Фізична структуризація мережі корисна в багатьох випадках, однак іноді, в мережах великого і середнього розміру, неможливо обійтися без логічної структуризації мережі. Найбільш важливою проблемою, яка не розв'язується шляхом фізичної структуризації, залишається проблема перерозподілу переданого трафіка між різними фізичними сегментами мережі.
У великій мережі виникає неоднорідність інформаційних потоків: мережа складається з безлічі підмереж робочих груп, відділів, філій підприємства й інших адміністративних утворень. Дуже часто найбільш інтенсивний обмін даними спостерігається між комп'ютерами, що належать до однієї підмережі, і тільки невелика частина звертань відбувається до ресурсів комп'ютерів, що знаходяться поза локальними робочими групами. (Донедавна таке співвідношення трафіків не піддавалося сумніву, і був навіть сформульований емпіричний закон «80/20», відповідно до якого в кожній підмережі 80 % трафіка є внутрішнім і тільки 20 % — зовнішнім.) Зараз характер навантаження мереж багато в чому змінився, широко впроваджується технологія intranet, на багатьох підприємствах є централізовані сховища корпоративних даних, активно використовувані всіма співробітниками підприємства. Усе це не могло не вплинути на розподіл інформаційних потоків. І тепер не рідкі ситуації, коли інтенсивність зовнішніх звертань вище інтенсивності обміну між «сусідніми» машинами. Але незалежно від того, у якій пропорції розподіляються зовнішній і внутрішній трафик, для підвищення ефективності роботи мережі неоднорідність інформаційних потоків необхідно враховувати.
Мережа з типовою топологією (шина, кільце, зірка), у якій усі фізичні сегменти розглядаються в якості одного поділюваного середовища, виявляється неадекватній структурі інформаційних потоків у великій мережі. Наприклад, у мережі з загальною шиною взаємодія будь-якої пари комп'ютерів займає її на увесь час обміну, тому при збільшенні числа комп'ютерів у мережі шина стає вузьким місцем. Комп'ютери одного відділу змушені чекати, коли закінчить обмін пари комп'ютерів іншого відділу, і це при тім, що необхідність у зв'язку між комп'ютерами двох різних відділів виникає набагато рідше і вимагає зовсім невеликої пропускної здатності.
Цей випадок ілюструє рис. 5.4.a. Тут показана мережа, побудована з використанням концентраторів. Нехай комп'ютер А, що знаходиться в одній підмережі з комп'ютером В, надсилає йому дані. Незважаючи на розгалужену фізичну структуру мережі, концентратори поширюють будь-який кадр по всіх її сегментах. Тому кадр, що посилається комп'ютером А комп'ютеру В, хоча і не потрібний комп'ютерам відділів 2 і 3, але відповідно до логіки роботи концентраторів надходить на ці сегменти теж. І доти, поки комп'ютер В не одержить адресований йому кадр, жоден з комп'ютерів цієї мережі не зможе передавати дані.
Така ситуація виникає через те, що логічна структура даної мережі залишилася однорідною – вона ніяк не враховує збільшення інтенсивності трафіка всередині відділу і надає всім парам комп'ютерів рівні можливості по обміну інформацією (рис. 5.4.b).
Рис. 5.4 Протиріччя між, логічною структурою мережі і структурою інформаційних потоків
Рішення проблеми полягає у відмовленні від ідеї єдиного однорідного розподілюваного середовища. Наприклад, у розглянутому вище прикладі бажано було б зробити так, щоб кадри, які передають комп'ютери відділу 1, виходили б за межі цієї частини мережі в тому і тільки в тому випадку, якщо ці кадри спрямовані якому-небудь комп'ютеру з інших відділів. З іншого боку, у мережу кожного з відділів повинні попадати ті і тільки ті кадри, які адресовані вузлам цієї мережі. При такій організації роботи мережі її продуктивність істотно підвищиться, тому що комп'ютери одного відділу не будуть простоювати в той час, коли обмінюються даними комп'ютери інших відділів.
Неважко помітити, що в запропонованому рішенні ми відмовилися від ідеї загального розподілюваного середовища в межах усієї мережі, хоча і залишили її в межах кожного відділу. Пропускна здатність ліній зв'язку між відділами не повинна збігатися з пропускною здатністю середовища усередині відділів. Якщо трафік між відділами складає тільки 20 % трафіка усередині відділу (як уже відзначалося, ця величина може бути іншою), то і пропускна здатность ліній зв'язку і комунікаційного устаткування, що з'єднує відділи, може бути значно нижче внутрішнього трафіка мережі відділу.
Для логічної структуризації мережі використовуються такі комунікаційні пристрої, як мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи.
Міст (bridge) поділяє середовище мережі на частині (які часто називають логічними сегментами), передаючи інформацію з одного сегмента в іншій тільки в тому випадку, якщо така передача дійсно необхідна, тобто якщо адреса комп'ютера призначення належить інший підмережі. Тим самим міст ізолює трафік однієї підмережі від трафіка іншої, підвищуючи загальну продуктивність передачі даних у мережі. Локалізація трафіка не тільки заощаджує пропускну здатність, але і зменшує можливість несанкціонованого доступу до даних, тому що кадри не виходять за межі свого сегмента і їх складніше перехопити зловмиснику.
На рис. 5.5 показана мережа, яка була отримана з мережі з центральним концентратором (див. рис. 5.4) шляхом його заміни на міст. Мережі 1-го і 2-го відділів складаються з окремих логічних сегментів, а мережа відділу 3 – із двох логічних сегментів. Кожен логічний сегмент побудований на базі концентратора і має найпростішу фізичну структуру, утворену відрізками кабелю, що зв'язують комп'ютери з портами концентратора.
Рис. 5.5 Логічна структуризація за допомогою моста
Мости використовують для локалізації трафіка апаратні адреси комп'ютерів. Це затрудняє розпізнавання приналежності того чи іншого комп'ютера до визначеного логічного сегмента – сама адреса не містить ніякої інформації з цього приводу. Тому міст досить спрощено представляє розподіл мережі на сегменти – він запам'ятовує, через який порт на нього надійшов кадр даних від кожного комп'ютера мережі, і надалі передає кадри, призначені для цього комп'ютера, на цей порт. Точної топології зв'язків між логічними сегментами міст не знає. Через це застосування мостів приводить до значних обмежень на конфігурацію зв'язків мережі – сегменти повинні бути з'єднані таким чином, щоб у мережі не утворювалися замкнуті контури.
Комутатор (switch, switching hub) за принципом обробки кадрів нічим не відрізняється від моста. Основна його відмінність від моста полягає в тому, що він є свого роду комунікаційним мультипроцесором, тому що кожен його порт оснащений спеціалізованим процесором, що обробляє кадри по алгоритму моста незалежно від процесорів інших портів. За рахунок цього загальна продуктивність комутатора звичайно набагато вище від продуктивності традиційного моста, який має один процесорний блок. Можна сказати, що комутатори – це мости нового покоління, які обробляють кадри в паралельному режимі.
Обмеження, зв'язані з застосуванням мостів і комутаторів – по топології зв'язків, а також ряд інших, – призвели до того, що серед комунікаційних пристроїв з'явився ще один тип устаткування – маршрутизатор (router). Маршрутизатори більш надійно і більш ефективно, ніж мости, ізолюють трафік окремих частин мережі. Маршрутизатори утворюють логічні сегменти за допомогою явної адресації, оскільки використовують не плоскі апаратні, а складені числові адреси. В цих адресах міститься поле номера мережі так що всі комп'ютери, у яких значення цього поля однакове, належать до одного сегмента, названого в даному випадку підмережею (subnet).
Крім локалізації трафіка маршрутизатори виконують ще багато інших корисних функцій. Так, маршрутизатори можуть працювати в мережі з замкнутими контурами, при цьому вони здійснюють вибір найбільш раціонального маршруту з декількох можливих. Мережа, представлена на мал.рис. 5.6, відрізняється від своєї попередниці (див. рис. 5.5) тим, що між підмережами відділів 1 і 2 прокладено додатковий зв'язок, який може використовуватися як для підвищення продуктивності мережі, так і для підвищення її надійності.
Рис. 5.6 логічна структуризація мережі за допомогою маршрутизаторов
Іншою дуже важливою функцією маршрутизаторів є їхня здатність зв'язувати в єдину мережу підмережі, побудовані з використанням різних мережних технологій, наприклад, Ethernet і Х.25.
Крім перерахованих пристроїв окремі частини мережі може з'єднувати шлюз (gateway). Звичайно основною причиною, через яку в мережі використовують шлюз, є необхідність об'єднати мережі з різними типами системного і прикладного програмного забезпечення, а не бажання локалізувати трафік. Проте шлюз забезпечує і локалізацію трафіка як деякий побічний ефект.
Великі мережі практично ніколи не будуються без логічної структуризації. Для окремих сегментів і підмереж характерні типові однорідні топології базових технологій, і для їхнього об'єднання завжди використовується устаткування, що забезпечує локалізацію трафіка, – мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи.
