3. Аппаратура для логической структуризации сети

1. Необходимость структуризации однородной логической сети.

Сеть с типовой топологией ("Общая шина", "Звезда", "Кольцо"), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказываются неадекватны структуре информационных потоков в большой сети.

Пусть есть сеть с топологией Звезда, состоящая из 4-х сегментов, соответствующих четырем отделам некоторой фирмы. Априори два ПК (А и В) из первого отдела фирмы гораздо больше работают друг с другом, чем с ПК из других отделов. В сетях Ethernet, если один ПК передает данные, то все остальные ПК работают только в режиме приема. Допустим, ПК А посылает данные для ПК В. Концентраторы распространяют любой кадр по всем сегментам сети. Поэтому, пока ПК В не получит данные от А, ни один ПК сети не может передавать данные.

В результате, например, два ПК из отдела 4 вынуждены ждать пока закончат обмен пара ПК (А и В) из первого отдела. При этом обмены между ПК из разных отделов занимают гораздо меньше времени, чем взаимодействие ПК в одном отделе.

Это происходит из-за того, что логическая структура сети однородная.

Желательно сделать так, чтобы кадры выходили ли бы за пределы сегмента отдел 1 только, если эти кадры адресованы ПК из других сегментов. Это называется локализация трафика.

Логическая структуризация сети – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафикам.

Для логической структуризации сети используются мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

2. Мост

Мост (bridge) – это устройство для соединения сетевых сегментов. Мост – это усовершенствованный повторитель, т. к. он уменьшает загрузку сети.

Причина: мост считывает адрес сетевой карты (сокращенно HWA, или, что тоже самое МАС) для ПК-получателя каждого пакета данных.

Если получатель пакета находится в том же физическом сегменте, что и сам мост, то мост не будет делать пересылку пакета в другой сегмент (в отличие от репитера) и тем самым уменьшается загрузка сети.

На рисунке показана логическая структуризация сети с помощью моста.

Здесь мост локализует трафик. Недостаток моста в том, что он не учитывает точной топологии связей между сегментами сети, т. к. работает только с аппаратными адресами ПК (адрес сетевых карт – HWA). Из-за этого мост можно применять только в сетях, где сегменты не должны образовывать замкнутые контуры.

Мосты могут соединять разные сегменты, которые сделаны на разных носителях (кабелях) например, витая пара и коаксиал. Мосты могут также соединять сети с разными методами доступа, например Ethernet и Token Ring.

3. Коммутатор

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет. реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства - это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью.

Коммутатор (Switch - HUB) – это такой же мост, но у него для каждого порта имеется свой процессор. Поэтому коммутатор работает гораздо быстрее моста, у которого всего один процессор для всех портов, т. е. коммутаторы – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме.

Концентратор просто является устройством, куда подключаются все сетевые кабели от компьютеров, и он допускает в данный момент проход информации только от одного узла сети к другому. Причем до этого он предлагает информацию каждому узлу сети, пока не попадет на того, кто ее должен получить. Кроме того, концентратор (если есть несколько желающих получить или отправить информацию) последовательно решает, кому разрешить передачу или прием информационных пакетов случайным образом.

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств. Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Таблица адресов коммутатора

MAC-адрес	Номер порта
A	1
B	2
C	3
D	4

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. На рисунке ниже узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные пользователи (в нашем примере - B и C) не получат этот пакет. Таким образом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные для стандартных повторителей Ethernet.

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке 5 обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10 Mbps для каждого соединения.

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса 10 Mbps, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации 12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальности скорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса пар портов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокого класса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способность при условии организации одновременных соединений между всеми парами портов. Однако, в реальной жизни трафик обычно представляет собой ситуацию "один ко многим" (например, множество пользователей сети обращается к ресурсам одного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашем примере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

На рисунке выше три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняет пакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передача пакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинает передавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случае пропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данном случае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формой блокировки.

Есть и чисто механический (электрический) путь повысить скорость передачи данных между клиентом и коммутатором. Коммутатор умеет работать не только в одном направлении (half duplex) по сетевому кабелю, а в двух направлениях (full duplex).

Коммутатор – это участок дороги с двухсторонним движением по пять полос в каждую сторону для 5 или 8 входящих. При этом все полосы могут быть соединены в разных уровнях, не мешая друг другу и не пересекаясь. Поэтому по ней могут ехать одновременно 10 автомобилей (5 пар) не замечая друг друга.

Важным параметром коммутатора является задержка. Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной (например, из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps) коммутацию на лету использовать вообще невозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик, при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. При организации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность

Ограничения в сетях с использованием повторителей, мостов и коммутаторов.

1. Не должно быть петель, т. е. между отправителем и получателем должен быть единственный путь.

2. Сегменты слабо изолированы друг от друга, т. е. не защищены от широковещательных сообщений со стороны отдельных ПК в сети.

3. Нельзя управлять трафиком (т. е. обменом данными) на основании информации, содержащейся в этих данных.

Эти недостатки можно устранить в случае применения маршрутизатора. Это используется в больших сетях, которые в свою очередь могут состоять из более мелких составных частей (подсетей).

Здесь используется специальная адресация, которая позволяет однозначно идентифицировать любой узел (т. е. РС) составной сети. Для этого применяется уникальная нумерация всех подсетей и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Этот адрес помещается в заголовок пакета данных.

Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства - маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть. Внутренняя структура каждой сети не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две).

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрутов из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы.

Маршрут- это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения.

Маршрутизатор выбирает маршрут на основании своего представления о текущей конфигурации сети и соответствующего критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает время прохождения маршрута, которое в локальных сетях совпадает с длиной маршрута, измеряемой в количестве пройденных узлов маршрутизации (в глобальных сетях принимается в расчет и время передачи пакета по каждой линии связи).