Сетевые компоненты.

    Существует множество сетевых устройств, которые возможно использовать для создания, сегментирования и усовершенствования сети. Основными из них являются сетевые адаптеры, повторители, усилители, мосты, маршрутизаторы, коммутаторы и шлюзы.

    Сетевые адаптеры (карты), или NIC (Network Interface Card), являются теми устройствами, которые физически соединяют компьютер с сетью. Сетевые адаптеры — это сетевое оборудование, обеспечивающее функционирование сети на физическом и канальном уровнях.

    Сетевые адаптеры производят следующие основные операции при приеме или передаче сообщения:

1) гальваническая развязка с коаксиальным кабелем или витой парой. Для этой цели используются импульсные трансформаторы. Иногда для развязки используются оптроны;

2) прием (передача) данных. Данные передаются из ОЗУ ПК в адаптер или из адаптера в память ПК через программируемый канал ввода/вывода, канал прямого доступа или разделяемую память;

3) буферизация. Для согласования скоростей пересылки данных в адаптер или из него со скоростью обмена по сети используются буфера. Во время обработки в сетевом адаптере данные хранятся в буфере. Буфер позволяет адаптеру осуществлять до¬ступ ко всему пакету информации. Использование буферов необходимо для согласования между собой скоростей обработки информации различными компонентами ЛВС;

4) формирование пакета. Сетевой адаптер должен разделить данные на блоки в режиме передачи (или соединить их в режиме приема) данных и оформить в виде кадра определенного формата. Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес компьютера назначения и контрольная сумма кадра, по которой сетевой адаптер станции назначения делает вывод о корректности доставленной по сети информации; 

5) доступ к каналу связи. Набор правил, обеспечивающих доступ к среде передачи. .Выявление конфликтных ситуаций и контроль состояния сети;

6) идентификация своего адреса в принимаемом пакете. Физический адрес адаптера может определяться установкой переключателей, храниться в специальном регистре или прошиваться в ППЗУ;

7) преобразование параллельного кода в последовательный код при передаче данных и из последовательного кода в параллельный при приеме. В режиме передачи данные передаются по каналу связи в последовательном коде;

8) кодирование и декодирование данных. На этом этапе должны быть сформированы электрические сигналы, используемые для представления данных. Большинство сетевых адаптеров для этой цели используют манчестерское кодирование. Этот метод не требует передачи синхронизирующих сигналов для распознавания единиц и нулей по уровням сигналов, а вместо этого для представления 1 и 0 используется перемена полярности сигнала;

9) передача или прием импульсов. В режиме передачи закодированные электрические импульсы данных передаются в кабель (при приеме импульсы направляются на декодирование).

    Сетевой адаптер относится к периферийному устройству компьютера, непосредственно взаимодействующему со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы, и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации.

    Компьютер, будь то сервер или рабочая станция, подключается к сети с помощью внутренней платы — сетевого адаптера (хотя бывают и внешние сетевые адаптеры, подключаемые к компьютеру через параллельный порт). Сетевой адаптер вставляется в гнездо материнской платы.     Карты сетевых адаптеров устанавливаются на каждой рабочей станции и на файловом сервере. Рабочая станция отправляет запрос к файловому серверу и получает ответ через сетевой адаптер, когда файловый сервер готов. Сетевые адаптеры преобразуют параллельные коды, используемые внутри компьютера и представленные маломощными сигналами, в последовательный поток мощных сигналов для передачи данных по внешней сети. Сетевые адаптеры должны быть совместимы с кабельной системой сети, внутренней информационной шиной ПК и сетевой операционной системой. Простота или сложность этой установки и настройки зависит от типа сетевого адаптера, который предполагается использовать. Для некоторых конфигураций достаточно просто вставить адаптер в подходящий слот материнской платы компьютера.     Автоматически конфигурирующиеся адаптеры, а также адаптеры, отвечающие стандарту Plug and Play (Вставь и работай), автоматически производят свою настройку. Если сетевой адаптер не отвечает стандарту Plug and Play, требуется настроить его запрос на прерывание IRQ (Interrupt Request) и адрес ввода/вывода (Input/Output address). IRQ представляет собой логическую коммуникационную линию, которую устройство использует для связи с процессором. Адрес ввода/вывода — это трехзначное шестнадцатиричное число, которое идентифицирует коммуникационный канал между аппаратными устройствами и центральным процессором. Чтобы сетевой адаптер функционировал правильно, должны быть правильно настроены как IRQ, так и адрес ввода/вывода.

    Обычно плата адаптера использует адреса портов ввода/вывода, которые выбираются перемычками или переключателями на плате. Прежде чем выбрать значения адресов адаптера, необходимо проверить, чтобы в данном компьютере эти адреса были свободны, иначе возможны конфликты. Кроме того, адаптер, как правило, использует одно из аппаратных прерываний компьютера. Номер канала прерывания, используемого адаптером, чаше всего выбирается перемычками или переключателями. Прежде чем выбрать номер используемого прерывания необходимо проверить, чтобы это прерывание не использовалось другими устройствами. Иногда адаптер использует режим прямого доступа к памяти (ПДП или DMA — Direct Memory Access), номер которого выбирается перемычками или переключателями. В этом случае выбирать номер канала ПДП надо таким образом, чтобы не было конфликтов с другими устройствами компьютера. Информацию о свободных адресах, номерах каналов прерывания и ПДП можно получить из тестовых программ.

    В последнее время появились адаптеры, в которых выбор адресов и каналов прерываний, и ПДП производится не переключателями, а с помощью специальной программы установки (jumperless-адаптеры). Это, конечно, гораздо удобнее. При запуске программы пользователю предлагается установить конфигурацию аппаратуры с помощью простого меню: выбрать адреса ввода/вывода, помер канала прерывания, ПДП, адреса загрузочного ППЗУ и тип используемого внешнего разъема (тип среды передачи). Эта же программа позволяет произвести самотестирование адаптера.

 

Повторители и усилители, устройства перенаправления трафика

.

    Сигнал при перемещении по сети ослабевает. Чтобы противодействовать этому ослаблению, можно использовать повторители и/или усилители, которые усиливают сигналы, проходящие через них по сети.

    Повторители (repeater) используются в сетях с цифровым сигналом для борьбы с ослаблением сигнала. Повторители обеспечивают надежную передачу данных на большие расстояния, нежели обычно позволяет тип носителя. Когда повторитель получает ос¬лабленный входящий сигнал, он очищает сигнал, увеличивает его мощность и посылает этот сигнал следующему сегменту.

    Усилители (amplifier), хоть и имеют сходное назначение, используются для увеличения дальности передачи в сетях, использующих аналоговый сигнал. Аналоговые сигналы могут переносить как голос, так и данные одновременно — носитель делится на несколько каналов, так что разные частоты могут передавать¬ся параллельно.

    Повторители и усилители действуют на физическом уровне сетевой модели OSI.

    Концентратор (hub) представляет собой сетевое устройство, служащее в качестве центральной точки соединения в сетевой конфигурации «звезда» (star) и действует на физическом уровне сетевой модели OSI. Концентратор также может быть использован для соединения сетевых сегментов. Существуют три основных типа концентраторов: пассивные (passive), активные (active) и интеллектуальные (intelligent). Пассивные концентраторы, не требующие электроэнергии, действуют просто как физическая точка соединения, ничего не добавляя к проходящему сигналу.     Активные концентраторы требуют энергии, которую они используют для восстановления и усиления сигнала, проходящего через них.     Интеллектуальные концентраторы могут предоставлять такие сервисы, как переключение пакетов (packet switching) и перенаправление трафика (traffic routing). Напомним, что переключение пакетов позволяет не поддерживать постоянный физический канал между двумя устройствами. Информация при этом способе коммутации делится на части, называющиеся пакетами, и каждый пакет передается отдельно по свободным в данный момент каналам связи. При этом каждый пакет может проходить по своему маршруту.

    Перенаправление трафика осуществляется при перегрузках и отказах оборудования.

Мост (bridge) представляет собой устройство, используемое для соединения сетевых сегментов.

В соответствии с базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем мост описывается протоколами физического и канального уровней, над которыми располагаются канальные процессы. Мост опирается на пару связываемых им физических средств соединения, которые в этой модели представляют физические каналы.

    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.

    Мост функционирует в первую очередь как повторитель, он может получать данные из любого сегмента, однако он более разборчив в передаче этих сигналов, чем повторитель. Если получатель пакета находится в том же физическом сегменте, что и мост, то мост знает, что этот пакет достиг цели и, таким обра¬зом, больше не нужен. Однако, если получатель пакета находится в другом физическом сегменте, мост знает, что его надо переслать. Эта обработка помогает уменьшить загрузку сети. Например, сегмент не получает сообщений, не относящихся к нему.

    Мосты могут соединять сегменты, которые используют разные типы носителей (кабелей). Они могут соединять сети с разными схемами доступа к носителю — например, сеть Ethernet и сеть Token Ring. Примером таких устройств являются мосты-трансляторы (translating bridge), которые осуществляют преобразование между различными методами доступа к носителю, позволяя связывать сети разных типов. Другой специальный тип моста, прозрачный (transparent bridge), или интеллектуальный мост (learning bridge), периодически «изучает», куда направлять получаемые им пакеты. Он делает это посредством непрерывного построения специальных таблиц, добавляя в них по мере необходимости новые элементы.

    Возможным недостатком мостов является то, что они передают данные дольше, чем повторители, так как проверяют адрес сетевой карты получателя для каждого пакета. Они также сложнее в управлении и дороже, нежели повторители.

    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 несколькими каналами, направляя в какой-нибудь из них очередной блок данных.

    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 для фильтрации трафика использует не адрес сетевой карты компьютера, а информацию о сетевом адресе, передаваемую в относящейся к сетевому уровню части пакета. После получения этой информации об адресе маршрутизатор использует таблицу маршрутизации (routing table), содержащую сетевые адреса, чтобы определить, куда направить пакет. Он де¬лает 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 объем 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 серьезные 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 на 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. 

    Поскольку маршрутизаторы могут осуществлять интеллектуальный выбор пути и отфильтровывать пакеты, которые им не нужно получать, они помогают уменьшить загрузку сети, сохранить ресурсы и увеличить пропускную способность. Кроме того, они повышают надежность доставки данных, поскольку маршрутизаторы могут выбрать для пакетов альтернативный путь, если маршрут по умолчанию недоступен.

    Термин «маршрутизатор» (router) может обозначать элемент электронной аппаратуры, сконструированной специально для маршрутизации. Он также может означать компьютер (обеспеченный таблицей маршрутизации), подключенный к другим сегментам сети с помощью нескольких сетевых карт и, следовательно, способный выполнять функции маршрутизации между связанными сегментами.

    Маршрутизаторы превосходят мосты своей способностью фильтровать и направлять пакеты данных по сети. И в отличие от мостов для них можно отключить пересылку широковещательных сообщении, что уменьшает сетевой широковещательный трафик.

    Другое важное преимущество маршрутизатора как соединительного устройства заключается в том, что, поскольку он работает на сетевом уровне, он может соединять сети, использующие различную сетевую архитектуру, методы доступа к устройствам или протоколы. Например, маршрутизатор может соединять подсеть Ethernet и сегмент Token Ring. Он может связывать несколько небольших сетей, использующих различные протоколы, если используемые протоколы поддерживают маршрутизацию.

    Маршрутизаторы по сравнению с повторителями дороже и сложнее в управлении. У них меньшая 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.

    Английский термин «Вrouter» (мост-маршрутизатор) представляет собой комбинацию слов «bridge» (мост) и «router» (маршрутизатор). Из этого можно сделать вывод, что мост-маршрутизатор сочетает функции моста и маршрутизатора. Когда мост-маршрутизатор получает пакет данных, он проверяет, послан пакет с использованием маршрутизируемого протокола или нет. Если это пакет маршрутизируемого протокола, мост-маршрутизатор выполняет функции маршрутизатора, посылая при необходимости пакет получателю вне локального сегмента.

    Если же пакет содержит немаршрутизируемый протокол, мост-маршрутизатор выполняет функции моста, используя адрес сетевой карты для поиска получателя на локальном сегменте. Для выполнения этих двух функций мост-маршрутизатор может поддерживать как таблицы маршрутизации, так и таблицы мостов.

    Коммутаторы. В отличие от концентраторов, которые полностью воплощают в себе идеологию общей разделяемой среды и превращают сеть в единый домен, коммутаторы — это более интеллектуальные устройства, способные анализировать адрес назначения кадра и передавать его не всем станциям сети, а только адресату.

    До появления коммутаторов задача разбиения сети на сегменты решалась с помощью мостов, которые в настоящее время практически не используются. Основной же принцип действия мостов и коммутаторов остался неизменным. Именно поэтому коммутаторы иногда называют многопортовыми мостами.

    Конструктивно коммутатор представляет собой многопортовое устройство, предназначенное для деления сети на множество сегментов. В сетях Ethernet коммутаторы используют в своей работе алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), регламентированного в стандарте IEEE 802.1D. Алгоритм прозрачного моста подразумевает, что коммутатор «обучается» в процессе своей работы. Коммутатор строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в сети. В начальный момент времени коммутатор ничего не знает об адресах подключенных к его портам компьютеров или сегментах сети. По мере того как подключенные к портам коммутатора узлы начинают проявлять активность, коммутатор анализирует содержимое адресов отправителя кадров, что позволяет делать вывод о принадлежности того или иного узла к тому или иному порту коммутатора. Адреса отправителей кадров заносятся в таблицу адресов коммутатора.

    В начальный момент времени коммутатор работает в неразборчивом режиме, передавая полученные кадры на все порты. Построив таблицу адресов, коммутатор может передавать полученные кадры не на все порты, а только по адресу назначения. Если на порт коммутатора поступает кадр с адресом назначения, приписанным к другому порту коммутатора, то кадр передается между портами. Такой процесс называется продвижением кадра (forwarding). Если же коммутатор определяет, что адрес назначения приписан к тому порту, на который поступил данный кадр, то кадр отбрасывается или отфильтровывается, т. е. удаляется из буфера порта. Такой процесс называется фильтрацией (filtering).

    Коммутаторы позволяют создавать изолированные друг от друга локальные сети. Изоляция виртуальных сетей друг от друга происходит на канальном уровне. Это означает, что передача кадров между различными виртуальными сетями на основании адреса канального уровня невозможна.

    Конечно, построить несколько изолированных друг от друга сетей можно, использовав нескольких коммутаторов, но использование одного коммутатора не только снижает стоимость таких сетей, но и позволяет более гибко и рационально использовать порты коммутатора. К примеру, одна локальная сеть может быть построена из двух сегментов, подключенных к двум портам коммутатора, а другая сеть может состоять из пяти, сегментов, для чего потребуется пять портов коммутатора. При использовании для этих сетей двух различных коммутаторов несколько портов останутся неиспользованными.

    Поскольку узлы различных виртуальных сетей изолированы друг от друга на канальном уровне, для объединения таких сетей в единую сеть требуется привлечение сетевого, или 3-го уровня. Понятие 3-го уровня соответствует градации уровней сетевой модели OSI. Для обеспечения таких связей могут быть использованы маршрутизаторы либо коммутаторы, обеспечивающие функции маршрутизатора. Такие коммутаторы получили название коммутаторов 3-го уровня. По аналогии коммутаторы, работающие только на канальном уровне, иногда называются коммутаторами 2-го уровня.

    Шлюз (gateway) является наиболее сложной ретрансляционной системой, обеспечивающей взаимодействие сетей с различными наборами протоколов всех семи уровней. В свою очередь, наборы протоколов могут опираться на различные типы физических средств соединения.

    Шлюзы оперируют на верхних уровнях модели OSI (сеансовом, представительском и прикладном) и представляют наиболее развитый метод подсоединения сетевых сегментов и компьютерных сетей. Необходимость в сетевых шлюзах возникает при объединении двух систем, имеющих различную архитектуру. Например, шлюз приходится использовать для соединения сети с протоколом TCP/IP и большой ЭВМ со стандартом SNA. Эти две архитектуры не имеют ничего общего, и потому требуется полностью переводить весь поток данных, проходящих между двумя системами.

    В качестве шлюза обычно выступает выделенный компьютер, на котором запущено программное обеспечение шлюза и производятся преобразования, позволяющие взаимодействовать несходным системам в сети. Например, при использовании шлюза персональные компьютеры на базе Intel-совместимых процессоров на одном сегменте могут связываться и разделять ресурсы с компьютерами Macintosh.

    Другой функцией шлюзов является преобразование протоколов. Шлюз может получить сообщение IPX/SPX, направленное клиенту, использующему другой протокол, например TCP/IP, на удаленном сетевом сегменте. После того как шлюз определяет, что получателем сообщения является станция TCP/IP, он действительно преобразует данные сообщения в протокол TCP/IP. (В этом состоит отличие от моста, который просто пересылает сообщение, используя один протокол внутри формата данных другого протокола, — преобразование при необходимости происходит у получателя.) Почтовые шлюзы производят сходные операции по преобразованию почтовых сообщений и других почтовых передач из формата приложения электронной почты в более универсальный почтовый протокол, например SMTP, который может быть затем использован для направления сообщения в Internet.

    Хотя шлюзы имеют много преимуществ, нужно учитывать несколько факторов, которые должны учитываться при приня¬тии решения об использовании шлюзов в сети. Шлюзы сложны в установке и настройке. Они также дороже других коммуникационных устройств. Вследствие лишнего этапа обработки, связанного с процессом преобразования, шлюзы работают медленнее, чем маршрутизаторы и подобные устройства.