Аппаратура локальных сетей

Аппаратура локальных сетей обеспечивает реальную связь между абонентами. Выбор аппаратуры имеет важнейшее значение на этапе проектирования сети, так как стоимость аппаратуры составляет наиболее существенную часть от стоимости сети в целом, а замена аппаратуры связана не только с дополнительными расходами, но зачастую и с трудоемкими работами. К аппаратуре локальных сетей относятся:

• кабели для передачи информации;
• разъемы для присоединения кабелей;
• согласующие терминаторы;
• сетевые адаптеры;
• репитеры;
• трансиверы;
• концентраторы;
• мосты;
• маршрутизаторы;
• шлюзы.
О первых трех компонентах сетевой аппаратуры уже говорилось в предыдущих главах. Сейчас мы остановимся на функциях остальных компонентов.

Сетевые адаптеры (они же контроллеры, карты, платы, интерфейсы, NIC — Network Interface Card) —это основная часть аппаратуры локальной сети, без которой сеть невозможна. Назначение сетевого адаптера — сопряжение компьютера (или другого абонента) с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Именно они выполняют функции нижних уровней модели OSI. Как правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы, вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера (чаще всего ISA или PCI). Плата сетевого адаптера обычно имеет также один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля сети (рис. 4.3).
Все функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся те функции, которые осуществляют обмен адаптера с магистралью (системной шиной) компьютера (то есть опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания компьютера и т.д.). Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью.

Для нормальной работы платы адаптера в составе компьютера необходимо правильно установить ее основные параметры:

• базовый адрес порта ввода/вывода (то есть начальный адрес зоны адресов, по которым компьютер будет общаться с адаптером);
• номер используемого прерывания (то есть номер линии запроса, по которой адаптер будет сообщать компьютеру о не­обходимости обмена с ним);
• базовые адреса буферной и загрузочной памяти (то есть начальные адреса зон адресов памяти, входящей в состав адаптера, по которым компьютер будет общаться с данной памятью).

Эти параметры могут выбираться на плате адаптера с помощью устанав­ливаемых пользователем перемычек (джамперов) или переключателей, но могут задаваться и программно с помощью специальной программы инициализации адаптера, поставляемой вместе с платой (в так называемых Jumperless-адаптерах). При выборе всех параметров (адресов и номеров прерываний) необходимо следить, чтобы они отличались от тех, которые заняты другими устройствами компьютера (как системными, так и дополнительно подключенными). Современные сетевые адаптеры часто поддерживают режим Plug-and-Play, то есть не нуждаются в настройке параметров со стороны пользователя, настройка в них осуществляется автоматически при включении питания компьютера.

К основным сетевым функциям адаптеров относятся следующие:

• гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети (для этого обычно используется передача сигналов через импульсные трансформаторы);
• преобразование логических сигналов в сетевые и обратно;
• кодирование и декодирование сетевых сигналов;
• опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту);
• преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и обратное преобразование при приеме;
• буферирование передаваемой и принимаемой информации в буферной памяти адаптера;
• организация доступа к сети в соответствии с принятым методом управления обменом;
• подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме.

Как правило, все сетевые функции выполняются специальными микросхемами высокой степени интеграции, что позволяет снизить стоимость адаптера и уменьшить площадь его платы.

Некоторые адаптеры позволяют реализовать функцию удаленной загрузки, то есть поддерживать работу в сети бездисковых компьютеров, загружающих свою операционную систему прямо из сети. Для этого в состав таких адаптеров включается постоянная память с соответствующей программой загрузки. Правда, не все сетевые программные средства поддерживают данный режим работы.

Если сетевой адаптер может работать с несколькими типами кабеля, то еще одним настраиваемым параметром может быть выбор типа кабеля. Например, на плате адаптера может находиться группа переключателей, пере коммутирующих нужные цепи для того или иного типа кабеля.

Все остальные аппаратные средства локальных сетей (кроме адаптеров) имеют вспомогательный характер, и без них часто можно обойтись. Трансиверы, или приемопередатчики (от английского TRANsmitter + reCEIVER), служат для передачи информации между адаптером и кабелем сети или между двумя сегментами (частями) сети. Трансиверы усиливают сигналы, преобразуют их уровни или преобразуют сигналы в другую форму (например, из электрической в световую и обратно). Трансиверами также часто называют встроенные в адаптер приемопередатчики.

Репитеры, или повторители (repeater), выполняют более простую функцию, чем трансиверы. Они не преобразуют ни уровни сигналов, ни их вид, а только восстанавливают ослабленные сигналы (их амплитуду и форму), приводя их форму к исходному виду. Цель такой ретрансляции сигналов состоит в увеличении длины сети (рис. 1.4). Однако часто репитеры выполняют и некоторые другие функции, например гальваническую развязку соединяемых сегментов. В любом случае, как репитеры, так и трансиверы не производят никакой информационной обработки проходящих через них сигналов.

Концентраторы (hub), как следует из их названия, служат для объединения в единую сеть нескольких сегментов сети. Концентраторы можно разделить на пассивные и активные.
Пассивные, или репитерные, концентраторы представляют собой собранные в едином конструктиве несколько репитеров. Они выполняют те же функции, что и репитеры (рис. 4.5). Преимущество подобных концентраторов по сравнению с отдельными репитерами только в том, что все точки подключения собраны в одном месте, что упрощает реконфигурацию сети, контроль за ней и поиск неисправностей. К тому же все репитеры в данном случае питаются от единого качественного источника питания.
Пассивные концентраторы иногда вмешиваются в обмен, помогая устранять некоторые явные ошибки обмена.
Активные концентраторы выполняют более сложные функции, чем пассивные, например, они могут преобразовывать информацию и прото­колы обмена. Правда, это преобразование очень простое. Примером активных концентраторов могут служить коммутирующие или переключающие концентраторы (switching hub), коммутаторы. Они передают из одного сегмента сети в другой сегмент не все пакеты, а только те, которые действительно адресованы компьютерам из другого сегмента. При этом сам пакет коммутатором не принимается. Это приводит к снижению интенсивности обмена в сети вследствие разделения нагрузки, так как каж­дый сегмент работает только со своими пакетами.

Мосты (bridge), маршрутизаторы (router) и шлюзы (gateway) служат для объединения в единую сеть нескольких разнородных сетей с разными протоколами обмена нижнего уровня, в частности, с разными форматами пакетов, разными методами кодирования, разной скоростью передачи и т.д. В результате их применения сложная и неоднородная сеть, содержащая в себе самые разные сегменты, с точки зрения пользователя выгля­дит обычной сетью - то есть обеспечивается «прозрачность» сети для про­токолов высокого уровня. Естественно, мосты, маршрутизаторы и шлюзы гораздо сложнее и дороже, чем концентраторы, так как от них требуется довольно сложная обработка информации. Реализуются они на базе компьютеров, подключенных к сети с помощью сетевых адаптеров. По сути, это специализированные абоненты (узлы) сети.
Мосты - наиболее простые устройства, служащие для объединения сетей с разными стандартами обмена, например Ethernet и Arcnet, или нескольких сегментов (частей) одной и той же сети, например Ethernet (рис. 4.6). В последнем случае мост служит только для разделения нагрузок сегментов, повышая тем самым производительность сети в целом. В отличие от коммутирующих концентраторов, мосты принимают поступающие пакеты целиком и в случае необходимости производят их простейшую обработку.

Маршрутизаторы выполняют более сложную функцию, чем мосты. Их главная задача - выбор для каждого пакета оптимального маршрута для избежания чрезмерной нагрузки отдельных участков сети и обхода поврежденных участков. Они применяются, как правило, в сложных разветвленных сетях, имеющих несколько маршрутов между отдельными абонентами. Маршрутизаторы не преобразуют протоколы нижних уровней, поэтому они соединяют только сегменты одноименных сетей. Существуют также гибридные маршрутизаторы (brouter), представляющие собой гибрид моста и маршрутизатора. Они выделяют пакеты, которым нужна маршрутизация, и обрабатывают их как маршрутизаторы, а для остальных пакетов служат обычными мостами.
Шлюзы - это устройства для соединения совершенно различных сетей с сильно отличающимися протоколами, например для соединения локаль­ных сетей с большими компьютерами или с глобальными сетями. Это са­мые дорогие и редко применяемые сетевые устройства.

Если обратиться к модели OSI, то можно считать, что репитеры и репитерные концентраторы связывают сети или сегменты на первом уровне, мосты - на втором уровне, маршрутизаторы - на третьем уровне, а шлюзы - на более высоких уровнях (на 4, 5, 6 и 7). Соответственно, репитеры выполняют функции (не все, а только некоторые) первого уровня, мосты реализуют функции второго уровня (на первом уровне и частично на втором у них работают сетевые адаптеры), маршрутизаторы — третьего уровня, а шлюзы должны выполнять функции всех уровней.