2 Апаратура локальних мереж

Апаратура локальних мереж забезпечує реальний зв'язок між абонентами. Вибір апаратури має найважливіше значення на етапі проектування мережі, тому що вартість апаратури становить найбільш істотну частину від вартості мережі в цілому, а заміна апаратури зв'язана не тільки з додатковими витратами, але найчастіше й із трудомісткими роботами. До апаратури локальних мереж відносять:

• кабелі для передачі інформації;

• роз’єми для приєднання кабелів;

• погоджуючи термінатори;

• мережеві адаптери ;

• репітери ;

• трансивери ;

• концентратори ;

• мости;

• маршрутизатори ;

• шлюзи.

Про перші три компоненти мережних апаратур уже говорилося в попередніх главах. А зараз варто зупинитися на функціях інших компонентів.

Мережні адаптери (вони ж контролери, карти, плати, інтерфейси, NIC – Network Interface Card) – це основна частина апаратури локальної мережі. Призначення мережного адаптера – сполучення комп'ютера (або іншого абонента) з мережею, тобто забезпечення обміну інформацією між комп'ютером і каналом зв'язку відповідно до прийнятих правил обміну. Саме вони реалізують функції двох нижніх рівнів моделі OSI. Як правило, мережні адаптери виконуються у вигляді плати ( рис. 5.5), вставляються в слоти розширення системної магістралі (шини) комп'ютера (найчастіше PCI, ISA або PC-Card). Плата мережного адаптера звичайно має також один або кілька зовнішніх роз’ємів для підключення до неї кабелю мережі.

Рис. 5.5. Плата мережного адаптера

Наприклад, мережні адаптери Ethernet можуть випускатися з наступними наборами роз’ємів:

• TPO - роз’єми RJ-45 (для кабелю на скручених парах по стандарті 10BASE-T).

• TPC - роз’єми RJ-45 (для кабелю на скручених парах 10BASE-T) і BNC (для коаксіального кабелю 10BASE2).

• TP - роз’єми RJ-45 (10BASE-T) і трансиверний роз’єми AUI.

• Combo - роз’єми RJ-45 (10BASE-T), BNC (10BASE2), AUI.

• Coax - роз’єми BNC, AUI.

• FL - роз’єми ST (для оптоволоконного кабелю 10BASE-FL).

Функції мережного адаптера діляться на магістральні й мережні. До магістральних відносять ті функції, які здійснюють взаємодію адаптера з магістраллю (системною шиною) комп'ютера (тобто визначення своєї магістральної адреси, пересилання даних до комп'ютера і з комп'ютера, вироблення сигналу переривання процесора й т.д.). Мережні функції забезпечують спілкування адаптера з мережею.

До основних мережних функцій адаптерів відносять:

• гальванічна розв'язка комп'ютера й кабелю локальної мережі (для цього звичайно використовується передача сигналів через імпульсні трансформатори);

• перетворення логічних сигналів у мережні (електричні або світлові) і навпаки;

• кодування й декодування мережних сигналів, тобто пряме й зворотне перетворення мережних кодів передачі інформації (наприклад, манчестерський код);

• розпізнавання прийнятих пакетів (вибір із всіх прихожих пакетів тих, які адресовані даному абонентові або всім абонентам мережі одночасно);

• перетворення паралельного коду в послідовний при передачі й зворотне перетворення при прийомі;

• буферизація переданої й прийнятої інформації в буферній пам'яті адаптера ;

• організація доступу до мережі відповідно до прийнятого методу керування обміном;

• підрахунок контрольної суми пакетів при передачі й прийомі.

Типовий алгоритм взаємодії комп'ютера з мережним адаптером виглядає наступним чином.

Якщо комп'ютер хоче передати пакет, то він спочатку формує цей пакет у своїй пам'яті, потім пересилає його в буферну пам'ять мережного адаптера й дає команду адаптеру на передачу. Адаптер аналізує поточний стан мережі й з першою ж нагодою видає пакет у мережу (виконує керування доступом до мережі). При цьому він робить перетворення інформації з буферної пам'яті в послідовний вид для побітової передачі по мережі, підраховує контрольну суму, кодує біти пакета в мережний код і через вузол гальванічної розв'язки видає пакет у кабель мережі. Буферна пам'ять у цьому випадку дозволяє звільнити комп'ютер від контролю стану мережі, а також забезпечити необхідний для мережі темп видачі інформації.

Якщо по мережі приходить пакет, то мережний адаптер через вузол гальванічної розв'язки приймає біти пакета, робить їхнє декодування з мережного коду й порівнює мережну адресу приймача з пакета зі своєю власною адресою. Адреса мережного адаптера, як правило, установлюється виробником адаптера. Якщо адреса збігається, то мережний адаптер записує пакет, що прийшов, у свою буферну пам'ять і повідомляє комп'ютеру (звичайно - сигналом апаратного переривання) про те, що прийшов пакет і його треба читати. Одночасно із записом пакета здійснюється підрахунок контрольної суми, що дозволяє до кінця прийому зробити висновок, чи є помилки в цьому пакеті. Буферна пам'ять у цьому випадку знову ж дозволяє звільнити комп'ютер від контролю мережі, а також забезпечити високий ступінь готовності мережного адаптера до прийому пакетів.

Частіша за все, мережні функції виконуються спеціальними мікросхемами високого ступеня інтеграції, що дає можливість знизити вартість адаптера й зменшити площу його плати.

Деякі адаптери дозволяють реалізувати функцію вилученого завантаження, тобто підтримувати роботу в мережі бездискових комп'ютерів, що завантажують свою операційну систему прямо з мережі. Для цього до складу таких адаптерів включається постійна памятьс відповідною програмою завантаження. Правда, не всі мережні програмні засоби підтримують даний режим роботи.

Мережевий адаптер виконує функції першого й другого рівнів моделі OSI ( рис. 5.6).

Рис. 5.6. Функції мережного адаптера в моделі OSI

Всі інші апаратні засоби локальних мереж (крім адаптерів ) мають допоміжний характер, і без них часто можна обійтися. Це мережні проміжні пристрої.

Трансивери або приймач-передавачі (від англійського TRANsmitter + reCEIVER) слугують для передачі інформації між адаптером і кабелем мережі або між двома сегментами (частинами) мережі. Трансивери підсилюють сигнали, перетворюють їх рівні або перетворять сигнали в іншу форму (наприклад, з електричної у світлову й навпаки). Трансиверами також часто називають убудовані в адаптер приемопередатчики.

Репітери або повторювачі (repeater) виконують більше просту функцію, ніж трансиверы. Вони не перетворять ні рівні сигналів, ні їхню фізичну природу, а тільки відновлюють ослаблені сигнали (їхню амплітуду й форму), приводячи їх до вихідного виду. Ціль такої ретрансляції сигналів складається винятково в збільшенні довжини мережі ( рис. 5.7).

Рис. 5.7. З'єднання репітером двох сегментів мережі

Однак часто репітери виконують і деякі інші, допоміжні функції, наприклад, гальванічну розв'язку сегментів, що з'єднують, і кінцеве узгодження. Репітери так само як трансивери не здійснюють ніякої інформаційної обробки прямуючих через них сигналів.

Рис. 5.8. Структура репітерного концентратора

Концентратори (хаби, hub), як видно з їх назви, служать для об'єднання в мережу декількох сегментів. Концентратори являють собою кілька зібраних у єдиному конструктиві репітерів, вони виконують ті ж функції, що й власне репітери ( рис. 5.8).

Перевага подібних концентраторів у порівнянні з окремими репітерами в тім, що всі точки підключення зібрані в одному місці, це спрощує реконфігурацію мережі, контроль і пошук несправностей. До того ж всі репітери в цьому випадку живляться від єдиного якісного джерела живлення.

Концентратори іноді втручаються в обмін, допомагаючи усувати деякі явні помилки обміну. У кожному разі вони працюють на першому рівні моделі OSI, тому що мають справу тільки з фізичними сигналами, з бітами пакета і не аналізують вміст пакета, розглядаючи пакет як єдине ціле ( рис. 5.9). На першому ж рівні працюють і трансивери, і репітери.

Рис. 5.9. Функції концентраторів, репитеров і трансиверов у моделі OSI

Випускаються також зовсім прості концентратори, які з'єднують сегменти мережі без відновлення форми сигналів. Вони не збільшують довжину мережі.

Комутатори (свічі, комутуючі концентратори, switch), як і концентратори, служать для з'єднання сегментів у мережу. Вони також виконують більш складні функції, здійснюючі сортування поступивших на них пакетів.

Комутатори передають із одного сегмента мережі в інший не всі пакети, а тільки ті, які адресовані комп'ютерам з іншого сегмента. Пакети, передані між абонентами одного сегмента, через комутатор не проходять. При цьому сам пакет комутатором не приймається, а тільки пересилається. Інтенсивність обміну в мережі знижується внаслідок поділу навантаження, оскільки кожен сегмент працює не тільки зі своїми пакетами, але й з пакетами, що прийшли з інших сегментів.

Комутатор працює на другому рівні моделі OSI ( підрівень MAC ), тому що аналізує МАС-адреси усередині пакета ( рис. 5.10). Природно, він виконує й функції першого рівня.

Рис. 5.10. Функції комутаторів у моделі OSI

Останнім часом об'єм випуску комутаторів сильно виріс, ціна на них упала, тому комутатори поступово витісняють концентратори.

Мости (bridge), маршрутизатори (router ) і шлюзи (gateway) служать для об'єднання в одну мережу декількох різнорідних мереж з різними протоколами обміну нижнього рівня, зокрема, з різними форматами пакетів, методами кодування, швидкістю передачі й т.д. У результаті їхнього застосування складна й неоднорідна мережа, що містить у собі різні сегменти, з погляду користувача виглядає звичайною мережею. Забезпечується прозорість мережі для протоколів високого рівня. Всі вони набагато дорожче, ніж концентратори, тому що від них вимагається досить складна обробка інформації. Реалізуються вони звичайно на базі комп'ютерів, підключених до мережі за допомогою мережних адаптерів. По суті, вони являють собою спеціалізовані абоненти (вузли) мережі.

Мости – найбільш прості пристрої, що служать для об'єднання мереж з різними стандартами обміну, наприклад, Ethernet й Arcnet, або декількох сегментів (частин) однієї й тієї ж мережі, наприклад, Ethernet ( рис. 5.11). В останньому випадку міст, як и комутатор, тільки розділяє навантаження сегментів, підвищуючи тим самим продуктивність мережі в цілому. На відміну від комутаторів мости приймають всі пакети, що надходять і якщо треба роблять їхню найпростішу обробку. Мости, як и комутатори, працюють на другому рівні моделі OSI ( рис. 5.10), але на відміну від них можуть захоплювати також і верхній підрівень LLC другого рівня (для зв'язку різнорідних мереж). Останнім часом мости швидко витісняються комутаторами, які стають більше функціональними.

Рис. 5.11. Включення моста

Маршрутизатори здійснюють вибір оптимального маршруту для кожного пакета з метою запобігання надмірного навантаження окремих ділянок мережі й обходу ушкоджених ділянок. Вони застосовуються, як правило, у складних розгалужених мережах, що мають кілька маршрутів між окремими абонентами. Маршрутизатори не перетворять протоколи нижніх рівнів, тому вони з'єднують тільки сегменти однойменних мереж.

Маршрутизатори працюють на третьому рівні моделі OSI, тому що вони аналізують не тільки MAC-адреси пакета, але й IP-адреси, тобто більш глибоко проникають в інкапсульований пакет ( рис. 5.12).

Рис. 5.12. Функції маршрутизатора в моделі OSI

Існують також гібридні маршрутизатори (brouter), що представляють собою гібрид моста й маршрутизатора. Вони виділяють пакети, яким потрібна маршрутизація й обробляють їх як маршрутизатор, а для інших пакетів служать звичайним мостом.

Шлюзи – це пристрої для з'єднання мереж із протоколами, що сильно відрізняються, наприклад, для з'єднання локальних мереж з більшими комп'ютерами або із глобальними мережами. Це найдорожчі й рідко застосовувані мережні пристрої. Шлюзи реалізують зв'язок між абонентами на верхніх рівнях моделі OSI (із четвертого по сьомий). Відповідно, вони повинні виконувати й всі функції нижчестоящих рівнів.

Контрольні питання

1. Що таке відкрита система?

2. Що таке модель OSI?

3. Скільки рівнів налічує еталонна модель?

4. Перерахуйте та дайте коротку характеристику кожному.

5. Як відбувається зв'язок за OSI?

6. Які пристрої вважаються мережевою апаратурою?

7. Дайте коротку характеристику кожному.