Аппаратные компоненты компьютерных сетей

Существует множество сетевых устройств, используемых для создания, сегментирования и усовершенствования сети. Основными из них являются сетевые адаптеры, повторители, усилители, мосты, маршрутизаторы и шлюзы.

Сетевые адаптеры (карты), или NIC (Network Interface Card), являются устройствами, физически соединяющими компьютер с сетью. Прежде чем выполнить такое соединение, надо правильно установить и настроить сетевой адаптер. Простота или сложность этой установки и настройки зависит от типа используемого сетевого адаптера. Автоматически конфигурирующиеся адаптеры и адапте-ры, отвечающие стандарту Plug and Play (Вставь и работай), автоматически производят свою настройку. Если сетевой адаптер не отвечает стандарту Plug and Play, то настраивают его запрос на прерывание IRQ (Interrupt Request) и адрес ввода/вывода (Input/Output address).

IRQ представляет логическую коммуникационную линию, используемую устройством для связи с процессором.

Адрес ввода/вывода – это трёхзначное шестнадцатеричное число, идентифицирующее коммуникационный канал между аппаратными устройствами и центральным процессором. Для правильного функционирования сетевого адаптера следует правильно настроить как IRQ, так и адрес ввода/вывода.

Сетевые адаптеры (карты), или NIC (Network Interface Card), являются устройствами, физически соединяющими компьютеры с сетью.

Повторители и усилители

При перемещении по сети сигнал ослабевает. Для его усиления используют повторители и (или) усилители, усиливающие проходящие через них сигналы.

Повторители (repeater) используются в сетях с цифровым сигналом для борьбы с ослаблением сигнала. Они обеспечивают надёжную передачу данных на большие расстояния. Получив ослабленный входящий сигнал, повторитель очищает и увеличивает его мощность и посылает этот сигнал следующему сегменту.

Усилители (amplifier), имеют сходное назначение, но обычно применяются в сетях с аналоговыми сигналами для увеличения дальности их передачи. Аналоговые сигналы могут переносить голос и данные одновременно. При этом носитель делится на несколько каналов, и разные частоты передаются параллельно.

Усилители, хотя и имеют сходное назначение, используются для увеличения дальности передачи в сетях, использующих аналоговый сигнал.

Концентратор (hub) представляет собой сетевое устройство, служащее в качестве центральной точки соединения в сетевой конфигурации «звезда». Он может использоваться для соединения сетевых сегментов.

Существуют три основных типа концентраторов: пассивные (passive), ак-тивные (active) и интеллектуальные (intelligent). Пассивные концентраторы, не требующие электроэнергии, действуют как физическая точка соединения, ничего не добавляя к проходящему сигналу. Активные концентраторы требуют энергии, используемой ими для восстановления и усиления проходящего через них сигна-ла. Интеллектуальные концентраторы могут предоставлять сервисы переключения пакетов (packet switching) и перенаправления трафика (traffic routing).

Концентратор – это сетевое устройство, служащее в качестве центральной точки соединения в сетевой конфигурации «звезда».

Концентратор не обязан обеспечивать логическую топологию сети типа «звезда». Большинство концентраторов поддерживают логическую топологию «Шина», например, Ethernet-концентраторы.

Мост (bridge) представляет собой устройство, используемое для соединения сетевых сегментов. Он функционирует в первую очередь как повторитель. Мост может получать данные из любого сегмента, однако он более разборчив в передаче этих сигналов, чем повторитель. Если получатель пакета находится в том же физическом сегменте, что и мост, то мост знает, что этот пакет достиг цели и больше не нужен. А если получатель пакета находится в другом физическом сегменте, то мост знает, что его надо переслать. Эта обработка помогает уменьшить загрузку сети. Например, сегмент не получает сообщений, не относящихся к нему.

Мосты могут соединять сегменты, использующие разные типы носителей (кабелей). Они могут соединять сети с разными схемами доступа к носителю, например, сеть Ethernet и сеть Token Ring. Примером таких устройств являются мосты-трансляторы (translating bridge), осуществляющие преобразование между различными методами доступа к носителю, позволяя связывать сети разных типов. Другой специальный тип моста – прозрачный (transparent bridge) или интеллектуальный мост (learning bridge) – периодически «изучает», куда направлять получаемые им пакеты, делая это путём непрерывного построения специальных таблиц, добавляя в них по мере необходимости новые элементы.

Возможным недостатком мостов является то, что они передают данные дольше, чем повторители, так как проверяют адрес сетевой карты получателя для каждого пакета. Они сложнее в управлении и дороже, чем повторители.

Сейчас мосты, практически не используются. Их функции выполняют компьютеры-шлюзы, коммутаторы, или маршрутизаторы.

Маршрутизатор (router) представляет собой сетевое коммуникационное устройство, связывающее два и более сетевых сегмента (или подсетей).

Маршрутизатор функционирует подобно мосту, но для фильтрации трафика использует не адрес сетевой карты компьютера, а информацию о сетевом адресе, передаваемую в относящейся к сетевому уровню части пакета. После получения информации об адресе маршрутизатор использует таблицу маршрутизации (routing table), содержащую сетевые адреса, чтобы определить, куда направить пакет. Он делает это путём сравнения сетевого адреса в пакете с элементами в таблице маршрутизации. Если совпадение найдено, пакет направляется по указанному маршруту; если не найдено – пакет обычно отбрасывается.

Маршрутизатор – это сетевое коммуникационное устройство, которое может связывать два и более сетевых сегмента (или подсетей).

Существуют два типа маршрутизирующих устройств: статические и динамические.

Статические маршрутизаторы (static router) используют таблицы маршрутизации, создаваемые и вручную обновляемые сетевым администратором.

Динамические маршрутизаторы (dynamic router) создают и обновляют свои собственные таблицы маршрутизации. Они используют информацию, как найденную на своих собственных сегментах, так и полученную от других динамиче-ских маршрутизаторов. Динамические маршрутизаторы всегда содержат свежую информацию о возможных маршрутах по сети, а также информацию об узких местах и задержках в прохождении пакетов. Эта информация позволяет им определить наиболее эффективный путь, доступный и данный момент, для перена-правления пакетов данных к их получателям.

Поскольку маршрутизаторы могут осуществлять интеллектуальный выбор пути и отфильтровывать пакеты, которые им не нужно получать, они помогают уменьшить загрузку сети, сохранить ресурсы и увеличить пропускную способ-ность сети. Они также повышают надёжность доставки данных, так как могут выбрать для пакетов альтернативный путь, если маршрут по умолчанию недоступен.

Термин «маршрутизатор» может обозначать элемент электронной аппаратуры, специально сконструированной для маршрутизации, а также компьютер (обеспеченный таблицей маршрутизации), подключённый к другим сегментам се-ти с помощью нескольких сетевых карт и, следовательно, способный выполнять функции маршрутизации между связанными сегментами.

Маршрутизаторы превосходят мосты способностью фильтровать и направлять пакеты данных по сети. В отличие от мостов для них можно отключить пересылку широковещательных сообщении, уменьшив, таким образом, сетевой широ-ковещательный трафик.

Другое важное преимущество маршрутизатора как соединительного устройства заключается в том, что, поскольку он работает на сетевом уровне, то он может соединять сети с различными сетевой архитектурой, методами доступа к устройствам или протоколами. Например, маршрутизатор может соединить подсеть Ethernet и сегмент Token Ring, связать несколько небольших сетей, использующих различные протоколы, если последние поддерживают маршрутизацию.

Маршрутизаторы по сравнению с повторителями дороже и сложнее в управлении. У них меньше пропускная способность, чем у мостов, так как они производят дополнительную обработку пакетов данных. Кроме того, динамические маршрутизаторы могут добавлять излишний трафик в сети, поскольку для обновления таблиц маршрутизации постоянно обмениваются сообщениями.

Статических маршрутизаторов в настоящее время практически нет. Точнее говоря, их не используют.

Современный маршрутизатор – это обычно специализированный компьютер, оптимизированный для выполнения функций маршрутизатора. На нём работает специализированная операционная система, в рамках настройки параметров которой можно осуществить и статическую маршрутизацию.

Английский термин «Brouter» (мост-маршрутизатор) представляет комбинацию слов «bridge» (мост) и «router» (маршрутизатор). Следовательно, мост-маршрутизатор сочетает функции моста и маршрутизатора. Когда такое устройство получает пакет данных, оно проверяет, послан пакет с использованием маршрутизируемого протокола или нет. Если это пакет маршрутизируемого протокола, мост-маршрутизатор выполняет функции маршрутизатора, посылая при необходимости пакет получателю вне локального сегмента. Если пакет содержит немаршрутизируемый протокол, мост-маршрутизатор выполняет функции моста, используя адрес сетевой карты для поиска получателя на локальном сегменте. Для выполнения этих двух функций мост-маршрутизатор может поддерживать как таблицы маршрутизации, так и таблицы мостов.

Шлюз (gateway) представляет собой метод осуществления связи между двумя или несколькими сетевыми сегментами. В качестве шлюза обычно используют выделенный компьютер с ПО шлюза, на котором производятся преобразования, позволяющие взаимодействовать нескольким системам в сети. Например, при использовании шлюза персональные компьютеры на базе Intel-совместимых процессоров на одном сегменте могут связываться и разделять ресурсы с компьютерами Macintosh.

Другой функцией шлюзов является преобразование протоколов. Шлюз может получить сообщение IPX/SPX, направленное клиенту на удалённом сетевом сегменте, использующему другой протокол, например TCP/IP. После того как шлюз определяет, что получателем сообщения является станция TCP/IP, он преобразует данные сообщения в протокол TCP/IP. (В этом состоит отличие от моста, просто пересылающего сообщение, используя один протокол внутри формата данных другого протокола, преобразование при необходимости происходит у получателя.) Почтовые шлюзы производят сходные операции по преобразованию почтовых сообщений и других почтовых передач из родного формата приложения пользователя электронной почты в более универсальный почтовый протокол, например SMTP, используемый затем для направления сообщения в Интернет.

Шлюзы имеют много преимуществ, но при принятии решения об их использовании в сети следует учитывать ряд факторов. Шлюзы сложны в установке и настройке, дороже других коммуникационных устройств. Вследствие лишнего этапа обработки, связанного с процессом преобразования, они работают медленнее, чем маршрутизаторы и подобные устройства.

Шлюз – это метод осуществления связи между двумя или несколькими сетевыми сегментами.

Кроме маршрутизаторов существуют ещё и коммутаторы.

Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch).

Фактически любое из выше перечисленных устройств должно решать задачу мультиплексирования и демультиплексирования.

Прежде чем выполнить переброску данных на определённые для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает на вход коммутатора только один поток в «чистом» виде, или «смешанный» поток, объединяющий в себе несколько потоков. В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования.

Задача демультиплексирования (demultiplexing) – разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.

Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция – мультиплексирование.

Задача мультиплексирования (multiplexing) – образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети.

Технология мультиплексирования должна позволять получателю суммарного потока выполнять обратную операцию – разделение (демультиплексирование) данных на составляющие потоки. На рис. 3.1 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих подпотока. В общем случае на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе задачи – мультиплексирование и демультиплексирование.

Частный случай коммутатора (рис. 3.1а), у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где мультиплексируются в один агрегированный поток и направляются в один физический канал, называется мультиплексором (multiplexer, mux). Коммутатор (рис.3.1б) имеет один входной интерфейс и несколько выходных и называется демультип-лексором.

Рис. 3.1. Мультиплексор (а) и демультиплексор (б).

Самым популярным и самым простым физическим способом построения сети является использование топологии «шина» на разделяемой среде передачи данных. В качестве примера можно назвать Ethernet.

Рис. 3.2. Схема "общая шина"

Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал на-зывают разделяемым (shared). Часто используется также термин «разделяемая среда» (shared media) передачи данных. Разделяемые каналы связи используются не только для связей типа коммутатор-коммутатор, но и для связей компьютер-коммутатор и компьютер-компьютер.

Существуют различные способы организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. В одних случаях используют централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство – арбитр, в других – децентрализованный. Внутри компьютера проблемы разделения линий связи между различными модулями также существуют, примером может служить доступ к системной шине, которым управляет процессор, или специальный арбитр шины. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. В результате процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать много времени и приводить к значительному снижению производительности сети.

Несмотря на все эти сложности, в локальных сетях разделяемые среды используются часто. Этот подход, в частности, реализован в широко распространённых классических технологиях Ethernet, Token Ring, FDDI. В глобальных сетях разделяемые между интерфейсами среды практически не используются. Это объясняется тем, что большие временные задержки при распространении сигналов вдоль протяженных каналов связи приводят к длительным переговорным процедурам доступа к разделяемой среде, сокращая до неприемлемого уровня долю полезного использования канала связи на передачу данных абонентов.

Наметилась тенденция отказа от разделяемых сред передачи данных и в локальных сетях. Это связано с тем, что за достигаемое таким образом снижение стоимости сети приходится расплачиваться производительностью. Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов всегда будет работать медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальной линии связи достаётся одному компьютеру, а при совместном использовании – делится на все компьютеры сети. Часто с такой потерей производительности приходится мириться ради увеличения экономической эффективности сети. Не только в классических, но и в новых технологиях, разработанных для локальных сетей, сохраняется режим разделяемых линий связи. Например, разработчики принятой в 1998 году в качестве нового стандарта технологии Gigabit Ethernet включили режим разделения передающей среды в свои спецификации наряду с режимом работы по индивидуальным линиям связи.

Напомним, что коммутация бывает канальной и пакетной. Ethernet – пример стандартной технологии коммутации пакетов.

Рассмотрим, каким образом описанные выше общие подходы к решению проблем построения сетей воплощены в наиболее популярной сетевой технологии – Ethernet. (остановимся некоторых принципиальных моментах, иллюстрирующих ряд уже рассмотренных базовых концепций).

Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъёмов), достаточный для построения вычислительной сети.

Эпитет «достаточный» подчеркивает, что речь идёт о минимальном наборе средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть. Эту сеть можно усовершенствовать, например, за счёт выделения в ней подсетей, что сразу потребует кроме протоколов стандарта Ethernet применения протокола IP, а также специальных коммуникационных устройств – маршрутизаторов. Усовершенствованная сеть будет, скорее всего, более надёжной и быстродействующей, но за счёт надстроек над средствами технологии Ethernet, составившей базис сети.

Термин «сетевая технология» чаще всего используется в описанном узком смысле, но иногда применяется и его расширенное толкование как любого набора средств и правил для построения сети, например «технология сквозной маршрутизации», «технология создания защищенного канала», «технология IP-сетей».

Протоколы, на основе которых строится сеть определённой технологии (в узком смысле), создавались специально для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия.

Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий служат такие известные технологии локальных сетей, как Ethernet, Token Ring и FDDI, технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получе-ния работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии – сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п. – и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

Для сетевой технологии Ethernet характерны:

• коммутация пакетов;
• типовая топология «общая шина»;
• плоская числовая адресация;
• разделяемая передающая среда.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, – случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» (рис. 3.3). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами – сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а точнее, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.

Рис.3.3. Сеть Ethernet.

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер может передавать данные по сети Ethernet только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывая» среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра.

Кадр – это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet.

Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры начинают одновременно принимать этот кадр. Они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из началь-ных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Может возникнуть ситуация, когда несколько компьютеров одновременно решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию – коллизия. Она препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet преду-смотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, пытавшиеся передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Основные достоинства технологии Ethernet

1. Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины.
2. В сетях Ethernet реализованы простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведёт к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надёжностью.
3. Ещё одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть возможность подключения новых узлов.

Другие базовые сетевые технологии, такие как Token Ring и FDDI, хотя и обладают индивидуальными чертами, имеют много общего с Ethernet. В первую очередь, это применение регулярных фиксированных топологий («иерархическая звезда» и «кольцо»), а также разделяемых сред передачи данных. Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особенностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в них методов разделения среды – случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путём передачи маркера в Token Ring.

Основные выводы

У сетей существует физическая и логическая организация. Физическая и логическая организация сетей может не совпадать. Физические сетевые устройства или сетевое оборудование может выполнять большой набор логических функций.