Основная функция концентратора – повторение каждого полученного сигнала на всех (для Ethernet) или на некоторых портах. Соответственно, наиболее общее название для такого рода устройств – повторитель (repeater). Для 10BaseT Ethernet с топологией “звезда” традиционно используется термин “хаб” (hub). Все эти термины равноправны и взаимозаменяемы. Концентратор работает на физическом уровне модели OSI (поскольку имеет дело с электрическими сигналами, их уровнями, полярностями и т.д.) и на канальном уровне (повторители Ethernet, например, умеют распознавать коллизии), но не выполняет никакого анализа кадров.
К каждому порту концентратора подключаются либо конечные узлы, либо другие концентраторы или другие сетевые устройства, либо (например, в 10Base2 Ethernet) целые физические сегменты кабеля.
Концентратор используется, прежде всего, для увеличения диаметра сети и количества подключенных узлов. Основные технологии локальных сетей допускают использование несколько концентраторов в одной сети, но при некоторых условиях. Например, между любой парой узлов в сети Ethernet может быть не более четырех повторителей (соответственно, максимальный путь включает пять сегментов, причем узлы могут подключаться только к трем из них – так называемое правило “5-4-3”), задержка распространения сигнала между любой парой узлов не должна превышать 25 мкс.
Сеть, построенная на концентраторах, образует единый домен коллизий. Каждый пакет, выданный любой узлом, должен достичь всех остальных узлов, и в это время никакой другой узел не может передавать данные.
С увеличением количества узлов в сети растет частота коллизий, и полезная пропускная способность быстро уменьшается. Для технологий Ethernet приемлемой оказывается нагрузка в 40-50% от максимальной пропускной способности. То есть, пока общий объем передаваемых данных не превышает 40-50% от 10 Мбит/с (для Ethernet), сеть работает нормально, а при росте нагрузки полезная пропускная способность быстро падает. Приемлемое количество узлов в сети, если передаются не мультимедийные данные, лежит около 30.
Конструктивно концентраторы выпускаются в одном из трех вариантов: автономные (standalone), стековые, модульные, модульно-стековые.
Автономные и стековые концентраторы выполняются в виде отдельного корпуса с фиксированным количеством и типом портов (обычно до 24). Все порты, как правило, поддерживают одну среду передачи. Иногда выделяется порт для подключения к магистрали или каскадирования. Стековый концентратор, кроме того, имеет специальный порт для объединения нескольких таких концентраторов в единое устройство – стек концентраторов. Как правило, в стеке участвует до 8 концентраторов (иногда больше). Модульный концентратор состоит из общего шасси и подключаемых к нему модулей. Разные модули могут иметь разное количество портов и поддерживать разные типы физической среды. Как правило, подключение и отключение модуля не требует выключения концентратора. Обычно модульные концентраторы снабжаются дополнительным модулем SNMP-управления, резервными источниками питания и устройствами вентиляции. Модульно-стековые концентраторы представляют собой модульные концентраторы на небольшое количество модулей с дополнительным портом для соединения их в стек.
Концентраторы могут иметь несколько внутренних шин, образуя несколько разделяемых сегментов. Разные порты концентратора связываются (как правило, не аппаратно, а с помощью программного управления) с разными сегментами. Сами сегменты никак друг с другом не связываются. Такой концентратор называется многосегментным, его способность программно назначать принадлежность портов к сегментам называется конфигурационной коммутацией (configuration switching). Когда необходимо соединить эти сегменты, применяют мосты, коммутаторы или маршрутизаторы. Развитием многосегментных концентраторов стали коммутирующие концентраторы, имеющие внутренний мост, связывающий сегменты.
Для подключения к сети удаленных групп могут быть использованы концентраторы с дополнительным волоконно-оптическим портом. Существует три разновидности реализации такого порта: вставляемые в гнездо расширения slide-in – микротрансивер, встраиваемый в гнездо разъема AUI навесной микротрансивер и постоянный оптический порт. Оптические концентраторы применяются в качестве центрального устройства распределенной сети с большим количеством отдельных удаленных рабочих станций и небольших рабочих групп. Порты такого концентратора выполняют функции усилителей и осуществляют полную регенерацию пакетов. Существуют концентраторы с фиксированным количеством подключаемых сегментов, но некоторые типы концентраторов имеют модульную конструкцию, что позволяет гибко подстраиваться к существующим условиям. Чаще всего концентраторы и репитеры представляют собой автономные блоки, с отдельным питанием.
Мосты
Мостом называется устройство, которое служит для связи между локальными сетями. Мосты передают кадры из одной сети в другую. Мосты имеют гораздо болеешь функциональных возможностей чем концентраторы. Мосты достаточно интеллектуальны, так что не повторяют шумы сети, ошибки или испорченные кадры. Для каждой соединяемой сети мост является абонентом (узлом сети).
Мост принимает кадр, запоминает его в своей буферной памяти, анализирует адрес назначения кадра. Если кадр принадлежит к сети, из которой он получен, мост не должен на этот кадр реагировать. Если кадр нужно переслать в другую сеть, он туда и отправляется. Доступ к среде передачи осуществляется с теми же правилами, что и для обычного узла.
По принадлежности к разным типам сетей различают глобальные и локальные мосты.
По алгоритму работы мосты делятся на мосты с «маршрутизацией от источника» (Source Routing) и на «прозрачные» (transparent) мосты.
Алгоритм «маршрутизации от источника» принадлежит фирме IBM и предназначен для описания прохождения кадров через мосты в сетях Token Ring. В этой сети мосты могут не содержать адресную базу данных. Они вычисляют маршрут прохождения кадра, исходя из информации, хранящейся в полях самого кадра. Узел сети, которому необходима связь с другим узлом, посылаем ему специальный кадр-исследователь (Explorer Frame). Этот кадр содержит специальный идентификатор, предназначенный для мостов, с алгоритмом «маршрутизация от источника». После получения такого кадра, мост записывает информацию о направлении, с которого был получен кадр, и свое собственное имя в специальное поле в кадре, которое называется разделом записи о маршруте (Rout Information Field). После этого мост передает кадр по всем доступным ему направлениям, за исключением того с которого был принят кадр. В результате возникает множество копий одного и того же кадра-исследователя. К узлу, который должен получить пакет, приходят сразу несколько копий кадра – одна на каждый возможный маршрут. При этом каждый полученный кадр-исследователь содержит записи о мостах, через которые он проходил. После получения всех кадров-исследователей узел выбирает один из возможных маршрутов и отправляет ответ узлу-отправителю. Как правило, выбирается тот маршрут, по которому пришел первый кадр-исследователь, так как он, вероятно, является самым быстрым (время прохождения кадра исследователя минимально). В ответе содержится полная информация о маршруте, по которому должны отправляться все остальные кадры. После определения маршрута узел-отправитель использует этот маршрут достаточно длительное время при посылке пакетов получателю.
Термин «прозрачные» мосты объединяет большую группу устройств. Если рассматривать устройства этой группы с точки зрения решаемых ими задач, то ее можно разделить на три основные подгруппы:
- Прозрачные мосты (transparent bridges) объединяют сети с едиными протоколами физического и канального уровней модели OSI.
- Транслирующие мосты (translating bridge) объединяют сети с различными протоколами канального и физического уровней.
- Инкапсулирующие мосты (encapsulating bridge) соединяют сети с едиными протоколами канального и физического уровня через сети с другими протоколами.
Прозрачные мосты наиболее широко распространены. Для этих мостов локальная сеть представляется как набор МАС-адресов устройств, работающих в сети. Мосты просматривают эти адреса для принятия решения о дальнейшей передаче кадра. Для анализа кадр записывается во внутренний буфер моста. Мосты не работают с информацией, относящейся к сетевому уровню. Они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Поэтому мосты совершенно прозрачны для протоколов, начиная с сетевого уровня и выше. Мосты позволяют объединить несколько локальных сетей в единую логическую сеть. Соединяемые локальные сети образуют логические сегменты такой сети.
При прохождении кадра через прозрачный мост происходит его регенерация и трансляция с одного порта на другой. Прозрачные мосты учитывают и адрес отправителя, и адрес получателя, которые берутся из получаемых кадров локальных сетей. Адрес отправителя необходим мосту для автоматического построения базы данных адресов устройств. Эта база данных называется так же МАС-таблицей, в ней устанавливается соответствие адреса станции определенному порту моста.
Все порты моста работают в так называемом «неразборчивом режиме» захвата кадров. Этот режим характерен тем, что все поступающие кадры сохраняются в буферной памяти моста. В этом режиме мост следит за всем трафиком, который передается в подключенных к нему сегментах. Мост использует проходящие через него кадры для изучения топологии сети.
Основные принципы работы моста: обучение, фильтрация, передача и широковещание. После получения кадров, мост проверяет их целостность при помощи контрольных сумм. Неправильные кадры при этом отбрасываются. После успешной проверки мост сравнивает адрес отправителя с имеющимися в базе данных адресами. Если адрес отправителя еще не заносился в базу данных, то он добавляется в нее. В результате мост знает адреса устройств в сети и таким образом происходит процесс его обучения. Благодаря способности моста к обучению, в сети могут появляться новые устройства без реконфигурации моста.
Кроме адреса отправителя мост анализирует еще и адрес получателя. Этот анализ необходим для принятия решения о дальнейшем пути передачи кадра. Мост сравнивает адрес получателя кадра с адресами, хранящимися в базе данных. Если адрес получателя принадлежит тому же сегменту, что и адрес отправителя, то мост не пропускает такой кадр в другой сегмент, или, иными словами, «фильтрует» этот кадр. Эта операция помогает предохранить сегменты от ненужного трафика. Если адрес получателя присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту, то мост определяет, какой из его портов связан с данным сегментом. После получения доступа к среде передачи этого сегмента мост передает в него кадр. Такой процесс иногда называют продвижением.
Если запись о каком-либо адресе получателя отсутствует в базе данных или этот адрес является широковещательным, мост передает кадр на все свои порты, за исключением порта, принявшего кадр. Такой процесс называется широковещанием (broadcasting) или затоплением (flooding) сети. Широковещание гарантирует, что кадр будет доставлен во все сегменты сети и, естественно, получателю.
Так как рабочие станции могут переносить из одного сегмента в другой, мосты должны периодически обновлять содержимое своих баз данных. В этой связи все записи в базе данных делятся на два типа - статические и динамические. С каждой динамической записью связан таймер неактивности. При получении кадра с адресом отправителя, который соответствует определенной записи в адресной базе, таймер неактивности сбрасывается в исходное состояние. Если какая-либо станция долгое время не посылает кадры, таймер неактивности, по истечению определенного промежутка времени удаляет этот адрес из базы данных. Определение оптимального времени неактивности может быть достаточно трудной задачей.
Мосты могут поддерживать и дополнительный сервис. Они предоставляют настраиваемые фильтры, улучшенную защиту данных и обработку кадров по классам.
Настраиваемые фильтры позволяют администратору сети производить фильтрацию на основе любого компонента кадра, например, протокола верхнего уровня, адреса отправителя и получателя, тип кадра или даже информационной его части. Настраиваемые фильтры позволяют эффективно разделить сеть, или блокировать электронную почту для определенных адресов. Блокировка на основе адресов является основой защиты сети. Запрещая передачy кадров, для определенных адресов отправителей и получателей системный администратор может ограничить доступ к определенным ресурсам сети. Настраиваемые фильтры могут запретить прохождение пакетов определенных протоколов через некоторые интерфейсы. Применяя оба этих метода одновременно, администратор сети может изолировать отдельные устройства или сегменты сети от кадров определенного типа.
Обработка по классам позволяет администраторам назначать приоритеты прохождения кадров по сети. Администратор может регулировать пропускную способность, направляя кадры в различные очереди обработки. Обслуживание по классам очень эффективно на низкоскоростных линиях и для приложений с неодинаковыми требованиями к уровню задержки.
Мосты, как прозрачные, так и с маршрутизацией от источника, работают на МАС-подуровне канального уровня модели OSI. Необходимо отметить, что маршрутизация от источника означает в общем смысле способ (алгоритм) поиска абонента в сети.
