135. Сетевое коммуникационное оборудование лкс: состав и назначение.

Наиболее массовые типы сетевого коммуникационного оборудования ЛКС - кабельные системы, сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и коммутаторы.

Кабельная система.

Кабельная система составляет фундамент любой компьютерной сети и представляет собой набор коммуникационных элементов (кабелей, разъемов, кроссовых панелей и шкафов, коннекторов), которые удовлетворяют стандартам локальных сетей и позволяют создавать регулярные, легко расширяемые структуры сетей путем добавления сегментов, коммутаторов или изъятия ненужного оборудования.

Структурированная кабельная система (СКС), отвечающая высоким требованиям к качеству кабельной системы, строится избыточной, что облегчает реконфигурацию и расширение сетей (стоимость последующего расширения СКС превосходит стоимость установки избыточных элементов).

СКС состоит из трех подсистем: горизонтальной (в пределах этажа), соединяющей кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей; вертикальной, соединяющей кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания; подсистему кампуса, соединяющей несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Горизонтальная подсистема отличается многообразием ответвлений и перекрестных связей, наиболее подходящий для нее тип кабеля - неэкранированная витая пара. Вертикальная подсистема (иначе называемая магистральной) должна передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью. Для нее выбор кабеля ограничивается тремя вариантами: волоконно-оптический кабель (это предпочтительный вариант), толстый коаксиал, широкополосный кабель, используемый в кабельном телевидении. Для подсистемы кампуса предпочтительным кабелем является оптоволокно.

Структурированная кабельная система, по сравнению с хаотически проложенными кабелями, обладает рядом преимуществ: более высокой надежностью (производитель СКС гарантирует качество не только ее отдельных элементов, но и их совместимость), универсальностью (СКС может стать единой передающей средой в ЛКС для передачи компьютерных данных, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации), большим сроком службы (до 10 - 15 лет), меньшими затратами при расширении сети с целью добавления новых РС (что объясняется избыточностью СКС), обеспечением более эффективного обслуживания (в СКС отказ одного сегмента не приводит к отказу всей сети, так как сегменты объединяются концентраторами, которые диагностируют и локализуют неисправный участок).

Сетевые адаптеры (СА)

Сетевые адаптеры, концентраторы и кабельная система - это минимум оборудования для создания ЛКС с общей разделяемой средой, но с небольшим количеством РС, иначе общая среда становится узким местом по пропускной способности. Поэтому сетевые адаптеры и концентраторы используются для построения базовых фрагментов сетей, которые объединяются в более крупные структуры с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

Сетевой адаптер вместе со своим драйвером реализует функции канального уровня в компьютере конечного узла сети. Распределение функций между СА и его драйвером стандартами не определяется. Адаптеры ориентированы на определенную архитектуру ЛКС и ее характеристики. В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры бывают Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т.д. Дифференциация адаптеров по выполняемым функциям и их ориентация на определенную архитектуру ЛКС привели к большому многообразию типов адаптеров и разбросу их характеристик.

По перечню выполняемых функций и объему работы различают адаптеры для клиентских компьютеров (адаптеры рабочих станций) и адаптеры для серверов. Первые из них проще и дешевле за счет того, что значительная часть работы перекладывается на драйвер, следствием чего является высокая загрузка центрального процессора компьютера рутинной работой по передаче кадров из оперативной памяти в сеть. Адаптеры для серверов значительно сложнее, они обычно снабжаются собственными процессорами, выполняющими больший перечень функций, в том числе и всю работу по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.

Главные операции, которые выполняет сетевой адаптер совместно с драйвером,- передача и прием кадров.

Передача кадра из компьютера в сеть включает следующие этапы:

- прием кадра данных LLC вместе с адресной информацией МАС-уровня. В выполнении этого этапа участвует операционная система компьютера;

- оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC-уровня, заполнение адресов отправителя и получателя, вычисление контрольной суммы;

- формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В;

- реализация цифрового кодирования в соответствии с принятым линейным кодом - манчестерским, NRZI и т.п. и выдача сигналов в кабель.

Прием кадра из сети в компьютер включает такие действия:

- прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток;

- выделение информационных сигналов на фоне шума (выполняется специализированными микросхемами);

- проверка контрольной суммы кадра. Если она верна, то из МАС - кадра извлекается LLC-кадр и передается протоколу LLC и далее помещается в буфер оперативной памяти. Если контрольная сумма неверна, то кадр отбрасывается, а протоколу LLC передается соответствующий код ошибки.

В своем развитии наиболее распространенные адаптеры прошли четыре поколения.

Адаптеры первого поколения выполнялись на дискретных логических микросхемах и поэтому имели низкую надежность. Их структура была наиболее простой, в частности буферная память рассчитана только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптеров (все кадры передавались последовательно в сеть и из сети).

В адаптерах второго поколения применялся метод многокадровой буферизации, что повысило их производительность: стало возможным одновременно взаимодействовать с оперативной памятью по передаче или приему кадра и с сетью.

Адаптеры третьего поколения строятся на специализированных интегральных схемах, обеспечивающих повышение их производительности и надежность. Производительность повышена и за счет конвейерной схемы обработки кадров: процессы приема кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени (после приема нескольких байт в параллельном коде сразу же начинается их передача в последовательном коде). Это повышение производительности адаптера важно для повышения производительности сети в целом.

Выпускаемые в настоящее время адаптеры можно отнести к адаптерам четвертого поколения. Они выполняют ряд высокоуровневых функций, таких как приоритезация кадров, дистанционное управление компьютером, адаптация к временным параметрам шины и оперативной памяти компьютера с целью повышения производительности обмена "сеть-компьютер".

Концентраторы

Концентратор, или хаб, повторитель используется во всех технологиях ЛКС. В зависимости от области применения значительно изменяется состав его функций и конструктивное исполнение, но основная функция остается неизменной - это побитное повторение кадра на всех портах, либо только на некоторых портах. Концентратор имеет несколько портов, к которым подключаются рабочие станции сети. Он объединяет физические сегменты сети в единую разделяемую среду, логика доступа к которой зависит от используемой технологии. Для каждого типа технологии выпускаются свои концентраторы.

К числу дополнительных функций концентраторов относятся следующие:

- отключение некорректно работающих портов и переход на резервное кольцо (для технологии Token Ring). Функция отключения портов называется автосегментацией. Причины отключения портов могут быть такими: ошибки на уровне кадра (неверная контрольная сумма, неверная длина кадра - больше 1518 байт или меньше 64 байт, неоформленный заголовок кадра), множественные коллизии (если источником коллизии является один и тот же порт 60 раз подряд, то он отключается и через некоторое время снова подключается), затянувшаяся передача кадра (если время передачи превышает время передачи кадра максимальной длины в 3 раза, то порт отключается);

- выполнение функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети;

- реализация некоторых способов защиты данных в разделяемых средах от несанкционированного доступа. Наиболее простой из них - назначение портам концентратора разрешенных МАС-адресов. Компьютер с таким МАС-адресом нормально работает с сетью через данный порт. Если злоумышленник отсоединяет этот компьютер и присоединяет вместо него свой, концентратор это замечает, отключает порт и факт нарушения прав доступа фиксируется. Другой способ защиты данных - их шифрование.

Существуют несколько типов концентраторов, отличающихся конструктивным исполнением и выполняемыми функциями - концентратор с фиксированным количеством портов, модульный концентратор, стековый концентратор, модульно-стековый концентратор. Некоторые из этих типов являются многосегментными концентраторами, способными делить сеть на сегменты программным способом, без физической перекоммутации устройств. Многосегментные концентраторы являются программируемой основой больших сетей.

Мосты и коммутаторы как средство логической структуризации сети

В настоящее время эксплуатируется огромное количество сравнительно небольших (на 10 - 30 РС) локальных сетей, в том числе и тех, в которых передаются большие объемы мультимедийной информации и применяются высокоскоростные технологии (скорость обмена до 1000 Мбит/с). Для них характерно использование одной разделяемой среды, что позволяет реализовать стандартные технологии и приводит к экономичным и эффективным решениям.

Эффективность одной разделяемой среды для небольших ЛКС очевидна

- это:

- возможность использования стандартного набора протоколов, а следовательно, сравнительно дешевого коммуникационного оборудования - сетевых адаптеров, повторителей, конденсаторов;

- возможность наращивания (в определенных пределах) числа узлов сети;

- довольно простое управление сетью, чему способствует сама логика разделения среды, не допускающая потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств.

Однако по мере развития локальных сетей, появления новых технологий и протоколов все в большей степени стали проявляться недостатки ЛКС на одной разделяемой среде. Главные из них следующие:

- невозможность построения крупных сетей (на сотни и тысячи узлов) на основе одной разделяемой среды. Причина не только в том, что все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде (Token Ring - 260 узлами, FDDI - 500 узлами, все виды семейства Ethernet - 1024 узлами), но и в плохой работе сети на одной разделяемой среде, если количество РС приближается к разрешенному пределу;

- резкое возрастание величины задержки доступа к передающей среде при достижении коэффициента использования сети некоторого порогового значения (коэффициент использования сети, иначе называемый коэффициентом нагрузки сети, это отношение трафика, который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной способности). Для всего семейства технологий Ethernet пороговое значение этого коэффициента равно 40 - 50 %, для технологии Token Ring - 60% и для технологии FDDI - 70 %;

- имеются жесткие ограничения максимальной длины сети: они находятся в пределах нескольких километров и только для технологии FDDI это несколько десятков километров.

Все эти недостатки и ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, преодолеваются путем разделения сети на несколько разделяемых сред, или отдельных сегментов, которые соединяются мостами, коммутаторами или маршрутизаторами. Следовательно, единая разделяемая среда, созданная концентраторами, делится на несколько частей (сегментов), подсоединяемых к портам моста, коммутатора или маршрутизатора. Такое деление сети называется логической структуризацией, а ее отдельные части - логическими сегментами, каждый из которых представляет собой единую разделяемую среду.

Мосты и коммутаторы осуществляют передачу кадров на основе адресов канального уровня (МАС-адресов), а маршрутизаторы - на основе номера сети. Таким образом, логические сегменты, построенные на основе мостов и коммутаторов, являются строительными элементами более крупных сетей, объединяемых маршрутизаторами. Коммутаторы относятся к категории наиболее быстродействующих коммуникационных устройств. Они соединяют высокоскоростные логические сегменты без блокировки (уменьшения пропускной способности) межсегментного трафика.

Мосты и коммутаторы, появившиеся позже (в начале 90-х годов), выполняют практически одни и те же функции: это устройства логической структуризации сетей на канальном уровне, осуществляющие продвижение кадров на основании одних и тех же алгоритмов. Основное отличие между ними заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно (один кадр за другим), а коммутатор - параллельно (одновременно между всеми парами своих портов). Мост, работающий на базе одного процессора, соединяет два логических сегмента (отсюда и название - мост). Его производительность сравнительно небольшая - 3-5 тысяч кадров в секунду. Коммутатор - это многопортовый и многопроцессорный мост, обрабатывающий кадры со скоростью до нескольких миллионов кадров в секунду. Поэтому с начала 90-х годов начался быстрый процесс вытеснения мостов коммутаторами. В настоящее время локальные мосты сетевой индустрией практически не производятся. Они используются лишь на достаточно медленных глобальных связях между двумя удаленными локальными сетями.

Основной характеристикой коммутатора является его производительность, которая определяется следующими показателями: скоростью фильтрации кадров, скоростью продвижения кадров, пропускной способностью, задержкой передачи кадра.

Скорость фильтрации - это скорость выполнения следующих операций: прием кадра в буфер коммутатора; просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта, куда следует направить кадр; уничтожение кадра, если порт назначения и порт отправителя находятся в пределах одного и того же логического сегмента (в этом случае передача кадров осуществляется без участия коммутатора).

У всех коммутаторов эта скорость является неблокирующей, т.е. кадры отфильтровываются в темпе их поступления.

Скорость продвижения кадров - это скорость выполнения следующих этапов обработки кадров: прием кадра в буфер коммутатора, просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта-получателя кадра, передача кадра в сеть через найденный порт назначения.

Единицей измерения для указанных скоростей является число кадров в секунду.

Пропускная способность коммутатора - это количество пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Естественно поэтому, что максимальное значение пропускной способности коммутатора достигается при передаче кадров максимальной длины, для которых доля служебной информации гораздо меньше, чем для кадров минимальной длины.

Задержка передачи кадров - это период времени с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. При полной буферизации кадров (для кадров минимальной длины) эта задержка колеблется от 50 до 200 мкс.