физо. Документ Microsoft Word. Московская финансовопромышленная академия Кафедра Информатики
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
Тема 2. Физический уровень локальных сетей Вопросы темы: Вопрос 1. Неэкранированная витая пара. Вопрос 2. Разводка неэкранированной витой пары. Вопрос 3. Волоконнооптический кабель. Вопрос 1. Неэкранированная витая пара. Витая пара использовалась достаточно давно в телефонных сетях. Кабель на основ неэкранированной витой пары (unshielded twisted-pair, UTP) состоит из 8 изолированных проводов, скрученных в пары, причём пары тоже скручиваются между собой. Каждая паpа состоит из повода, именуемого «Ring» и повода «Tip» (названия произошли из телефонии). Такая конструкция значительно уменьшает влияние электромагнитных помех на передаваемые сигналы. Если кабель попадает в область действия электромагнитных помех, то электромагнитное поле создаёт одинаковую наводку на оба провода, поэтому напряжение на конце кабеля меняется незначительно.  Рис. 6. Кабель UTP, состоящий из четырёх пар проводов Кабель UTP, применяемый в сетях передачи данных, имеет четыре пары медных проводов и наружный диаметр около 0,17 дюйма (4,35 мм). Небольшой диаметр кабеля UTP дает определенные преимущества при прокладке. Поскольку неэкранированная витая пара может использоваться в большинстве сетевых архитектур, популярность ее продолжает расти. Кабель UTP проще в установке и дешевле других типов сред передачи данных. Фактически удельная стоимость UTP на единицу длины меньше, чем у любого другого типа кабелей, использующихся в локальных сетях. Однако реальным преимуществом витой пары остается ее размер. Так как этот кабель имеет небольшой внешний диаметр, то он будет не так быстро заполнять сечение коробов, как другие виды кабелей. Этот фактор становится особенно важным, когда речь идет о прокладке сети в старых зданиях. Кроме того, на концах кабеля UTP, как правило, используется специальный разъем – RJ-коннектор (registered jack connector). Первоначально RJ-коннектор применялся для подключения к телефонной линии, а сейчас используется в сетевых соединениях и гарантирует хорошее и надежное подключение. Следовательно, может быть существенно снижено количество потенциальных источников шума в сети. В зависимости от электрических и механических характеристик кабель UTP разделяется на 7 категорий (Category 1 - Category 7). Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандарте EIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли, как устаревшие. Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. На западе до 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки. Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории - способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц. Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году, когда был разработан Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий (EIA-568), на основе которого затем был создан ныне действующий стандарт EIA-568A. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5 см). Кабели категории 3 сейчас составляют основу многих кабельных систем зданий, в которых они используются для передачи и голоса, и данных. Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Кабели категории 4 хорошо подходят для применения в системах с увеличенными расстояниями (до 135 метров) и в сетях Token Ring с пропускной способностью 16 Мбит/с. На практике используются редко. Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с - FDDI (с физическим стандартом TP-PMD), Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, а также более скоростные протоколы - АТМ на скорости 155 Мбит/с, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим). Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения: - полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (стандарт ISO 11801 допускает также кабель с волновым сопротивлением 120 Ом); - величина перекрестных наводок NEXT в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 дБ на частоте 150 кГц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц; - затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 кГц) до 22 дБ (на частоте 100 МГц); - активное сопротивление не должно превышать 9,4 Ом на 100 м; - емкость кабеля не должна превышать 5,6 нф на 100 м. Особое место среди кабелей UTP занимают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. Некоторые специалисты сомневаются в необходимости применения кабелей категории 7, так как стоимость кабельной системы при их использовании получается соизмеримой по стоимости сети с использованием волоконно-оптических кабелей, а характеристики кабелей на основе оптических волокон выше.  Рис. 7. Витая пара категории 7 Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Цветовое кодирование проводников в кабеле должно соответствовать следующей схеме: Пара 1 Белый/Голубой (White-Blue, W-BL) - Голубой (Blue, BL) Пара 2 Белый/Оранжевый (White-Orange, W-O) - Оранжевый (Orange, О) Пара 3 Белый/Зеленый (White-Green, W-G) - Зеленый (Green, G) Пара 4 Белый/Коричневый (White-Brown, W-BR) - Коричневый (Brown, BR). Вопрос 2. Разводка неэкранированной витой пары. Стандарт TIA/ЕIА-568 признает только две схемы разводки - Т568А и Т568В. Различие между ними заключается только в нумерации пар. Основной схемой считается Т568А, а схема Т568В допускается для применения в системах, где существует необходимость поддержки приложений, построенных по схеме Т568В. Единственным ограничением в данном случае является запрет стандарта TIA/ЕIА-568 на одновременное использование двух схем в одной системе. Рассмотрим порядок разводки по стандарту TIA/ЕIА-568.   Для соединения двух компьютеров напрямую может быть использована одна из следующих схем разводки:   Вопрос 3. Волоконнооптический кабель. Оптоволоконный или волоконно-оптический кабель, использующийся в сетях передачи данных, состоит из двух стекловолокон, покрытых слоем отражающего покрытия и находящихся в пластиковой оболочке. Поверх пластиковой оболочки находятся волокна из кевлара, и дальше идет внешняя оболочка. Внешняя оболочка обычно делается из пластика и служит для защиты всего кабеля.  Рис. 8. Оптоволоконный кабель Назначение кевлара состоит в том, чтобы придать кабелю дополнительные упругие свойства и предохранить от механического повреждения хрупкие толщиной в человеческий волос стекловолокна. Если требуется прокладка кабеля под землей, то иногда для придания дополнительной жесткости в его конструкцию вводят провод из нержавеющей стали. Светопроводящими элементами оптоволоконного кабеля являются центральная жила и светоотражающее покрытие. Центральная жила – это обычно очень чистое стекло с высоким коэффициентом преломления. Если центральную жилу окружить покрытием из стекла или пластмассы с низким коэффициентом преломления, то свет может как бы захватываться центральной жилой кабеля. Этот процесс называется полным внутренним отражением и позволяет светопроводящему волокну играть роль световода и проводить свет на огромные расстояния, даже при наличии изгибов. Помехоустойчивость волоконно-оптического кабеля очень высока. Волоконно-оптический кабель не восприимчив ни к электромагнитным, ни к радиочастотным помехам. Благодаря отсутствию внутренних и внешних шумов сигнал может проходить по оптоволоконному кабелю большее расстояние, чем в любых других средах передачи данных. Поскольку электрические сигналы не используются, оптоволоконный кабель является идеальным решением для прокладке в помещениях со сложной помеховой обстановкой (например, вблизи трансформаторов), а также для соединения зданий, имеющих разное электрическое заземление. Принимая во внимание, что длинные пролеты медного кабеля между зданиями могут быть местом попадания ударов молнии, использование оптоволокна в этой ситуации также более удобно. Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Кроме того, подобно кабелю UTP, оптоволоконный кабель имеет небольшой диаметр. Поэтому в один желоб легко помещается несколько оптоволоконных кабелей. Таким образом, этот носитель является идеальным решением для старых зданий с ограниченным пространством. Оптоволоконный кабель дороже и сложнее в установке, чем другие носители. Так как разъемы для этого кабеля представляют собой оптические интерфейсы, то они должны быть идеально плоско отполированными и не иметь царапин. Таким образом, установка может оказаться достаточно сложной. Обычно даже тренированному монтажнику для создания одного соединения требуется несколько минут. Все это может существенно повысить почасовую стоимость работы, и при создании крупных сетей стоимость работ может стать неприемлемо высокой. Организация рабочего места На каждом индивидуальном рабочем месте в соответствии с требованием стандарта TIA/ЕIА-568А должны быть установлены, как минимум, две телекоммуникационные розетки. Одна из них может быть ассоциирована с речевыми приложениями, другая - с приложениями передачи данных. Первая розетка должна быть терминирована 4-парным кабелем UTP 100 Ом (категория 3 или выше). Вторая розетка должна быть терминирована, одной из перечисленных сред: 4-парным кабелем UTP 100 Ом (рекомендуется категория 5), 2-парным кабелем STP-A 150 0м, 2-волоконным оптическим кабелем 62,5/125 мкм. Розетка должна иметь запас прочности, рассчитанный, как минимум, на 750 циклов подключения аппаратных шнуров. Тема 3. Выбор типа среды передачи данных Различные критерии, такие как скорость передачи данных и стоимость, помогают определить наиболее подходящую среду передачи данных. Тип материала, используемого в сети для обеспечения соединений, определяет такие параметры, как скорость передачи данных и их объем. Другим фактором, влияющим на выбор типа среды передачи данных, является ее стоимость. Для достижения оптимальной производительности необходимо добиться, чтобы сигнал при движении от одного устройства к другому как можно меньше затухал. Причиной затухания сигнала может быть несколько факторов. Как будет показано далее, во многих носителях используется экранирование и применяются технические решения, предотвращающие ослабление сигнала. Однако использование экранирования становится причиной увеличения стоимости и диаметра кабеля, а также приводит к усложнению его прокладки. Кроме того, в сетевых средах передачи данных могут использоваться различные типы оболочек. Оболочка, являясь внешним покрытием кабеля, обычно изготавливается из пластика, нелипкого покрытия или композитного материала. При проектировании локальной сети следует помнить, что кабель, проложенный между стенами, в шахте лифта или проходящий по воздуховоду системы вентиляции, может стать факелом, способствующим распространению огня из одной части здания в другую. Кроме того, пластиковая оболочка в случае ее возгорания может стать причиной возникновения токсичного дыма. Для исключения подобных ситуаций существуют соответствующие строительные нормы, нормы пожарной безопасности и нормы техники безопасности, которые определяют типы оболочек кабелей, которые могут использоваться. Поэтому при определении типа среды передачи данных для использования при создании локальной сети следует (наряду с такими факторами, как диаметр кабеля, его стоимость и сложность прокладки) также учитывать и эти нормы. Тема 4. Физический уровень глобальных сетей В отличие от локальных сетей, в составе которых имеются свои высокоскоростные каналы передачи информации, глобальная (а также региональная и, иногда, корпоративная) сеть включает первичную или опорную сеть – сеть передачи данных, СПД. Первичная сеть предназначена для создания коммутируемой инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно быстро и гибко организовать постоянный канал с топологией «точка-точка» между двумя устройствами, подключёнными к такой сети. Современные первичные сети создаются на основе технологии плотного волнового (спектрального) мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM). Эта технология позволяет создавать оптические магистрали, способные обеспечить передачу трафика со скоростями несколько Тбит/с (один Тбит/с равен 1000 Гбит/с). В сетях DWDM информация передаётся одновременно большим количеством световых волн по каждому оптическому волокну. Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну от 32 до 160 волн разной длины, при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с. Технология DWDM совместима с технологиями семейства Ethernet - Gigabit Ethernet и 10GE. Технология DWDM использует оптические мультиплексоры и усилители. Мультиплексор позволяет вводить и выводить волны различной длины в общий канал. Усилители предназначены для усиления оптического сигнала и очистке его от помех. Рекомендация Международного телекоммуникационного союза ITU-T G.692 определяет три типа усилительных участков, то есть участков между соседними мультиплексорами: - L (Long) – участок может включать до 8 пролётов оптического кабеля и 7 оптических усилителей, максимальное расстоянии между усилителями 80 км при общей протяженности участка 640 км; - V (Very Long) – участок может включать до 5 пролётов оптического кабеля и 4 оптических усилителя, максимальное расстоянии между которыми 120 км при общей протяженности участка 600 км; - U (Ultra Long) – участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км. Сети DWDM активно развиваются в нашей стране. В частности, оператор дальней связи фирма РосТелеКом обладает собственными магистральными сетями, связывающими Москву и Санкт-Петербург, Новосибирск и Хабаровск, а также некоторые другие города России. Функцией физического уровня является передача данных. Для соединения компьютеров может использоваться несколько типов сред передачи данных. Неэкранированная витая пара, используется во многих сетях и представляет собой четыре пары скрученных между собой проводов. Экранированная витая пара, которая объединяет методы экранирования, подавления помех и скручивания проводов. Оптоволоконный кабель, является носителем, который способен проводить модулированный световой сигнал. Для определения наиболее подходящего типа среды передачи данных могут использоваться различные критерии, например скорость передачи данных и стоимость. Тема 5. Техническое обеспечение сетей – сетевые устройства Вопросы темы: Вопрос 1. Процессы, которые происходят в среде передачи данных на канальном уровне эталонной модели OSI. Вопрос 2. Повторители. Вопрос 3. Концентраторы. Вопрос 4. Мосты. Вопрос 5. Коммутаторы. Вопрос 6. Маршрутизаторы. Вопрос 1. Процессы, которые происходят в среде передачи данных на канальном уровне эталонной модели OSI. Перед тем, как приступить к изучению сетевых устройств, рассмотрим процессы, которые происходят в среде передачи данных на канальном уровне эталонной модели OSI. В частности, каким образом данные определяют местонахождение требуемого пункта назначения в сети. Если одно устройство хочет отправить данные другому устройству, то оно может установить связь этим устройством, используя его адрес доступа к среде передачи данных (МАС-адрес). Перед отправкой в сеть источник прикрепляет к отправляемым данным МАС-адрес требуемого получателя. По мере движения данных по носителю сетевые адаптеры (NIC) каждого устройства в сети сравнивают свой МАС-адрес с физическим адресом, содержащимся в пакете данных. Если эти адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует пакет данных и пакет продолжает движение по сети к следующему узлу; Если же адреса совпадают, сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения. Хотя подход, при котором данные отправляются каждому устройству в сети, оправдывает себя для сравнительно небольших сетей, легко заметить, что с увеличением сети возрастает трафик. Это может стать серьезной проблемой, поскольку в один момент времени в кабеле может находиться только один пакет данных. Если же все устройства в сети объединяются одним кабелем, такой подход приводит к замедлению движения потока данных по сети. Сетевыми устройствами называются аппаратные средства, используемые для объединения сетей. По мере увеличения размеров и сложности компьютерных сетей усложняются и сетевые устройства, которые их соединяют. Однако все сетевые устройства служат для решения одной или нескольких общих задач: - Увеличивают расстояние, на которое может простираться сеть. - Локализуют трафик в сети. - Могут объединять существующие сети. - Изолируют сетевые проблемы, делая их диагностику более простой. На рис. 9 представлены символы следующих сетевых устройств: повторителя, концентратора, моста и маршрутизатора. Все эти устройства будут рассмотрены далее.  Рис. 9. К сетевым устройствам относятся повторители, концентраторы, мосты коммутаторы и маршрутизаторы Вопрос 2. Повторители. Подобно средам передачи данных, повторители относятся к уровню 1 (физическому) эталонной модели OSI. Чтобы понять, как работает повторитель, необходимо учесть, что данные перед отправкой в сеть преобразуются в последовательность электрических или световых импульсов, которые и перемещающихся в среде передачи данных. Эти импульсы называются сигналами. Когда сигналы покидают передающую станцию, они четкие и легко распознаются. Однако чем длиннее кабель, тем сильнее затухает и ухудшается сигнал. В конце концов, это приводит к тому, что сигнал уже не может быть правильно распознан. Например, спецификации для витой пары категории 5 кабеля Ethernet устанавливают расстояние 100 метров как максимально допустимое для прохождения сигнала. Если сигнал проходит по сети больше указанного расстояния, то нет гарантии, что сетевой адаптер правильно распознает сигнал. Если такая проблема возникает, ее можно легко решить с помощью повторителя. Повторители позволяют увеличить протяженность сети, гарантируя при этом, что сигнал будет распознан принимающими устройствами. Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть, тем самым увеличивая расстояния, на которых сеть может функционировать. При организации сетей общей проблемой является слишком большое количество устройств, подключаемых к сети. Сигналы ухудшаются и становятся более слабыми, поскольку каждое устройство, подключенное к сети, становится причиной небольшого ослабления сигнала. Более того, если сигнал проходит через слишком большое количество рабочих станций или узлов, он может оказаться настолько ослабленным, что принимающее устройство не сможет его распознать. Эту проблему также можно с помощью повторителя. Благодаря этому появляется возможность увеличить число узлов в сети. Вопрос 3. Концентраторы. В локальных сетях каждая станция подключается с помощью некоей передающей среды. Как правило, у каждого сервера имеется только один сетевой адаптер. Как результат, непосредственное подключение всех рабочих станций к серверу невозможно. Чтобы решить эту проблему, в сетях используются концентраторы, которые являются наиболее распространенными сетевыми устройствами. Вообще говоря, термин концентратор (hub - точка, центр активности) используется вместо термина повторитель, когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети. Ниже перечислены наиболее важные особенности концентраторов: усиливают сигналы; распространяют сигналы в сети; не выполняют фильтрацию; не занимаются маршрутизацией и коммутацией; используются как точки концентрации в сети.  Рис. 10. Концентратор – наиболее распространенное сетевое устройство, которое служит центром сети Концентратор можно представить себе в виде устройства, которое содержит множество независимых, но связанных между собой модулей сетевого оборудования. В локальных сетях концентраторы ведут себя как мультипортовые повторители. В таких случаях концентраторы используются, чтобы разделить сетевые носители и обеспечить множественное подключение. Недостатком использования концентратора является то, что он не может фильтровать сетевой трафик. Фильтрацией называется процесс, в ходе которого в сетевом трафике контролируются определенные характеристики, например, адрес источника, адрес получателя или протокол, и на основании установленных критериев принимается решение – пропускать трафик дальше или игнорировать его. В концентраторе данные, поступившие на один порт, передаются дальше на все остальные порты. Следовательно, концентратор передает данные во все участки или сегменты сети, независимо от того, должны они туда направляться или нет. Если имеется только один кабель, связывающий все устройства в сети, или если сегменты сети связаны только нефильтрующими устройствами (например, концентраторами), несколько пользователей могут попытаться послать данные в один и тот же момент времени. Если одновременно пытаются передавать несколько узлов, то возникает коллизия. В этом случае данные от разных устройств сталкиваются друг с другом и повреждаются. Область сети, в пределах которой сформировался пакет данных и возник конфликт, называют доменом коллизии. Одним из методов решения проблемы слишком большого трафика и большого числа коллизий в сети является использование мостов. Вопрос 4. Мосты. Мосты работают на уровне 2 (канальном) эталонной модели OSI и не занимаются исследованием информации от верхних уровней. Мост - это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (реже нескольких) физических сегментов локальных сетей посредством передачи кадров из одной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения кадра и только в том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда. Для передачи кадра в другую сеть мост должен получить доступ к ее разделяемой среде передачи данных в соответствии с теми же правилами, что и обычный узел. Мосты фильтруют трафик только по МАС-адресу, поэтому они могут быстро пропускать трафик, представляющий любой протокол сетевого уровня. Так как мосты проверяют только МАС-адрес, протоколы не имеют для них значения. Как следствие, мосты отвечают только за то, чтобы пропускать или не пропускать кадры дальше, основываясь при этом на содержащихся в них МАС-адресах. Можно выделить следующие наиболее важные особенности мостов: − Они более интеллектуальны, чем концентраторы, т.е. могут анализировать приходящие кадры и пропускать (или не пропускать) их дальше на основании адресной информации канального уровня. − Принимают и пропускают кадры данных между двумя сетевыми сегментами. − Управляют широковещательными кадрами в сети. − Имеют и ведут внутренние таблицы адресов. Пример использования моста показан на рис. 11.  Рис. 11. Мост может использоваться для соединения сегментов сети Чтобы фильтровать и, соответственно, выборочно пропускать сетевой трафик, мосты строят таблицы соответствия всех МАС-адресов, находящихся в сети и других сетях. Прозрачные мосты являются наиболее распространенным типом мостов. Алгоритм их работы описан в стандарте IEEE 802.1D. Для прозрачных мостов сеть представляется наборами МАС-адресов устройств, используемых на канальном уровне, причем каждый набор связан с определенным портом моста. Мосты используют эти адреса для принятия решения о продвижении кадра, когда кадр записывается во внутренний буфер моста из какого-либо его порта. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому - сетевому уровню, и они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Таким образом, мосты являются совершенно прозрачными для протоколов, начиная с сетевого уровня и выше. Эта прозрачность позволяет мостам передавать пакеты различных протоколов высокого уровня, никоим образом не влияя на их содержимое. Вследствие функциональной ограниченности мосты имеют достаточно простое устройство и представляют собой удобное и недорогое средство для построения интерсети. Мосты обеспечивают возможность соединения двух или более сетей для образования единой логической сети. Исходные сети становятся сетевыми сегментами результирующей сети. Каждый такой сегмент остается доменом коллизий, то есть участком сети, в котором все узлы одновременно фиксируют и обрабатывают коллизию. Однако коллизии одного сегмента не приводят к возникновению коллизий в другом сегменте, так как мост ограничивает коллизии тем сегментом, в котором они возникают. Мосты регенерируют пакеты, которые они передают с одного порта на другой (операция forwarding). Одним из преимуществ использования мостов является увеличение расстояния, покрываемого интерсетью, так как количество пересекаемых мостов не оказывает влияния на качество сигнала. Прозрачные мосты имеют дело, как с адресом источника, так и с адресом назначения, имеющимися в кадрах локальных сетей. Мост использует адрес источника для автоматического построения своей базы данных адресов устройств, называемой также таблицей адресов устройств. В этой таблице устанавливается принадлежность адреса узла какому-либо порту моста. Все операции, которые выполняет мост, связаны с этой базой данных. Все порты моста работают в так называемом "неразборчивом" (promisquous) режиме захвата пакетов, то есть все поступающие на порт кадры запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах и использует проходящие через него кадры для изучения состава сети. Когда мост получает кадр от какого-либо своего порта, то он (после буферизации) сравнивает адрес источника с элементами базы данных адресов. Если адрес отсутствует в базе, то он добавляется в нее. Если этот адрес уже имеется в базе, то возможны два варианта - либо кадр пришел с того же порта, который указан в таблице, либо он пришел с другого порта. В последнем случае строка таблицы, соответствующая обрабатываемому адресу, обновляется - номер порта заменяется на новое значение (очевидно, станцию с данным адресом переместили в другой сегмент сети). Таким способом мост «изучает» адреса устройств сети и их принадлежность портам и соответствующим сегментам сети. Из-за способности моста к «обучению» к сети могут добавляться новые устройства без необходимости реконфигурирования моста. Администратор может объявить часть адресов статическими и не участвующими в процессе обучения (при этом адреса он должен задать сам). В случае статического адреса приход пакета с данным адресом и значением порта, не совпадающим с хранящимся в базе, будет проигнорирован и база не обновится. Кроме адреса источника мост просматривает и адрес назначения кадра, чтобы принять решение о его дальнейшем продвижении. Мост сравнивает адрес назначения кадра с адресами, хранящимися в его базе. Если адрес назначения принадлежит тому же сегменту, что и адрес источника, то мост «фильтрует» (filtering) пакет, то есть удаляет его из своего буфера и никуда не передает. Эта операция помогает предохранить сеть от засорения ненужным трафиком. Если адрес назначения присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту, отличному от сегмента адреса источника, то мост определяет, какой из его портов связан с этим адресом и «продвигает» (forwarding) кадр на соответствующий порт. Затем порт должен получить доступ к среде подключенного к нему сегмента и передать кадр узлам данного сегмента. Если же адрес назначения отсутствует в базе или же это широковещательный адрес, то мост передает кадр на все порты, за исключением того порта, с которого он пришел. Такой процесс называется «затоплением» (flooding) сети. Затопление гарантирует, что пакет будет помещен на все сегменты сети и, следовательно, доставлен адресату или адресатам. Точно также мост поступает по отношению к кадрам с неизвестным адресом назначения, затопляя им сегменты сети. Очевидно, что некоторое время после инициализации мост выполняет только операцию затопления, так как он ничего не знает о принадлежности адресов сегментам сети. Мост, работающий по описанному алгоритму, прозрачен не только для протоколов всех уровней, выше канального, но и для конечных узлов сети. Эта прозрачность состоит в том, что узлы не посылают мосту свои кадры специальным образом, указывая в них адрес порта моста. Даже при наличии моста в сети конечные узлы продолжают посылать кадры данных непосредственно другим узлам, указывая их адреса в качестве адресов назначения кадров. Поэтому порты мостов вообще не имеют МАС-адресов, работая в режиме «неразборчивого» захвата всех кадров. Такая прозрачность моста упрощает работу конечных узлов, и это свойство коренным образом отличает мост от маршрутизатора, которому узел отправляет кадр явным образом, указывая МАС-адрес порта маршрутизатора в своем кадре. Вопрос 5. Коммутаторы. Функционально коммутатор (switch) работает как многопортовый мост, то есть работает на канальном уровне, анализирует заголовки кадров, автоматически строит адресную таблицу и на основании этой таблицы перенаправляет кадр в один из своих выходных портов или фильтрует его, удаляя из буфера. Отличие заключается в параллельной обработке поступающих кадров. В то время как мост обрабатывает кадр за кадром, коммутатор имеет несколько внутренних процессоров обработки кадров, каждый из которых может выполнять алгоритм моста. Таким образом, можно считать, что коммутатор - это мультипроцессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность. К коммутатору, как и к мосту, можно подключать сегменты сети, образованные концентраторами. Если же к коммутатору подключён не сегмент, а отдельный компьютер, это называется микросегментацией. Обычно микросегментацию используют при подключении высокопроизводительных серверов, таких как серверы потокового видео или серверы баз данных. При подключении к коммутатору отдельного компьютера или другого коммутатора появляется возможность использовать полнодуплексный режим работы. В технологиях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet полнодуплексный режим является одним из двух стандартных режимов работы. В таком режиме одновременная передача кадра сетевым адаптером коммутатору и коммутатором сетевому адаптеру коллизией не считается. Это позволяет обеспечить удвоенную скорость обмена данными, которая для устройств Fast Ethernet составляет 200 Мбит/с. Внедрение технологии коммутации требовало замены только концентраторов или просто добавления коммутаторов для разделения сегментов, образованных с помощью коммутаторов на более мелкие сегменты. Данное обстоятельство способствовало широкому применению коммутаторов. При этом вся огромная установленная база оборудования конечных узлов - сетевых адаптеров, а также кабельной системы, повторителей и концентраторов – оставалась нетронутой, что давало огромную экономию капиталовложений по сравнению с переходом на какую-нибудь совершенно новую технологию. Так как коммутаторы, как и мосты, прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети оставило в неизменном виде не только оборудование и программное обеспечение конечных узлов, но и маршрутизаторы сети, если они там использовались. Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что он, как и мост, является самообучающимся устройством, и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, то конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и стараться эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети. Вопрос 6. Маршрутизаторы. Другим типом устройств межсетевого взаимодействия являются маршрутизаторы (routers). Как было сказано выше, коммутаторы, прежде всего, используются для соединения сегментов сети. Маршрутизаторы же используются для объединения отдельных сетей и для доступа к Internet. Они обеспечивают сквозную маршрутизацию при прохождении пакетов данных и маршрутизацию трафика между различными сетями на основании информации сетевого протокола или уровня 3 и способны принимать решение о выборе оптимального маршрута движения данных в сети. С помощью маршрутизаторов также может быть решена проблема чрезмерного широковещательного трафика, так как они не переадресовывают дальше широковещательные кадры, если им это не предписано.  Рис. 12. Маршрутизаторы используют сетевой уровень для определения оптимального маршрута доставки данных в сети и помогают сдерживать объем широковещательных пакетов Маршрутизаторы и коммутаторы отличаются друг от друга в нескольких аспектах. Во-первых, мостовые соединения осуществляются на канальном уровне, в то время как маршрутизация выполняется на сетевом уровне эталонной модели OSI. Во-вторых, коммутаторы используют физические или МАС-адреса для принятия решения о передаче данных. Маршрутизаторы для принятия решения используют различные схемы адресации, существующие на сетевом уровне. В частности, они используют адреса сетевого уровня, также называемые логическими, или IР-адресами (Internet Protocol). Поскольку IP-адреса реализованы в программном обеспечении и соотносятся с сетью, в которой находится устройство, иногда адреса уровня 3 называют еще протокольными или сетевыми адресами Физические или МАС-адреса обычно устанавливаются производителем сетевого адаптера и зашиваются в адаптере на аппаратном уровне; IP-адреса обычно назначаются сетевым администратором. Чтобы маршрутизация была успешной, необходимо, чтобы каждая сеть имела уникальный номер. Этот уникальный номер сети включен в IP-адрес каждого устройства, подключенного к сети.  Рассмотрим уникальную сеть 1 с подключенными к ней тремя устройствами, IP-адреса которых – 1.1, 1.2, и 1.3. Поскольку интерфейс, с помощью которого маршрутизатор подключается к сети, является частью этой сети, порт, через который маршрутизатор подключается к сети 1, будет иметь IP-адрес 1.4.  Рис. 13. Сеть 1 с тремя подключенными к ней устройствами Предположим теперь, что есть сеть 2, содержащая четыре устройства, которая подключена к другому интерфейсу того же маршрутизатора. IP-адреса устройств в этой сети будут 2.1, 2.2, 2.З и 2.4, а IP-адрес второго интерфейса маршрутизатора – 2.5. Предположим далее, что данные были посланы из одной сети в другую. Отправитель находится в сети 1, получатель – в сети 2, и к маршрутизатору подключены сети 1, 2, и 3. Когда логически сгруппированный модуль информации, называемый кадром (фреймом), достигает маршрутизатора, последний выполняет следующие действия. Определяет и отбрасывает канальный заголовок и концевик, которые содержатся в кадре. Канальным заголовком называется информация, которая прикрепляется к данным в ходе инкапсуляции и содержит МАС-адреса отправителя и получателя. Это позволяет маршрутизатору исследовать сетевой уровень, чтобы определить сеть адресата. Сверяется со своей таблицей маршрутизации, которая содержит маршруты к конкретным сетям, и определяет порт, через который ему необходимо отправить данные, чтобы те добрались до сети пункта назначения. Таким образом, маршрутизатор пошлет данные из сети 1 в сеть 2 через порт с IP-адресом 2.5. Однако перед фактической отправкой данных из порта 2.5 маршрутизатор инкапсулирует данные в соответствующий канальный кадр.  Рис. 14. Маршрутизатор определяет путь прохождения данных из сети 1 в сеть 2 по IP-адресу 2.5 Сетевыми устройствами называются аппаратные средства, используемые для объединения сетей. Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть. Термин концентратор (hub) используется вместо термина повторитель, когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети. Область сети, в пределах которой пакет данных порождается и вступает в конфликт, называется доменом коллизий. Мосты устраняют лишний трафик и уменьшают вероятность возникновения конфликтов. Это достигается за счет разделения сети на сегменты и фильтрации трафика по адресу станции или МАС-адресу. Коммутатор (switch) можно рассматривать как многопортовый быстродействующий мост, объединяющий несколько сегментов сети. Маршрутизаторы (routers) способны принимать интеллектуальные решения о выборе оптимального маршрута доставки данных в сети. |