15. Структуризация локальных сетей
Первые локальные сети с небольшим (10-30) количеством компьютеров использовали только одну общую для всех подключенных к сети устройств разделяемую среду. При этом в соответствии с ограничениями технологий сети имели типовые топологии — общая шина (звезда) для Ethernet, кольцо для FDDI и Token Ring. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети неразличимы на уровне физических связей. Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.
Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается из достоинства в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются ограничения:
— на длину связи между узлами;
— на количество узлов в сети;
— на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.
Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяла использовать кабель длиной не более 185 метров, к которому можно было подключить не более 30 компьютеров. Однако если компьютеры начинали интенсивно обмениваться информацией между собой, тогда приходилось снижать число подключенных к кабелю компьютеров до 20, а то и до 10, чтобы каждому компьютеру доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.
Для снятия этих ограничений стали использовать структуризацию сети на основе специального структурообразующего коммуникационного оборудования, в том числе повторителей, концентраторов, мостов, коммутаторов.
15.2. Физическая структуризация локальной сети
Различают топологию физических связей (физическую структуру сети) и топологию логических связей сети (логическую структуру сети).
В некоторых случаях физическая и логическая топологии сети совпадают. Например, сеть, представленная на рис.16.1а, имеет физическую кольцевую топологию. Пусть компьютеры этой сети используют метод детерминированного доступа. Причем токен всегда передается последовательно от компьютера к компьютеру в том же порядке, в котором компьютеры образуют физическое кольцо: то есть компьютер А передает токен компьютеру В, компьютер В — компьютеру С и т. д. В этом случае логическая топология сети также является кольцом.
Рисунок 15.1. Физическая и логическая топологии.
Сеть, показанная на рис.15.1,б, являет собой пример несовпадения физической и логической топологий. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина (звезда). Доступ же к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, а путем передачи токена в кольцевом порядке: от компьютера А — компьютеру В, от компьютера В — компьютеру С и т. д. Здесь порядок передачи токена уже не повторяет физические связи, а определяется логическим конфигурированием драйверов сетевых адаптеров. Ничто не мешает настроить сетевые адаптеры и их драйверы так, чтобы компьютеры образовали кольцо в другом порядке, например: В, А, С. При этом физическая структура сети никак не меняется.
Физическая структуризация единой разделяемой среды была первым шагом на пути построения более качественных локальных сетей. Цель физической структуризации — обеспечить построение сети не из одного, а из нескольких физических отрезков кабеля. Причем эти различные в физическом отношении отрезки должны были по-прежнему работать как единая разделяемая среда.
Простейшее из коммуникационных устройств — повторитель — используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель повторяет сигналы, приходящие из одного сегмента сети в другие ее сегменты (рис. 15.2), улучшая их физические характеристики — мощность и форму сигналов, а также синхронность следования (исправляет неравномерность интервалов между импульсами). За счет этого повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи. Так как поток сигналов, передаваемых узлом в сеть, распространяется по всем отрезкам сети, такая сеть остается сетью с единой разделяемой средой.
Рисунок 15.2. Повторители позволяют увеличить длину сети
Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором, или хабом. Эти названия отражают тот факт, что в данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети.
Добавление в сеть повторителя всегда изменяет ее физическую топологию, но при этом оставляет без изменения логическую топологию.
Концентраторы являются необходимыми устройствами практически во всех базовых технологиях локальных сетей — Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, lOOVG-AnyLAN. В работе концентраторов любых технологий много общего — они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входной сигнал на всех своих портах, кроме того, с которого этот сигнал поступил (рис. 15.3, а). А концентратор Token Ring (рис. 15.3, б) повторяет входной сигнал только на одном, соседнем порту.
Рисунок 15.3. Концентраторы различных технологий
Логическая структуризация сети
Несмотря на появление новых дополнительных возможностей, основной функцией концентраторов остается передача пакетов по общей разделяемой среде. Коллективное использование многими компьютерами общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Общая среда перестает справляться с потоком передаваемых кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Это явление характерно для всех технологий, использующих разделяемые среды передачи данных, независимо от используемых алгоритмов доступа (хотя наиболее страдают от перегрузок трафика сети Ethernet с методом случайного доступа к среде). Поэтому сети, построенные на основе концентраторов, не могут расширяться в требуемых пределах — при определенном количестве компьютеров в сети или при появлении новых приложений всегда происходит насыщение передающей среды, и задержки в ее работе становятся недопустимыми. Эта проблема может быть решена путем логической структуризации сети с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Мост (bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог — коммутатор (switching hub), делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста/коммутатора. При поступлении кадра на какой-либо из портов мост/коммутатор повторяет этот кадр, но не на всех портах, как это делает концентратор, а только на том порту, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер-адресат
Логическая структуризация сети с помощью моста
На данном рисунке показана сеть, которая была получена из сети с центральным концентратором путем его замены мостом. Сети 1-го и 2-го отделов состоят из отдельных логических сегментов, а сеть отдела 3 — из двух логических сегментов. Каждый логический сегмент построен на базе концентратора и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связывающими компьютеры с портами концентратора. Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу кадров только между одной парой портов, а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами. Другими словами, мост передает кадры последовательно, а коммутатор параллельно. Следует отметить, что в последнее время локальные мосты полностью вытеснены коммутаторами. Мосты используются только для связи локальных сетей с глобальными, то есть как средства удаленного доступа, поскольку в этом случае необходимость в параллельной передаче между несколькими парами портов просто не возникает. При работе коммутатора среда передачи данных каждого логического сегмента остается общей только для тех компьютеров, которые подключены к этому сегменту непосредственно. Коммутатор осуществляет связь сред передачи данных различных логических сегментов. Он передает кадры между логическими сегментами только при необходимости, то есть только тогда, когда взаимодействующие компьютеры находятся в разных сегментах.
Структуризация как средство построения больших сетей.
В сетях с небольшим количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, т.е. все компьютеры имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам (за исключением центрального компьютера в сети типа «звезда»). Такая топология делает простой процедуру наращивания сети и облегчает обслуживание её. Однако при построении больших сетей однородность превращается из преимущества в недостаток. Однород6ные сети порождают различные ограничения , важнейшими из которых являются ограничения на длину связи между узлами, на количество узлов в сети, на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети (трафик- количество информации в единицу времени). Например, технология Ezernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет обеспечить связь между двумя узлами (компьютерами) на расстоянии не более 180 метров, к этому кабелю можно подключить не более 30 персональных компьютеров. Однако, если эти компьютеры интенсивно общаются, то их количество должно быть снижено до 20 или даже 10. для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование (повторители, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы). Оборудование такого типа называется коммуникационным, имея в виду, что с его помощью сегменты сети взаимодействуют между собой.
Существует два вида структуризации сети: физическая и логическая.
Физическая структуризация сети.
Простейшее коммуникационное устройство- повторитель (репитор)- используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети.
Т – терминатор, РС- рабочая станция.
Повторитель передаёт сигналы, приходящие из одного сегмента в другой. Позволяет преодолеть ограничение на длину линии связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала, т.е. восстановление его мощности, улучшение фронтов и т.д. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором или хабом. Название хаб в переводе- основа, централизованная деятельность,- отражает тот факт, что в данном устройстве сосредотачиваются все связи между сегментами сети.
Необходимо подчеркнуть, что в работе концентраторов любых технологий (ezernet,…) много общего. Они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов на другие. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Концентратор Еzernet повторяет сигналы на всех своих портах, за исключением входного. Кольцевой концентратор повторяет входные сигналы только на одном порту, к которому подключен следующий в кольце компьютер.
- Физическая топология – это конфигурация связей, образованных различными отдельными частями кабеля.
- Логическая топология- это конфигурация информационных потоков между компьютерами в сети.