Лекция № 5 (2 часа)

Тема: Сетевое оборудование.

Цель: Изучить сетевое оборудование используемое для организации локальных вычислительных сетей.

План

Введение

1. Сетевые адаптеры.

2. Повторители, уселители.

3. Концентраторы и коммутаторы.

4. Мосты и маршрутизаторы

Введение

Существует множество сетевых устройств, используемых для создания, сегментирования и усовершенствования сети. Основными из них являются сетевые адаптеры, повторители, усилители, мосты и маршрутизаторы.

Сетевые адаптеры

Сетевой адаптер (сетевая карта, сетевая плата, Ethernet-адаптер, NIC (network interface controller)) — периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В настоящее время, особенно в персональных компьютерах, сетевые платы довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства и удешевления всего компьютера в целом.

Сетевая карта - это устройство, зависящее от среды передачи данных и метода доступа к среде передачи данных, но не зависящее от используемых сетевых протоколов. Зависимость от среды передачи данных означает, что карта должна иметь разъем, соответствующий кабельной системе, к которой она должна быть подключена. Зависимость от метода доступа к среде передачи данных означает, что физически подключенная к кабельной системе карта должна поддерживать используемый метод доступа к среде передачи данных. Например, карту Ethernet, рассчитанную на использование кабеля UTP, можно подключить к сети Token Ring с кабелем UTP, но при этом она не будет работать.

Рисунок 21. Сетевой адаптер

Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя.

Адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.

В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на:

- Ethernet-адаптеры;

- Token Ring-адаптеры;

- FDDI-адаптеры

- и т. д.

Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора, то многие адаптеры Ethernet сегодня поддерживают две скорости работы и имеют в своем названии приставку 10/100. Это свойство некоторые производители называют авточувствительностью.

Повторители и усилители

Повторители (repeater) используются в сетях с цифровым сигналом для борьбы с затуханием сигнала. Они обеспечивают надёжную передачу данных на большие расстояния. Получив ослабленный входящий сигнал, повторитель очищает и увеличивает его мощность и посылает этот сигнал следующему сегменту. Сейчас функции повторителей выполняют концентраторы и коммутаторы.

Рисунок 22. Репитер для коаксиального кабеля.

Усилители (amplifier) имеют сходное назначение с повторителями, но применяются в сетях с аналоговыми сигналами для увеличения дальности их передачи

Концентраторы и коммутаторы

Сетевой концентратор (hub, хаб) - сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.

В настоящее время хабы почти не выпускаются - им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи).

Рисунок 23. 8-портовый концентратор

Концентраторы можно подсоединять каскадно друг к другу, наращивая количество портов сегмента сети. В некоторых для этого предусмотрены специальные порты.

Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются.

При использовании концентраторов существует проблема безопасности передаваемых данных, т.к. все пакеты доходят до всех компьютеров сети, поэтому существует возможность несанкционированного доступа к передаваемой информации.

Копирование пакетов повышает нагрузку на сеть, причём весьма существенно - весь трафик сегмента сети поступает к каждому из компьютеров и тем самым загружает сеть.

Основные характеристики сетевых концентраторов:

- количество портов - разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются концентраторы с 4, 5, 6, 8, 12, 16, 24 и 48 портами (наиболее популярны с 4, 8 и 16).

- скорость передачи данных - выпускаются концентраторы со скоростью 10, 100 и 1000. Распространены концентраторы с возможностью изменения скорости, обозначаются как 10/100/1000 Мбит/с. Скорость может переключаться как автоматически, так и с помощью перемычек или переключателей. Обычно, если хотя бы одно устройство присоединено к концентратору на скорости нижнего диапазона, он будет передавать данные на все порты с этой скоростью.

- тип сетевого носителя - обычно это витая пара или оптоволокно, но существуют концентраторы и для других носителей, а также смешанные, например для витой пары и коаксиального кабеля.

- тип питания - концентраторы без внешнего питания называются «пассивными», с внешним питанием - «активными».

Сетевой коммутатор (switch, свич, свитч) - устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI и потому может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты.

Рисунок 24. 8-портовый коммутатор

Коммутатор хранит в памяти таблицу, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC-адрес узла отправителя, заносит его в таблицу.

Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для узла, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице.

Если MAC-адрес узла-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется.

Коммутаторы можно соединять каскадно друг к другу, наращивая количество портов сегмента сети. В некоторых для этого предусмотрены специальные порты.

Основные характеристики сетевых коммутаторов:

- количество портов;

- скорость передачи данных;

- тип сетевого носителя;

- задержки при обработке пакетов.

Мосты и маршрутизаторы

Мост, сетевой мост — сетевое устройство канального уровня модели OSI, предназначенное для объединения сегментов компьютерной сети разных топологий и архитектур.

Мосты используют для разделения сети на взаимно изолированные сегменты, принадлежащие, в то же время, одной сети.

В общем случае коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают трафик, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему) для коммутации пакетов. В настоящее время мосты практически не используются, так как для работы требуют производительный процессор, за исключением ситуаций, когда связываются сегменты сети с разной организацией физического уровня, например, между оптикой и Ethernet’ом.

Мост разделяет сеть на два и более физических и логических сегмента. Мост прослушивает трафик во всех сегментах и проверяет физические адреса назначения всех кадров данных. Если адреса источника и получателя принадлежат одному сегменту, мост просто игнорирует такой кадр, так как он может достичь своего адреса назначения напрямую.

Если адреса отправителя и получателя принадлежат разным сегментам, мост передает кадр в сегмент, которому принадлежит адрес назначения. Таким образом, трафик между станциями внутри одного сегмента остается локальным и не влияет на остальную часть сети.

И только трафик, для которого адреса источников и получателей находятся в различных сегментах, распространяется на всю сеть. При правильном использовании мосты могут существенно уменьшить объем сетевого трафика. Это особенно важно для сетей Ethernet, в которых по мере роста сети и соответственно увеличения объема трафика возрастает частота конфликтов, что ведет к снижению общей производительности сети.

Маршрутизатор (роутер) — специализированный сетевой компьютер, имеющий минимум два сетевых интерфейса и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных сетевым администратором.

Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные. Маршрутизатор работает на сетевом уровне сетевой модели OSI, нежели коммутатор и сетевой мост.

Рисунок 25. Промышленный маршрутизатор

Маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетных данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты и некоторый вес записи — метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемых протоколов маршрутизации, в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная информация. Пример таблицы маршрутизации:

Таблица маршрутизации может составляться двумя способами:

статическая маршрутизация — когда записи в таблице вводятся и изменяются вручную. Такой способ требует вмешательства администратора каждый раз, когда происходят изменения в топологии сети. С другой стороны, он является наиболее стабильным и требующим минимума аппаратных ресурсов маршрутизатора для обслуживания таблицы.

динамическая маршрутизация — когда записи в таблице обновляются автоматически при помощи одного или нескольких протоколов маршрутизации — RIP, OSPF, IGRP, EIGRP, IS-IS, BGP.

Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети, благодаря её разделению сегменты, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам. Нередко маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет, осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана.

В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное аппаратное устройство, так и обычный компьютер, выполняющий функции маршрутизатора. Существует несколько пакетов программного обеспечения на основе ядра Linux или операционных систем BSD с помощью которого можно превратить ПК в высокопроизводительный и многофункциональный маршрутизатор, например, Quagga, IPFW или простой в применении PF.

Контрольные вопросы

1. Назначение сетевого адаптера? Основное отличие серверной сетевой карты, от клиентской?

2. Разделение адаптеров в зависимости от реализуемого протокола?

3. Основное назначение повторителей и усилителей?

4. Основное назначение концентраторов, принцип работы?

5. Основной недостаток использования концентраторов?

6. Основные характеристики концентраторов?

7. Основное назначение коммутатора, принцип работы?

8. Основные характеристики коммутаторов?

9. Основное назначение сетевых мостов? Принцип работы?

10. Основное назначение маршрутизаторов их виды?

11. Принцип работы маршрутизатора, таблицы маршрутизации?

12. Способы составления таблиц маршрутизации?