Технические средства компьютерных сетей включают в себя различные функциональные группы оборудования:
Сетевые карты и кабельные системы были рассмотрены в лекциях 8 и 9. Модемы будут рассмотрены в лекции 11.
Рассмотрим некоторые виды перечисленных выше групп оборудования, иногда реализующие несколько функций.
В локальных сетях любого класса предусмотрены жесткие ограничения на длину участка сети между двумя точками подключения. Данные ограничения связаны, прежде всего, с коэффициентом затухания сигнала в линии передачи данных, который не должен превышать определенного порогового значения: в противном случае уверенный прием информации станет невозможен. Больше всего в этом случае выигрывают сети, построенные с применением линий из оптического волокна. Поскольку коэффициент затухания в этой среде очень мал, оптоволоконный кабель можно прокладывать на значительные расстояния без потери качества связи.
Вместе с тем, оптоволоконные линии связи достаточно дороги. Как быть, если на каком-либо предприятии эксплуатируется стандартная локальная сеть с пропускной способностью в 10 Мбит/с, отдельные участки которой, например, сеть бухгалтерии и склада, находятся на значительном удалении друг от друга, а перед руководством фирмы возникла необходимость объединить их между собой? Именно в этом случае и могут использоваться репитеры.
Репитеры оснащены, как правило, двумя сетевыми портами с одним из стандартных интерфейсов (двумя портами AUI, портами Thinnet и AUI, портами SC и AUI). Присоединяются они непосредственно к локальной сети на максимально возможном расстоянии от ближайшей точки подключения (для сетей класса 10BaseT оно составляет 100 м). Получив сигнал с одного из своих портов, репитер формирует его заново с целью исключить любые потери и искажения, произошедшие в процессе передачи, после чего ретранслирует результирующий сигнал на остальные порты. Таким образом, при прохождении сигнала через репитер происходит его усиление и очистка от посторонних помех.
В некоторых случаях повторитель выполняет также функцию разделения ретранслируемых сигналов: если на одном из портов постоянно фиксируется поступление данных с ошибками, это означает, что в сегменте сети, подключенном через данный порт, произошла авария, и репитер перестает принимать сигналы с этого порта, чтобы не передавать ошибки всем остальным сетевым сегментам, т.е. не транслировать из на всю сеть.
Основной недостаток повторителей заключается в том, что в момент прохождения сигналов через это устройство происходит заметная задержка при пересылке данных. Протоколы канального уровня Ethernet, использующие стандарт CSMA/CD, отслеживают сбои в процессе передачи информации, и если коллизия была зафиксирована, передача повторяется через случайный промежуток времени.
В случае, если число репитеров на участке между двумя компьютерами локальной сети превысит некоторое значение, задержки между моментом отправки и моментом прием данных станут настолько велики, что протокол попросту не сможет проконтролировать правильность пересылки данных, и обмен информацией между этими компьютерами станет невозможен. Отсюда возникло правило, которое принято называть "правилом 5-4-3": на пути следования сигнала в сети Ethernet не должно встречаться более 5 сегментов и более 4 репитеров, причем только к 3 из них могут быть подключены конечные устройства.
При этом в целом в локальной сети может присутствовать более 4 повторителей, правило регламентирует только количество репитеров между двумя любыми точками подключения. В некоторых случаях повторители устанавливают парами и объединяют между собой проводом, в этом случае между двумя компьютерами в сети не может присутствовать более двух таких пар.
Конструктивно репитер может быть выполнен либо в виде отдельной конструкции со своим блоком питания, либо в виде платы, вставляемой в слот расширения материнской платы компьютера. Репитер в виде отдельной конструкции стоит дороже, но он может быть использован для соединения сегментов Ethernet, выполненных как на тонком, так и на толстом кабеле, т.к. он имеет и коаксиальные разъемы, и разъемы для подключения трансиверного кабеля. С помощью этого репитера можно даже соединить в единую сеть сегменты, выполненные и на тонком, и на толстом кабеле.
Репитер в виде платы имеет только коаксиальные разъемы и поэтому может соединять только сегменты на тонком коаксиальном кабеле. Однако он стоит дешевле и не требует отдельной розетки для подключения электропитания. Один из недостатков встраиваемого в рабочую станцию репитера заключается в том, что для обеспечения круглосуточной работы сети станция с репитером также должна работать круглосуточно. При выключении питания связь между сегментами сети будет нарушена.
Фактически хаб представляет собой мультипортовый репитер, т.е. его основная задача - получение данных от подключенных к портам концентратора компьютеров или других хабов, реформирование сигнала одновременно с его усилением, и его дальнейшая ретрансляция на другие порты. На переднюю панель концентратора выводится информация о состоянии сети (перегрузка сети или отдельного порта, включение питания, коллизии).
Функции данных устройств различны: от простых концентраторов проводных линий до крупных устройств, являющихся центральным узлом сети, поддерживающих функции управления и целый ряд стандартов (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI и т.д.). Существует также концентраторы, играющие важную роль в системе защиты сети. Кроме того, концентраторы служат центральной точкой для подключения кабелей, изменения конфигурации, поиска неисправностей и централизованного управления, упрощая выполнение всех этих операций. В основном же функция концентратора состоит в объединении пользователей в один сетевой сегмент.
Концентраторы подразделяются на 10-, 100- и 10/100-Мбит, активные и пассивные. Многие 10-Мбит хабы имеют разъемы и под витую пару (RJ-45), и под коаксиальный кабель (BNC или AUI).
В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют пассивные и активные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения 4, 8, 16 или 32 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Максимальное расстояние от концентратора до рабочей станции составляет 100 метров.
Традиционные концентраторы поддерживают только один сетевой сегмент, предоставляя всем подключаемым к ним пользователям одну и ту же полосу пропускания. При небольшом числе пользователей такая система превосходно работает. В случае увеличения числа пользователей начинает сказываться конкуренция за полосу пропускания, что замедляет трафик в локальной сети.
Как правило, один из разъемов RJ-45 концентратора имеет разводку, позволяющую присоединять его к другим хабам. Наращиваемые (стековые) концентраторы позволяют постепенно увеличивать размер сети. Такие концентраторы соединяются друг с другом гибкими кабелями расширения, ставятся один на другой и функционируют как один концентратор. Такое "многоэтажное" подключение концентраторов друг к другу называют каскадированием. Соответствующий порт обычно обозначается надписью "In", "Uplink", "Cascading" или "Cross-Over".
Двухскоростные концентраторы (dual-speed) можно использовать для создания современных сетей с совместно используемыми сетевыми сегментами. Они поддерживают существующие каналы Ethernet 10 Мбит/с и сети Fast Ethernet 100 Мбит/с, автоматически опознавая скорость соединения, что позволяет не настраивать конфигурацию вручную. Это упрощает модернизацию соединений, переход от сети Ethernet к Fast Ethernet, когда необходима поддержка новых приложений, интенсивно использующих полосу пропускания сети, или сегментов с большим числом пользователей.
Ценовой диапазон концентраторов колеблется в широких пределах. Существует множество различных моделей концентраторов, все они различаются количеством портов, пропускной способностью и другими техническими характеристиками. Самые недорогие варианты для малых локальных сетей стоят $30-70, более совершенные концентраторы - несколько сотен долларов США.
Одновременно с разработкой новых, более высокоскоростных технологий передачи данных перед производителями компьютерного оборудования по-прежнему стояла задача найти какие-либо способы увеличения производительности локальных сетей Ethernet старого образца, минимизировав при этом как финансовые затраты на приобретение новых устройств, так и технологические затраты на модернизацию уже имеющейся сети. Поскольку класс 10Base2 был единодушно признан всеми разработчиками "вымирающим", эксперты сосредоточились на технологии 10BaseT. И подходящее решение вскоре было найдено.
Как известно, стандарт Ethernet подразумевает использование алгоритма широковещательной передачи данных. Это означает, что в заголовке любого пересылаемого по сети блока данных присутствует информация о конечном получателе этого блока, и программное обеспечение каждого компьютера локальной сети, принимая такой пакет, всякий раз анализирует его содержимое, пытаясь "выяснить", стоит ли передать данные протоколам более высокого уровня (если принятый блок информации предназначен именно этому компьютеру) или ретранслировать его обратно в сеть (если блок данных направляется на другую машину). Уже одно это заметно замедляет работу всей локальной сети. А если принять во внимание тот факт, что устройства, используемые в качестве центрального модуля локальных сетей с топологией "звезда" - концентраторы (хабы) - обеспечивают не параллельную, а последовательную передачу данных, то мы обнаруживаем еще одно "слабое звено", которое не только снижает скорость всей системы, но и нередко становится причиной "заторов" в случаях, когда, например, на один и тот же узел одновременно отсылается несколько потоков данных от разных компьютеров-отправителей. Если возложить задачу первоначальной сортировки пакетов на хаб, то эту проблему можно было бы частично решить. Это было проделано, и в результате появилось устройство, названное switch, или коммутатор.
Switch полностью заменяет в структуре локальной сети 10BaseT хаб, да и выглядят эти два устройства практически одинаково, однако принцип работы коммутатора имеет целый ряд существенных различий. Основное различие заключается в том, что встроенное в switch программное обеспечение способно самостоятельно анализировать содержимое пересылаемых по сети блоков данных и обеспечивать прямую передачу информации между любыми двумя из своих портов независимо от всех остальных портов устройства.
Эту ситуацию можно проиллюстрировать на простом примере. Предположим, у нас имеется коммутатор, оснащенный 16 портами. К порту 1 подключен компьютер А, который передает некую последовательность данных компьютеру С, присоединенному к 16-му порту. В отличие от хаба, получив этот пакет данных, коммутатор не ретранслирует его по всем имеющимся в его распоряжении портам в надежде, что рано или поздно он достигнет адресата, а проанализировав содержащуюся в пакете информацию, передает его непосредственно на 16-й порт. В то же самое время на порт 9 коммутатора приходит блок данных из другого сегмента локальной сети 10BaseT, подключенного к устройству через собственный хаб. Поскольку этот блок адресован компьютеру В, он сразу отправляется на порт 3, к которому тот присоединен.
Следует понимать, что эти две операции коммутатор выполняет одновременно и независимо друг от друга. Очевидно, что при наличии 16 портов мы можем одновременно направлять через коммутатор 8 пакетов данных, поскольку порты задействуются парами. Таким образом, суммарная пропускная способность данного устройства составит 8 х 10 = 80 Мбит/с, что существенно ускорит работу сети, в то время как на каждом отдельном подключении сохранится стандартное значение 10 Мбит/с. Другими словами, при использовании коммутатора мы уменьшаем время прохождения пакетов через сетевую систему, не увеличивая фактическую скорость соединения.
Итак, в отличие от концентраторов, осуществляющих широковещательную рассылку всех пакетов, принимаемых по любому из портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устройству (адресату). В результате уменьшается трафик и повышается общая пропускная способность, а эти два фактора являются критическими с учетом растущих требований к полосе пропускания сети со стороны современных приложений.
Коммутация популярна как простой, недорогой метод повышения доступной полосы пропускания сети. Современные коммутаторы нередко поддерживают такие средства, как назначение приоритетов трафика (что особенно важно при передаче в сети речи или видео), функции управления сетью и управление многоадресной рассылкой.
Приведем некоторые общие характеристики коммутаторов:
Назначение маршрутизаторов:
Коммутаторы функционируют на канальном уровне и потому могут объединять только сети, использующие одинаковые физические характеристики (на тонком коаксиальном кабеле, витой паре и т.д.). Маршрутизаторы же не зависят от физических характеристик сети, но требуют, чтобы данные обменивались по одному протоколу (например, TCP/IP, IPX, Apple Talk и т.п.), т.е. функционируют на сетевом уровне.
С помощью двух адресов - адреса сети и адреса узла маршрутизатор однозначно выбирает определенную станцию сети.
Маршрутизатор также может выбрать наилучший путь для передачи сообщения абоненту сети, руководствуясь стоимостью, скоростью доставки данных; фильтрует информацию, проходящую через него, направляя в одну из сетей только ту информацию, которая ей адресована.
Кроме того, маршрутизатор обеспечивает балансировку нагрузки в сети, перенаправляя потоки сообщений по свободным каналам связи.
Применяются маршрутизаторы, главным образом, в крупных центрах коммутации компаний и Internet-провайдеров.
Стоят маршрутизаторы несколько тысяч долларов.
Промышленностью выпускается довольно широкая номенклатура мостов. Среди них - "самообучающиеся" мосты, которые позволяют регулировать доступ к каждой из объединяемых сетей и трафик обмена между ними, а также используются для расширения сети, достигшей своего топологического предела. Некоторые из "самообучающихся мостов" применяются для объединения с помощью арендуемой линии связи локальной сети и удаленной сети в единую сеть, элементы которой могут быть рассредоточены на территории в сотни и тысячи километров. Есть более сложные мосты, которые одновременно выполняют функции многоканального маршрутизатора.
По своему назначению и функциональным возможностям современные мосты, маршрутизаторы и коммутаторы довольно близки друг к другу. Однако каждый из типов этих устройств разрабатывался не с целью вытеснения других устройств, они имеет свои области применения. Мосты обеспечивают сегментацию сети на физическом уровне, поэтому их "интеллектуальные" возможности ограничены. Маршрутизаторы, интегрируя физические и логические сегменты сети в единое целое, решают при этом ряд "интеллектуальных" функций, но отличаются невысокой латентностью, что негативно отражается на оперативности управления трафиком. Коммутаторы идеально приспособлены для поддержки высокопроизводительной коллективной работы. В очень крупных сетях, насчитывающих тысячи узлов, мосты и маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чем коммутаторы. В сетях с небольшим числом пользователей целесообразно применять высокоскоростную коммутацию с малым временем задержки.
При формировании больших сетей масштаба предприятия наиболее удачным является комбинированный вариант использования мостов, маршрутизаторов и коммутаторов, умелое их сочетание, позволяющее создать действительно гибкую сетевую архитектуру.