Повторители, мосты, коммутаторы

Канальный уровень модели OSI отвечает за управление физическими адресами (MAC-адресами), присваиваемыми кадрам передаваемых данных. Эти адреса находятся в заголовке передаваемого кадра (MAC-адрес узла отправителя и MAC-адрес узла получателя). Для каждого из сетевых стандартов имеется свое ограничение на число узлов, входящих в сегмент сети (подсети). При этом возникает вопрос: как использовать повторители, мосты и коммутаторы для увеличения длины сетевого кабеля, ограничения и направления потоков данных в зависимости от физического адреса узла назначения указанного в заголовке кадра.

Повторители. Любой сетевой стандарт имеет ограничения на длину сетевого кабеля в сегменте сети, например, стандарт 10Base2 ограничивает длину этого кабеля в сегменте 185 метров (у брендовых фирм, например 3Com, за счет улучшенных характеристик приема передатчиков выпускаемых ими сетевых карт поддерживается длина сегмента в 300 метров). Для преодоления указанных ограничений на длину сетевого кабеля используют устройство, которое относится к физическому уровню модели OSI и называется повторителем. Ограничения на длину кабеля связаны с явлением затухания или ослабления амплитуды полезных сигналов. По мере того, как электрический или оптический сигнал проходит по кабелю, его амплитуда уменьшается за счет потерь в среде передачи данных. На расстояниях, превышающих рекомендуемыми протоколами физического уровня, амплитуда понижается настолько, что его уже нельзя считать надежным. Повторители устраняют проблему потери сигнала за счет его усиления или регенерации. Протокол локальной сети определяет не только максимальную длину кабеля, но и максимальное число повторителей в сети. Связано это с тем, что каждый повторитель вносит свою небольшую задержку в распространение сигналов. Если при этом суммарная задержка становится достаточно большой, могут возникнуть конфликты сетевых устройств.

Существует два основных типа повторителей: усиливающие и регенерирующие. Усиливающие повторители усиливают все приходящие на них сигналы, включая сюда и наводки, шумы. Усиливающие повторители обеспечивают лишь увеличение амплитуды пропускаемых через них сигналов и не гарантируют надежной передачи данных в случае высокого уровня шума. При увеличении числа усилителей в линии качество сигнала падает (добавляются собственные шумы усилителей, которые далее также усиливаются).

Регенерирующие повторители восстанавливают исходную форму сигнала и отправляют его дальше. Благодаря этому новый сигнал содержит копию исходного сигнала, избавленную от шумов. Более высокое качество этого типа повторителей определяет их более высокую стоимость по отношению к усиливающим повторителям.

Многие концентраторы являются по существу повторителями. Активные концентраторы повторно генерируют сигнал и отправляют его на все порты, за исключением того порта, на который пришел этот сигнал. Таким образом, активный концентратор является многопортовым повторителем. Поскольку концентраторы этого типа воспроизводят приходящие сигналы, их можно использовать для увеличения длины сетевых сегментов. Это позволяет утверждать, что все правила, относящиеся к повторителям, применимы и к активным концентраторам. Пассивные концентраторы не воспроизводят и не усиливают получаемые сигналы. Они просто передают эти сигналы на все остальные порты, кроме того, на который эти сигналы поступили. Таким образом, ограничение на длину сетевого сегмента в системах с пассивными концентраторами не отличаются от ограничений, действующих на сетевых сегментах без концентратора.

Мосты – это интеллектуальные устройства, способные распознавать физические адреса, содержащиеся в заголовках пришедших кадров, и обрабатывать их. В случае использования моста заголовок передаваемого кадра обрабатывается мостом. Далее, в зависимости от значения MAC-адреса узла назначения, принимается решение оставить кадр в этом же сегменте, из которого пришел сигнал, либо через другой порт моста передать этот кадр в другой сегмент сети. Как отмечалось, это решение принимается на основании таблицы коммутации моста, которая строится в пассивном режиме, используя для этого передаваемые через мост кадры. Мосты бывают трех видов: с маршрутизацией от источника (Source Routing, SR), прозрачные мосты (Transparent, T) и с прозрачной маршрутизацией от источника (Source Route Transparent, SRT). Таким образом, при использовании мостов, данные, которые передаются между узлами сегмента сети, подключенного к порту моста, можно не выводить за пределы этого сегмента сети. При этом увеличивается пропускная способность и скорость обмена данными. Поскольку область действия мостов ограничивается подуровнем MAC канального уровня, их работа не зависит от более высоких уровней модели OSI. Это означает, что мосты могут передавать блоки данных, сформированные протоколами различных уровней (протоколами верхних уровней). Мосты реализуют функции регенерирующих повторителей, что увеличивает максимальную длину сетевого кабеля и число соединяемых узлов в сеть. Поэтому мосты должны удовлетворять требованиям физического уровня, относящихся к максимальному числу повторителей (мостов) и максимальному числу сегментов сети.

Правило 80|20.

Поскольку мост предназначен для ограничения потока данных между сегментами сети, необходимо заботиться об их правильном размещении. Для этого и существует правило 80|20: не менее 80% передаваемых данных в сегменте сети должны быть локальными и не более 20% внешними. Это означает, что эффективность использования моста наблюдается в том случае, если до 80% трафика в сети локализуется в пределах любого из сегментов сети, подключенного к порту моста, и не более 20% трафика передается между сегментами сети за счет наличия в мосте таблицы маршрутизации (коммутации).

Коммутатор (switch) сочетает в себе функции повторителей и мостов. Многие мосты имеют только два порта для подсоединения сетевых сегментов, это хорошо работает для сетей в физической топологии общая шина, построенной на толстом и тонком коаксиальном кабеле, например технология Ethernet. Но это абсолютно не приемлемо к сетям, построенным на витой паре. Многопортовые повторители (концентраторы) могут связывать большое число узлов через одну точку. Однако они не способны обрабатывать MAC-адреса передаваемых кадров и, как следствие, ограничивать потоки данных. Коммутатор является многопортовым устройством, выполняющим функции моста. Коммутаторы должны отвечать требованиям, которые предъявляются к повторителям и мостам.