Локальные сети. 10

Компьютерной сетью называют совокупность узлов (компьютеров, терминалов, периферийных устройств), имеющих возможность информационного взаимодействия друг с другом с помощью специального коммуникационного оборудования и программного обеспечения. Размеры сетей варьируются в широких пределах — от пары соединенных между собой компьютеров, стоящих на соседних столах, до миллионов компьютеров, разбросанных по всему миру (часть из них может находиться и на космических объектах). По широте охвата принято деление сетей на несколько категорий. Локальные вычислительные сети, ЛВС или LAN (Local-Area Network), позволяют объединять компьютеры, расположенные в ограниченном пространстве. Для локальных сетей, как правило, прокладывается специализированная кабельная система, и положение возможных точек, подключения абонентов ограничено этой кабельной системой. Иногда в локальных сетях используют и беспроводную связь (wireless), но и при этом возможности перемещения абонентов сильно ограничены. Локальные сети можно объединять в более крупномасштабные образования — CAN (Campus-Area Network — кампусная сеть, объединяющая локальные сети близко расположенных зданий), MAN (Metropolitan-Area Network — сеть городского масштаба), WAN (Wide-Area Network — широкомасштабная сеть), CAN (Global-Area Network — глобальная сеть)

Оборудование сетей подразделяется на активное — интерфейсные карты компьютеров, повторители, концентраторы и т. п. и пассивное — кабели, соединительные разъемы, коммутационные панели и т. п. Кроме того, имеется вспомогательное оборудование — устройства бесперебойного питания, кондиционирования воздуха и аксессуары — монтажные стойки, шкафы, кабелепроводы различного вида. С точки зрения физики, активное оборудование — это устройства, которым необходима подача энергии для генерации сигналов, пассивное оборудование подачи энергии не требует.

Оборудование компьютерных сетей подразделяется на конечные системы (устройства), являющиеся источниками и/или потребителями информации, и промежуточные системы, обеспечивающие прохождение информации по сети. К конечным системам, ES (End Systems), относятся компьютеры, терминалы, сетевые принтеры, факс-машины, кассовые аппараты, считыватели штрих-кодов, средства голосовой и видеосвязи и любые другие периферийные устройства, снабженные тем или иным сетевым интерфейсом. К промежуточным системам, IS (Intermediate Systems), относятся концентраторы (повторители, мосты, коммутаторы), маршрутизаторы, модемы и прочие телекоммуникационные устройства, а также соединяющая их кабельная и/или беспроводная инфраструктура.

Для организации обмена информацией должен быть разработан комплекс программных и аппаратных средств, распределенных по разным устройствам сети. Поначалу разработчики и поставщики, сетевых средств пытались идти каждый по своему пути, решая весь комплекс задач с помощью собственного набора протоколов, программ и аппаратуры. Однако решения различных поставщиков оказывались несовместимыми друг с другом, что вызывало массу неудобств для пользователей, которых по разным причинам не удовлетворял набор возможностей, предоставляемых только одним из поставщиков. По мере развития техники и расширения ассортимента предоставляемых сервисов назрела необходимость декомпозиции сетевой задачи — разбивки ее на несколько взаимосвязанных подзадач с определением правил взаимодействия между ними. Разбивка задачи и стандартизация протоколов позволяет принимать участие в ее решении большому количеству сторон — разработчиков программных и аппаратных средств, изготовителей коммуникационного и вспомогательного (например, тестового) оборудования и инсталляторов, доносящих все эти плоды прогресса до конечных потребителей. Применение открытых технологий и следование общепринятым стандартам позволяет избегать эффекта вавилонского столпотворения. Конечно, в какой-то момент стандарт становится тормозом развития, но кто-то делает прорыв, и его новая фирменная технология со временем выливается в новый стандарт.

Сетевые адаптеры

Сетевые адаптеры, или интерфейсные карты (NIC — Network Interface Card), предназначены для выполнения функций 1-2-го уровня в компьютерах, подключенных к локальной сети. Адаптеры имеют передающую и принимающую части, которые в случае поддержки полного дуплекса должны быть независимы друг от друга. Задача передающей части: по получении со стороны центрального процессора (ЦП) блока данных и адреса назначения для передачи, получить доступ среде передачи, сформировать и передать кадр (добавить преамбулу, свой адрес в поле адреса источника, CRC-код), делая повторные попытки в случае обнаружения коллизий. Адаптер должен сообщить процессору об успехе или невозможности передачи. Приемная часть, просматривая заголовки всех кадров, проходящих в линии, «выуживает» из этого потока кадры, адресованные данному узлу уникальным, широковещательным или групповым способом. Эти кадры полностью принимаются в буфер и проверяются на отсутствие ошибок ("длина кадра, корректность CRC). О приеме корректных кадров уведомляется центральный процессор и организуется передача кадра из локального буфера адаптера в системную память компьютера. Ошибочные кадры, как правило, игнорируются, хотя адаптер может собирать статистику их появления. На практике попадаются и адаптеры, не обнаруживающие ошибок в поврежденных кадрах. Диагностика сети с таким адаптером непроста.

Из описанных функций очевидно, что адаптер должен иметь следующие обязательные узлы:

Физический интерфейс подключения к среде передачи и схемы организации доступа по CSMA/CD.
Буферную память для передаваемых и принимаемых кадров.
Схему прерываний для уведомления ЦП об асинхронных событиях: завершение передачи (успешное или нет), прием кадра.
Средства доставки данных между буфером кадров и системной памятью компьютера.
Устройство управления, реализующее логику работы адаптера.

Дополнительно адаптер может иметь микросхему ПЗУ удаленной загрузки (Boot RCfM) и средства «пробуждения» по сети (Wake On LAN). В этом же ПЗУ иногда размещают и антивирусный модуль, контролирующий обращение по записи в системную область жесткого диска (Master Boot и Boot Record). Эта антивирусная защита хороша тем, что запускается до загрузки ОС, но только при включенном ПЗУ удаленной загрузки.

Концентраторы и коммутаторы

Все современные реализации Ethernet (за исключением коаксиальных версий) требуют для связи конечных узлов применения тех или иных активных промежуточных устройств. Эти устройства являются точками концентрации индивидуальных кабелей (проводов), подходящих к оконечным и другим промежуточным узлам сети, и называются концентраторами. К сожалению, нет устоявшейся терминологии, увязывающей в стройную систему такие понятия, как концентратор, повторитель, хаб, мост и коммутатор. Под концентратором часто подразумевают и повторитель (хаб) — простейшее устройство, и коммутатор, позволяющий объединять устройства с разными технологиями (Ethernet, Token Ring, FDDI).

Концентраторы различаются по выполняемым функциям (повторители, мосты/коммутаторы 2-го уровня, коммутаторы 3-го уровня), типам и числу портов, конструктивному исполнению.

Коммутатор (switch) в принципе выполняет те же функции, что и мост, но предназначен для несколько иных целей. Коммутатор используется как средство сегментации — уменьшения количества узлов в доменах коллизий. В предельном случае — микросегментации — к каждому порту коммутатора подключается только один узел. При этом коммутатор должен направить в нужный порт каждый приходящий кадр, что предъявляет высокие требования к производительности процессора коммутатора. Если к порту коммутатора подключается один узел (станция или другой коммутатор), то появляется возможность работы в полнодуплексном режиме. При этом коллизии как таковые отсутствуют.

Существуют два основных подхода к коммутации — с промежуточным сохранением и «на лету».

Технология с промежуточным хранением (store and forward) предполагает, что каждый кадр, пришедший в порт, целиком принимается в буферную память. Далее процессор анализирует его заголовок, адрес источника использует для построения своих таблиц, а по адресу назначения определяет порт, в который кадр должен быть передан. В случае многоадресной или широковещательной передачи это будет группа из всех остальных портов. Передача в порт(ы) производится по мере его (их) освобождения, согласно процедуре CSMA/CD. После успешной передачи (во все требуемые порты) кадр из памяти удаляется, освобождая место. Эта технология позволяет анализировать кадр (проверять CRC-код) и игнорировать ошибочные (что делается не всегда). Недостатком является значительная задержка передачи кадров — по крайней мере на время приема кадра (для максимально длинного кадра при 10 Мбит/с — 1,22 мс).

Коммутация на лету (on-the-fly) выполняется по возможности без промежуточного хранения. Порт принимает кадр, одновременно анализируя его поле заголовка. Как только пройдут биты адреса назначения — первые 6 байт после преамбулы, — коммутатор уже может пересылать кадр в порт(ы) назначения, если они не заняты. В случае, если порт назначения занят, промежуточное хранение неизбежно. Коммутация на лету вносит минимальную задержку — при свободном порте назначения она составит (8+6)х8 = 112 bt, для скорости 10 Мбит/с — 11,2 мкс. Однако проверка CRC производится, и коммутатор распространяет все кадры, в том числе и короткие, отсеченные коллизиями.

Коммутация на лету (on-the-fly) выполняется по возможности без промежуточного хранения. Порт принимает кадр, одновременно анализируя его поле заголовка. Как только пройдут биты адреса назначения — первые 6 байт после преамбулы, — коммутатор уже может пересылать кадр в порт(ы) назначения, если они не заняты. В случае, если порт назначения занят, промежуточное хранение неизбежно Коммутация на лету вносит минимальную задержку — при свободном порте назначения она составит (8+6)х8 = 112 bt, для скорости 10 Мбит/с — 11,2 мкс. Однако проверка CRC н& производится, и коммутатор распространяет все кадры, в том числе и короткие, отсеченные коллизиями.

Маршрутизаторы

Маршрутиза́тор, часто ро́утер (искажённое произношение англ. router) — сетевое устройство, пересылающее пакеты данных между различными сегментами сети и принимающее решения на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором.

Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные. Маршрутизатор работает на более высоком «сетевом» уровне 3 сетевой модели OSI, нежели коммутатор и сетевой мост.

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

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т.д.

Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети, благодаря её разделению на домены коллизий или широковещательные домены, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам, например для объединения локальных сетей Ethernet и WAN-соединений, использующих протоколы xDSL, PPP, ATM, Frame relay и т.д. 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, на основе операционных систем BSD) с помощью которого можно превратить ПК в высокопроизводительный и многофункциональный маршрутизатор, например, Quagga, IPFW или простой в применении PF.