Технология Ethernet и кабельные сети

Основные устройства сети Ethernet

Устройства подключения

Сегодня обычная сеть состоит из многих локальных сетей и одной

или нескольких базовых. Поэтому в технологиях должны быть предусмотрены способы объединить эти сети. Инструментальные средства, предназначенные для этих целей, называются устройствами подключения [ 61 ] .

В этом разделе мы обсуждаем пять видов устройств: ретрансляторы, концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы. Ретрансляторы и концентраторы работают на первом уровне набора протоколов TCP/IP. (Это сопоставимо с физическим уровнем модели OSI.) Мосты работают на первых двух уровнях. Маршрутизаторы работают на первых трех уровнях. Мы имеем два типа коммутаторов: первый тип — усложненный мост и второй — усложненный маршрутизатор. рис. 6.6показывает уровни, на которых работает каждое устройство.

Рис. 6.6. Подключающие устройства

Ретрансляторы

Для увеличения длины общей сети, состоящей из различных сегментов кабеля, используются ретрансляторы. Ретранслятор является устройством 1-го уровня и работает только на физическом уровне. Сигналы, которые переносят информацию в пределах сети, могут пройти фиксированное расстояние до того момента, когда затухание создаст угрозу целостности данных. Ретранслятор получает сигнал, и прежде чем он становится слишком слабым или искаженным, восстанавливает первоначальный вид бита. Затем он передает регенерированный сигнал. Ретранслятор может увеличить физическую длину сети, как показано на рис. 6.7.

Он принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их на другом сегменте кабеля, увеличивая мощность и улучшая форму импульсов. Применение ретранслятора вносит дополнительную задержку и ухудшает распознавание коллизии, поэтому их количество в сети Ethernet не должно превышать 4, при этом максимальная длина одного сегмента должна быть не более 500 метров, а диаметр всей сети — не более 2500 метров. Заметим, что сеть, образованную с помощью ретрансляторов, все еще считают одной локальной сетью, но часть сети, разделенную ретрансляторами, называют сегментом. Ретранслятор действует как узел с двумя интерфейсами, но работает только на физическом уровне.

Рис. 6.7. Ретранслятор

Когда он получает пакет от любого из интерфейсов, он восстанавливает и передает его вперед к другому интерфейсу. Ретранслятор передает вперед каждый пакет, но не имеет никаких возможностей для выделения и перенаправления информации.

Концентраторы

Соединение узлов между собой осуществляется через центральное устройство — концентратор ( рис. 6.8), и это значительно устраняет недостатки предыдущих стандартов. Хотя в общем смысле термин "концентратор" может применить к любому устройству подключения, в данном случае он имеет специальное значение. Концентратор — фактически многовходовой ретранслятор. Он обычно используется, чтобы создать соединение между станциями в физической звездной топологии.

Концентратор (Hub) является устройством 1-го уровня и осуществляет функции повторителя на всех отрезках витых пар между концентратором и узлом, за исключением того порта, с которого поступает сигнал. Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T). Кроме того, концентратор сам обнаруживает коллизию и посылает jam-последовательность на все свои выходы. Типовая емкость концентратора — от 8 до 72 портов. Концентраторы могут также использоваться, чтобы размножать уровни иерархии, как показано на рис.6.9.

Концентраторы можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые используются для подключения узлов. Стандарт разрешает соединять концентраторы только в древовидные структуры, любые петли между портами концентратора запрещены. Для надежного распознавания коллизии между двумя любыми узлами должно быть не больше 4 концентраторов, при этом максимальная длина между концентраторами должна быть не более 100 метров, а диаметр всей сети — не более 500метров.

Рис. 6.8. Сеть Ethernet, образованная с помощью концентратора, на витой паре (стандарт 10Base-T)

Рис. 6.9. Размножение уровней иерархии с помощью концентраторов

Заметим, что сеть, построенная на основе концентраторов, рассматривается как одна единственная локальная сеть. Эта сеть представляется логической топологией типа "шина" (если станция передает пакет, он будет получен каждой другой станцией без переадресации). Иерархическое использование концентраторов устраняет ограничение длины 10BASE-T (100 метров). Построение локальных сетей большой емкости только с помощью концентраторов приводит к возрастанию числа коллизий и снижению пропускной способности сети. Поэтому концентраторы используются для построения небольших фрагментов сетей, которые затем объединяются с помощью мостов и коммутаторов.

Мосты

Мост (Bridge) является устройством 2-го уровня, он также соединяет два сегмента сети ( рис. 6.10), но, в отличие от повторителя, снабжен определенной логикой. Порт моста записывает все кадры, поступающие от узлов одного сегмента, в буферную память данных. Как устройство физического уровня, он восстанавливает сигнал, который получает. Как устройство уровня звена передачи данных, мост может проверить физический адрес (источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Заметим, что мост, подобно ретранслятору, не имеет никакого физического адреса. Он действует только как фильтр, но не как исходный передатчик к конечному пункту назначения. В исходном состоянии, когда состав сети неизвестен, мост ретранслирует буферизированные кадры, поступающие с одного порта, на другой порт по алгоритму CSMA/CD. Мосты "прозрачны" и распознаваемы; они могут быть легко установлены между двумя сегментами локальной сети (принцип "plug and play" — "включай и работай"^{1Принцип, используемый в настоящее время для многих компонентов, когда программное обеспечение распознает вновь подключаемое оборудование и само включает его в работу или дает простые указания для подключения человеку}). Таблица моста первоначально пуста, но как только мост получает и передает вперед пакет, он создает в своей таблице вход с исходным адресом и интерфейсом прибытия. С тех пор мост знает, от кого поступает каждый пакет, к какому пункту назначения, от какого интерфейса. Мост также делает запись информации о пункте назначения, используя информацию, содержащуюся в пакете. Мы делаем нечто подобное, когда отвечаем по почте (или электронной почте).

Рис. 6.10. Сеть Ethernet с использованием моста

По истечении некоторого времени мост составит следующую таблицу таблица 6.1 рис. 6.11).

Он по свой таблице определяет, что нужно ретранслировать кадр из буфера порта 1 в порт 2. Если же мост получает кадр от узла 2, направленный к узлу Х, то он по своей таблице определяет, что узлы находятся в одном сегменте, и стирает кадр в буферной памяти порта 1. Записи в таблице, произведенные мостом, являются динамическими. По истечении определенного времени, если мост не принял ни одного кадра от какого-то узла, такая запись стирается. Процедура ограниченного хранения записанных данных называется кэшированием и предохраняет таблицу от переполнения при удалении узла из сети или при перемещении узла из одного сегмента в другой. Записи, внесенные в таблицу администратором, называются статическими и не имеют срока жизни, они дают возможность администратору при необходимости принудительно подправлять работу моста.

Коммутатор (Switch)

Термин "коммутатор" может означать две различных вещи. Мы должны уточнять информацию об уровне, на котором устройство работает. Мы можем иметь коммутатор уровня два или коммутатор уровня три. Кратко обсудим каждый.

Коммутатор уровня два Коммутатор уровня два — мост со многими интерфейсами, который позволяет лучше (более быстро) распределять информацию. Мост с несколькими интерфейсами может подключить несколько сегментов LAN вместе. Мост со многими интерфейсами может распределить информацию каждой станции к каждой станции на одном и том же сегменте. Далее мы используем термин "мост" для коммутатора уровня 2.

Коммутатор уровня три Коммутатор уровня три — маршрутизатор. Коммутатор уровня три может получить, обработать и послать пакет намного быстрее, чем традиционный маршрутизатор, даже при том, что функциональные возможности у них одни и те же. Мы используем термин "маршрутизатор" для коммутатора уровня три.

увеличить изображение
Рис. 6.11. Мост

Коммутатор (Switch) использует топологию типа "звезда", является устройством 2-го уровня и функционально представляет собой многопортовый мост, к каждому порту которого может быть подключен отдельный хост, концентратор, сервер или маршрутизатор ( рис. 6.12). Каждый порт коммутатора оснащен процессором обработки пакетов (Пр.), который может работать как в полудуплексном, так и в дуплексном режиме. При подключении к порту коммутатора отдельного узла (компьютера или маршрутизатора) порт коммутатора устанавливается в дуплексный режим, а в узел ставится сетевая карта с подавлением коллизий. За счет этого узел и коммутатор имеют возможность одновременной передачи и приема пакетов. При подключении к порту коммутатора концентратора порт коммутатора устанавливается в полудуплексный режим.

Рис. 6.12. Сеть Ethernet с использованием коммутатора

Для коммутации кадров между портами используется коммутационная матрица (Мх). Аналогично мосту каждый порт ведет адресную таблицу МАС-адресов, подключенных к нему устройств и сообщает о ней центральному процессору (ЦПР). После приема начальных бит кадра входной процессор анализирует адрес назначения и пытается установить соединение через коммутационную матрицу, не дожидаясь прихода, оставшихся бит кадра. Для этого он обращается к ЦПР с заявкой на установление пути в коммутационной матрице. ЦПР имеет адресную таблицу и может осуществить запрашиваемое соединение, если порт назначения свободен, т.е. не соединен с другим портом. Если же порт занят, то ЦПР в соединении отказывает, и кадр продолжает буферизироваться процессором входного порта до освобождения выходного порта. После того как требуемый путь в коммутационной матрице установлен, по нему направляются кадры в выходной порт, где они повторно буферизируются на случай разной скорости коммутируемых портов. Процессор выходного порта по значению контрольной суммы (FCS) опционально может проверить целостность принятого кадра и начинает передавать по сегменту Ethernet принятый кадр. Из-за наличия множества портов коммутатор обладает существенно более высокой производительностью за счет параллельной обработки кадров. Если потоки данных между портами распределяются, не конфликтуя между собой, т.е. соединения вида "входной порт — выходной порт" образуют независимые пары, то коммутатор емкостью N портов может одновременно обслуживать N/2 полудуплексных соединений или N дуплексных соединений.