Малышев СЕТИ Локальные вычислительные сети

51

Каждому сетевому адаптеру соответствует уникальный МАС-адрес (6 байтов). В первых трех байтах кодируется производитель (по положени-

ям RFC-1700).

Wake On LAN (WOL) представляет собой функцию ACPI (Advanced Configuration and Power Interface, интерфейс расширенного конфигурирования и управления питанием), позволяющую с удаленной станции в сети включить выключенный («спящий») компьютер. Для использования функции WOL сетевой адаптер должен поддерживать функцию WOL и материнская плата компьютера должна удовлетворять стандарту ACPI.

Вто время, когда компьютер находится в «спящем» состоянии, сетевые адаптеры с поддержкой WOL следят за сетевым трафиком с целью обнаружения кадров Wake-up. Когда такой кадр получен, сетевой адаптер немедленно «просыпается» и посылает сигнал на материнскую плату, приводящий к включению компьютера.

Всвязи с тем, что для каждой технологии сейчас имеется возможность использования различных сред передачи данных (тот же Ethernet поддерживает коаксиальный кабель, неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель), сетевой адаптер может поддерживать одновременно несколько сред передачи.

Вслучае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются трансиверы и конверторы.

Трансивер (приемопередатчик, transmitter + receiver) – это часть сетевого адаптера, его оконечное устройство, выходящее на кабель. В первом стандарте Ethernet, работающем на толстом коаксиале, трансивер располагался непосредственно на кабеле и связывался с остальной частью адаптера, располагавшейся внутри компьютера, с помощью интерфейса

AUI (Attachment Unit Interface). В других вариантах Ethernet'a оказалось удобным выпускать сетевые адаптеры (да и другие коммуникационные устройства) с портом AUI (встроенный трансивер), к которому можно присоединить трансивер для требуемой среды (т. е. для каждой среды – свой трансивер). Существуют также многопортовые трансиверы (fanout, Delni).

Трансивер выполняет следующие функции [3]: - прием и передача данных с кабеля на кабель;

- электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;

- защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию часто называют контролем болтливости (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может

52

возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов.

Вместо подбора подходящего трансивера можно использовать конвертор, который может согласовать выход трансивера, предназначенного для одной среды, с другой средой передачи данных (например, выход на витую пару преобразуется в выход на оптоволокно).

Существующие Media-конверторы (рис. 16) позволяют согласовывать разные среды передачи друг с другом (например, Media-converter 1000BaseSX – 1000 BaseTX согласует оптоволокно с витой парой).

Media-конвертор

Рис. 16. Media-конвертор

Вопросы по разделу

1.Изобразите структуру LAN (схему сети).

2.Что такое сетевой адаптер? Назовите основные функции сетевого адаптера. По каким принципам подразделяются сетевые адаптеры?

3.Назовите основные функции трансивера, конвертера.

4.Как подключить разные среды передачи данных друг к другу, например витую пару к оптоволокну? Какие устройства для этого могут быть использованы?

5.Какое назначение функции Wake On LAN (WOL)?

2.2.3. Физическая структуризация локальной сети

Повторители и концентраторы

Для построения простейшей односегментной сети достаточно иметь сетевые адаптеры и кабель подходящего типа. Но даже в этом простом случае часто используются дополнительные устройства – повторители сигналов (рис. 17), позволяющие преодолеть ограничения (чаще всего 100 м) на максимальную длину кабельного сегмента (т. е. увеличить длину сегмента сети) [1, 3].

РС Повторитель РС

100 м 100 м

Рис. 17. Повторитель

53

Основная функция повторителя (repeater'а) (как это следует из его названия) – повторение сигнала, поступающего на один из его портов на всех остальных портах, независимо от адреса назначения передаваемых данных (Ethernet), или на следующем в логическом кольце порте (Token Ring, FDDI) синхронно с поступившим сигналом-оригиналом. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину связи между самыми удаленными в сети станциями.

Многопортовый повторитель (в среднем 8 – 72 портов) называется концентратором (hub, concentrator), что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов на своих портах, но и концентрирует в одном – центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть (рис. 18).

Рабочие станции

Рис. 18. Повторитель Ethernet повторяет кадр данных на всех своих портах (станции 2, 4-N игнорируют этот кадр данных)

Отрезок кабеля, соединяющий два компьютера или какие-либо два других коммуникационных устройства, называется физическим сегментом. Таким образом, концентраторы и повторители, которые используются для добавления новых физических сегментов в сеть, являются средством физической структуризации сети.

Концентраторы, независимо от их количества в сети, связывая отдельные физические отрезки кабеля, образуют общую среду передачи данных – логический сегмент (рис. 19). Логический сегмент – сеть, построенная на концентраторах, связывающих отдельные физические сегменты. Логический сегмент также называют доменом коллизий, поскольку при попытке одновременной передачи данных любых двух компьютеров

54

этого сегмента, хотя бы и принадлежащих разным физическим сегментам, возникает блокировка передающей среды (коллизия).

Коллизия

Концентратор

Рис. 19. Логический сегмент, построенный с использованием концентраторов

Какую бы сложную структуру не образовывали концентраторы, например, путем иерархического соединения (см. рис. 19), все компьютеры, подключенные к ним, образуют единый логический сегмент, в котором любая пара взаимодействующих компьютеров полностью блокирует возможность обмена данными для других компьютеров данного сегмента.

При наличии в сети на концентраторах замкнутого контура при передаче любого кадра будет возникать коллизия (рис. 20, а).

Концентраторы, как и любое другое коммуникационное оборудование, делятся в зависимости от используемой технологии. Технология влияет на принцип действия концентратора (направление передачи информации) (рис. 20, б, в).

Повторители и концентраторы работают на физическом уровне модели OSI, следовательно, основные функции они выполняют на физическом уровне.

Разработчики концентраторов часто встраивают в свои устройства, кроме основной функции повторителя, ряд вспомогательных функций, весьма полезных для улучшения качества сети [3]:

-объединение сегментов с различными физическими средами (например, коаксиал, витая пара и оптоволокно) в единый логический сегмент;

-автосегментация портов – автоматическое отключение порта при его некорректном поведении (повреждение кабеля, интенсивная генерация кадров ошибочной длины – jabber и т. п.);

55

-поддержка между концентраторами резервных связей, которые используются при отказе основных;

-защита передаваемых по сети данных от несанкционированного доступа (например, путем искажения поля данных в кадрах, повторяемых на портах, не содержащих компьютера с адресом назначения);

-поддержка средств управления устройствами – протокола SNMP

(Simple Network Management Protocol), базы управляющей информации MIB (Management Information on Base).

Концентратор

Концентратор

Концентратор

Token Ring

в)

Рис. 20. Некоторые особенности работы концентраторов а) коллизии в замкнутом контуре; б) логическая топология – «общая шина»;

в) логическая топология – «кольцо»

Перечисленные характеристики являются дополнительными и, следовательно, встречаются далеко не во всех концентраторах.

Существуют следующие группы концентраторов:

-концентраторы с фиксированным количеством портов – устройство

водном корпусе (от 4 – 8 до 24 портов);

-модульные концентраторы – состоит из отдельных модулей, устанавливаемых на одном шасси, плюс модуль управления (для программи-

56

рования, например, через гипертерминал по RS-232C), система терморегуляции, дополнительный источник питания;

-стековые концентраторы – несколько концентраторов (чаще всего до 8), установленных друг на друга, объединяются в один повторитель с помощью специальных портов и кабелей;

-модульно-стековые концентраторы – объединяют функции модульных и стековых концентраторов.

Существуют также многосегментные концентраторы (например,

System 500 фирмы Nortel Networks, Port Switch Hub фирмы 3Com) – содер-

жат несколько несвязанных шин (чаще всего 3) для разных логических сегментов сети, сегменты объединяются друг с другом с помощью мостов/коммутаторов или маршрутизаторов.

В настоящее время производство и продажа данного типа устройств завершены, что связано в первую очередь с уменьшением стоимости и ростом производительности коммутаторов, устраняющих недостатки концентраторов. Однако концентраторы до сих пор продолжают широко применяться в ЛВС.

Вопросы по разделу

1.Назовите основные функции повторителя/концентратора (repeater'а/Hub'a). Какие существуют группы концентраторов?

2.Что такое физический и логический сегменты?

3.Есть ли в сети на концентраторах коллизии?

2.2.4. Логическая структуризация сети. Мосты и коммутаторы

Несмотря на появление новых дополнительных возможностей, основной функцией концентраторов остается передача кадров по общей разделяемой среде. Коллективное использование многими компьютерами (30 – 100 узлов) общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном потоке информации (при мультимедийном трафике). Общая среда передачи данных перестает справляться с потоком передаваемых кадров информации, и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Это явление характерно для всех технологий, использующих разделяемые среды передачи данных, независимо от используемых алгоритмов доступа (хотя наиболее страдают от перегрузок трафика сети Ethernet с методом случайного доступа к среде). Поэтому сети, построенные на основе концентраторов, не могут расширяться в требуемых пределах – при определенном количестве компьютеров в сети или при появлении новых

58

держит один процессор). Другими словами мост передает кадры между портами последовательно (несколько тысяч кадров/с), а коммутатор параллельно (несколько миллионов кадров/с).

Следует отметить, что в последнее время локальные мосты полностью вытеснены коммутаторами. Мосты используются только для связи локальных сетей с глобальными, т. е. как средства удаленного доступа, поскольку в этом случае необходимость в параллельной передаче между несколькими парами портов просто не возникает.

Коммутаторы имеют 8, 16, 24 или более количество портов.

При работе моста/коммутатора среда передачи данных каждого логического сегмента остается общей только для тех компьютеров, которые подключены к этому сегменту непосредственно. Коммутатор осуществляет связь сред передачи данные различных логических сегментов, он передает кадры между логическими сегментами только при необходимости, т. е. только тогда, когда взаимодействующие компьютеры находятся в разных сегментах.

Внутрисегментная передача (см. рис 21). Если первая станция передает информацию третьей, то концентратор передает ее на все свои порты, в том числе и на коммутатор. Коммутатор игнорирует эту информацию и дальше не передаст.

Межсегментная передача. Если первая станция передает информацию станции 23, то концентратор передает ее на все свои порты. Коммутатор передает эту информацию только на свой второй порт, на третий порт информация не передается.

Многоадресная передача. Если первая станция передает информацию на все станции, то и концентраторы и коммутатор передают ее на все свои порты сразу (на все направления).

Деление сети на логические сегменты улучшает производительность сети, если в сети имеются группы компьютеров, преимущественно обменивающиеся информацией между собой, чаще всего принадлежащие одному отделу предприятия (организации). Поэтому разделение ее на логические сегменты дает выигрыш в производительности – трафик локализуется в пределах групп, и нагрузка на их разделяемые кабельные системы существенно уменьшается.

Мосты/коммутаторы принимают решение о том, на какой порт нужно передать кадр, анализируя адрес назначения, помещенный в кадре, а также информацию о принадлежности того или иного компьютера определенному сегменту, подключенному к одному из портов моста/коммутатора, т. е. на основании информации о конфигурации сети. Для того, чтобы со-

59

брать и обработать информацию о конфигурации подключенных к нему сегментов, мост/коммутатор должен пройти стадию «обучения», т. е. самостоятельно проделать некоторую предварительную работу по изучению проходящего через него трафика. Определение принадлежности компьютеров сегментам возможно за счет наличия в кадре передаваемой информации не только адреса назначения, но и адреса источника. Используя информацию об адресе источника, мост/коммутатор устанавливает соответствие между номерами портов и адресами компьютеров и запоминает ее в своей таблице коммутации – MAC Address Table (табл. 2). В процессе изучения сети мост/коммутатор просто передает появляющиеся на входах его портов кадры на все остальные порты, работая некоторое время повторителем. После того, как мост/коммутатор узнает о принадлежности адресов сегментам, он начинает передавать кадры между портами только в случае межсегментной передачи. Мосты/коммутаторы копируют в свой буфер данные, если они передаются в другой сегмент, и пытается получить доступ к среде этого сегмента (например, используя метод CSMA/CD). Если, уже после завершения обучения, на входе коммутатора вдруг появится кадр с неизвестным адресом назначения, то этот кадр будет передан на все порты. Новая станция, подключаясь к сети, рассылает широковещательные кадры, заявляя о своём существовании.

Таблица 2

Таблица коммутации в соответствии с рис. 21

Мосты/коммутаторы, работающие описанным способом, обычно называются прозрачными (transparent) [3], поскольку появление таких мостов/коммутаторов в сети совершенно не заметно для ее конечных узлов. Это позволяет не изменять их программное обеспечение при переходе от

60

простых конфигураций, использующих только концентраторы, к более сложным, сегментированным.

Мост/коммутатор может также быть запрограммированным администратором сети (администратор настраивает таблицы коммутации) и тогда ему нет необходимости проходить стадию обучения. Причем администратор может сделать только некоторые записи фиксированными, а остальные заполняются и изменяются автоматически. Каждая запись в таблице имеет свой срок жизни (без подтверждения), по окончании которого запись стирается, если не была соответствующая ей пересылка информации. Таблица коммутации может содержать в среднем 4000 – 8000 адресов (4 К – 8 К).

За простоту принципа работы прозрачного моста/коммутатора приходится расплачиваться ограничениями на топологию сети – такие сети не могут иметь замкнутых маршрутов – петель. Мост/коммутатор не может правильно работать в сети с петлями, при этом сеть засоряется зацикливающимися кадрами и ее производительность снижается.

Существует и другой класс мостов/коммутаторов, передающих кадры информации между сегментами (своими портами) на основе полной информации о межсегментном маршруте, содержащемся в кадре. Эту информацию записывает в кадр станция-источник кадра с помощью своего сетевого адаптера, который реализует алгоритм маршрутизации от источника (source routing). При использовании мостов/коммутаторов с маршрутизацией от источника конечные узлы должны быть в курсе деления сети на сегменты, и сетевые адаптеры, в этом случае, должны в своём программном обеспечении иметь компонент, занимающийся выбором «маршрута» кадров по сегментам (портам), – многошаговая маршрутизация (распределённая маршрутизация). Такая «маршрутизация» выполняется на канальном уровне (не на основе таблицы коммутации) и, по сути, не является маршрутизацией в полном смысле этого понятия. Такие мосты/коммутаторы применяются для соединения колец Token Ring и FDDI.

Существуют также мосты/коммутаторы, объединяющие оба принци-

па работы – мосты/коммутаторы SRT (Source Route Transparent).

Для увеличения безопасности данных можно использовать логические фильтры для отдельных пользователей, чтоб ограничить доступ к другим сегментам.

Существуют следующие группы коммутаторов:

-автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;

-модульные коммутаторы на основе шасси;

-коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек, объединяемые с помощью высокоскоростных каналов (функция Port