Локальные сети

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

Передача кадра из компьютера в сеть включает следующие  этапы:⁵

• 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.

2.3 Концентраторы

В структурированной  кабельной конфигурации все входящие в сеть ПК взаимодействуют с концентратором (рисунок 5).

Рисунок 5 - Концентратор

Hab (хаб; концентратор) – устройство множественного доступа, выполняющее роль центральной точки соединения в топологии "физическая звезда". Наряду с традиционным названием "концентратор" в литературе встречается также «хаб».⁶

Хаб — является коммутационным элементом  сети. Каждый хаб имеет от 8 до 30 разъемов (портов) для подключения либо компьютера, либо другого хаба. К каждому порту подключается только одно устройство. При подключении компьютера к хабу оказывается, что часть электроники сетевого интерфейса находится в компьютере, а часть — в хабе. Такое подключение позволяет повысить надежность соединения. В обычных ситуациях, помимо усиления сигнала, хаб восстанавливает преамбулу пакета, устраняет шумовые помехи и т.д.

Хабы являются сердцем системы  и во многом определяют ее функциональность и возможности. Даже в самых простых  хабах существует индикация состояния  портов. Это позволяет немедленно диагностировать проблемы, вызванные  плохими контактами в разъемах, повреждением проводов и т. п. Существенным свойством такой структурированной сети является ее высокая помехоустойчивость: при нарушении связи между двумя ее элементами, остальные продолжают сохранять работоспособность. Задача соединения компьютерных сетей различных организаций, зачастую созданных на основе различных стандартов, вызвала появление специального оборудования (мостов, маршрутизаторов, концентраторов и т. п.), осуществляющего такое взаимодействие.

Соединенные с концентратором ПК концентраторы образуют один сегмент локальной сети. Такая схема упрощает подключение к сети большого числа пользователей, даже если они часто перемещаются. В основном функция концентратора состоит в объединении пользователей в один сетевой сегмент.

Концентраторы бывают разных видов и размеров и обеспечивают соединение разного числа пользователей - от нескольких сотрудников в небольшой фирме до сотен ПК в сети, охватывающей комплекс зданий. Функции данных устройств также различны: от простых концентраторов проводных линий до крупных устройств, выполняющих функции центрального узла сети, поддерживающих функции управления и целый ряд стандартов (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI и т.д.). Существуют также концентраторы, играющие важную роль в системе защиты сети.⁷

Концентратор начального уровня (базовый  концентратор) - это простое, автономное устройство, которое может стать для многих организаций хорошей "отправной точкой".

Наращиваемые (стековые) концентраторы позволяют постепенно увеличивать размер сети. Такие концентраторы соединяются друг с другом гибкими кабелями расширения, ставятся один на другой и функционируют как один концентратор. Благодаря низкой стоимости в расчете на порт наращиваемые концентраторы стали особенно популярны.

При применении концентратора  все пользователи делят между  собой полосу пропускания сети. Пакет, принимаемый по одному из портов концентратора, рассылается во все другие порты, которые анализируют этот пакет (предназначен он для них или нет). При небольшом числе пользователей такая система превосходно работает. Между тем в случае увеличения числа пользователей начинает сказываться конкуренция за полосу пропускания, что замедляет трафик в локальной сети.

К числу дополнительных функций концентраторов относятся следующие: ⁸

• 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, неоформленный заголовок кадра), множественные коллизии, затянувшаяся передача кадра;
• 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.

Существует несколько  типов концентраторов, отличающихся конструктивным исполнением и выполняемыми функциями:

Традиционные концентраторы поддерживают только один сетевой сегмент, предоставляя всем подключаемым к ним пользователям одну и ту же полосу пропускания.

Концентраторы с коммутацией портов или сегментируемые концентраторы (такие как концентраторы семейства SuperStack II PS Hub) позволяют свести данную проблему к минимуму, выделив пользователям любой из четырех внутренних сегментов концентратора (каждый из этих сегментов имеет полосу пропускания 10 Мбит/с). Подобная схема дает возможность гибко распределять полосу пропускания между пользователями и балансировать нагрузку сети.

Двухскоростные концентраторы (dual-speed) можно с выгодой использовать для создания современных сетей  с совместно используемыми сетевыми сегментами. Они поддерживают существующие каналы Ethernet 10 Мбит/с и новые сети Fast Ethernet 10 Мбит/с, автоматически опознавая скорость соединения, что позволяет не настраивать конфигурацию вручную. Это упрощает модернизацию соединений - переход от сети Ethernet к Fast Ethernet, когда необходима поддержка новых приложений, интенсивно использующих полосу пропускания сети, или сегментов с большим числом пользователей.

Кроме того, концентраторы  служат центральной точкой для подключения  кабелей, изменения конфигурации, поиска неисправностей и централизованного управления, упрощая выполнение всех этих операций.

2.4 Мосты и коммутаторы

Мосты и коммутаторы  осуществляют передачу кадров на основе МАС-адресов (Media Access Control) канального уровня, 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 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.

Switch (коммутатор):

1. Многопортовое устройство, обеспечивающее высокоскоростную коммутацию пакетов между портами.
2. В сети с коммутацией пакетов - устройство, направляющее пакеты обычно на один из узлов магистральной сети. Такое устройство называется также коммутатором данных (data PABX).

Коммутатор – устройство, соединяющее две или несколько физических сетей и передающее пакеты из одной сети в другую. Коммутаторы могут фильтровать пакеты, т.е. передавать в другие сегменты или сети только часть трафика, на основе информации канального уровня (MAC-адрес). Если адрес получателя присутствует в таблице адресов моста, кадр передается только в тот сегмент или сеть, где находится получатель. Похожими устройствами являются повторители (HUBs), которые просто передают электрические сигналы из одного кабеля в другой и маршрутизаторы (router), которые принимают решение о передаче пакетов на основе различных критериев, основанных на информации сетевого уровня. В терминологии OSI мост является промежуточной системой на уровне канала передачи данных (Data Link Layer).

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 находится в пределах одного и того же логического сегмента (в этом случае передача кадров осуществляется без участия коммутатора).

У всех коммутаторов это  скорость является деблокирующей, т.е. кадр 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 передачи 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.

Повторители и концентраторы  локальных сетей реализуют базовые  технологии, разработанные для разделяемых  сред передачи данных. Коммутатор предоставляет каждому устройству (серверу, ПК или концентратору), подключенному к одному из его портов, всю полосу пропускания сети. Это повышает производительность и уменьшает время отклика сети за счет сокращения числа пользователей на сегмент. Как и двухскоростные концентраторы, новейшие коммутаторы часто конструируются для поддержки 10 или 100 Мбит/с, в зависимости от максимальной скорости подключаемого устройства. Если они оснащаются средствами автоматического опознавания скорости передачи, то могут сами настраиваться на оптимальную скорость - изменять конфигурацию вручную не требуется.

В отличие от концентраторов, осуществляющих широковещательную  рассылку всех пакетов, принимаемых  по любому из портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устройству (адресату), так как знают MAC-адрес каждого подключенного устройства (аналогично тому, как почтальон по почтовому адресу определяет, куда нужно доставить письмо). В результате уменьшается трафик и повышается общая пропускная способность, а эти два фактора являются критическими с учетом растущих требований к полосе пропускания сети современных сложных бизнес приложений.