Аппаратное обеспечение сетей. Маршрутизаторы. Назначение, структура и принципы функционирования.
Маршрутизатор (router) представляет собой сетевое коммуникационное устройство, которое может связывать два и более сетевых сегментов (или подсетей). Маршрутизатор реализует протоколы физического, канального и сетевого уровней. Специальные сетевые процессы соединяют части коммутатора в единое целое. Физический, канальный и сетевой протоколы в разных сетях различны. Поэтому соединение пар коммуникационных сетей осуществляется через маршрутизаторы, которые осуществляют необходимое преобразование указанных протоколов. Сетевые процессы выполняют взаимодействие соединяемых сетей.
Маршрутизатор работает с IP-адресом и определяет, в каком сегменте сети находится адресат. Если источник и получатель находятся в одном сегменте, то информация передается непосредственно получателю. Если источник и получатель находятся в разных сегментах (подсетях), то маршрутизатор определяет, какому узлу надо передать информацию, чтобы в дальнейшем она была доставлена получателю.
Маршрутизаторы обмениваются информацией об изменениях структуры сетей, трафике и их состоянии. Благодаря этому, выбирается оптимальный маршрут следования блока данных в разных сетях от абонентской системы – отправителя к системе – получателю.
Маршрутизатор использует таблицу маршрутизации (routing table), содержащую сетевые адреса, чтобы определить, куда направить пакет. Он делает это посредством сравнения сетевого адреса в пакете с элементами в таблице маршрутизации: если совпадение найдено, пакет направляется по указанному маршруту. Если же совпадение не найдено, обычно пакет отбрасывается.
Маршрут по умолчанию (default route) используется, если не подходит ни один из других маршрутов. Требуемый маршрут сначала ищется в таблицах, а если он не найден, пакет посылается в узел, специально выбранный для данного случая. Маршруты по умолчанию используются обычно тогда, когда маршрутизатор имеет ограниченный объём памяти или по какой-то иной причине не имеет полной таблицы маршрутизации. Маршрут по умолчанию может помочь реализовать связь даже при ошибках в маршрутной таблице, однако для региональных сетей с ограниченной пропускной способностью такое решение может повлечь серьёзные последствия. Например, из-за такого рода ошибки пакеты внутри локальной сети могут пересылаться через сеть другой страны.
Существуют два типа маршрутизирующих устройств: статические и динамические. Статические маршрутизаторы (static router) используют таблицы маршрутизации, которые должен создать и вручную обновлять сетевой администратор. С другой стороны, динамические маршрутизаторы (dynamic router) создают и обновляют свои собственные таблицы маршрутизации. Они используют информацию, как найденную в своих собственных сегментах, так и полученную от других динамических маршрутизаторов. Динамические маршрутизаторы всегда содержат свежую информацию о возможных маршрутах по сети, а также информацию об узких местах и задержках в прохождении пакетов. Эта информация позволяет им определить наиболее эффективный путь, доступный в данный момент, для перенаправления пакетов данных к их получателям.
Алгоритм маршрутизации – совокупность действий, которая выполняется активными компонентами сети, для того чтобы обеспечить возможность корректной доставки данных абонентам данной сети.
В сложных сетях всегда существуют несколько альтернативных маршрутов для передачи между двумя станциями.
Под маршрутом будем понимать последовательность маршрутизаторов, которую должен пройти пакет от станции отправителя до станции получателя.
При выполнении алгоритма маршрутизации узел должен получать информацию от соседних узлов, выполняющих такой же алгоритм маршрутизации, о сетях, которые могут быть достижимы при передаче данных через каждый соседний узел. Концентрируя такую информацию в так называемых таблицах маршрутизации, каждый узел может определить направление — маршрут передачи данных для каждой из доступных сетей. В том случае, если таких маршрутов оказалось несколько, алгоритм маршрутизации предусматривает возможность использования специального критерия для выбора оптимального маршрута— например, задержка прохождения маршрута отдельным пакетом, количество пройденных промежуточных маршрутизаторов и др. Чтобы по адресу назначения в сети можно было выбрать маршрут движения пакета, каждая станция анализирует таблицу маршрутизации.
Таблица маршрутизации представляет собой некую базу данных составных документов сети (сетевых адресов маршрутизаторов, сетей, расстояние до сети назначения, флаг канала и др.). Флаг U свидетельствует о том, что маршрут в настоящее время занят.
Таблица маршрутизации строится и для станции сети, передающих и принимающих пакеты и для самих маршрутизаторов, отвечающих за пересылку пакетов между различными сетями.
Когда на маршрутизатор поступает новый пакет, из него извлекается адрес сети, который сравнивается с адресами сети в таблице маршрутизации. Строка с совпавшим адресом указывает, на какой ближайший маршрутизатор следует направить пакет.
Маршрутизаторы по сравнению с повторителями дороже и сложнее в управлении. У них меньше пропускная способность, чем у мостов, поскольку они должны производить дополнительную обработку пакетов данных. Кроме того, динамические маршрутизаторы могут добавлять излишний трафик в сети, поскольку для обновления таблиц маршрутизации постоянно обмениваются сообщениями.
1.1.2. Аппаратное обеспечение сетей
Передающая среда включает: сетевые кабели, коннекторы (соединители), сетевые интерфейсные адаптеры.
Сетевые кабели по используемым материалам делятся на медные и оптоволоконные. В свою очередь по конструкции и эксплуатационным параметрам среди медных кабелей выделяются «витая пара»; состоящий из четырех пар переплетенных друг с другом и между собой изолированных проводов, и «тонкий коаксиальный», состоящий из двух изолированных между собой концентрических проводников, внешний из которых имеет вид трубки.
Оптоволоконные кабели обеспечивают более высокую скорость передачи данных и используются, как правило, для соединения отдельных сегментов сети в общую (корпоративную) сеть организации.
Конструкции медных кабелей задают схемы построения сегментов сети. При построении сегмента сети по схеме «звезда» с хостом в качестве центральной точки, соединенной лучами со всеми остальными сетевыми устройствами, используется кабель «витая пара». При построении сегмента сети по схеме «шина» где каждое сетевое устройство, включая хост, соединено только с двумя соседними, используется «тонкий коаксиальный» кабель.
Коннекторыпредставляют собой разъёмы для подключения кабелей к компьютеру и для соединения отрезков кабеля. Конструкции коннекторов зависят от конструкции сетевых кабелей. Используются либо коаксиальные коннекторы для «тонкого коаксиального» кабеля, либо восьми штырьковые для кабеля «витая пара».
Сетевые интерфейсные адаптеры(сетевой интерфейс, сетевая карта) представляют собой выполненное на одной плате устройство соединяющее компьютеры и обеспечивающее приём и передачу данных по сети. В соответствии с определённым протоколом управляют доступом к среде передачи данных. Размещается в системных блоках компьютеров, подключенных к сети, и вставляются в свободный разъем системной платы компьютера. К разъёмам адаптеров подключается сетевой кабель.
Протяженность сети, расстояние между рабочими станциями, в первую очередь определяются физическими характеристиками передающей среды. При передаче данных в любой среде происходит затухание сигнала, что и приводит к ограничению расстояния. оборудование, Установив специальные коммуникационные устройства, можно расширить протяженность сети. К коммуникационным устройствам относятся следующие устройства.
Трансивер– приемопередатчик, повышающий уровень качества передачи данных по кабелю, отвечает за приём сигналов из сети и обнаружение конфликтов.
Повторитель (repeater)– устройство, обеспечивающее ретрансляцию и усиление сигналов, передаваемых по кабелю большой длины. Позволяет расширять сеть за счет подключения дополнительных сегментов кабеля.
Хаб (hub, концентратор линий)– устройство, состоящее из нескольких (от 4 до 24) портов, обеспечивающее разветвление одной входящей линии на несколько исходящих. Расширяет топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором однотипных восьми штырьковые портов используется, как правило, для построения сетей по схеме «звезда» на «витой паре». Хаб с дополнительными коаксиальными портами позволяет подсоединять сегменты сетей на «тонком коаксиальном» кабеле. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.
Маршрутизатор (router)– устройство, объединяющее сети одного или разного типа, использующие общий протокол или одну сетевую ОС. Он позволяет, например, расщеплять большие сообщения на более мелкие фрагменты, обеспечивая тем самым взаимодействие локальных сетей с разным размером пакета. Маршрутизатор может пересылать пакеты на конкретный адрес (мосты только отфильтровывают ненужные пакеты), выбирать лучший путь для прохождения пакета и многое другое. Чем сложней и больше сеть, тем больше выгода от использования маршрутизаторов.
Коммутатор (switch)– устройство для соединения сетей или сегментов, поддерживающее множественную адресацию для своих портов. Коммутатор контролирует и управляет сетевым трафиком, анализируя адреса назначения каждого пакета. Коммутатор знает, какие устройства соединены с его портами, и направляет пакеты только на необходимые порты. Это дает возможность одновременно работать с несколькими портами, расширяя тем самым полосу пропускания. Коммутатор может передать адрес узла-получателя непосредственно узлу-отправителю, который пересылает пакеты по сети с минимальным временем задержки. Современные коммутаторы имеют встроенные средства маршрутизации.
Шлюз (gateway)– совокупность аппаратно-программных средств, которая обеспечивает передачу данных между несовместимыми сетями или приложениями в рамках одной сети. Межсетевые шлюзы согласуют различные протоколы передачи данных, несогласованные скорости передачи. Поступившее в шлюз сообщение от одной сети преобразуется в другое сообщение, соответствующее требованиям следующей сети. Таким образом, шлюзы не просто соединяют сети, а позволяют им работать как единая сеть. С помощью шлюзов также локальные сети подсоединяются к Интернет.
Периферийное оборудование: лазерные и струйные устройства печати, графопостроители, устройства факсимильной связи, – подключаются к сети либо через хост (файловый сервер), либо к отдельным рабочим станциям, либо к хабу через сетевой адаптер.