1.3 Комунікаційні мережні засоби

Повторювачі (Repeaters)

Для побудови найпростішої односегментної мережі досить мати мережні адаптери і кабель відповідного типу. Але навіть у цьому простому випадку часто використовуються додаткові пристрої - повторювачісигналів (repeaters), які дозволяють подолати обмеження на максимальну довжину кабельного сегмента.

Основна функція повторювача - одержавши дані на одному із своїх портів негайно перенаправляти (forward) їх на інші порти. У процесі передачі даних на інші порти дані формуються заново, щоб виключити будь-які відхилення, що могли виникнути під час руху сигналу від джерела.

Повторювачі також можуть виконувати функцію, названу "поділ". Якщо визначено велику кількість колізій, що відбуваються на одному з портів повторювача, останній робить висновок, що відбулася аварія на сегменті, підключеному до цього порту, і ізолює такий сегмент від іншої мережі. Функція “поділ”, таким чином, запобігає поширенню помилок в одному сегменті на всю мережу.

Концентратори (Hubs)

Багатопортовий повторювач часто називають концентратором (hub, concentrator), тому що даний пристрій реалізує не тільки функцію повторення сигналів, але і функції об'єднання комп'ютерів та окремих сегментів в мережу. Практично в усіх сучасних мережних стандартах концентратор є необхідним елементом.

Концентратори утворюють з окремих фізичних відрізків кабеля загальне середовище передачі даних - логічний сегмент. Логічний сегмент також називаютьдоменом колізій.

Конструкцію концентраторів визначає їх область застосування. Концентратори робочих груп найчастіше випускаються як пристрої з фіксованою кількістю портів, корпоративні концентратори – як модульні пристрої на основі шасі, а концентратори відділів можуть мати стекову конструкцію . Такий розподіл не є жорстким і в якості корпоративного концентратора може використовуватись, наприклад, модульний концентратор.

Концентратор з фіксованою кількістю портів — це найбільш просте конструктивне виконання, коли концентратор - це окремий корпус із усіма необхідними елементами (портами, органами індикації і керування, блоком живлення), які замінювати неможливо. Звичайно усі порти такого концентратора підтримують одне середовище передачі, загальна кількість портів змінюється від 4-8 до 24. Один порт може бути спеціально виділений для підключення концентратора до магістралі чи мережі, або для об'єднання концентраторів.

Модульний концентратор виконується у вигляді окремих модулів з фіксованою кількістю портів, встановлених на загальному шасі. Шасі має внутрішню шину для об'єднання окремих модулів у єдиний повторювач. Часто такі концентратори є багатосегментними. Для модульного концентратора можуть існувати різні типи модулів, які відрізняються кількістю портів і типом підтримуваного фізичного середовища. Модульні концентратори дозволяють більш точно підібрати необхідну для конкретного застосування конфігурацію концентратора, а також гнучко і з мінімальними витратами реагувати на зміни конфігурації мережі.

Оскількі корпоративні модульні концентратори виконують дуже відповідальну роботу, вони забезпечуються модулем керування, системою терморегулювання, додатковими джерелами живлення і можливістю заміни модулів “на ходу”.

Недоліком концентратора на основі шасі є висока початкова вартість такого пристрою для випадку, коли підприємству на першому етапі створення мережі потрібно встановити всього 1-2 модуля. Висока вартість шасі викликана тим, що воно поставляється разом із усіма загальними пристроями, такими як додаткові джерела живлення і т.ін. Тому для мереж середніх розмірів велику популярність отримали стекові концентратори.

Стековий концентратор,як і концентратор з фіксованим числом портів, виконується у вигляді автономного корпусу без можливості заміни окремих його модулів. Стековими вони називаються тому, що мають спеціальні порти і кабелі для об'єднання декількох таких корпусів у єдиний повторювач, який має загальний блок повторення, забезпечує загальну ресинхронизацію сигналів для усіх своїх портів і тому з погляду “правила 4-х хабів” вважається одним повторювачем. Якщо стекові концентратори мають кілька внутрішніх шин, то при з'єднанні в стек ці шини поєднуються і стають загальними для всіх пристроїв стека.

Мости (Bridges)

При використанні повторювачів максимальна довжина мережі складає 2500 метрів. Для подолання цього обмеження потрібні інші пристрої, так звані мости (bridge). Мости мають багато відмінностей від повторювачів. Повторювачі передають усі мережні пакети, а мости тільки ті, які потрібні в конкретному сегменті. Якщо пакет не треба передавати в інший сегмент, він фільтрується. Для мостів існують численні алгоритми (правила) передачі і фільтрації пакетів. Мінімальною вимогою є фільтрація пакетів за адресою одержувача.

Іншою важливою відмінністю мостів від повторювачів є те, що сегменти, підключені до повторювача, утворюють одне передаюче середовище, яке розділяється, а сегменти, підключені до кожного порту моста утворюють своє окреме середовище .

При використанні моста користувачі одного сегмента розділяють смугу перепускання, а користувачі різних сегментів використовують незалежні середовища. Отже, міст забезпечує переваги як з погляду розширення мережі, так і забезпечення більшої смуги перепускання для кожного користувача.

Мости не залежать від протоколу і передають пакети порту, до якого підключений адресат. Усі пакети буферизуються перед їхнім пересиланням у порт адресата. Буферизація пакетів (store-and-forward) приводить до виникнення затримки в порівнянні з комутацією на ходу. Мости можуть забезпечувати продуктивність, рівну пропускній здатності середовища, однак внутрішнє блокування трохи знижує швидкість їхньої роботи.

Наприкінці 80-х років почалося широке поширення мереж на основі кабеля “скручена пара”. Нова технологія 10Base-T стала дуже популярною і привела до трансформації топології мереж від шинної магістралі до організації з'єднань типу "зірка". Вимоги до повторювачів і мостів для таких мереж істотно змінилися в порівнянні з простими двопортовими пристроями для мереж із шинною топологією. Сучасні мости і повторювачі це складні багатопортові пристрої. Мости дозволяють сегментувати мережі на менші частини, у яких загальне середовище передавання розділяє невелике число користувачів.

Комутатори (Switches)

Зменшення числа вузлів в мережі називається сегментацією. Вона здійснюється за рахунок поділу великої мережі на менші частини - сегменти. Оскільки користувачам, як правило, необхідно мати доступ до ресурсів всіх сегментів, потрібні механізми забезпечення міжсегментного обміну з досить високою швидкістю. Пристрої, які називаються комутаторами, надають такі можливості.

Комутатори подібно мостам і маршрутизаторам здатні сегментувати мережі. Як і багатопортові мости, комутатори передають пакети між портами на основі адреси одержувача, яка включена до кожного пакета. Реалізація комутаторів звичайно відрізняється від мостів у частині можливості організації одночасних з'єднань між будь-якими парами портів пристрою - це значно розширює сумарну пропускну здатність мережі. Більше того, мости у відповідності із стандартом IEEE 802.1d, повинні прийняти весь пакет до того моменту, як він почне передаватись адресату, а комутатори можуть почати передачу пакета, не прийнявши його повністю.

Технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana у 1990 році у відповідь на зростаючі потреби у підвищенні пропускної здатності зв'язків високопродуктивних серверів із сегментами робочих станцій.

Віртуальні з'єднання.Комутатор Ethernet підтримує внутрішню таблицю, яка зв'язує порти з адресами підключених до них пристроїв. Цю таблицю адміністратор мережі може створити самостійно або задати її автоматичне створення засобами комутатора.

MAC-адреса	Номер порта
A	1
B	2
C	3
D	4

Використовуючи таблицю адрес і адресу одержувача, що міститься в пакеті, комутатор організує віртуальне з'єднання порту відправника з портом одержувача і передає пакет через це з'єднання. На Рис.1.1 вузол А посилає пакет вузлу D. Знайшовши адресу одержувача у своїй внутрішній таблиці, комутатор передає пакет у порт 4.

Рис.1.1 Віртуальне з’єднання

Віртуальне з'єднання між портами комутатора зберігається на час передачі одного пакета, тобто для кожного пакета віртуальне з'єднання організується знову на основі адреси, що міститься в даному пакеті.

Оскільки пакет передається тільки в той порт, до якого підключений адресат, інші користувачі (у нашому прикладі - B і C) не отримають цей пакет. Таким чином, комутатори забезпечують засоби безпеки, недоступні для стандартних повторювачів Ethernet.

Рис.1.2 Одночасні з’єднання

Одночасні з'єднання.У комутаторах Ethernet передача даних між будь – якими парами портів відбувається незалежно і, отже, для кожного віртуального з'єднання виділяється вся смуга перепускання каналу. Наприклад, комутатор 10 Mбіт/с на Рис.1.2 забезпечує одночасну передачу пакета з A в D і з порту B порт C зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з'єднання.

Оскільки для кожного з'єднання дається смуга 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність комутатора в наведеному прикладі складає 20 Mбіт/с. Якщо дані передаються між великим числом пар портів, інтегральна смуга відповідно розширюється. Наприклад, 24 портовий комутатор Ethernet може забезпечувати інтегральну пропускну здатність до 120 Mбіт/с при одночасній організації 12 з'єднань зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з них. Теоретично, інтегральна смуга комутатора росте пропорційно числу портів. Однак, в реальності швидкість пересилання пакетів, що вимірюється в Mбіт/с, менша ніж сумарна смуга пар портів за рахунок так званого внутрішнього блокування. Для комутаторів високого класу блокування незначно знижує інтегральну перепускну смугу пристрою.

Комутатор Ethernet 10Mбіт/с може забезпечити високу перепускну здатність за умови організації одночасних з'єднань між усіма парами портів. Однак, реально трафік звичайно являє собою ситуацію "один до багатьох" (наприклад, безліч користувачів мережі звертається до ресурсів одного сервера). У таких випадках перепускна здатність комутатора в нашому прикладі не буде перевищувати 10 Mбіт/с і комутатор не забезпечить істотної переваги в порівнянні зі звичайним концентратором (повторювачем) з точки зору режиму, що розглядається.

На рис.1.3 три вузли A, B і D передають дані вузлу C. Комутатор зберігає пакети від вузлів A і B у своїй пам'яті доти, доки не завершиться передача пакета з вузла D. Після завершення передачі цього пакета комутатор починає передавати пакети від вузлів А та В, які зберігаються в пам’яті.

Рис.1.3 Варіант блокування

У даному випадку перепускна здатність комутатора визначається смугою каналу C (у даному випадку 10 Mбіт/с). Описана в даному прикладі ситуація є іншим варіантом блокування.

Продуктивність комутатора.Іншим важливим параметром комутатора є його продуктивність. В якості характеристик продуктивності використовують такі показники:

1.Швидкість передачі між портами.

2.Загальна перепускна здатність.

3.Затримка.

Швидкість передачі між портами. При смузі 10Mбіт/с Ethernet може передавати 14880 пакетів мінімального розміру (64 байта)в секунду (PPS). Цей параметр (PPS) визначається властивостями середовища. Комутатор, що здатний забезпечити швидкість 14880 PPS між портами, цілком використовує можливості середовища. Смуга перепускання середовища є важливим параметром, оскільки комутатор, що забезпечує передачу пакетів з такою швидкістю, цілком використовує можливості середовища, надаючи користувачам максимальну смугу.

Загальна перепускна здатність. Вимірювана в Mбіт/с або PPS, загальна перепускна здатність характеризує максимальну швидкість, з якою пакети можуть передаватися через комутатор адресатам. В комутаторах, усі порти яких мають смугу 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність дорівнює швидкості порту, помноженої на число віртуальних з'єднань, що можуть існувати одночасно (це число портів комутатора, поділене на 2). Комутатор, здатний забезпечувати максимальну швидкість передачі, не має внутрішнього блокування.

Затримка. Затримка - це проміжок часу між отриманням пакета від відправника і передачею його адресату. Звичайно затримку вимірюють щодо першого біта пакета.

Комутатори Ethernet можуть забезпечувати дуже низьку затримку після того, як буде визначений адресат. Оскільки адреса одержувача розміщається на початку пакета, передачу можна почати до того, як пакет буде цілком прийнятий від відправника. Такий метод називається комутацією на льоту (cut-through) і забезпечує мінімальну затримку. Мала затримка важлива, оскільки з нею безпосередньо пов'язана продуктивність комутатора. Але метод комутації на льоту не перевіряє пакети на предмет помилок При такому методі комутатор передає всі пакети (навіть ті, які містять помилки). Наприклад, при виникненні колізії після початку передачі пакета (адреса вже отримана) отриманий фрагмент все одно буде переданий адресату. Передача таких фрагментів займає частину смуги каналу і знижує загальну продуктивність комутатора.

При передачі пакетів з низькошвидкісного порту у високошвидкісний (наприклад, з порту 10Mбіт/с у порт 100Mбіт/с) комутацію на льоту використовувати взагалі неможливо. Оскільки порт – приймач має більшу швидкість, ніж передавач, при використанні комутації на льоту неминуче виникнуть помилки. При організації віртуального з'єднання між портами з різною швидкістю потрібна буферизация пакетів.

Мала затримка підвищує продуктивність мереж, у яких дані передаються у виді послідовності окремих пакетів, кожний з який містить адресу одержувача. У мережах, де дані передаються у формі послідовності пакетів з організацією віртуального каналу, мала затримка менше впливає на продуктивність.

Маршрутизатори (Routers)

Маршрутизатор (router) дозволяє організовувати в мережі надлишкові зв'язки, які утворюють петлі. Це стає можливим тому, що маршрутизатор приймає рішення про передачу пакетів на підставі більш повної інформації про зв'язки у мережі, ніж міст чи комутатор. Маршрутизатор має у своєму розпорядженні базу топологічної інформації, яка містить дані про те, наприклад, між якими підмережами деякої мережі існують зв'язки і в якому стані (працездатному чи ні) вони знаходяться. Маючи таку інформацію, маршрутизатор може вибрати один з декількох можливих маршрутів доставки пакета адресату. У даному випадку під маршрутом розуміють проходження пакетом послідовності з декількох маршрутизаторів. На відміну від моста/комутатора, який не володіє інформацією про те, як зв'язані сегменти мережі за межами його портів, маршрутизатор аналізує всі існуючі зв'язки підмереж, тому він може вибрати оптимальний за деяким критерієм маршрут при наявності декількох альтернативних маршрутів. Рішення про вибір того чи іншого маршруту приймається кожним маршрутизатором, через який проходить пакет.

Робота маршрутизаторів залежить від мережних протоколів і визначається зв'язаною з протоколом інформацією, переданої в пакеті. Подібно мостам, маршрутизатори не передають адресату фрагменти пакетів при виникненні колізій. Маршрутизатори зберігають пакет повністю у своїй пам'яті перед тим, як передати його адресату, отже, при використанні маршрутизаторів пакети передаються з затримкою. Маршрутизатори можуть забезпечувати смугу перепускання, яка дорівнює перепускній здатності каналу, але для них характерна наявність внутрішнього блокування. На відміну від повторювачів, мостів і комутаторів маршрутизатори змінюють усі передані пакети.

При побудові складної мережі можуть бути корисні всі типи комунікаційних пристроїв: і концентратори, і мости, і комутатори, і маршрутизатори (мережні адаптери виключені з цього списку тому, що вони необхідні завжди). Найчастіше окремий комунікаційний пристрій виконує тільки одну основну функцію, представляючи собою або повторювач, або міст, або комутатор, або маршрутизатор. Але це не завжди зручно, тому що в деяких випадках більш раціонально мати в одному корпусі багатофункціональний пристрій, який може об’єднати ці базові функції і тим самим дозволяє розроблювачу мережі використовувати його більш гнучко.