Структурирование локальных сетей

Структурирование локальных сетей осуществляется с использованием концентраторов (concentrator), коммутаторов (switching hub) и маршрутизаторов.

Концентратор. Концентратор (хаб (hub), повторитель (repeater))  повторитель, имеющий несколько портов, к каждому из которых подключается рабочая станция. Являясь повторителем, концентратор транслирует получаемые от рабочих станций сигналы на все свои активные порты. При этом концентратор осуществляет обработку коллизий и идентифицирует неисправности портов и подключаемых каналов. При обнаружении неисправности порт автоматически отключается (сегментируется). После ее устранения порт снова делается активным.

Все порты равноправны. Использование концентраторов позволяет объединять отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду, доступ к которой определяется стандартом УДС. Работая на физическом уровне, концентраторы не учитывают и не должны учитывать ограничения протоколов верхних уровней. Поэтому в сети с концентраторами существует возможность совместного использования различных операционных систем (Novell NetWare, SCO UNIX, EtherTalk, LAN Manager и пр., совместимые с сетями Ethernet или IEEE 802.3).

Эксплуатационные характеристики концентраторов:

оснащены светодиодными индикаторами, указывающими состояние портов (Port Status), наличие коллизий (Collisions), активность канала передачи (Activity), наличие неисправности (Fault) и наличие питания (Power), что обеспечивает быстрый контроль состояния всего концентратора и диагностику неисправностей;

при включении электропитания выполняют процедуру самотестирования, а в процессе работы - функцию самодиагностики;

имеют стандартный размер по ширине - 19'';

обеспечивают автосегментацию портов для изоляции неисправных портов и улучшения сохранности сети (network integrity);

обнаруживают ошибку полярности при использовании кабеля на витой паре и автоматически переключают полярность для устранения ошибки монтажа;

поддерживают конфигурации с применением нескольких концентраторов, соединенных друг с другом либо посредством специальных кабелей и stack-портов, либо тонкой коаксиальной магистрали, включенной между портами BNC, либо посредством оптоволоконного или толстого коаксиального кабеля подключенного через соответствующие трансиверы к порту AUI, либо посредством UTP кабелей, подключенных между портами концентраторов;

поддерживают речевую связь и передачу данных через один и тот же кабельный жгут;

прозрачны для программных средств сетевой операционной системы;

могут быть смонтированы и введены в действие в течении нескольких минут.

Типовой концентратор Ethernet имеет вид:

AUI  разъем интерфейса AUI (Attachment Unit Interface), 15-ти штырьковый разъём для соединения между портом сетевой платы устройства и контроллером Ethernet.

Принцип построения концентратора

Пример. Сеть Ethernet (стандарт 10BaseT).

Эквивалентная схема ЛВС с использованием концентраторов:

Принципиальная особенность ЛВС, структурированных на основе концентраторов,  доступность всей разделяемой среды для каждой станции. Совместное использование разделяемой среды при интенсивном трафике резко снижает эффективность сети.

Использование концентраторов позволяет осуществлять физическое структурирование локальной сети, не изменяя логическую структуру сети, под которой понимается разбиение общей разделяемой среды сети на логические сегменты, каждый из которых рассматривается как самостоятельная сеть с меньшим числом узлов. взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов и коммутаторов.

Мосты и коммутаторы. Мост (bridge)  устройство, обеспечивающее взаимодействие нескольких ЛВС (логических сегментов), возможно различных архитектур, посредством трансляции кадров УДС из одной ЛВС в другую, преобразуя передаваемые кадры данных в соответствие с УДС протоколами сетей.

Мосты могут объединять несколько ЛВС, обеспечивая альтернативные маршруты между двумя ЛВС. Однако, при резервировании маршрута для поддержания услуг в объединенной ЛВС в каждый момент времени между любой парой сетей должен существовать только один единственный маршрут, то есть наряду с физической конфигурацией сети должна существовать и активная конфигурация, динамически изменяющаяся и обеспечивающая единственный маршрут между любой парой ЛВС.

Каждый мост должен выполнять:

трансляцию и фильтрацию кадров УДС;

формировать и поддерживать активную конфигурацию;

переправлять кадры данных к другим портам моста;

преобразовывать параметры кадра (в том числе, приоритет, контрольную сумму и другие) при переходе к ЛВС другого типа;

ретранслировать кадры в другую ЛВС.

Коммутатор (switching hub или switch) является быстродействующим функциональным аналогом моста. В отличие от моста, коммутатор имеет не два, а несколько портов. Коммутатор является, таким образом, многопортовым мостом. При поступлении кадра на какой-либо из портов коммутатор ретранслирует этот кадр, но не на все порты, как это делает концентратор, а только на тот порт, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер c MAC-адресом назначения. Это означает, что использование коммутатора позволяет, с одной стороны, организовать автономную параллельную работу в отдельных сетях, а с другой  организовать параллельное взаимодействие нескольких пар сетей. При этом внутренний трафик сетей не участвующих во взаимодействии никак не влияет на трафик взаимодействующих сетей.

Структурная схема коммутатора EtcherSwitch фирмы Kalpana

Передача кадра через коммуникационную матрицу

При поступлении кадра данных в какой-либо порт процессор пакетов порта запоминает несколько первых байт кадра, чтобы прочитать MAC-адрес назначения кадра. Как только адрес назначения идентифицирован процессор пакетов просматривает кэш адресной таблицы и находит порт, который связан с сетью содержащей MAC-адрес назначения. После нахождения адреса порта процессор пакетов устанавливает маршрут через коммутирующую матрицу и передает данные по MAC-адресу назначения.

Если в кэше адресной таблицы адрес назначения не находится, то процессор пакетов обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров пакетов. Системный модуль производит просмотр общую таблицу адресов и возвращает процессору нужный адрес. Процессор пакетов записывает этот адрес в кэш таблицы адресов.

Практически все процедуры, выполняемые в коммутаторе, реализуются на аппаратном уровне. Такая реализация уменьшает задержки, вызванные программной обработкой, и даёт возможность коммутатору не отставать от высокой скорости запросов передачи данных в локальных сетях.

В заключении отметим:

мосты и коммутаторы функционируют на уровне УДС и обеспечивают взаимодействие ЛВС посредством трансляции кадров УДС из одной локальной сети в другую, преобразуя, в случае необходимости, кадры данных в соответствии с требованиями протоколов взаимодействующих ЛВС;

логическая структуризация сети, реализуемая при использовании мостов (коммутаторов), позволяет повысить надежность, производительность и управляемость сетей;

для нормального функционирования объединенной сети необходимо координированное управление ресурсами и процессами мостов и коммутаторов.

Шлюзы и маршрутизаторы. Шлюзы (Gateway) и маршрутизаторы (Routers) являются устройствами, обеспечивающими сопряжениеЛВС с глобальной сетью преобразованием протоколов трех нижних уровней.

Из этого определения вытекает, что маршрутизатор, прежде всего, необходим для определения дальнейшего пути данных, посланных в большую и сложную сеть. Пользователь такой сети отправляет свои данные в сеть и указывает адрес своего абонента. Данные проходят по сети и в точках с разветвлением маршрутов поступают на маршрутизаторы, которые как раз и устанавливаются в таких точках. Маршрутизаторы, работающие как обычные оптимизированные компьютеры под управлением специальных программ, должны прочитать информацию из заголовка каждого проходящего пакета и на основе адреса получателя сформировать дальнейший маршрут. Необходимость чтения заголовка каждого пакета резко снижает производительность маршрутизатора. Производительность маршрутизатора падает еще больше, если пакет включает дополнительные функции, например, security filters.

Структура сетевого уровня

Функциональные задачи, решение которых обеспечивают маршрутизаторы (шлюзы) на сетевом уровне:

маршрутизация и ретрансляция сетевых сервисных блоков данных;

сегментация и блокирование сетевых сервисных блоков данных;

поддержка соединений сетевого уровня;

мультиплексирование соединений сетевого уровня в соединениях канального уровня;

обнаружение ошибок и восстановление канала при ошибках;

управление потоком данных и передача срочных данных;

управление работой уровня.

Взаимодействие сетей на сетевом уровне, осуществляемое маршрутизаторами, это взаимодействие между оконечными системами, делающее промежуточное оборудование невидимым для транспортного и других верхних уровней. Точно также это взаимодействие не должно зависеть от вида сети (локальная или глобальная) и от системы передачи данных, то есть от двух нижних уровней  канального и физического.

Сетевой уровень при осуществлении взаимодействия сетей должен учитывать технологические особенности этих сетей, в частности, различия в схемах адресации. В связи с этим, для выполнения своих функций сетевой уровень должен иметь универсальную систему адресации. Здесь возможны различные подходы и реализации, но при любых вариантах необходимо формировать и обрабатывать адрес узла в сети и адрес сети, которая содержит этот узел. Именно такой подход и реализуется в стеке протоколов TCP/IP.