Средства реализации ЛВСРассмотрим подробнее оборудование, используемое в локальных сетях. Сетевые адаптеры (СА). Основные функции адаптеров и их технические характеристики определяются поддерживаемым уровнем протокола ЛВС в соответствии с архитектурой семиуровневой эталонной модели ВОС. Адаптер (adapter) – устройство либо программа, предназначенные для согласования параметров входных и выходных сигналов в целях сопряжения объектов. По выполняемым функциям СА разделяются на две группы: 1) реализующие функции физического и канального уровней. Такие адаптеры, выполненные в виде интерфейсных плат, отличаются технической простотой и невысокой стоимостью. Они применяются в сетях с простой технологией, где почти отсутствует необходимость выполнения таких функций, как маршрутизация пакетов, формирование из поступающих пактов сообщений, согласование протоколов различных сетей и др.; 2) реализующие функции первых четырех уровней модем ВОС – физического, канального, сетевого и транспортного. Эти адаптеры, кроме функций СА первой группы, могут выполнять функции маршрутизации, ретрансляции данных, формирования пакетов из передаваемого сообщения (при передаче), сборки пакетов в сообщение (при приеме), согласования протоколов передачи данных различных сетей, сокращая таким образом затраты вычислительных ресурсов ЭВМ на организацию сетевого обмена. Технически они могут быть выполнены на базе микропроцессоров. Естественно, что такие адаптеры применяются в ЛВС, где имеется необходимость в реализации перечисленных функций. Адаптеры ориентированы на определенную архитектуру локальной сети и ее технические характеристики, поэтому по топологии ЛВС адаптеры разделяются на следующие группы: поддерживающие шинную топологию, кольцевую, звездообразную, древовидную, комбинированную (звездно-кольцевую, звездно-шинную). Дифференциация адаптеров по выполненным функциям и ориентация их на определенную архитектуру ЛВС привели к большому многообразию типов адаптеров и разбросу их характеристик. Концентраторы (хабы) – concentrator – устройство либо функциональный блок, у которого суммарная пропускная способность входных каналов выше пропускной способности выходного канала. Так как потоки входных данных в концентраторе больше выходного потока, то главной его задачей является концентрация данных. При этом случаются ситуации, когда число блоков данных, поступающее на входы концентратора, превышает его возможности. Тогда концентратор ликвидирует часть этих блоков. Ядром концентратора является процессор. Для объединения входной информации чаще всего используется множественный доступс разделением времени (ТДМА). TDMA – Time Division Multiple Access – множественный доступ по принципу временного мультиплексирования каналов. Функции, выполняемые концентратором, близки к задачам, возложенным на мультиплексор. Наращиваемые (модульные) концентраторы позволяют выбирать их компоненты, не думая о совместимости с уже используемыми. Современные концентраторы имеют порты для подключения к разнообразным локальным сетям. Они удобны для формирования сети произвольной топологии. Выпускается ряд типов концентраторов – пассивных и активных с автономным питанием, выполняющих роль повторителя. Они отличаются по количеству, типу и длине подключаемых кабелей и могут автоматически управлять подсоединенными сегментами (включать и выключать их в случае обнаружения сбоев и обрывов). Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей – Ethernet, Arсnet, Token Ring, FDOI, FastEthernet, Gigabit Ethernet, 100VG – AnyLAN. Следует подчеркнуть, что в работе концентраторов любых технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 14, а). А концентратор Token Ring (рис. 14, б) повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту – на том, к которому подключен следующий в кольце компьютер. В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовой повторитель, коммутатор или маршрутизатор. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называют концентратором, или хабом (hub – основа, центр деятельности), который отражает тот факт, что в данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети. Приемопередатчики (трансиверы) и повторители (репитеры). С помощью этих устройств можно объединить несколько сегментов сети с шинной технологией, увеличивая таким образом общую протяженность сети. Трансивер (приемопередатчик) – (transmitter + receiver = transceiver) – это устройство, предназначенное для приема пакетов от контроллера рабочих станций и передачи их в шину. Он также разрешает коллизии в шине. Конструктивно приемопередатчик и контроллер могут объединяться на одной плате или находиться в различных узлах. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем длиной 50 м. Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м. Трансивер – это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции: • прием и передача данных с кабеля на кабели; • определение коллизий на кабеле; • электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера; • защита кабеля от некорректной работы адаптера.
Рис. 14. Концентраторы различных технологий: а) концентратор Ethernet; б) концентратор Token Ring Репитер (повторитель) (repeater) – устройство с автономным питанием, обеспечивающее передачу данных между сегментами определенной длины. Он служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух или нескольких трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения сосвоим тактовым генератором. Разрешается использовать в сети не более 4 повторителей и, собственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 2500 м. Только 3 сегмента из пяти могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. На рис. 15 приведена сеть Ethernet, состоящая из трех сегментов, объединенных двумя повторителями. Крайние сегменты являются нагруженными, а промежуточные – ненагруженными. Мосты – это устройства для логической структуризации сети. Мост (bridge) – ретрансляционная система, соединяющая два канала передачи данных. Они используются для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия на физическом и канальном уровнях. Мост делит разделяющую среду передачи сети на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Промышленностью выпускается довольно широкая номенклатура мостов. Мосты используются для локализации трафика аппаратного адреса компьютеров. Это затрудняет распознавание принадлежности того или иного компьютера к определенному логическому сегменту – сам адрес не содержит никакой информации. Поэтому мост достаточно упрощенно представляет деление сети на сегменты – он запоминает, через какой порт на него поступает кадр данных от каждого компьютера сети, и в дальнейшем передает кадры, предназначенные для этого компьютера, на этот порт. На рис. 16 показана логическая структуризация сети с помощью моста. Сети 1го и 2го отделов состоят из отдельных логических сегментов. Каждый логический сегмент построен на базе концентратора и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связывающими компьютеры с портами концентратора. В соответствии с базовой эталонной моделью ВОС мост описывается протоколами физического и канального уровней, над которыми располагаются канальные процессы, – рис. 17 (структура моста). Мост опирается на пару связанных им физических средств соединения, которые в этой модели представляют физические каналы. Мост преобразует физический (1А, 1В) и канальный (2А, 2В) уровни различных типов.
Рис. 15. Компоненты физического уровня ЛВС, состоящей из трех сегментов
Рис. 16. Логическая структуризация сети с помощью моста
Рис. 17. Структура моста Коммутатор (switch) по принципу обработки кадров ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутаторов обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что коммутаторы – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме. Они обладают большей пропускной способностью, что важно для интерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями. В сети Ethernet коммутаторы обрабатывают полученный пакет в реальном масштабе времени, обеспечивая нужную латентность и высокую скорость коммутации. Коммутатор локальной сети (local area network switch) – устройство, обеспечивающее взаимодействие сегментов одной либо группы локальных сетей. Он, как и обычный коммутатор, обеспечивает взаимодействие подключенных к нему абонентов. Но в дополнение к этому он осуществляет преобразование интерфейса, если соединяются различные типы сегментов локальных сетей. В перечень функций, выполняемых коммутатором локальных сетей, входят: • обеспечение сквозной коммутации; • наличие средств маршрутизации; • поддержка простого протокола управления сетью (SNMP); • имитация моста либо маршрутизатора; • организация виртуальных сетей; • скоростная ретрансляция блоков данных. Отдельные части локальной сети может соединять шлюз. Шлюз (gateway) – ретрансляционная система, обеспечивающая взаимодействие двух информационных систем. Шлюзы применяются для различных сетей. Они дают возможность объединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения и выполняют протокольные преобразования для всех семи уровней модели ВОС, в частности маршрутизацию пакетов, преобразование сообщения из одного формата в другой или из одной системы кодирования в другую. Шлюз – наиболее сложная ретрансляционная система, обеспечивающая взаимодействие двух (рис. 18 – структура шлюза) сетей с различными (1А–7А и 1В–7В) наборами протоколов всех семи уровней. В свою очередь, наборы протоколов могут опираться на различные типы физических средств соединения. Штабели протоколов и, естественно, информационные сети объединяются в единое целое специальными прикладными процессами шлюза. Шлюз осуществляет свои функции на уровне выше сетевого. Он не зависит от используемой передающей среды, но зависит от используемых протоколов обмена данными. Обычно шлюз выполняет преобразование между двумя протоколами. С помощью шлюзов можно подключить ЛВС к главному компьютеру или к глобальной сети. В тех случаях, когда соединяются информационные сети, созданные по стандартам Международной организации по стандартизации (ISO), в них часть уровней может иметь одни и те же протоколы. Ограничения, связанные с применением мостов и коммутаторов – по топологии связей, а также ряд других причин приводят к тому, что сети соединяются с еще одним коммуникационным устройством – маршрутизатором.
Рис. 18. Структура шлюза Маршрутизатор (роутер) (router) – ретрансляционная система, соединяющая две коммуникационные сети либо их части. Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации, поскольку используют не плоские аппаратные, а составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью (subnet). Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Кроме локализации трафика, маршрутизаторы выполняют еще много других полезных функций. Они могут работать в сети с замкнутыми контурами, при этом осуществляя выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Сеть, представленная на рис. 19, отличается от сети с мостом (рис. 16) тем, что между подсетями отделов 1 и 2 проложена дополнительная связь, которая может использоваться как для повышения производительности сети, так и для повышения ее надежности. Другой очень важной функцией маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий, например Ethernet и Х.25. Маршрутизаторы устанавливают соединения на 4-м (транспортном) уровне, при этом верхние уровни сети (5-й, 6-й и 7-й) должны быть одинаковы. Каждый маршрутизатор (рис. 20) реализует протоколы физического (1А, 1В), канального (2А, 2В) и сетевого (3А, 3В) уровней. Специальные сетевые процессы соединяют части коммутатора в единое целое. Физические, канальные и сетевые протоколы в разных сетях различны, поэтому соединение пар коммутационных сетей осуществляется через маршрутизаторы, которые при необходимости преобразуют указанные протоколы. Маршрутизаторы обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса: -выбор наилучшего маршрута для передачи сообщения, адресованного другой сети; -управление сбалансированной нагрузкой в сети путем равномерного распределения потоков данных; -защиту данных; -буферизацию передаваемых данных; -различные протокольные преобразования.
Рис. 19. Логическая структуризация сети с помощью маршрутизатора
Рис. 20. Структура маршрутизатора Использование маршрутизаторов при объединении ряда небольших локальных сетей в единую сеть дает следующие преимущества (по сравнению с большой ЛВС, имеющей такое же количество абонентских систем): • обеспечивается большая безопасность информации, циркулирующей в сети. В большой ЛВС, работающей в широковещательном режиме, информация распространяется по всей кабельной системе, поэтому несанкционированный доступ к ней проще, чем к ЛВС, образованной из нескольких небольших локальных сетей. В этом случае с помощью маршрутизаторов осуществляется межсетевая коммутация, а обычные сетевые потоки данных остаются локальными, то есть работа в широковещательном режиме возможна только в пределах небольшой ЛВС; • повышается надежность работы сети – выход из строя одной ЛВС не отражается на работе других взаимосвязанных сетей, так как маршрутизаторы, осуществляющие множественное взаимодействие, изолируют отказавшие сети; • увеличивается производительность в пределах каждой индивидуальной сети, входящей в состав единой сети. В каждой небольшой ЛВС имеются свои средства управления сетью, повышающие степень ее самостоятельности. Кроме того, уменьшаются нагрузки, связанные с потоком данных, генерируемых рабочими станциями; • увеличивается диапазон действия сети – выполняя функции усилителей сигнала, маршрутизаторы устраняют ограничение по допустимой протяженности длины кабеля.
|
