Курс лекций по дисциплине «Информационные сети»

Вид материала

Курс лекций

Содержание Глава 3 Сетевые устройства Сетевыми устройствами Рисунок 3.1. К сетевым устройствам относятся повторители, концентраторы, мосты и маршруты Использование повторителей для увеличения протяженности сети Использование повторителей для увеличения числа узлов сети Таблица 3.1. Адреса сетей и узлов

Подобный материал:

• Курс лекций для студентов очного и заочного отделений по специальности 210406 «Сети, 1072.35kb.
• Курс лекций по дисциплине «Компьютерные сети и телекоммуникации» для студентов факультета, 1959.57kb.
• А. С. Попова Факультет «Информационные сети» Кафедра «Сети связи» Конспект, 640.18kb.
• Программа дисциплины «информационные сети» Индекс дисциплины по учебному плану: опд., 123.28kb.
• Курс лекций по дисциплине «информационные и коммуникационные технологии в образовании», 1679.08kb.
• Курс лекций по дисциплине история экономических учений москва 2008, 5434.7kb.
• Курс лекций по дисциплине "Компьютерные науки", 19.41kb.
• Н. И. Вавилова утверждаю ректор фгоу впо сгау /Н. И. Кузнецов/ 2008 г. Рекламно-техническое, 59.06kb.
• Конспект лекций по дисциплине «Информационные системы в экономике», 1286.5kb.
• Полный курс лекций по Информационным системам информационные системы, 787.33kb.

Глава 3 Сетевые устройства

В этой главе:

• Сетевые устройства
  
• Узлы
  
• Повторители
  
• Сигналы
  
• Концентраторы
  
• Фильтры
  
• Порты
  
• Домены
  
• Мосты
  
• Маршрутизаторы
  

Введение

В главе 2, "Физический и канальный уровни", были рассмотрены сетевые функции, которые выполняются на физическом и канальном уровнях эталонной модели OSI. Были также рассмотрены различные типы сред передачи данных, используемых на физическом уровне. В качестве таковых могут использоваться экранированная и неэкранированная витая пара, коаксиальный и оптоволоконный кабели Также были изучены процессы, которые происходят в среде передачи данных на канальном уровне эталонной модели OS1. В частности, каким образом данные определяют местонахождение требуемого пункта назначения в сети

Также говорилось, что если одно устройство хочет отправить данные другому устройству, то оно может установить связь этим устройством, используя его адрес доступа к среде передачи данных (МАС-адрес) Перед отправкой в сеть источник прикрепляет к отправляемым данным МАС-адрес требуемого получателя. По мере движения данных по носителю сетевые адаптеры (NIC) каждого устройства в сети сравнивают свой МАС-адрес с физическим адресом, содержащимся в пакете данных. Если эти адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует пакет данных и пакет продолжает движение по сети к следующему узлу. Если же адреса совпадают, сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне компьютера После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения

Хотя подход, при котором данные отправляются каждому устройству в сети, оправдывает себя для сравнительно небольших сетей, легко заметить, что с увеличением сети возрастает трафик. Это может стать серьезной проблемой, поскольку в один момент времени в кабете может находиться только один пакет данных Если же все устройства в сети объединяются одним кабелем, такой подход приводит к замедлению движения потока данных по сети

В этой главе будет рассмотрено, как с помощью сетевых устройств можно управлять величиной трафика в сети и повысить скорость потока данных

Сетевыми устройствами называются аппаратные средства, используемые для объединения сетей. По мере увеличения размеров и сложности компьютерных сетей усложняются и сетевые устройства, которые их соединяют

Однако все сетевые устройства служат для решения одной или нескольких общих задач

• Увеличивают число узлов, подключаемых к сети. Узлом называется конечная точка сетевого соединения или общая переходная точка двух или более линий в сети. Узлами могут быть процессоры, контроллеры или рабочие станции. Они отличаются способом маршрутизации и другими возможностями; они могут соединяться линиями связи и служат точками управления сети Термин "узел" иногда используется в более широком смысле для обозначения любого объекта, имеющего доступ к сети, и часто применяется в качестве синонима термина "устройство".
  
• Увеличивают расстояние, на которое может простираться сеть.
  
• Локализуют трафик в сети.
  
• Могут объединять существующие сети.
  
• Изолируют сетевые проблемы, делая их диагностику более простой.
  

На рис. 3.1 представлены символы следующих сетевых устройств: повторителя, концентратора, моста и маршрутизатора. Все эти устройства будут рассмотрены в данной главе.



Рисунок 3.1. К сетевым устройствам относятся повторители, концентраторы, мосты и маршруты

Повторители

Подобно средам передачи данных, повторители относятся к уровню 1 (физическому) эталонной модели OSI. Чтобы понять, как работает повторитель, необходимо учесть, что данные перед отправкой в сеть преобразуются в последовательность электрических или световых импульсов, которые и перемещающихся в среде передачи данных. Эти импульсы называются сигналами. Когда сигналы покидают передающую станцию, они четкие и легко распознаются. Однако чем длиннее кабель, тем сильнее затухает и ухудшается сигнал. В конце концов, это приводит к тому, что сигнал уже не может быть правильно распознан. Например, спецификации для витой пары категории 5 кабеля Ethernet устанавливают расстояние 100 метров как максимально допустимое для прохождения сигнала. Если сигнал проходит по сети больше указанного расстояния, то нет гарантии, что сетевой адаптер правильно распознает сигнал. Если такая проблема возникает, ее можно легко решить с помощью повторителя.

Использование повторителей для увеличения протяженности сети

Повторители позволяют увеличить протяженность сети, гарантируя при этом, что сигнал будет распознан принимающими устройствами. Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть, тем самым увеличивая расстояния, на которых сеть может функционировать.

Для примера представим болельщика, находящегося на стадионе во время футбольного матча. Он голоден. В соседнем секторе он видит продавца арахиса и пытается выяснить цену. Однако продавец находится слишком далеко и не может разобрать слов. Болельщик снова повторяет свой вопрос. В этот момент человек, сидящий на полпути между болельщиком и продавцом, слышит вопрос и передает его продавцу. Поскольку человек находится недалеко от продавца и повторяет сообщение достаточно громко, продавец без труда может расслышать вопрос. В этой аналогии человек, сидящий между болельщиком и продавцом арахиса, играет роль повторителя, а сообщение болельщика — роль сигнала, движущегося по носителю.

Использование повторителей для увеличения числа узлов сети

При организации сетей общей проблемой является слишком большое количество устройств, подключаемых к сети. Сигналы ухудшаются и становятся более слабыми, поскольку каждое устройство, подключенное к сети, становится причиной небольшого ослабления сигнала. Более того, так как сигнал проходит через слишком большое количество рабочих станций или узлов, он может оказаться настолько ослабленным, что принимающее устройство не сможет его распознать. Как было сказано в предыдущем разделе, решить эту проблему можно с помощью повторителя. Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть Благодаря этому появляется возможность увеличить число узлов в сети.

В качестве примера представим мальчика Майкла, который хочет принести мороженое своему другу Тому. День выдался очень жаркий, а Майкл должен пронести мороженое больше мили от своего дома до школы, где его ожидает Том. К тому времени, когда Майкл добирается до школы, мороженое полностью растаивает. И когда он хочет отдать подарок Тому, от мороженого осталась уже только одна палочка, и в результате Том уже не может узнать, что ему хотели вручить.

Следующий день тоже выдался жарким. Майкл вышел из дома, чтобы отнести мороженое своему другу Тому. Пройдя квартал, он замечает, что мороженое начинает таять. Чтобы не дать мороженому растаять полностью, Майкл останавливается возле холодильника, расположенного на углу, и помещает в него мороженое. После того как мороженое охладилось, Майкл снова может продолжить путь. Таким образом, останавливаясь возле каждого холодильника, Майклу удается доставить мороженое адресату. Естественно, теперь Том легко узнает, что ему принесли, и может с удовольствием насладиться угощением.

Концентраторы

В локальных сетях каждая станция подключается с помощью некоей передающей среды. Как правило, у каждого файл-сервера имеется только один сетевой адаптер. Как результат, непосредственное подключение всех рабочих станций к файл-серверу невозможно. Чтобы решить эту проблему, в сетях используются концентраторы, которые являются наиболее распространенными сетевыми устройствами.

Вообще говоря, термин концентратор используется вместо термина повторитель, когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети (рис. 3.2). Ниже перечислены наиболее важные особенности концентраторов:

• усиливают сигналы;
  
• распространяют сигналы в сети;
  
• не выполняют фильтрацию;
  
• не занимаются маршрутизацией и коммутацией;
  
• используются как точки концентрации в сети.
  

Рисунок 3.2. Концентратор – наиболее распространенное сетевое устройство, которое служит центом сети

Концентратор можно представить себе в виде устройства, которое содержит множество независимых, но связанных между собой модулей сетевого оборудования.

В локальных сетях концентраторы ведут себя как мультипортовые повторители. В таких случаях концентраторы используются, чтобы разделить сетевые носители и обеспечить множественное подключение.

Недостатком использования концентратора является то, что он не может фильтровать сетевой трафик. Фильтрацией называется процесс, в ходе которого в сетевом трафике контролируются определенные характеристики, например, адрес источника, адрес получателя или протокол, и на основании установленных критериев принимается решение – пропускать трафик дальше или игнорировать его. В концентраторе данные, поступившие на один порт, передаются дальше на все порты. Следовательно, концентратор передает данные во все участки или сегментам сети, независимо от того, должны они туда направляться или нет.

Если имеется только один кабель, связывающий все устройства в сети, или если сегменты сети связаны только нефильтрующими устройствами (например, концентраторами), несколько пользователей могут пытаться послать данные в один и тот же момент времени. Если одновременно пытаются передавать несколько узлов, то возникает конфликт. В этом случае данные от разных устройств сталкиваются друг с другом и повреждаются. Область сети, в пределах которой сформировался пакет данных и возник конфликт, называют доменом конфликта. Одним из методов решения проблемы слишком большого трафика и большого числа конфликтов в сети является использование мостов.

Мосты

Мосты работают на уровне 2 (канальном) эталонной модели OSI и не занимаются исследованием информации от верхних уровней. Назначение мостов состоит в том, чтобы устранить ненужный трафик и уменьшить вероятность возникновения конфликтов. Это достигается путем разделения сети на сегменты и за счет фильтрации трафика по пункту назначения или МАС-адресу.

Мосты фильтруют трафик только по МАС-адресу, поэтому они могут быстро пропускать трафик, представляющий любой протокол сетевого уровня. Так как мосты проверяют только МАС-адрес, протоколы не имеют для них значения. Как следствие, мосты отвечают только за то, чтобы пропускать или не пропускать пакеты дальше, основываясь при этом на содержащихся в них МАС-адресах. Можно выделить следующие наиболее важные особенности мостов.

• Они более интеллектуальны, чем концентраторы, т.е. могут анализировать приходящие пакеты и пропускать (или не пропускать) их дальше на основании адресной информации.
  
• Принимают и пропускают пакеты данных между двумя сетевыми сегментами.
  
• Управляют широковещательными пакетами в сети.
  
• Имеют и ведут внутренние таблицы адресов.
  

Пример использования моста показан на рис. 3.3.



Рисунок 3.3. Мост может использоваться для соединения сегментов сети.

Представим, что госпожа Джонс имеет в своем классе 30 учащихся. Она знает, в каком клубе состоит каждый ученик, так как эта информация содержится в классном журнале рядом с фамилией каждого ученика. Каждый понедельник преподаватели получают список объявлений клубов и оглашают его перед учащимися. В этот понедельник госпожа Джонс обнаружила, что все объявления предназначены только для членов туристического клуба. Сверившись с классным журналом, она увидела, что в ее классе нет членов этого клуба. Поэтому госпожа Джонс не стала зачитывать объявления туристического клуба своим ученикам.

В этой аналогии госпожа Джонс играет роль моста, так как она фильтрует сообщения и принимает решение о зачитывании объявлений на основании информации о членстве учеников в клубах. В этом примере информация о том, в каких клубах состоят ученики, имеет тот же смысл, что и МАС-адреса, используемые мостами.

Чтобы фильтровать и, соответственно, выборочно пропускать сетевой трафик, мосты строят таблицы соответствия всех МАС-адресов, находящихся в сети и других сетях.

При поступлении данных на вход моста он сравнивает адрес получателя, содержащийся в пакете данных, с МАС-адресами в своей таблице. Если мост обнаружит, что МАС-адрес пункта назначения данных расположен в том же сегменте сети, что и отправитель, то он не пропустит данные в другой сегмент (рис. 3.4).

Если же мост обнаружит, что МАС-адрес получателя данных не относится к тому же сегменту сети, что и адрес отправителя, то мост пропустит данные во все остальные сегменты сети (рис. 3.5). Поэтому мосты могут существенно уменьшать трафик между сетевыми сегментами, устранив ненужный трафик.



Рисунок 3.4. Мосты не пропускают данные в другие сегменты сети, если МАС-адреса отправителя и получателя относятся к одному сегменту. В этом примере пакет данных порождается компьютером V и имеет пункт назначения компьютер Хс

Маршрутизаторы

Другим типом устройств межсетевого взаимодействия являются маршрутизаторы. Как было сказано выше, мосты, прежде всего, используются для соединения сегментов сети. Маршрутизаторы же используются для объединения отдельных сетей и для доступа к Internet.

Они обеспечивают сквозную маршрутизацию при прохождении пакетов данных и маршрутизацию трафика между различными сетями на основании информации сетевого протокола или уровня 3 и способны принимать решение о выборе оптимального маршрута движения данных в сети (рис 3.6). С помощью маршрутизаторов также может быть решена проблема чрезмерного широковещательного трафика, так как они не переадресовывают дальше широковещательные кадры, если им это не предписано.



Рисунок 3.5. Мосты пропускают данные в другие сегменты сети, если МАС-адреса отправителя и получателя относятся к различным сегментам сети. В этом примере пакет данных передается компьютером V и имеет пунктом назначения компьютер Hh.




Рисунок 3.6. Маршрутизаторы используют уровень три для определения оптимального маршрута доставки данных в сети и помогают сдерживать объем широковещательных пакетов


Маршрутизаторы и мосты отличаются друг от друга в нескольких аспектах. Во-первых, мостовые соединения осуществляются на канальном уровне, в то время как маршрутизация выполняется на сетевом уровне эталонной модели OSI. Во-вторых, мосты используют физические или МАС-адреса для принятия решения о передаче данных Маршрутизаторы для принятия решения используют различные схемы адресации, существующие на уровне 3. Они используют адреса сетевого уровня, также называемые логическими, или IP-адресами (Internet Protocol). Поскольку IP-адреса реализованы в программном обеспечении и соотносятся с сетью, в которой находится устройство, иногда адреса уровня 3 называют еще протокольными или сетевыми адресами Физические или МАС-адреса обычно устанавливаются производителем сетевого адаптера и зашиваются в адаптере на аппаратном уровне; IP-адреса обычно назначаются сетевым администратором

Чтобы маршрутизация была успешной, необходимо, чтобы каждая сеть имела уникальный номер. Этот уникальный номер сети включен в IP-адрес каждого устройства, подключенного к сети (рис 3 7, табл. 3.1)

Таблица 3.1. Адреса сетей и узлов

Адрес сети	Адрес узла
1	1
	2
	3

Рассмотрим уникальную сеть А с подключенными к ней четырьмя устройствами, IP-адреса которых — А1, А2, A3 и А4 (рис. 3.8). Поскольку интерфейс, с помощью которого маршрутизатор подключается к сети, является частью этой сети, порт, через который маршрутизатор подключается к сети А, будет иметь IP-адрес А5.



Рисунок 3.7. Уникальный номер сети включается в IP-адрес, который присваивается каждому узлу, подключенному к сети.



Рисунок 3.8. Сеть А с четырьмя подключенными к ней устройствами

Предположим теперь, что есть сеть В, содержащая четыре устройства, которая подключена к другому интерфейсу того же маршрутизатора (рис. 3.9) IP-адреса устройств в этой сети будут В1, В2, ВЗ и В4, а IP-адрес второго интерфейса маршрутизатора — В5. Предположим далее, что данные были посланы из одной сети в другую.

Отправитель находится в сети А, получатель — в сети В, и к маршрутизатору подключены сети А, В, С и D Когда логически сгруппированный модуль информации, называемый кадром (фреймом), достигает маршрутизатора, последний выполняет следующие функции.



Рисунок 3.9. Сеть В также содержит четыре устройства

1. Определяет и отбрасывает канальный заголовок и трейлер, которые содержатся в кадре. Канальным заголовком называется информация, которая прикрепляется к данным в ходе инкапсуляции и содержит МАС-адреса отправителя и получателя. Это позволяет маршрутизатору исследовать сетевой уровень, чтобы определить сеть адресата.
   
2. Сверяется со своей таблицей маршрутизации, которая содержит маршруты к конкретным сетям, и определяет порт, через который ему необходимо отправить данные, чтобы те добрались до сети пункта назначения.
   

Таким образом, в примере, показанном на рис. 3.10, маршрутизатор пошлет данные из Сети А в сеть В через порт с IP-адресом В5. Однако перед фактической отправкой данных из порта В5 маршрутизатор инкапсулирует данные в соответствующий канальный кадр.



Рисунок 3.10. Маршрутизатор определяет путь прохождения данных из сети А сеть В по IP-адресу В5

Резюме

• Сетевыми устройствами называются аппаратные средства, используемые для объединения сетей.
  
• Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть.
  
• Термин концентратор используется вместо термина повторитель, когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети.
  
• Область сети, в пределах которой пакет данных порождается и вступает в конфликт, называется доменом конфликтов.
  
• Мосты устраняют лишний трафик и уменьшают вероятность возникновения конфликтов. Это достигается за счет разделения сети на сегменты и фильтрации трафика по адресу станции или МАС-адресу.
  
• Маршрутизаторы способны принимать интеллектуальные решения о выборе оптимального маршрута доставки данных в сети.