10. Способы и средства объединения локальных компьютерных сетей
Очень часто созданная на определенном этапе развития системы локальная вычислительная сеть с течением времени перестает удовлетворять потребностям всех пользователей и возникает необходимость объединения локальных вычислительных cетей. В сетях с небольшим количеством узлов чаще всего используется одна из типовых топологий – общая шина, кольцо, звезда. Все топологии имеют одно общее свойство – однородность, которое означает, что все узлы обладают равными правами на доступ к другим компьютерам. Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчая обслуживание и эксплуатацию сети. Однако при построении крупных сетей это же достоинство превращается в недостаток, поскольку начинают проявляться ограничения, важнейшими из которых являются:
ограничения на длину связи между узлами;
ограничения на количество узлов в сети;
ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.
Поскольку каждая из базовых реализаций сети накладывает определенные ограничения, то практически все рабочие сети разделяются на несколько сегментов. Разделение сети на сегменты может способствовать повышению производительности. В большой сети возникает неоднородность информационных потоков: сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, участков, отдельных цехов и других административных образований.
Сети с типовой топологией, в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказываются неадекватной структуре информационных потоков в большой сети. Именно здесь в работу включаются повторители (репитеры), трансиверы, концентраторы, мосты (коммутаторы), маршрутизаторы и шлюзы.
Следует различать физическую и логическую топологию сети. Под физической топологией сети понимается конфигурация физических связей между компьютерами, а под логической топологией – конфигурация информационных потоков в сети.
Физическая структуризация сети
Трансиверы (конвертеры, приемопередатчики, transceiver)служат для двунаправленной передачи между адаптером и сетевым кабелем или между двумя сегментами (отрезками) сетевого кабеля. Основной функцией трансивера является усиление сигналов или преобразование их в другую форму для улучшения характеристик сети, в частности повышения помехоустойчивости и/или увеличения расстояния между абонентами. Например, при подключении к одному оптоволоконному кабелю коаксиального кабеля. В этом случае трансивер выполняет функцию конвертора среды, преобразуя электрические сигналы сети в какие-нибудь другие (оптические, радиосигналы и т. д.).
Повторители (репитеры, repeater) выполняют более простую задачу, чем трансиверы. Они не преобразуют ни уровни сигналов в сети, ни их физическую природу. Их назначение состоит только в том, чтобы восстановить форму сигнала, искажаемую прохождением в длинной линии. Они служат простыми двунаправленными ретрансляторами сигналов сети и позволяют преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала – восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п. Основная цель их применения – увеличение длины сети. Они расширяют возможности сети, разделяя ее на сегменты, тем самым уменьшается количество компьютеров на один сегмент. Трансиверы и повторители не производят абсолютно никакой информационной обработки проходящих через них пакетов. С точки зрения передачи информации они представляют собой абсолютно пассивные устройства. Поэтому они в принципе не могут хоть как-то изменить основные информационные характеристики сети. Соединяя с их помощью отдельные части сети, мы получаем всего лишь такую же сеть, но только большего объема и с лучшим качеством передачи сигналов.
Рис. 18. Включение репитера (а) и пассивного концентратора (б)
Концентратор (concentrator, hub). Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называют концентратором (concentrator) или хабом (hub). Концентраторы выполняют функцию собранных в одном месте в единый конструктив нескольких повторителей (репитеров) или трансиверов (рис. 18). Никакой обработки информации они не производят, а только восстанавливают и усиливают сигналы, могут также преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот. Концентраторы имеют свои преимущества:
а. Собирая все важные точки в одном месте, мы существенно облегчаем обслуживание сети и контроль за ее работоспособностью, а также облегчаем поиск неисправностей.
б. Концентратор может быть расположен в специальном помещении, куда не имеют доступа лишние люди, что повышает надежность функционирования сети.
К концентратору могут подключаться только части (сегменты) или отдельные абоненты одной и той же сети. Например, сегменты сети, выполненные на тонком кабеле, на толстом кабеле, на оптоволоконном кабеле.
Рис. 19. Физическая (а) и логическая (б) топология сети 10BASE-T на базе концентратора Ethernet: Тх – передача сигнала; Rx – прием сигнала
Концентраторы повторяют данные, пришедшие с любого порта, на всех остальных портах. Поэтому данные появляются одновременно на всех физических сегментах сети. Пример, представленный на рис. 19, демонстрирует несовпадение физической и логической топологий сети. Физически компьютеры соединены с помощью концентратора Ethernet по топологии «звезда». Так как концентратор Ethernet повторяет данные, пришедшие с любого порта, на всех остальных портах, то они появляются одновременно на всех компьютерах, так же как в сети с общей шиной. Таким образом, сеть Ethernet имеет физическую топологию «звезда», а логическую – топологию «шина».
Аналогичны функции концентраторов в сетях с топологией типа «кольцо», где они часто применяются. Концентраторы позволяют более гибко организовывать связь между абонентами, комбинируя кольцевую и звездообразную физическую конфигурации (рис. 20). Концентратор просто включается в общее кольцо абонентов, подключенных к нему, т. е. конфигурация информационных потоков при этом не изменяется.
Рис. 20. Включение концентраторов в сеть типа «кольцо»
Таким образом, концентраторы всегда изменяют физическую топологию сети, но при этом остается без изменения конфигурация информационных потоков, т. е. логическая конфигурация сети.
В большой сети возникает неоднородность информационных потоков: сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, участков, цехов, филиалов предприятия и других административных образований. При этом можно выделить группы узлов, активно общающихся между собой и изредка обменивающихся сообщениями с другими узлами. Проблема перераспределения трафика между различными фрагментами сети не решается с помощью физической структуризации. Сети с типовой топологией чаще всего просто неспособны создавать выделенные, обособленные по интенсивности трафика группы. В качестве примера рассмотрим структуру, представленную на рис. 21.
Рис. 21. Физическая структуризация сети с помощью концентратора
Предположим, в отделе 1 компьютер А захотел передать данные компьютеру Б. При передаче сигнала передаваемые данные поступают на порт концентратора 1, к которому подключен компьютер А, и воспроизводятся без изменения на всех остальных портах. Соответственно, на одном из портов концентратора 5 появится сигнал, т. к. он подключен к одному из портов концентратора 1, который, в свою очередь, воспроизведет его на всех своих портах. Таким образом, все концентраторы данной сети воспроизведут данный сигнал на всех своих портах. Получение сигнала означает, что линия занята. Все компьютеры сети будут ожидать освобождения линии, хотя данные передаются только в пределах одного отдела.
Решение этой проблемы осуществляется с помощью логической структуризации сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети.
Деление сети на логические сегменты приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся на каждый из вновь образованных сегментов, оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывает исходная сеть. Так, решение проблемы сети, представленной на рис. 22, заключается в том, чтобы данные, направляемые рабочей станции внутри отдела 1, не выходили за пределы этого же отдела. Вариант решения данной проблемы представлен на рис. 22, где для логической структуризации сети используется мост.
Рис. 22. Логическая структуризация сети с помощью моста
Мост (Bridge) делит разделяемую среду передачи данных сети на части, называемые логическими сегментами. Мост изолирует трафик одного сегмента от трафика другого, передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, когда такая передача действительно необходима. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных с сети.
Основное назначение моста – организация обмена между сетями с разными стандартами обмена, например Ethernet, Arcnet, Token Ring и т.д., а также между несколькими сегментами одной сети (рис. 23). Особенностью работы моста является то, что система передачи данных реализуется средствами физического и канального уровней. При этом адресация в сети осуществляется на основе аппаратных адресов (МАС-адресов) компьютеров, жестко связанных с сетевым адаптером.
Объединение с помощью моста сетей с одинаковыми протоколами (например, двух Ethernet) отличается от объединения с помощью повторителя или концентратора. В случае моста каждая из сетей работает со своими собственными пакетами, и только при необходимости через мост приходят пакеты из другой сети, адресованные абонентам данной сети. В результате нагрузка на каждую из сетей оказывается существенно меньше, чем при использовании концентратора.
Рис. 23. Соединение разнородных и однородных сегментов сетей с помощью моста (коммутатора)
Рис. 24. Принцип работы моста
Передача пакетов осуществляется следующим образом (рис. 24). Если адреса не указаны в таблице маршрутизации, то мост передает пакеты во все сегменты, если же адресат указан в таблице маршрутизации, мост передает пакет в этот сегмент. Можно сказать, что мосты обладают некоторым «интеллектом», поскольку изучают, куда следует направлять данные. Когда пакеты передаются через мост, данные об адресах компьютеров сохраняются в оперативной памяти моста, который использует эти данные для построения таблицы маршрутизации. Принимая пакет, мост ищет адрес источника в таблице маршрутизации. Если адрес источника не найден, он добавляет его в таблицу. Затем мост сравнивает адреса назначения с базой данных таблицы маршрутизации. В дальнейшем, если мост знает о местонахождении узла-адресата, то он передает пакет ему; если же адресат неизвестен, то мост транслирует пакет во все сегменты и т. д. Таким образом, он просто запоминает адрес отправителя и ставит ему в соответствие порт, а в случае поступления данных для этого адреса, он направляет данные на этот порт.
Коммутатор (switch) по принципу работы 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. Одним словом, коммутаторы – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме в отличие от классических мостов, обрабатывающих кадры в последовательном режиме. За счет этого общая производительность системы намного выше, чем производительность моста, имеющего один процессорный блок. Постепенно коммутаторы вытесняют из локальных сетей классические однопроцессорные мосты.
Ограничения, связанные с тем, что невозможно создавать замкнутые маршруты, привели к тому, что в ряду коммуникационных устройств появился еще один представитель – маршрутизатор (router).
Маршрутизаторы (router). Маршрутизация – это процесс, при помощи которого данные, передаваемые с компьютера в сеть, направляются к компьютеру-адресату в случае, когда последний находится в разных с исходным компьютером сетях. Маршрутизаторы применяются только в сильно разветвленных сетях, имеющих несколько параллельных маршрутов. Их функция состоит в том, чтобы выбрать оптимальный путь (маршрут) для каждого пакета. Это делается для избежания чрезмерной нагрузки отдельных сегментов, а также для обхода поврежденных участков. С помощью двух числовых адресов – адреса сети и адреса узла – маршрутизатор однозначно выбирает определенную станцию сети. Он также может выбрать наилучший путь для передачи сообщения абоненту сети, фильтрует информацию, проходящую через него, направляя в одну из сетей только ту информацию, которая ей адресована.
Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных сегментов сети друг от друга. Маршрутизаторы для выявления принадлежности получателя подсети используют числовые адреса, что позволяет структурировать и систематизировать подсети, облегчая возможности администрирования и оптимизации маршрутов прохождения кадров. Маршрутизаторы могут переадресовывать и маршрутизировать пакеты через множество сетей, обмениваясь информацией между различными сетями. Маршрутизатор переправляет или ретранслирует пакеты, основываясь на коммуникационных путях, описанных в его таблице маршрутизации. Таблица помогает маршрутизатору определить адреса назначения для поступающих данных. Она включает следующую информацию:
все известные сетевые адреса;
способы связи с другими сетями;
возможные пути между маршрутизаторами;
стоимость передачи данных по этим путям;
выбор наилучшего маршрута для данных, сравнивая стоимость и доступность различных вариантов.
Существуют два типа таблиц маршрутизации: статические и динамические. Системные администраторы должны создавать и обновлять статические таблицы маршрутизации вручную, поскольку таблицы не могут измениться без определенного вмешательства. Динамические таблицы маршрутизации создаются и поддерживаются автоматически при помощи протокола маршрутизации.
Отметим различие между мостами (коммутаторами) и маршрутизаторами.
а. Мост (коммутатор) распознает только локальные адреса (аппаратные адреса, МАС-адреса), а маршрутизаторы распознают числовые адреса сетей (IP адреса).
б. Мост (коммутатор) распространяет пакеты с неизвестным ему адресом получателя по всем направлениям, все пакеты с известным адресатом передает только через соответствующий порт, а маршрутизатор фильтрует адреса.
в. Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга.
Шлюз (gateway) – это устройство, служащее для соединения совершенно разных сетей, например локальных сетей с глобальными или локальных сетей с большими ЭВМ, использующими совершенно другие и, что принципиально, абсолютно несовместимые протоколы обмена. При этом приходится преобразовывать весь поток информации, включая код, форматы, методы управления и т. д. Это еще более сложные и, следовательно, гораздо более дорогие устройства, чем маршрутизаторы.
Шлюз выполняет свои функции на уровнях выше сетевого. Он не зависит от используемой передающей среды, но зависит от используемых протоколов обмена данными. Обычно шлюз выполняет преобразования между двумя протоколами. С помощью шлюзов можно подключить локальную вычислительную сеть к главному компьютеру, а также к глобальной сети.
Если вернуться к модели открытых систем, то повторителя (репитеры) и концентраторы связывают две сети (или два сегмента сети) на физическом (первом) уровне модели, мосты (коммутаторы) – на канальном (втором), маршрутизаторы – на сетевом (третьем) уровне, а шлюзы – на более высоких уровнях. На рис. 25 показано соответствие функций различных коммуникационных устройств уровням модели OSI.
Рис. 25. Соответствие функций различных устройств сети уровням модели OSI