel do wspólnego punktu. W okresie przechodzenia Ethernetu z topologii magistrali do topologii gwiazdy takim punktem był koncentrator, znany również jako hub. Urządzenie pozwalało budować lokalne sieci komputerowe (LAN) przy użyciu prostego okablowania. Fizyczne rozdzielenie przewodów nie zmieniało wspólnego kanału ani zasad rywalizacji o transmisję.
Koncentrator Ethernet jako regenerator warstwy 1
Hub jest wieloportowym regeneratorem sygnału działającym w warstwie 1, czyli warstwie fizycznej, modelu . Ta warstwa określa zakres funkcji koncentratora. Urządzenie przetwarza sygnał elektryczny i nie wykonuje analizy nagłówków ramek.
Koncentrator nie podejmuje decyzji na podstawie treści przesyłanych danych. Nie rozpoznaje on:
- ramek i pakietów: nie analizuje pól nagłówka ani typu przesyłanej jednostki.
- adresów MAC: nie odczytuje źródłowego i docelowego adresu MAC w celu filtrowania ruchu.
- adresów IP: nie interpretuje adresów warstwy sieciowej, takich jak IP.
Hub działa jako regenerator wieloportowy. Odbiera sygnał elektryczny reprezentujący bity na jednym porcie, odtwarza jego poziom i powtarza go na pozostałych portach. Każdy podłączony interfejs otrzymuje więc sygnały z pozostałych odcinków wspólnego medium. Koncentrator nie zapisuje ramki w pamięci, nie wybiera portu na podstawie adresu docelowego i nie tworzy osobnych kolejek dla połączeń. Właściwości te odróżniają go od przełącznika, który odbiera pełną ramkę i podejmuje decyzję na podstawie tablicy przekazywania.
Fizyczna gwiazda i logiczna magistrala
Sieci z koncentratorami stosowały fizyczną topologię gwiazdy. Każde urządzenie miało własny kabel do centralnego koncentratora. Była to zmiana względem topologii magistrali, znanej z 10BASE-2, w której urządzenia korzystały z jednego kabla. Przerwanie kabla prowadzącego do koncentratora odłączało pojedyncze urządzenie, co ułatwiało lokalizację uszkodzenia.
Fizyczny układ przypominał gwiazdę, lecz sposób pracy koncentratora tworzył logiczną topologię magistrali. Hub powtarzał każdy sygnał na pozostałych portach, więc wszystkie interfejsy współdzieliły jedno medium komunikacyjne. W trybie półdupleksowym tylko jedna stacja mogła nadawać w danej chwili. Wspólne medium tworzyło jedną domenę kolizyjną obejmującą porty koncentratora. Przewód do centralnego urządzenia upraszczał usuwanie pojedynczych awarii, lecz nie zmieniał zasad dostępu do współdzielonego kanału. Każdy port uczestniczył w tej samej rywalizacji o transmisję oraz odbierał sygnały z całego segmentu.
Jedna domena kolizyjna
to segment sieci, w którym urządzenia współdzielą medium i mogą rozpocząć nadawanie w tym samym czasie. Sygnały nakładają się wtedy, a stacje muszą ponowić transmisję. Koncentrator tworzy jedną domenę kolizyjną obejmującą wszystkie jego porty. Wszystkie urządzenia podłączone do wspólnego medium należą do tej samej domeny.
Konsekwencje jednej domeny kolizyjnej
- Tryb półdupleksu (half-duplex):Wspólna ścieżka elektryczna pozwala na transmisję w jednym kierunku w danej chwili. Komunikacja odbywa się w trybie . Urządzenie nasłuchuje medium przed nadawaniem i nie prowadzi równoczesnej transmisji w obu kierunkach.
- Spadek wydajności:Dołączanie kolejnych urządzeń do huba lub łączenie hubów kaskadowo zwiększa liczbę stacji rywalizujących o to samo medium. Po kolizji stacje zatrzymują transmisję, losują czas oczekiwania i ponawiają wysyłanie. Czas oczekiwania oraz powtórzenia zajmują część dostępnej przepustowości, więc ruch wielu urządzeń obniża przepustowość odczuwaną przez każdą stację.
- CSMA/CD:Współdzielone medium wymaga reguł dostępu określonych przez CSMA/CD. Interfejs nasłuchuje kanału, rozpoczyna transmisję po wykryciu wolnego medium i sprawdza, czy nie pojawiła się kolizja. Po kolizji wysyła sygnał wymuszający zakończenie transmisji, losuje czas wycofania i ponawia wysłanie ramki. Koncentrator powtarza sygnały i propaguje kolizję, lecz ten mechanizm realizują interfejsy Ethernet pracujące w trybie półdupleksu.
Wydajność i poufność transmisji przez hub
Powtarzanie sygnału na wszystkich pozostałych portach wpływa na wykorzystanie medium oraz na możliwość obserwowania ramek przez inne stacje.
Współdzielenie przepustowości
W 10-portowym hubie pracującym w sieci 100 Mb/s dostępne medium ma przepustowość 100 Mb/s dla całej domeny kolizyjnej. Jest ona współdzielona przez wszystkie porty. Gdy Host A wysyła plik do Hosta B, a Host C wysyła plik do Hosta D, obie transmisje konkurują o tę samą przepustowość. Hub powtarza sygnały niosące każdą ramkę na pozostałych portach, więc także stacje niebiorące udziału w danym przepływie odbierają sygnał i zajmują swoje łącza. Przepustowość portu nie sumuje się tutaj dla równoległych rozmów. Wszystkie transmisje korzystają z tego samego limitu medium.
Brak izolacji ruchu
Hub nie filtruje ruchu według adresu docelowego. Sygnały niosące ramki są powtarzane na pozostałe porty, więc interfejs podłączony do huba może odebrać także ramki przeznaczone dla innych stacji. Użytkownik może ustawić kartę sieciową w i użyć analizatora pakietów, takiego jak Wireshark, do rejestrowania ruchu widocznego na tym segmencie. Poufność transmisji zależy wtedy od szyfrowania wyższych warstw, ponieważ hub nie zapewnia izolacji między portami.
Zastąpienie koncentratorów przez przełączniki
Koncentratory ułatwiły budowę sieci w topologii gwiazdy. Okablowanie prowadzone od stacji do centralnego urządzenia było prostsze w obsłudze niż wcześniejsza magistrala koncentryczna.
Ograniczenia współdzielonego medium doprowadziły do upowszechnienia przełącznika Ethernet (switcha). Przełącznik pracuje w warstwie 2, uczy się źródłowych adresów MAC i zapisuje ich powiązanie z portami oraz VLAN-ami. Dla znanego adresu docelowego przekazuje ramkę do właściwego portu. Ramki rozgłoszeniowe i nieznane adresy unicast są zalewane w obrębie odpowiedniego VLAN-u. Dwa pełnodupleksowe łącza mogą prowadzić transmisje równocześnie, gdy urządzenia i ich konfiguracja obsługują ten tryb.
Każdy port przełącznika tworzy osobną domenę kolizyjną, a połączenie pełnodupleksowe nie korzysta z CSMA/CD. Przepustowość łącza nie jest współdzielona z pozostałymi portami, lecz przełącznik nadal przekazuje rozgłoszenia i zalewane ramki w ramach VLAN-u. Koncentratory pozostają rozwiązaniem historycznym, przydatnym głównie do omawiania działania współdzielonego Ethernetu. Współczesne przełączniki wymagają osobnej analizy tablicy MAC, domen rozgłoszeniowych oraz konfiguracji VLAN, ponieważ sama wymiana huba na przełącznik nie opisuje całego modelu przekazywania ramek.