Устройства объединения сетей.

Объединение сетей с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов

Устройства объединения сетей обеспечивают связь между сегментами локальных сетей, отдельными ЛВС и подсетями любого уровня. Эти устройства в самом общем виде могут быть отнесены к определенным уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем.

Соотношение между функциями этих устройств и уровнями модели OSI показано на рисунке 31.

Рисунок 31 - Соответствие функций коммуникационного оборудования модели OSI

Существуют следующие классы устройств для объединения сегментов и сетей. Повторитель, который регенерирует сигналы, за счет чего позволяет увеличивать длину сети, работает на физическом уровне.

Сетевой адаптер также работает на физическом и отчасти на канальном уровнях. К физическому уровню относится та часть функций сетевого адаптера, которая связана с приемом и передачей сигналов по линии связи, а получение доступа к разделяемой среде передачи, распознавание МАС-адреса компьютера - это уже функция канального уровня.

Мосты (bridges) и коммутаторы (switches) объединяют сети на канальном уровне и используют функциональные возможности физического уровня. Мосты выполняются на основе компьютера, оснащенного соответствующим ПО. Отличие коммутаторов от мостов в том, что они реализуют свои функции аппаратными средствами и поэтому обладают значительно более высоким быстродействием;

Для мостов сеть представляется набором МАС-адресов устройств. Они извлекают эти адреса из заголовков, добавленных к пакетам на канальном уровне, и используют их во время обработки пакетов для принятия решения о том, на какой порт отправить тот или иной пакет. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому уровню. Поэтому они ограничены в принятии решений о возможных путях или маршрутах перемещения пакетов по сети.

Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI. Для маршрутизаторов сеть - это набор сетевых адресов устройств и множество сетевых путей. Маршрутизаторы анализируют все возможные пути между любыми двумя узлами сети и выбирают самый короткий из них.

На рисунке 32 показан еще один тип коммуникационных устройств -шлюз, который может работать на любом уровне модели OSI. Шлюз (gateway) -это устройство, выполняющее трансляцию протоколов. Шлюз размещается между взаимодействующими сетями и служит посредником, переводящим сообщения, поступающие из одной сети, в формат другой сети. Шлюз может быть реализован как чисто программными средствами, установленными на обычном компьютере, так и на базе специализированного компьютера.

Фрагмент вычислительной сети (рисунок 32) включает основные типы коммуникационного оборудования, для образования локальных сетей и соединения их через глобальные связи друг с другом.

Рисунок 32 - Фрагмент сети

Для подключения локальных сетей к глобальным связям используются специальные выходы (WAN-порты) мостов и маршрутизаторов, а также аппаратура передачи данных по длинным линиям - модемы (при работе по аналоговым линиям) или же устройства подключения к цифровым каналам (TA - терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства обслуживания цифровых выделенных каналов типа CSU/DSU и т.п.).

I. Мост – устройство, объединяющее две идентичные сети простой конфигурации, использующие одинаковые методы передачи данных в пределах ограниченного пространства.

Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем.

II. Маршрутизатор (роутер) – устройство, соединяющее сети разного типа, но использующие одну операционную систему. Он зависит от протоколов обмена данными и устанавливают соединение на 4-м транспортном уровне, при этом 5, 6, 7-й уровни должны быть одинаковыми.

С помощью адреса сети и адреса узла роутер однозначно определяет любую станцию сети. Он направляет потоки сообщений по свободным каналам.

На основании протоколов маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети, а затем анализируют полученные сведения, определяя наилучшие маршруты.

III. Шлюз – устройство, позволяющее организовать обмен данными между различными сетями, использующими разные протоколы взаимодействия.

Шлюз выполняет преобразование между двумя протоколами для всех 7 уровней взаимодействия и позволяет подключить локальную сеть к глобальной сети.

Мосты, маршрутизаторы и шлюзы выполняются в виде плат, которые устанавливаются в компьютерах.

16.0. Глобальная сеть Internet

Internet – это сеть, объединяющая отдельные сети. 1983 год рождение Internet дата стандартизация протокола связи TCP/IP, лежащего в основе всемирной сети.

Internet – некое информационное пространство.

Эта сеть обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными к ней. Основные ячейки Internet – это ЛВС. Internet создает пути соединения для группы компьютеров. Компьютер, самостоятельно подключенный к Internet называется хост-компьютером (host – хозяин).

Особенности Internet : объединяя различные сети, не создаёт при этом никакой иерархии. Все компьютеры, подключенные к сети Internet равноправны.

16.1. Схема подключения локальной сети к Internet

Internet самостоятельно осуществляет передачу данных. К адресам станций предъявляются специальные требования. Адрес должен иметь формат, позволяющий вести его обработку автоматически, и должен нести информацию о своём владельце.

Адрес содержит полную информацию, необходимую для идентификации компьютера. Для каждого компьютера устанавливаются две формы записи адреса:

· Цифровой IP-адрес (Internetwork Protocol – межсетевой протокол) – удобен для обработки на компьютере;

· Доменный адрес – для восприятия пользователем.

Существует определённое правило для установления границы между этими адресами.

Ц и ф р о в о й а д р е с имеет длину 32 бита и разделяется на 4 блока по 8 бит, которые записываются в десятичном виде. Например, 192.45.9.200.

Сетевой IP-адрес состоит из двух частей: адреса сети и адреса компьютера – хоста в этой сети. Благодаря такой структуре IP-адреса, компьютеры в разных сетях могут иметь одинаковые адреса.

IP-адреса подразделяются на классы A, B, C и выделяются в зависимости от количества локальных сетей и компьютеров в них. Три класса IP-адресов определяют размер локальной сети.

В зависимости от класса 32-битный адрес по-разному разбивается на 8-битные составляющие. При этом первые 3 бита указывают на соответствующий класс.

До 128 ЛС >16 млн компьютеров

> 2 млн. ЛС 254 компьютера

IP-адрес используется для указания отправителя и получателя. Но клиенту нет необходимости запоминать сетевой адрес, поскольку в сети используют доменные имена.

192 45 9 200

1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0

192.45 – Адрес сети; 9 – адрес подсети; 200 – адрес компьютера в подсети.

1 байт содержит до 256 значений, то с помощью 4 байтов можно выразить более 4 миллиардов IP-адресов.

Цифровой адрес содержит полную информацию, необходимую для идентификации компьютера. Для пользователя цифровой адрес неудобен, плохо запоминается и несет мало смысловой информации. В этой связи была изобретена доменная система имен компьютеров, представленных в Internet.

Д о м е н н о е и м я состоит из нескольких слов или сокращений, разделенных точками, например it.mtuci.ru. Доменное имя имеет иерархическую структуру и читается в обратном порядке: вначале идёт имя компьютера, затем имя сети, в которой он находится.

Адрес пользователя состоит из двух частей: идентификатора пользователя и названия домена, разделенных символом @ (этт).

Существуют следующие классы устройств для объединения сегментов ЛВС и сетей (см. табл. 1.1):

повторители (repeaters) объединяют сети на физическом уровне;

мосты (bridges) и коммутаторы (switches) объединяют сети на канальном уровне и используют функциональные возможности физического уровня. Мосты выполняются на основе компьютера, оснащенного соответствующим ПО. Отличие коммутаторов от мостов в том, что они реализуют свои функции аппаратными средствами и поэтому обладают значительно более высоким быстродействием;

маршрутизаторы (routers) объединяют сети на сетевом уровне и используют функциональные возможности уровней 1 и 2;

шлюзы, или межсетевые интерфейсы (gateways), объединяют сети на прикладном уровне и используют функциональные возможности всех нижележащих уровней.

1.6. Требования к качеству услуг и производительности вычислительных сетей

1.6.1. Критерии оценки качества обслуживания

Основное требование – это обеспечение всем пользователям доступа к разделяемым ресурсам сети с заданным качеством обслуживания (QoS – Quality of Service). Основными критериями оценки качества обслуживания являются производительность , надежность и безопасность . В качестве показателей производительности используются время реакции, пропускная способность и задержка передачи.

Время реакции – это интервал времени между возникновением запроса пользователя к сетевой службе и получением ответа. Время реакции зависит от загруженности сегментов среды передачи и активного сетевого оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов, серверов).

Пропускная способность – это объем данных, передаваемых в единицу времени (бит/с, пакетов/с). Пропускная способность составного пути в сети определяется самым медленным элементом (как правило, это маршрутизатор).

Задержка передачи – это интервал времени между моментом поступления пакета на вход сетевого устройства и моментом появления его на выходе устройства.

Подробные сведения о показателях качества обслуживания и методах расчета параметров сети приведены в разделе 8. В данном разделе рассмотрим методику приближенного расчета параметров сети для диалогового режима.

1.6.2. Расчет параметров сети для диалогового режима

Для анализа диалогового режима работы сети используем модель замкнутой сети массового обслуживания (ЗСеМО) . Данные графиков использования приложений различными типами пользователей и данные о числе пользователей позволяют определить графики загрузки серверов в виде числа пользователей использующих сервер на каждом интервале.

Рассмотрим решение задачи для диалогового режима работы локальной вычислительной системы (см. рис. 1.7) со следующими параметрами:

время реакции диалогового абонента (время обдумывания) 1/;

время решения задания (время ответа на запрос с терминала) не должно превышать T доп для 90 % заданий;

число пользователей n .

Вэтой модели постоянно циркулируютn заявок (транзактов).

Требуется найти:

значение параметров сети массового обслуживания и , при которых t  T доп для 90 % диалоговых заявок, т.е. P{ t  10 c } = 0.9 ;

по найденным  и  вычислить системные и сетевые характеристики СеМО;

определить подходящий тип вычислительной системы и ее показатели производительности, обеспечивающие требуемое время ответа на запрос с терминала.

Для решения задачи используется приближенный метод, основанный на декомпозиции вычислительной системы на подсистему обработки и терминальную подсистему (и их «независимом» рассмотрении) с последующим балансом потоков в этих подсистемах. Тогда для отыскания неизвестных  и  (для экспоненциальных потоков требований и обслуживания) можно составить систему уравнений:

, (1.1)

. (1.2)

Из первого уравнения  -  = - ln(1-P ) / T доп . Подставив  -  в уравнение, получим:

(1.3)

причем
, где– интенсивность запросов, приходящаяся на одного пользователя. Тогда можно определить требуемую производительность вычислительной системы (сеть и серверы) =  - ln(1-P ) / T доп , коэффициент загрузки системы  =  /, а также среднее время задержки запроса на сервере.

1 дейтаграмма – пакет, передаваемый через сеть независимо от других пакетов

2 хост (англ. host) – компьютер, постоянно подключенный к сети

3 Этот интерфейс известен как последовательный порт. Позднее проявились другие стандарты асинхронной передачи. В настоящее время RS-232-C заменен современным стандартом RS-232-D.

4 SDLC – Synchronous Data Link Control, LAPB – Link Access Protocol-Balanced, HDLC – High-Level Data Link Control.

5 Значение термина «синхронность» для синхронных и асинхронных линий отличается от его значения для сетей SONET и SDH.

В любой организации, где есть два и более компьютера, их целесообразно объединить в локальную сеть . Сеть позволяет сотрудникам быстро обмениваться между собой информацией и документами, служит для совместного использования общего доступа в интернет, оборудования и устройств хранения информации.
Для объединения компьютеров нам понадобится определенное сетевое оборудование . В сегодняшней статье мы рассмотрим, какое оборудование применяется при создании проводной локальной сети .

Сетевое оборудование – устройства, из которых состоит компьютерная сеть. Условно выделяют два вида сетевого оборудования:

Активное сетевое оборудование – оборудование, которое способно обрабатывать или преобразовывать передаваемую по сети информацию. К такому оборудованию относятся сетевые карты, маршрутизаторы, принт-серверы.
Пассивное сетевое оборудование – оборудование, служащее для простой передачи сигнала на физическом уровне. Это сетевые кабели, коннекторы и сетевые розетки, повторители и усилители сигнала.

Для монтажа проводной локальной сети нам в первую очередь понадобятся:

сетевой кабель и разъемы (называемые коннекторами );
сетевые карты – по одной в каждом ПК сети, и две на компьютере, служащем сервером для выхода в интернет;
устройство или устройства, обеспечивающие передачу пакетов между компьютерами сети. Для сетей из трех и более компьютеров нужно специальное устройство – , который объединяет все компьютеры сети;
дополнительные сетевые устройства. Простейшая сеть строится и без такого оборудования, однако при организации общего выхода в интернет, использовании общих сетевых принтеров дополнительные устройства могут облегчить решение подобных задач.

Теперь рассмотрим подробнее всё перечисленное выше оборудование:

Сетевые проводники

В эту группу входят различные сетевые кабели (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно).

Коаксиальный кабель – это первый кабель, который применялся для создания сетей. От его использования при построении локальных компьютерных сетей уже давно отказались.

Оптоволоконный кабель – наиболее перспективный в плане скоростных показателей, но и более дорогой по сравнению с коаксиальным кабелем или витой парой. К тому же монтаж оптоволоконных сетей требует высокой квалификации, а для оконцовки кабеля необходимо дорогостоящее оборудование. По этим причинам широкого распространения данный вид кабеля пока не получил.

Витая пара – самый распространенный на сегодняшний день вид кабеля, применяемый для построения локальных сетей. Кабель состоит из попарно перевитых медных изолированных проводников. Типичный кабель несет в себе 8 проводников (4 пары), хотя выпускается и кабель с 4 проводниками (2 пары). Цвета внутренней изоляции проводников строго стандартны. Расстояние между устройствами, соединенными витой парой, не должно превышать 100 метров.
Существует несколько категорий кабелей типа витая пара, которые маркируются от CAT1 до CAT7. В локальных сетях стандарта Ethernet используется витая пара категории CAT5 .

Для работы с кабелем витая пара применяются коннекторы RJ-45 .

Сетевые карты

Сетевые карты отвечают за передачу информации между компьютерами сети. Сетевая карта состоит из разъема для сетевого проводника (обычно, витой пары) и микропроцессора, который кодирует/декодирует сетевые пакеты. Типичная сетевая карта представляет собой плату, вставляемую в разъем шины PCI. Практически во всех современных компьютерах электроника сетевого адаптера распаяна непосредственно на материнской плате.Вместо внутренней сетевой карты можно использовать внешний сетевой адаптер USB: Он представляет собой переходник USB-LAN и имеет схожие функции со своими PCI-аналогами. Главным достоинством сетевых карт USB является универсальность: без вскрытия корпуса системного блока такой адаптер можно подключить к любому ПК, где есть свободный порт USB. Также USB адаптер будет незаменим для ноутбука, в котором вышел из строя единственный встроенный сетевой разъем, или возникла необходимость в двух сетевых портах.

Сетевые коммутаторы

Не так давно для построения локальных сетей применялись сетевые концентраторы (или, в просторечии, хабы ). Когда сетевая карта отсылает пакет данных с компьютера в сеть, хаб просто усиливает сигнал и передает его всем участникам сети. Принимает и обрабатывает пакет только та сетевая карта, которой он адресован, остальные его игнорируют. По сути, концентратор – это усилитель сигнала.

В настоящее время в локальных сетях применяются (или, как их называют, свитчи ). Это более “интеллектуальные” устройства, где есть свой процессор, внутренняя шина и буферная память. Если концентратор просто передает пакеты от одного порта ко всем остальным, то коммутатор анализирует адреса сетевых карт, подключенных к его портам, и переправляет пакет только в нужный порт. В результате бесполезный трафик в сети резко снижается. Это позволяет намного увеличить производительность сети и обеспечивает большую скорость передачи данных в сетях с большим количеством пользователей.Коммутатор может работать на скорости 10, 100 или 1000 Мбит/с. Это, а также установленные на компьютерах сетевые карты, определяет скорость сегмента сети. Другая характеристика коммутатора – количество портов. От этого зависит количество сетевых устройств, которые можно подключить к коммутатору. Помимо компьютеров, ими являются принт-серверы, модемы, сетевые дисковые накопители и другие устройства с LAN-интерфейсом.

При проектировании сети и выборе коммутатора нужно учитывать возможность расширения сети в дальнейшем – лучше приобретать коммутатор с несколько большим количеством портов, чем число компьютеров в вашей сети на данный момент. Кроме того, один порт нужно держать свободным на случай объединения с другим коммутатором. В настоящее время коммутаторы соединяются обычной витой парой пятой категории, точно такой же, которая используется для подключения каждого компьютера сети к коммутатору.

Коммутаторы бывают двух видов – управляемые и неуправляемые. Управляемые обладают дополнительной функциональностью. Так, появляется возможность управления коммутатором с помощью веб-интерфейса, объединения нескольких коммутаторов в один виртуальный со своими правилами коммутации пакетов и т.д. Стоимость управляемых коммутаторов гораздо выше стоимости неуправляемых, поэтому в малых и средних сетях используются неуправляемые коммутаторы.

Дополнительное сетевое оборудование

В локальной сети можно использовать различное дополнительное оборудование, например, чтобы объединить две сети или обеспечить защиту сети от внешних атак. Кратко рассмотрим сетевое оборудование, которое применяется при построении компьютерных сетей.

Принт-сервер , или сервер печати – это устройство, которое позволяет подключить принтер, не имеющий собственного сетевого порта к сети. Проще говоря: принт-сервер – это коробка, к которой с одной стороны подключается принтер, а с другой стороны — сетевой провод. При этом принтер становится доступным в любое время, поскольку не привязан к какому-либо компьютеру сети. Существуют принт-серверы с разными портами: USB и LPT; так же встречаются и комбинированные варианты.Повторитель предназначен для увеличения расстояния сетевого соединения путем усиления электрического сигнала. Если вы будете использовать в локальной сети кабель витая пара длиной более 100 метров, повторители должны устанавливаться в разрыв кабеля через каждые 100 метров. Питание повторителей обычно осуществляется по тому же кабелю. С помощью повторителей можно соединить сетевым кабелем несколько отдельно стоящих зданий.Маршрутизатор (или ) – сетевое устройство, которое на основании информации о структуре сети по определенному алгоритму выбирает маршрут для пересылки пакетов между различными сегментами сети.

Маршрутизаторы применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам (например, для подсоединения Ethernet к сети WAN). Также маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет, осуществляя при этом функции межсетевого экрана.Маршрутизатор может быть представлен не только в аппаратном виде, но и в программном. Любой компьютер сети, на котором установлено соответствующее программное обеспечение, может служить маршрутизатором.

Сегмент сети представляет собой часть компьютерной сети. Характер и степень сегментации сети зависит от природы сети и устройства или устройств, используемых для соединения конечных станций.

Сегмент сети - логически либо физически обособленная часть сети. Разбиение сети на сегменты в основном используется с целью оптимизации сетевого потока и/либо увеличения уровня защищенности сети в целом.

Физическое разделение

Как правило, физический сегмент сети ограничен сетевым устройством, обеспечивающим соединение узлов сегмента с остальной сетью:

Мосты или коммутаторы (2-й уровень в модели OSI);
Маршрутизаторы (3-й уровень в модели OSI).
Физический сегмент сети является домен коллизии. Устройства, работающие на первом уровне модели OSI (повторители или концентраторы), домен коллизий не ограничивают.

Логическое разделение

Широко практикуется разделение сети, основанной на протоколе IP , на логические сегменты, или логические подсети. Для этого каждому сегменту выделяется диапазон адресов, который задается адресом сети и сетевой маской. Например (в CIDR записи):

10.100.1.0/24, 10.100.2.0/24, 10.100.3.0/24 и т. д. - в каждом сегменте до 254 узлов;
10.10.0.0/25, 10.10.10.0/26, 10.10.10.0/27 - в сегментах до 126, 62, 30 узлов соответственно.

Логические подсети соединяются с помощью маршрутизаторов.

Устройства объединения сетей обеспечивают связь между сегментами локальных сетей, отдельными ЛВС и подсетями любого уровня. Существуют следующие классы устройств для объединения и сегментации сетей:

концентратор (hub)

Работает на первом (физическом) уровне модели OSI. Объединяет сеть в сегмент на физическом уровне (домен коллизии). Также концентратором называют сетевое устройство первого уровня модели OSI. Суть работы концентратора проста: любой пакет приходящий на произвольный порт концентратора, передается на все порты, кроме порта, откуда пакет пришел. Использование концентраторов в современных сетях нежелательно, поскольку устройство забивает сеть излишними широковещательными пакетами. По этой причине, рекомендуется использовать коммутаторы.

коммутатор (switch)

Работает на втором (канальном) уровне модели OSI. Соединяет несколько узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких физических сегментов сети. Также коммутатором называют сетевое устройство второго уровня модели OSI. Коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, в отличии от концентратора. Это повышает производительность (уменьшает количество широковещательных запросов) и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Маршрутизатор (router)

Работает на третьем (сетевом) уровне модели OSI. Пересылает пакеты данных между различными сегмента сети (физическими или логическими). Также маршрутизатором называют сетевое устройство третьего уровня модели OSI. Обычно маршрутизатор использует адрес получателя (IP-адрес), указанный в пакетных данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные, тем самым организуется перенаправление и оптимизация потока данных. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается. В роли маршрутизатора может использоваться как отдельное сетевое устройство, так и обычный компьютер, у которого в наличии как минимум две сетевые карты и он настроен на выполнение функций маршрутизации.