ARCNET: Первая широкодоступная сеть для микрокомпьютеров

Введение

Attached Resource Computer NETwork (ARCNET или ARCnet) — это коммуникационный протокол для локальных вычислительных сетей. ARCNET была первой широко распространенной сетевой системой для микрокомпьютеров и стала популярной в 1980-х годах для задач автоматизации офисной работы. Впоследствии она применялась во встраиваемых системах, где определенные характеристики протокола оказались особенно полезными.

Разработка

ARCNET был разработан главным инженером-разработчиком Джоном Мерфи в корпорации Datapoint в 1976 году под руководством Виктора Пура и представлен в 1977 году. Изначально он был создан для соединения групп терминалов Datapoint 2200 с общей системой дискет размером 8 дюймов. Это была первая слабосвязанная система кластеризации на основе локальной сети, не накладывающая никаких ограничений на тип подключаемых компьютеров. Это отличалось от более крупных и дорогих компьютерных систем того времени, таких как DECnet или SNA, где однородные группы схожих или проприетарных компьютеров объединялись в кластер. Протокол передачи маркера (token passing) этой сети обмена устройствами ввода-вывода впоследствии был использован для организации связи между вычислительными узлами с целью обеспечения файлового обслуживания и масштабируемости вычислений. Приложение можно было разработать на DATABUS, проприетарном языке Datapoint, подобном COBOL, и развернуть на одном компьютере с простыми терминалами. Когда число пользователей превышало возможности исходного компьютера, к ARCNET можно было подключить дополнительные компьютеры, выполняющие вычислительные задачи, на которых запускались те же приложения и использовались те же данные. Если требовалось больше дискового пространства, можно было подключить дополнительные компьютеры с дисковыми ресурсами. Этот поэтапный подход был новаторским, и к концу 1970-х годов (до анонса первого IBM PC в 1981 году) более десяти тысяч установок локальных сетей ARCNET находились в коммерческой эксплуатации по всему миру, а Datapoint вошла в список Fortune 500. С распространением микрокомпьютеров надежная и проверенная ARCNET также предлагалась как недорогая локальная сеть для этих машин.

Рынок

ARCNET оставался проприетарным до начала и середины 1980-х годов. Это не вызывало опасений в то время, поскольку большинство сетевых архитектур были проприетарными. Переход к не проприетарным, открытым системам начался как реакция на доминирование International Business Machines (IBM) и её системной сетевой архитектуры (SNA). В 1979 году была опубликована Референтная модель взаимосвязи открытых систем (модель OSI). Затем, в 1980 году, Digital, Intel и Xerox (консорциум DIX) опубликовали открытый стандарт для Ethernet, который вскоре был принят в качестве основы стандартизации IEEE и ISO. IBM ответила, предложив Token Ring как альтернативу Ethernet, но сохранила настолько жёсткий контроль над стандартизацией, что конкуренты опасались его использовать. ARCNET был дешевле обоих, надёжнее, гибче, и к концу 1980-х годов его доля рынка была примерно равна доле Ethernet. Tandy/Radio Shack предлагали ARCNET как среду для обмена приложениями и файлами для своих компьютерных моделей TRS 80 Model II, Model 12, Model 16, Tandy 6000, Tandy 2000, Tandy 1000 и Tandy 1200. В ПЗУ модели 4P также были предусмотрены возможности загрузки с сети ARCNET. Когда Ethernet перешёл от коаксиального кабеля к витой паре и топологии кабельной сети "взаимосвязанных звёзд" на основе активных концентраторов, он стал гораздо более привлекательным. Простота монтажа кабелей в сочетании с большей пропускной способностью Ethernet (10 Мбит/с по сравнению с 2,5 Мбит/с для ARCnet) способствовала увеличению спроса на Ethernet, и по мере выхода на рынок новых компаний цена Ethernet начала снижаться, а объёмы производства ARCNET (и Token Ring) сократились.

ARCnet Plus и его снижение

В ответ на возросшие потребности в полосе пропускания и конкуренцию со стороны Ethernet, компания Datapoint разработала новый стандарт под названием ARCnet Plus, который был представлен в 1992 году. ARCnet Plus работал на скорости 20 Мбит/с и обеспечивал обратную совместимость с оригинальным оборудованием ARCnet. Однако к моменту выхода продуктов ARCnet Plus на рынок, Ethernet уже захватил большую часть сетевого рынка, и у пользователей практически не было стимулов возвращаться к ARCnet. В результате было выпущено очень небольшое количество продуктов ARCnet Plus. Те, что были произведены, в основном компанией Datapoint, были дорогими и их было трудно найти. В конечном итоге ARCNET был стандартизирован как ANSI ARCNET 878.1. По-видимому, именно тогда название изменилось с ARCnet на ARCNET. На рынок вышли и другие компании, в частности Standard Microsystems, которая производила системы на основе единого VLSI-чипа, изначально разработанного как заказной LSI для Datapoint, но впоследствии предоставленного Standard Microsystems другим клиентам. В конечном итоге Datapoint столкнулась с финансовыми трудностями и перешла к производству оборудования для видеоконференций и (позже) заказному программированию для встраиваемых систем. Несмотря на то, что ARCNET сейчас редко используется для новых общесетевых решений, существующая, хотя и сокращающаяся, база установленного оборудования все еще требует поддержки, и он сохраняет свою нишу в системах промышленного управления.

Описание

Оригинальная ARCNET использовала коаксиальный кабель RG 62/U с импедансом 93 [[Ом и пассивные или активные концентраторы в топологии звездной шины. В период наибольшей популярности это было значительным преимуществом ARCNET над Ethernet. Звездно-проводную шину было намного проще построить и расширить (и ее было легче обслуживать), чем неуклюжую линейную шину Ethernet того времени. Топология "взаимосвязанных звезд" облегчала добавление и удаление узлов без отключения всей сети, а также значительно упрощала диагностику и изоляцию сбоев в сложной локальной сети. Еще одним важным преимуществом ARCNET над Ethernet была длина кабеля. Коаксиальные кабели ARCNET могли прокладываться на расстояние до 610 м между активными концентраторами или между активным концентратором и оконечным узлом, в то время как наиболее широко используемый в то время "тонкий" Ethernet RG 58 (50 Ом) был ограничен максимальной длиной от конца до конца. ARCNET имел недостаток, заключавшийся в необходимости использования активного или пассивного концентратора между узлами, если в сети было более двух узлов, в то время как "тонкий" Ethernet позволял размещать узлы в любом месте вдоль линейного коаксиального кабеля. Однако пассивные концентраторы ARCNET были очень недорогими, представляя собой простую, небольшую, не требующую питания коробку с четырьмя портами, соединенными не более чем четырьмя дискретными резисторами, поэтому этот недостаток был незначительным. Этот недостаток также можно рассматривать как преимущество: стоимость 4-портового пассивного концентратора ARCNET часто была ниже, чем стоимость 4 BNC-тройников и 2 терминаторов, необходимых для подключения 4 компьютеров к "тонкому" Ethernet, и, в отличие от BNC-тройников, которые иногда было трудно достать в первые дни Ethernet, пассивный концентратор ARCNET можно было легко изготовить на месте из 9 легкодоступных деталей (4 разъема, 4 резистора и коробка для их установки). Пассивные концентраторы ограничивали расстояние между узлом и активным концентратором до 30 м. Пассивный концентратор нельзя было напрямую подключить к другому пассивному концентратору. Неиспользуемые порты на обоих типах концентраторов должны были быть терминированы специальным разъемом. Этот специальный разъем, называемый терминатором, представляет собой BNC-разъем с резистором 93 Ом. "Тонкий" Ethernet также требует почти идентичных терминаторов на двух оконечных концах, единственное отличие заключается в том, что Ethernet использует резистор 50 Ом. Для снижения затрат, сохраняя при этом покрытие большой площади, обычной практикой было использование одного или нескольких взаимосвязанных активных концентраторов, каждый из которых обеспечивал покрытие узлов на расстоянии не более 61 м. Кабель прокладывался от каждого порта активных концентраторов в другое место на расстоянии не более 30 м. К концу кабеля подключался пассивный концентратор, и от пассивного концентратора прокладывались кабели локально, обеспечивая подключение до трех узлов. Таким образом, один 8-портовый активный концентратор можно было использовать для подключения 24 сетевых устройств на площади диаметром не более 122 м. ARCNET разрешал только 255 узлов в сети. Идентификаторы узлов для рабочих станций локальной сети обычно задавались DIP-переключателями на сетевой карте интерфейса. Большие сети необходимо было разделять на более мелкие сети и объединять мостами. Небольшое количество возможных узлов и необходимость ручной настройки идентификаторов были недостатком по сравнению с Ethernet, особенно по мере того, как большие корпоративные сети становились обычным явлением. Для управления доступом к шине ARCNET, как и Token Ring, использует схему передачи токена, а не подход множественного доступа с контролем несущей, используемый Ethernet. Когда узлы неактивны, одно "токенное" сообщение передается по сети от машины к машине, и ни одному узлу не разрешается использовать шину, если у него нет токена. Если узлу необходимо отправить сообщение, он ждет получения токена, отправляет свое сообщение, а затем передает токен следующей станции. Поскольку ARCNET реализован как распределенная звезда, токен не может передаваться от машины к машине по кольцу. Вместо этого каждому узлу присваивается 8-битный адрес (обычно с помощью DIP-переключателей), и когда новый узел присоединяется к сети, происходит "реконфигурация", в ходе которой каждый узел узнает адрес узла, находящегося непосредственно выше него. Затем токен передается непосредственно от одного узла к другому. Исторически каждый подход имел свои преимущества: ARCNET добавлял небольшую задержку в неактивной сети, поскольку отправляющая станция ждала получения токена, но производительность Ethernet резко снижалась, если слишком много узлов пытались передать данные одновременно из-за времени, необходимого более медленным процессорам того времени для обработки и восстановления после коллизий. ARCNET имел немного более низкую производительность в лучшем случае (при просмотре одним потоком), но был гораздо более предсказуемым. ARCNET также имеет преимущество в том, что достигает наилучшей совокупной производительности при самой высокой загрузке, асимптотически приближаясь к своей максимальной пропускной способности. Хотя производительность в лучшем случае была ниже, чем у Ethernet, производительность в общем случае была эквивалентной, а в худшем случае значительно лучше. Сеть Ethernet могла выйти из строя при слишком большой загрузке из-за чрезмерных коллизий. ARCNET продолжал работать с нормальной (или даже лучшей) пропускной способностью. Пропускная способность многоузловой сети Ethernet, основанной на коллизиях, была ограничена 40–60% использования полосы пропускания (в зависимости от источника). Хотя ARCNET со скоростью 2,5 Мбит/с в определенный момент мог превзойти Ethernet со скоростью 10 Мбит/с в загруженном офисе на медленных процессорах, ARCNET в конечном итоге уступил место Ethernet, поскольку улучшение скорости процессоров снизило влияние коллизий на общую пропускную способность, а стоимость Ethernet снизилась. В начале 1980-х годов ARCNET был намного дешевле, чем Ethernet, особенно для ПК. Например, в 1985 году SMC продавала карты ARCNET примерно за 300 долларов, в то время как карта Ethernet Ungermann Bass и трансивер могли стоить 500 долларов. Еще одно важное отличие заключается в том, что ARCNET предоставляет отправителю конкретное подтверждение (или его отсутствие) об успешной доставке на принимающей стороне, прежде чем токен передается следующему узлу, что обеспечивает более быстрое восстановление после сбоев в протоколах более высокого уровня (вместо того, чтобы ждать истечения времени ожидания ожидаемых ответов). ARCNET также не тратит сетевое время на передачу узлу, который не готов принять сообщение, поскольку предварительный запрос (выполняемый на аппаратном уровне) устанавливает, что получатель способен и готов принять большее сообщение, прежде чем оно будет отправлено по шине. Еще одно преимущество ARCNET перед Ethernet, основанным на коллизиях, заключается в том, что он гарантирует равный доступ к шине для всех пользователей сети. Хотя получение токена может занять некоторое время в зависимости от количества узлов и размера передаваемых сообщений, вы всегда получите его в течение предсказуемого максимального времени; таким образом, он является детерминированным. Это делало ARCNET идеальной системой сетевого взаимодействия в реальном времени, что объясняет его использование во встроенных системах и системах управления процессами. Token Ring обладает аналогичными качествами, но его реализация намного дороже, чем ARCNET. Несмотря на детерминированную работу ARCNET и его историческую пригодность для сред реального времени, таких как управление процессами, широкая доступность коммутируемого гигабитного Ethernet и возможностей обеспечения качества обслуживания в коммутаторах Ethernet практически устранила ARCNET сегодня. Сначала система развертывалась с использованием коаксиального кабеля RG 62/U (обычно используемого в средах мэйнфреймов IBM для подключения терминалов 3270 и контроллеров), но позже была добавлена поддержка кабелей витой пары и оптоволокна. При более низких скоростях ARCNET (2,5 Мбит/с) кабеля Cat 3 достаточно для работы ARCNET. Некоторые продукты ARCNET с витой парой поддерживали длину кабеля более 610 м на стандартном кабеле Cat 3, что намного превосходило возможности Ethernet на любом типе медного кабеля. В начале 1990-х годов Thomas Conrad Corporation разработала топологию со скоростью 100 Мбит/с под названием TCNS, основанную на протоколе ARCNET, которая также поддерживала RG 62, витую пару и оптоволоконные среды. TCNS добился определенного успеха, пока доступность более дешевого Ethernet со скоростью 100 Мбит/с не положила конец широкому развертыванию ARCNET в качестве протокола LAN. Однако благодаря своей простой и надежной природе контроллеры ARCNET по-прежнему продаются и используются в промышленных, встроенных и...

Original ARCNET used RG 62/U coaxial cable of 93 [[Ohm impedance and either passive or active hubs in a star wired bus topology. At the time of its greatest popularity, this was a significant advantage of ARCNET over Ethernet. A star wired bus was much easier to build and expand (and was more readily maintainable) than the clumsy linear bus Ethernet of the time. The "interconnected stars" cabling topology made it easy to add and remove nodes without taking down the whole network, and much easier to diagnose and isolate failures within a complex LAN. Another significant advantage ARCNET had over Ethernet was cable distance. ARCNET coax cable runs could extend 2000 feet (610 m) between active hubs or between an active hub and an end node, while the RG 58 (50Ω) 'thin' Ethernet most widely used at that time was limited to a maximum run of from end to end. ARCNET had the disadvantage of requiring either an active or passive hub between nodes if there were more than two nodes in the network, while thin Ethernet allowed nodes to be spaced anywhere along the linear coax cable. However, ARCNET passive hubs were very inexpensive, being composed of a simple, small, unpowered box with four ports, wired together with nothing more than four discrete resistors, so the disadvantage was not significant. This disadvantage can also be seen as an advantage, often the cost of a 4 port ARCNET passive hub was less than cost of the 4 BNC Tee connectors and 2 terminators that thin Ethernet requires to connect 4 computers, and unlike BNC Tee connectors that could sometimes be hard to obtain in the early days of Ethernet, an ARCNET passive hub could be easily manufactured in the field with 9 readily available parts (4 connectors, 4 resistors and a box to put them in). Passive hubs limited the distance between a node and an active hub to 100 feet (30 m). A passive hub could not be connected directly to another passive hub. Unused ports on both types of hubs had to be terminated with a special connector. This special connector, called a terminator, is nothing more than a BNC connector with a 93 ohm resistor in it. Thin Ethernet also requires nearly identical terminators at the 2 terminal ends, the only difference being Ethernet uses a 50 ohm resistor. To reduce costs, while still allowing coverage over a wide area, a common practice was to use one or more interconnected active hubs, each of which provided coverage for nodes no more than 200 feet (61 m) away. Cable was run from each port of the active hubs to a different location no more than 100 feet (30 m) away. A passive hub would then be attached to the end of the cable, and cables would be run locally from the passive hub, allowing connection of up to three nodes. In this way, a single 8 port active hub could be used to connect 24 networked devices over an area not exceeding 400 feet (122 m) in diameter. ARCNET allowed only 255 nodes per network. Node IDs for LAN workstations were typically set by DIP switches on the network interface card. Larger networks would have to be split into smaller networks, and bridged. The small number of possible nodes and the need to manually configure IDs was a disadvantage compared with Ethernet, particularly as large enterprise networks became common. To mediate access to the bus, ARCNET, like Token Ring, uses a token passing scheme, rather than the carrier sense multiple access approach of Ethernet. When peers are inactive, a single "token" message is passed around the network from machine to machine, and no peer is allowed to use the bus unless it has the token. If a particular peer wishes to send a message, it waits to receive the token, sends its message, and then passes the token on to the next station. Because ARCNET is implemented as a distributed star, the token cannot be passed machine to machine around a ring. Instead, each node is assigned an 8 bit address (usually via DIP switches), and when a new node joins the network a "reconfig" occurs, wherein each node learns the address of the node immediately above it. The token is then passed directly from one node to the next. Historically, each approach had its advantages: ARCNET added a small delay on an inactive network as a sending station waited to receive the token, but Ethernet's performance degraded drastically if too many peers attempted to broadcast at the same time, due to the time required for the slower processors of the day to process and recover from collisions. ARCNET had slightly lower best case performance (viewed by a single stream), but was much more predictable. ARCNET also has the advantage that it achieved its best aggregate performance under the highest loading, approaching asymptotically its maximum throughput. While the best case performance was less than Ethernet, the general case was equivalent and the worst case was dramatically better. An Ethernet network could collapse when too busy due to excessive collisions. An ARCNET would keep on going at normal (or even better) throughput. Throughput on a multi node collision based Ethernet was limited to between 40% and 60% of bandwidth usage (depending on source). Although 2.5 Mbit/s ARCNET could at one time outperform a 10 Mbit/s Ethernet in a busy office on slow processors, ARCNET ultimately gave way to Ethernet as improved processor speeds reduced the impact of collisions on overall throughput, and Ethernet costs dropped. In the early 1980s ARCNET was much cheaper than Ethernet, in particular for PCs. For example, in 1985 SMC sold ARCNET cards for around $300 whilst an Ungermann Bass Ethernet card plus transceiver could cost $500. Another significant difference is that ARCNET provides the sender with a concrete acknowledgment (or not) of successful delivery at the receiving end before the token passes on to the next node, permitting much faster fault recovery within the higher level protocols (rather than having to wait for a timeout on the expected replies). ARCnet also doesn't waste network time transmitting to a node not ready to receive the message, since an initial inquiry (done at hardware level) establishes that the recipient is able and ready to receive the larger message before it is sent across the bus. One further advantage that ARCNET enjoyed over collision based Ethernet is that it guarantees equitable access to the bus by everyone on the network. Although it might take a short time to get the token depending on the number of nodes and the size of the messages currently being sent about, you will always receive it within a predictable maximum time; thus it is deterministic. This made ARCNET an ideal real time networking system, which explains its use in the embedded systems and process control markets. Token Ring has similar qualities, but is much more expensive to implement than ARCNET. In spite of ARCNET's deterministic operation and historic suitability for real time environments such as process control, the general availability of switched gigabit Ethernet and Quality of service capabilities in Ethernet switches has all but eliminated ARCNET today. At first the system was deployed using RG 62/U coaxial cable (commonly used in IBM mainframe environments to connect 3270 terminals and controllers), but later added support for twisted pair and fibre media. At ARCNET's lower speeds (2.5 Mbit/s), Cat 3 cable is good enough to run ARCNET. Some ARCNET twisted pair products supported cable runs over 2000 feet (610 m) on standard Cat 3 cable, far beyond anything Ethernet could do on any kind of copper cable. In the early 1990s, Thomas Conrad Corporation developed a 100 Mbit/s topology called TCNS based on the ARCNET protocol, which also supported RG 62, twisted pair, and fiber optic media. TCNS enjoyed some success until the availability of lower cost 100 Mbit/s Ethernet put an end to the general deployment of ARCNET as a LAN protocol. However, because of its simple, robust nature, ARCNET controllers are still sold and used in industrial, embedded, and automotive applications.