Концентраторы (повторители)

Простейшим устройством, обеспечивающим связь компьютеров друг с другом, является концентратор, или «хаб» (hub). В сетях, использующих коаксиальный кабель, концентраторы принято называть повторителями, или репитерами (repeater).

Обычно концентратор имеет от 4 до 32 гнезд (портов) для подсоединения коннекторов различных типов. В большинстве случаев это будут, конечно, гнезда для коннекторов RJ-45, однако существуют и гибридные концентраторы с портами RJ-45 и BNC, позволяющие объединять сегменты Ethernet стандартов 10Base-T и 10Base-2. К портам можно подключать не только компьютеры, но и другие концентраторы, формируя таким образом цепочки (каскады) концентраторов или еще более сложные топологии типа «дерево».

В стандартах 10Base-5 и 10Base-2 на такое каскадирование концентраторов действовали довольно жесткие ограничения, описываемые «правилом 5-4-3»: в сети не могло быть больше 5 сегментов, соединенных 4 репитерами, и только в 3 сегментах допускалось подключение компьютеров. В сетях стандарта 10Base-T допускалось максимум 5 сегментов. В стандарте 100Base-T все было еще сложнее — концентраторы класса I, поддерживающие одновременную работу с устройствами 100Base-T4, 100Base-TX и 100Base-FX, каскадировать было вообще нельзя, а концентраторы класса II можно было объединять только в пару. В этом и состояла первая проблема сетей на основе концентраторов — построить крупную сеть с помощью только концентраторов было просто невозможно.

Концентраторы работают на физическом уровне модели OSI и являются достаточно примитивными активными устройствами (требующими подключения к электрической сети). Их основная задача — принять, усилить и ретранслировать электрический сигнал, полученный от одного компьютера, во все остальные активные порты (рис. 1.1). Никакой другой обработке сигнал в концентраторе не подвергается, его буферизация не производится, а коллизии не обрабатываются (хотя на многих моделях концентраторов есть индикатор уровня столкновений).

Рис. 1.1. Пример передачи данных с помощью концентраторов

Пакет, отправленный компьютером В компьютеру А. будет передан всем рабочим станциям, серверу, принтеру и другим сетевым устройствам.

Отсюда вытекает вторая основная проблема, с которой рано или поздно сталкиваются все администраторы сетей, применяющие только концентраторы, — очень большое количество столкновений, возрастающее с увеличением числа сегментов и компьютеров в сети (вспомним, что в сети Ethernet используется метод доступа CSMA/CD). Есть даже термин, описывающий такое поведение сети: говорят, что концентраторы формируют «область столкновений» (Collision Domain). Поэтому сегодня концентраторы в сетях практически не используются — их вытеснили сначала мосты, а затем коммутаторы.

Мосты и коммутаторы

Мосты (bridge), а затем и коммутаторы (switch) были призваны помочь в объединении сетей и устранении проблемы возникновения большого числа коллизий.

Существенным отличием этих устройств от концентраторов является то, что они умеют определять МАС-адреса источника и приемника сигналов, а также поддерживать таблицу соответствия своих портов и используемых в сети МАС-адресов.

Такую таблицу мост (или коммутатор) формирует сразу после включения по следующему принципу — как только порт получает ответ от устройства с определенным физическим адресом, в таблице появляется строчка соответствия: «МАС-адрес <-> порт».

Таким образом, эти устройства работают не только на физическом уровне модели OSI, но и на канальном, — точнее, на подуровне управления доступом к среде (MAC).

Получив кадр и определив адрес назначения, мост или коммутатортранслируют кадр только в тот порт, с которым этот МАС-адрес сопоставлен в таблице соответствий.

Кадры, передаваемые между компьютерами одного сегмента, коммутатор получает, но никуда не транслирует (рис. 1.2).

Обмен данными между компьютерами А и В никак не влияет на взаимодействие компьютера С с сервером, а компьютера D и Е — друг с другом.

Рис. 1.2. Передача кадров с помощью коммутаторов

Единственными сигналами, передаваемыми во все порты, являются кадры, предназначенные для адресов, пока не имеющих записей в таблице соответствий, и специальные широковещательные сообщения, предназначенные всем компьютерам локальной сети. Чтобы обозначить эту особенность работы мостов и коммутаторов, говорят, что они формируют «область широковещания» (Broadcast Domain).

Различие между мостами и коммутаторами заключается в том, что мост в каждый момент времени может передавать только один кадр, обслуживая передачу от одного компьютера к другому (поэтому первые модели мостов были двухпортовыми).

Коммутатор же умеет выстраивать большое число виртуальных каналов связи между портами (т. е. коммутировать порты друг с другом, отсюда и название устройства), производя параллельную обработку кадров, поступающих с разных портов. Естественно, производительность сетей, построенных на базе коммутаторов, существенно выше.

Подчеркнем, что подавляющее большинство современных сетей строится именно на коммутаторах, тогда как встретить концентратор или мост сегодня довольно трудно.

Маршрутизаторы

Маршрутизаторы работают на еще более высоком уровне модели OSI — сетевом. В их задачу входит анализ адресов, используемых в протоколе этого уровня (например, IP-адресов), и определение наилучшего маршрута доставки пакета данных по назначению. Конечно, маршрутизаторы работают и на более низких уровнях модели OSI — как концентраторы они восстанавливают уровень и форму предаваемого сигнала, как мосты и коммутаторы — позволяют избежать столкновений.

Однако, в отличие от вышеперечисленных устройств, маршрутизаторы изменяют передаваемые кадры Ethernet — точнее, «разбирают» их до сетевого уровня, а затем формируют заново по определенным правилам. Кстати, без определенной настройки маршрутизаторы не передают в другие порты даже широковещательные пакеты, и, таким образом, служат в сетях границами областей столкновений и широковещании.

Кроме того, совместно с программами более высокого уровня модели OSI, маршрутизаторы умеют выполнять целый ряд весьма сложных действий, например, ● обнаруживать проблемы в сети и ● сообщать о них, ● вести статистику полученных и переданных данных, ● фильтровать пакеты, ● проводить авторизацию пользователей при выходе в Интернет и т. д.

Мощные маршрутизаторы являются довольно сложными и дорогими программно-аппаратными комплексами, поэтому в современных сетях они все чаще заменяются коммутаторами 3-го уровня— устройствами, занимающими промежуточную ступень между коммутаторами и маршрутизаторами.

От обычных коммутаторов они отличаются тем, что могут выполнять простейшие функции маршрутизации, оставаясь при этом производительными и не очень дорогими.

Кроме того, следует упомянуть и о такой функции современных коммутаторов, как возможность строить виртуальные локальные сети (Virtual LAN), когда в один логический сегмент сети объединяются компьютеры, физически подключенные к разным коммутаторам (рис. 1.3).

Критерии для такого объединения могут быть различными, начиная с MAC- или IP-адресов и заканчивая именами компьютеров.

Рис. 1.3. Пример формирования локальной виртуальной сети

Шлюзы

Вообще говоря, под шлюзом обычно понимается любое устройство или программа, позволяющие объединять разнородные системы (например, существуют почтовые шлюзы, используемые для связи разных систем электронной почты).

Но если речь идет о взаимодействии в сетях, то здесь под шлюзом подразумевается устройство, соединяющее разные сетевые архитектуры (пример: шлюз из Ethernet в Token Ring).

Важно здесь то, что шлюз должен не только иметь физические порты для подключения разнородных систем, но и «понимать» разнородные протоколы, выступая для них в роли «переводчика».

Типичным примером шлюзов являются широко используемые в современных домашних сетях интегрированные устройства, в которых объединены ADSL-модем для подключения к Интернету, беспроводная точка доступа, работающая по стандарту IEEE 802.11b (или g), и коммутатор Fast Ethernet с поддержкой стандарта IEEE 802.3u.

На рис. 1.4 представлена графическая иллюстрация уровней функционирования различных сетевых устройств.

Рис. 1.4. Соответствие функций коммуникационного оборудования модели OSI

Сформулируем несколько рекомендаций, которыми можно руководствоваться при выборе устройств связи.

Наиболее распространенными устройствами связи в сетях сегодня являются коммутаторыFast и GigabitEthernet, а подключение беспроводных устройств к локальной сети осуществляется с помощью шлюзов, объединяющих функции коммутатора и точки беспроводного доступа, работающей по стандарту 802.llg.

Для домашних и небольших офисных сетей вполне подойдут недорогие 8- и 16-портовые коммутаторыFastEthernet, желательно с функцией управления портами. Если передача больших объемов данных не планируется, можно остановиться на беспроводных точках доступа, хотя это мобильное решение обойдется дороже и будет менее скоростным.

В крупных сетях основу должны составлять мощные и надежные коммутаторыGigabit или 10GigabitEthernet, к которым подключаются коммутаторы подразделений (зданий), а к ним, в свою очередь, — коммутаторы этажей (офисов). Размещение точек доступа в крупных сетях следует тщательно планировать, чтобы пользователь при перемещении по территории предприятия последовательно переключался с одной точки доступа на другую, сохраняя связь с локальной сетью.

Применение маршрутизаторов требуется там, где нужно четко контролировать потоки IP-пакетов в сложной маршрутизируемой сети, а также обеспечивать резервные маршруты доставки пакетов, — например, при взаимодействии с удаленным офисом или Интернетом.

При выборе сетевого адаптера для компьютера следует обратить внимание на возможность поддержки стандартов Ethernet или Wi-Fi. Лучше всего выбрать несколько более дорогой, но современный сетевой адаптер, например Gigabit Ethernet или Wi-Fi стандарта 802.11g. Поскольку эти стандарты обратно совместимы с предыдущими, такие адаптеры вполне смогут работать со старыми концентраторами 10Base-T и точками доступа 802.11b, пока не будут заменены указанные устройства связи.