Компютерна мережа

Тому великі мережі Ethernet, що полягають їх багатьох вузлів, неефективні. Крупні мережі краще розділити на дрібніші і більш керовані частині. Один із способів ділення припускає використання ієрархічної моделі конструкції.

При створенні мереж ієрархічна конструкція дозволяє групувати пристрої по декількох мережах, організовуючи рівні. Вони складаються з менших більш керованих груп, в яких локальний трафік залишається локальним. На верхній рівень потрапляє тільки трафік, призначений для інших мереж. Ієрархічна, рівнева конструкція підвищує ефективність, оптимізує систему і збільшує швидкість. Вона дозволяє масштабувати мережу в міру необхідності, дозволяючи додавати локальні мережі, не знижуючи ефективності тих, що існують.

У ієрархічній конструкції є три базові рівні:

• рівень доступу – сполучає вузли в локальній мережі Ethernet;
• рівень розподілу – сполучає невеликі локальні мережі;
• Рівень ядра – високошвидкісне з'єднання між пристроями рівня розподілу.

У такій ієрархічній конструкції необхідна схема логічної адресації, яка дозволяє визначити положення вузла. Така схема адресації називається Інтернет-протоколом (IP).

Як правило, ім'я людини не міняється. Адреса ж залежить від місця проживання і може змінитися. MAC-адреса вузла не міняється, фізично привласнений мережевому адаптеру і відомий як фізична адреса. Він залишається тим самим, незалежно від розташування вузла в мережі.

IP-адреса схожа на адресу  місця проживання людини. Він  називається логічною адресою, оскільки  привласнюється логічно, залежно  від місцезнаходження вузла. IP-адреса, або мережева адреса, привласнює  вузлу мережевий адміністратор, на основі характеристик локальної  мережі.

IP-адреси складаються  з двох частин. Одна з них  є ідентифікатором локальної  мережі. Мережева частина IP-адреси  загальна у всіх вузлів в  одній локальній мережі. Друга  частина IP-адреси є ідентифікатором  конкретного вузла. Частина IP-адреси, що відноситься до вузла, в  одній локальній мережі не  повторюється.

Фізична MAC-адреса і логічна IP-адреса необхідні комп'ютеру для обміну даними в ієрархічній мережі точно так, як і для відправки листа необхідне ім'я і адреса людини.

3. Рівні і пристрої доступу і розподілу

IP-трафік розподіляється  залежно від характеристик і  пристроїв кожного з трьох  рівнів: доступ, розподіл і центр. IP-адреса дозволяє визначити, чи  залишиться трафік локальним  або переміститься на наступний  рівень ієрархічної мережі.

Рівень доступу

Рівень доступу сполучає пристрої кінцевих користувачів з мережею і дозволяє декільком вузлам підключатися до інших вузлів через мережевий пристрій, зазвичай концентратор або комутатор. Зазвичай мережева частина IP-адреси всіх пристроїв одного і того ж рівня доступу співпадає. Якщо повідомлення призначене локальному вузлу, воно залишається на локальному рівні (це залежить від мережевої частини IP-адреси). Якщо повідомлення призначене для іншої мережі, воно передається на рівень розподілу. Концентратори і комутатори забезпечують зв'язок з пристроями рівня розподілу, зазвичай з маршрутизаторами.

Рівень розподілу

Рівень розподілу сполучає різні мережі і контролює потоки інформації між мережами. Зазвичай комутатори цього рівня могутніші, ніж на рівні доступу. Крім того, для маршрутизації даних між мережами використовуються маршрутизатори. Пристрої рівня розподілу контролюють тип і кількість трафіку, що йде з рівня доступу до центрального рівня.

Центральний рівень

Центральним називається основний високошвидкісний рівень з дублюючими (резервними) з'єднаннями. На цьому рівні великі об'єми даних передаються між декількома мережами. Зазвичай на центральному рівні знаходяться дуже могутні, високошвидкісні комутатори і маршрутизатори. Основне завдання центрального рівня – швидка передача даних.

Рівень доступу – це базова частина мережі. Саме звідси люди підключаються до інших вузлів і використовують загальний доступ до файлів і принтерів. Рівень доступу складається з вузлів і першого рівня мережевих пристроїв, до яких вони підключаються.

Мережеві пристрої дозволяють численним вузлам підключатися один до одного і діставати доступ до мережевих служб. На відміну від простій мережі, яка складається з двох сполучених одним кабелем вузлів, на рівні доступу кожен вузол підключається до мережевого пристрою.

У мережі Ethernet кожен вузол може безпосередньо з'єднуватися з мережевим пристроєм рівня доступу за допомогою двоточкового кабелю. Такі кабелі проводяться відповідно до конкретних стандартів Ethernet. Кожен кабель вставляється в роз'єм мережевого адаптера вузла і в порт мережевого пристрою. Для підключення вузлів на рівні доступу (включаючи концентратори і комутатори Ethernet) використовується декілька типів мережевих пристроїв.

Комутатор Ethernet використовується на рівні доступу. Як і концентратор, комутатор сполучає декілька вузлів з мережею. На відміну від концентратора, комутатор в змозі передати повідомлення конкретного вузла. Коли вузол відправляє повідомлення іншого вузла через комутатор, той приймає і декодує кадри і прочитує фізичну (MAC) адресу повідомлення.

У таблиці комутатора, яка називається таблицею MAC-адрес, знаходиться список активних портів і адрес підключених до них вузлів. Коли вузли обмінюються повідомленнями, комутатор перевіряє, чи є в таблиці MAC-адреса. Якщо так, комутатор встановлює між джерелом і адресатом тимчасове з'єднання, яке називається лінією. Ця нова лінія є спеціалізованим каналом, по якому два вузли обмінюються даними. Інші вузли, підключені до комутатора, працюють на різних смугах пропускання каналу і не приймають повідомлення, адресовані не їм. Для кожного нового з'єднання між вузлами створюється нова лінія. Такі лінії дозволяють встановлювати декілька зв'язків одночасно, без зіткнень.

У міру розширення часто доводиться ділити одну локальну мережу на декілька мереж рівня доступу. Це можна зробити по-різному, на основі різних критеріїв, зокрема:

• фізичне місцеположення;
• логічна функція;
• вимоги безпеки;
• вимоги додатку.

Рівень розподілу сполучає ці незалежні локальні мережі і контролює обмін трафіком. Він відповідає за те, щоб трафік між вузлами локальної мережі залишався локальним. Назовні передається тільки трафік, направлений в інші мережі. Крім того, рівень розподілу може фільтрувати вхідний і витікаючий трафік в цілях безпеки і управління.

Мережеві пристрої рівня розподілу покликані зв'язувати не окремі вузли, а мережі. Окремі вузли підключаються до мережі через пристрої рівня доступу, наприклад, комутатори і концентратори. Пристрої рівня доступу зв'язуються один з одним через пристрої рівня розподілу, наприклад, маршрутизатори.

Маршрутизатор – це мережевий пристрій, що зв'язує локальні мережі. На рівні розподілу вони направляють трафік і виконують інші важливі для ефективної роботи мережі функції. Як і комутатори, маршрутизатори можуть декодувати і читати отримані повідомлення.

На відміну від комутаторів, які декодують тільки кадри з MAC-адресою, маршрутизатори декодують пакети, що знаходяться усередині кадру.

У пакеті містяться IP-адреси відправника і одержувача і дані повідомлення, що пересилається. Маршрутизатор прочитує мережеву частину IP-адреси одержувача і з її допомогою визначає, по якій з підключених мереж краще всього переслати повідомлення адресата.

Якщо мережева частина IP-адреси відправника і адресата не співпадає, для пересилки повідомлення необхідно використовувати маршрутизатор. Якщо вузол, що знаходиться в мережі 1.1.1.0, повинен відправити повідомлення вузла до мереж 5.5.5.0, воно переправляється маршрутизатору. Він отримує повідомлення, розпаковує і прочитує IP-адресу одержувача. Потім він визначає, куди переправити повідомлення. Потім маршрутизатор знову упаковує пакет в кадр і переправляє його за призначенням.

Кожен порт, або інтерфейс, маршрутизатора пов'язаний з своєю локальною мережею. У кожного маршрутизатора є таблиця локально підключених мереж і їх інтерфейсів. Крім того, в цих таблицях маршрутизації буває інформація про маршрути, або шляхи для підключення до інших локально підключених видалених мереж.

Прийнявши кадр, маршрутизатор декодує його і отримує пакет з IP-адресою одержувача. Цю адресу він порівнює з даними всіх мереж з таблиці маршрутизації. Якщо адреса мережі одержувача є в таблиці, маршрутизатор інкапсулює пакет в новий кадр і відправляє. Цей новий кадр прямує в мережу одержувача через інтерфейс, що відноситься до вибраного шляху. Процес перенаправлення пакетів в мережу одержувача називається маршрутизацією. Інтерфейси маршрутизатора не перенаправляють повідомлення по MAC-адресі широкомовної розсилки. Тому розсилки локальній мережі не потрапляють в інші мережі через маршрутизатор.

4. Локальна мережа(LAN)

Термін «локальна мережа» (ЛМ) відноситься до групи взаємозв'язаних локальних мереж, якими управляє один і той же адміністратор. Коли мережі тільки починали з'являтися, під ЛМ подразумевалісь невеликі мережі, фізично розташовані в одному і тому ж місці. Хоча ЛМ можна назвати і одну домашню або офісну локальну мережу, саме визначення розширилося і тепер припускає наявність взаємозв'язаних мереж, які складаються з декількох сотень вузлів, встановлених в різних будівлях.

Важливо пам'ятати, що всі локальні мережі, що входять в ЛМ, управляються одним адміністратором. Крім того, зазвичай в ЛМ використовуються бездротові протоколи або Ethernet і підтримується висока швидкість передачі даних. Приватні ЛМ, належні організації і доступні тільки для її членів, співробітників і інших допущених осіб, часто називають «Інтранет».

У ЛМ всі вузли можуть знаходитися в одній локальній мережі або розподілятися між декількома мережами, зв'язаними на рівні розподілу. Це залежить від бажаного результату. Якщо всі вузли знаходяться в одній мережі, вони можуть обмінюватися даними. Річ у тому, що вони утворюють один широкомовний домен і вузли знаходять один одного з використанням протоколу ARP.

При простій конструкції мережі, можливо, краще залишити всі вузли в одній локальній мережі. Проте у міру того, як розмір мережі росте, трафік збільшується, а ефективність і швидкість мережі знижується. У такому разі деякі вузли варто перемістити у видалену мережу.

Це понизить ефект від збільшення трафіку. Проте вузли з однієї мережі не зможуть обмінюватися даними з вузлами з іншої мережі без використання маршрутизації. Маршрутизатори ускладнюють конфігурацію мережі і в деяких випадках створюють тимчасові відстрочення при обміні пакетами між мережами.

Більшість локальних мереж створена на основі технології Ethernet. У правильно розробленій і сконструйованій мережі вона працює швидко і ефективно. Основна передумова для створення якісної мережі – попереднє планування. Для початку потрібного зібрати інформацію про те, як використовуватиметься нова мережа. Сюди входить:

• кількість і тип вузлів, що підключаються;
• використовувані додатки;
• вимоги до загального доступу і підключення до Інтернету;
• питання безпеки і конфіденційності;
• очікуваний ступінь надійності і час безвідмовної роботи;

вимоги до підключення, зокрема, вибір дротяного або бездротового зв'язку.

При плануванні мережі необхідно прийняти до уваги багато що. Перед покупкою мережевого устаткування і підключенням вузлів слід побудувати логічні і фізичні топологічні карти мережі. Зокрема, необхідно врахувати наступне:

Фізичне середовище встановлення мережі:

• контроль температури: у всіх пристроїв є специфічні вимоги до температури і вологості;
• наявність і розташування розеток.

Фізична конфігурація мережі:

• фізичне розташування пристроїв, наприклад, маршрутизаторів, комутаторів і вузлів;
• з'єднання пристроїв;
• розташування і довжина всіх кабелів;
• апаратна конфігурація кінцевих пристроїв, наприклад, вузлів і серверів.

Логічна конфігурація мережі:

• розташування і розмір широкомовних доменів і доменів колізій;
• схема IP-адресації;
• схема призначення імен;
• конфігурація загального доступу;
• дозволи.

Для більшості домашніх і невеликих корпоративних мереж не потрібні могутні пристрої, які використовують крупні підприємства. Цілком достатньо буде менших пристроїв. При цьому вони повинні виконувати ті ж функції маршрутизації і комутування. Для задоволення такої потреби були розроблені вироби, що виконують функції декількох мережевих пристроїв, наприклад, що комутують маршрутизатори і бездротові точки доступу. У даному курсі ми називатиме багатофункціональні пристрої інтегрованими маршрутизаторами. Це можуть бути невеликі пристрої для домашніх офісів і невеликих компаній або могутніші пристрої для філіалів крупних корпорацій.

Інтегрований маршрутизатор – це практично декілька різних пристроїв в одному корпусі. Наприклад, у такому разі комутатор підключається до маршрутизатора, але усередині пристрою. Коли на порт комутатора поступає широкомовна розсилка, інтегрований маршрутизатор передає її всім портам, у тому числі і своєму. Вбудований маршрутизатор не пропускає розсилку далі.

Існують недорогі багатофункціональні пристрої для домашніх і невеликих корпоративних мереж з інтегрованими функціями маршрутизації, комутування, бездротового зв'язку і безпеки. Прикладом пристрою такого типу є бездротовій маршрутизатор Linksys. Ці прості по конструкції пристрої, для яких зазвичай не потрібні зовнішні компоненти. Замінити один несправний компонент неможливо. Фактично він може зламатися тільки цілком, оптимізація який-небудь одній функції не передбачена.

Сучасні локальні мережі будуються на основі топології «зірка» з використанням концентраторів (хабів), комутаторів (світчів) та кабелю UTP чи STP 5ї категорії («вита пара»). Дана технологія (вона носить назву Fast Ethernet) дозволяє проводити обмін інформацією на швидкості вище 100Мбіт/с. Ця величина достатня для того, щоб задовольнити більшість потреб користувачів мережі.