Лекция: Какое коммутационное оборудование применяется в вычислительных сетях? Назовите назначение каждого.

Сетевое коммутационное оборудование. Узлы в средах передачи данных, выполняющие функ­ции связи между частями сложной сети (internetworking), составляют сетевое (коммутационное) обо­рудование. В сетевое оборудование входят повторители, мосты, концентраторы, коммутаторы, марш­рутизаторы, шлюзы, модемы и др.

Повторитель (repeater) — блок взаимодействия, служащий для регенерации электрических сиг­налов, передаваемых между двумя сегментами ЛВС. Повторители используются в случае, если реа­лизация ЛВС на одном сегменте кабеля (отрезке, моноканале) не допускается из-за ограничений на расстояние или на число узлов, причем при условии, что в соседних сегментах используются один и тот же метод доступа и одни и те же протоколы. Трафик в сегментах, соединенных повторителем, — общий. Повторитель может быть многопортовым. Сигнал, пришедший на один из портов, повторяет­ся на всех остальных портах.

Мост (bridge) — блок взаимодействия, служащий для соединения разных подсетей, которые мо­гут иметь неодинаковые канальные протоколы.

При малых расстояниях между подсетями связь возможна через серверы подсетей, в которых размещаются интерфейсные платы, называемые внутренними мостами, и соответствующее сетевое программное обеспечение. Возможно применение внешних мостов — специально выделяемых узлов для целей сопряжения по одному в каждой из соединяемых подсетей. Внешние мосты обходятся до­роже, но обеспечивают лучшие эксплуатационные характеристики. Важная функция мостов — огра­ничение трафика, так как локальный трафик одной подсети замыкается в ней, не проходя в другую подсеть.

Обычно мост имеет два порта, хотя существуют и многопортовые мосты. Каждый порт может оказаться входным или выходным. Управление передачей пакетов выполняется с помощью маршрут­ной таблицы моста, в которой строки содержат соответствующие друг другу значения адреса узла и номера порта моста. Если пакет пришел на порт А и по таблице адрес относится к тому же порту А, то пакет остается в данной ЛВС, иначе передается на порт В, который найден по таблице. Первона­чальное заполнение таблицы происходит по адресам источников пакетов — в строку заносятся адрес отправителя и номер входного порта. Таблицы могут изменять во времени свое содержимое. Если не­которые адреса по истечении длительного времени ни разу не активировались, то строки с такими ад­ресами удаляются, их восстановление или занесение новых адресов выполняется по процедуре пер­воначального заполнения.

На рис. 2.12 представлены возможные варианты мостовых соединений.

Вариант 2 обеспечивает большую пропускную способность по сравнению с вариантом 1. Вари­ант 3 близок к варианту 2 по пропускной способности, он дороже, но именно его необходимо приме­нять, если расстояния между подсетями довольно большие. Вариант 4 используют для увеличения скорости при большом трафике. Наконец, вариант 5 предназначен для случаев расстояний в несколь­ко километров и более.

Корпоративную сеть, состоящую из подсетей, связанных мостами, можно назвать автономной системой (AS — Autonomous System). Связь одной AS с другими осуществляется через маршрутиза­тор или шлюз. Такой маршрутизатор называют пограничным. В качестве AS можно рассматривать и более сложную совокупность связанных AS, если эта совокупность имеет выход во внешние сети опять же через пограничный маршрутизатор (шлюз). Из сказанного следует, что структура глобаль­ных сетей является иерархической.

Концентраторы предназначены для объединения в сеть многих узлов. Так, концентраторами являются хабы в сетях 10Base-T или Token Ring. Однако такие концентраторы подобно мостам созда­ют общую среду передачи данных без разделения трафика.

Коммутаторы в отличие от концентраторов предназначены для объединения в сеть многих уз­лов или подсетей с разделением трафика между подсетями. Как и в мостах, пакеты передаются толь­ко в ту подсеть, для которой они предназначены, что уменьшает общую загрузку сети. Но в отличие от многопортового моста в коммутаторе возможно одновременно иметь много соединений, т.е. обес­печивается параллельная передача сообщений. Коммутаторы используют также для связи нескольких ЛВС с территориальной сетью. Один коммутатор может объединять несколько как однотипных, так и разнотипных ЛВС.

Маршрутизатор (router) — блок взаимодействия, служащий для выбора маршрута передачи данных в корпоративных и территориальных сетях. С помощью маршрутизаторов могут согласовы­ваться не только канальные протоколы, как это имеет место при применении мостов, но и сетевые протоколы. Маршрутизаторы содержат таблицы и протоколы маршрутизации в отличие от других уз­лов, которые могут содержать лишь локальные таблицы соответствия IP-адресов физическим адресам сетевых контроллеров в локальной сети. Маршрутизаторы могут фильтровать пакеты в соответствии с признаками, отраженными в заголовке пакета, т.е. выполнять роль брандмауэра — устройства, за­щищающего сеть от нежелательных вторжений извне.

Использование коммутаторов вместо маршрутизаторов (там, где это возможно) позволяет суще­ственно повысить пропускную способность сети. Коммутатор работает с локальными МАС-адресами, в нем имеется таблица соответствия МАС-адресов и портов. Кроме того, между разными порта­ми коммутатора образуется несколько соединений, по которым пакеты могут передаваться одновре­менно. В то же время маршрутизатор оперирует IP-адресами и таблицами маршрутизации и выполня­ет сложные алгоритмы маршрутизации.

Возможны коммутация “на лету” (сквозная коммутация — out-trough), когда передача пакета на­чинается сразу после расшифровки заголовка, и после полного получения пакета (промежуточная бу­феризация — store-and-forvvard). Первый способ чаще применяют в небольших сетях, второй — в ма­гистральных коммутаторах. Сквозная коммутация позволяет уменьшить задержки в передаче пакетов и обойтись малым объемом буфера, но не дает возможности контролировать безошибочность переда­чи данных.

Обычно коммутатор имеет системную плату, ряд портов, группируемых в сегменты, систему коммутации портов и функциональные модули. Каждый сегмент ориентирован на ЛВС одного типа.

Так, коммутатор ODS Infinity фирмы OpticalData Systems имеет в своем составе сегменты для сетей типов Ethernet, Token Ring, FDDI, LocalTalk, причем в этих сегментах имеются гнезда для подключе­ния 48, 48, 2 и 6 сетей соответственно. Порты соединяются посредством высокоскоростной общей шины (что более характерно для многопортовых мостов), но чаще через коммутирующую матрицу. Функциональные модули предназначены для связи сегментов и выхода в территориальную сеть.

Различают коммутаторы второго и третьего уровней. Сети с коммутаторами второго уровня под­вержены так называемому широковещательному шторму, поскольку при широковещательной переда­че пакеты направляются во все подсети, соединенные через коммутаторы, и сеть будет “забита” паке­тами. Чтобы уменьшить отрицательное влияние такого шторма, сеть разбивают на подсети, в преде­лах которых и осуществляется широковещательность. Коммутатор третьего уровня разделяет подсе­ти, направляя через себя пакет только, если МАС-адрес получателя относится к другой подсети.

Обычно распределение узлов по подсетям выполняют по территориальному признаку. Однако при этом возможно объединение в одной подсети узлов, слабо связанных между собой в функцио­нальном отношении. Возникают проблемы с защитой информации и управлением трафиком. Поэто­му предпочтительнее распределять узлы по функциональному признаку, причем администратор сети должен иметь возможность перекоммутации узлов при изменениях в их функциях или расположении. Такие возможности имеются в виртуальных ЛВС.

Виртуальная ЛВС (ВЛВС) — это локальная сеть, в которой узлы сгруппированы не по террито­риальному, а по функциональному признаку. Для этого каждая подсеть в ВЛВС получает свой иден­тификатор, каждому идентификатору соответствуют определенные порты коммутаторов сети. Иден­тификатор указывается в заголовке кадра (структура кадра в ВЛВС задается стандартом IEEE 802/10) и поэтому коммутатор направляет кадр в нужную подсеть. Администратор сети может управлять структурой сети (перекоммутацией портов) с помощью специального ПО.

Шлюз (gateway — межсетевой преобразователь) — блок взаимодействия, служащий для соеди­нения информационных сетей различной архитектуры и с неодинаковыми протоколами. В шлюзах предусмотрено согласование протоколов всех семи уровней ЭМВОС. Примерами шлюзов могут быть устройства, соединяющие ЛВС типа Ethernet с сетью SNA, используемой для связи больших машин фирмы IBM. Часто под шлюзом понимают сервер, имеющий единственный внешний канал передачи данных.