Повторители, концентраторы и мосты

При передаче сигнала по кабелю он постепенно слабеет, пока не станет неразличим. Чем длиннее кабель, тем слабее сигнал. Это ослабевание сигнала называется «затухание » (attenuation)и в той или иной степени является проблемой для всех типов кабеля. Стандарты, согласно которым создаются компьютерные сети, задают минимальную и максимальную длину кабеля, соединяющего компьютеры. Если необходимо проложить кабель на более длинную дистанцию, то для этого применяется приспособление, называемое повторителем (repeater),которое усиливает сигнал. Благодаря усилению сигнал преодолевает большее стояние без затухания до той границы, где он становится не читаем системой-получателем. В простейшей форме, повторитель - это электрическое устройство, которое получает сигнал через одно кабельное соединение, усиливает полученный сигнал и передает его через другое соединение. В современной сети очень редко можно увидеть отдельно стоящий повторитель. В большинстве случаев его функции встроены в другое устройство, такое как концентратор или коммутатор.

Концентратор (hub) - это устройство, которое выполняет функции связующего звена для кабеля в сети с топологией «звезда». Каждый компьютер отдельным кабелем подключен к центральному концентратору. Концентратор отвечает за распространение трафика, пришедшего на любой из портов, через все остальные порты. Порты могут быть: стандартными гнездами RJ-45 для сетей на основе витой пары, гнездами под ST-коннекторы для оптоволоконного кабеля или разъемами под любые другие виды коннекторов, применяемых в сетях с топологией «звезда».

В отличие от повторителей, концентраторы могут различаться по спектру предоставляемых ими возможностей. В простейшем варианте концентратор обеспечивает кабельные соединения, пропуская все сигналы, пришедшие на любой порт устройства, через все остальные порты. Такое устройство называется пассивным концентратором (passive hub), оно работает на Физическом уровне, не обладает «интеллектом» и не модифицирует сигнал. Подобные концентраторы практически уже не применяются в современных сетях. Концентраторы, используемые в современных сетях, как минимум поддерживают ретранслирующие функции, т. е. усиливают сигнал, прежде чем передать его через выходные порты. Такие концентраторы иногда называются многопортовыми повторителями (multiport repeaters). В отличие от пассивного концентратора, ретранслирующий концентратор требует наличия источника питания для повышения уровня сигнала. Некоторые концентраторы умеют больше, чем просто ретранслировать, и могут также восстанавливать сигналы и синхронизировать передачу последних через выходные порты.

Сети Token Ring также применяют концентраторы, хотя здесь они называются модулями множественного доступа (MAU, multistation access unit). Не смотря на то, что MAU, судя по всем внешним проявлениям, выполняет одинаковые с концентратором Ethernet функции, его внутреннее функционирование достаточно сильно отличается. Вместо параллельной передачи входящего трафика на все порты, как это происходит в концентраторе, MAU раз за разом передает пакеты последовательно через каждый порт. После отправки пакета рабочей станции, MAU ждет, пока последний вернется обратно через тот же самый порт, прежде чем передать этот пакет на выход следующего порта.

Устройства, обладающие некоторыми встроенными возможностями управления, называются интеллектуальными концентраторами. Стандартный ретранслирующий концентратор по существу является электрическим устройством, которое передает входящие пакеты всем доступным портам, не различая их. Интеллектуальный концентратор поступает подобным образом, но при этом также отслеживает работу каждого порта. Возможности управления у разных устройств могут сильно отличаться, но большинство интеллектуальных коммутаторов применяют протокол SNMP (Simple Network Management Protocol, простой протокол управления сетями) для передачи информации консоли централизованного управления сетью.

Мост (Bridge) - это физическое устройство, применяемое для связи сегментов сети. С его помощью можно объединить две ЛВС или разделить одну ЛВС на два сегмента. Мосты работают в так называемом беспорядочном режиме (promiscuous mode), т. е. считывают и обрабатывают все пакеты, передаваемые по сегменту сети. Поскольку мост функционирует на Канальном уровне, он способен интерпретировать информацию в заголовке протокола Канального уровня. Пакеты данных попадают в мост через один из портов, затем мост считывает в заголовке каждого пакета адрес целевой системы и решает, как обрабатывать данный пакет. Этот процесс называется фильтрацией пакетов (packet filtering). Если адреса компьютера-отправителя и компьютера-получателя принадлежат разным сегментам, мост передает пакет через второй порт. Если же адреса отправителя и получателя принадлежат одному сегменту, пакет игнорируется. На рис. 17 показаны две соединенные мостом ЛВС.

Обычный мост, связывающий однотипные сетевые сегменты в пределах одного помещения, называется локальным мостом (local bridge). Это простейший мост: он не модифицирует данные в пакетах, а просто считывает адреса в заголовках протоколов канального уровня и передает или не передает пакеты дальше. Для объединения разнородных и удаленных друг от друга сегментов используются мосты двух других видов.

Рис. 17. Мост ретранслирует пакеты, предназначенные для другого сегмента

сети, и игнорирует остальные

Мост-транслятор (translation bridge), представляет собой устройство Канального уровня, связывающее сегменты сети, в которых используются разные сетевые среды или разные протоколы. Удаленный мост (remote bridge) с помощью технологий глобальной вычислительной сети (ГВС) связывает два сетевых сегмента, расположенные на значительном расстоянии друг от друга. Связь может осуществляться с помощью модемов, выделенной телефонной линии и др. Преимущество использования моста такого типа состоит в сокращении трафика по ГВС, которая, как правило, гораздо медленнее и значительно дороже ЛВС.

В технологии Ethernet существует понятие домена коллизий. Область коллизий или коллизионный домен (collision domain) - это сеть или часть сети, структура которой такова, что при строго одновременной передаче данных двумя компьютерами в сети возникает коллизия (столкновение). В сети Ethernet коллизии являются нормальной и даже неизбежной частью работы, но, когда их количество чрезмерно возрастает, производительность сети падает, потому что увеличивается число пакетов для ретрансляции. При разделении сети мостом на два коллизионных домена число коллизий и ретрансляций уменьшается, что приводит к снижению трафика и повышению производительности сети в целом.

Широковещательный домен - другое важное понятие технологии сетевого соединения с помощью мостов. Широковещательное (broadcast) сообщение представляет собой пакет с особым адресом назначения, в соответствии с которым это сообщение читают и обрабатывают все получившие его компьютеры. Различают также узковещательные (unicast) сообщения, адресованные одному компьютеру сети, и многоадресные (multicast), адресованные нескольким (но не всем) компьютерам. Область широковещания или широковещательный домен (broadcast domain) - это группа компьютеров, получающих широковещательные сообщения, отправленные любым компьютером из группы.

Включение в сеть моста разбивает ее на два коллизионных домена, но при этом сегменты по обе стороны моста остаются частью одного и того же широковещательного домена, так как мост всегда пересылает широковещательные сообщения. Принадлежность к одному широковещательному домену позволяет двум сегментам сети оставаться одной и той же ЛВС. В этом состоит отличие моста от маршрутизатора, который делит сеть на две независимые ЛВС, относящиеся к разным коллизионным и широковещательным доменам.

Чтобы эффективно выполнять фильтрацию получаемых пакетов, мост должен знать, какие системы и в каком сегменте находятся. Это позволяет определить, какие из пакетов нужно переслать дальше, а какие отбросить. Мост хранит эту информацию во внутренней адресной таблице. Раньше администраторы сети вручную создавали таблицы адресов для мостов, но современные устройства заполняют таблицу автоматически. Данный процесс называется прозрачной маршрутизацией (transparent bridging). Как только «прозрачный» мост присоединяется к сетевым сегментам, он начинает заполнять свою адресную таблицу. Учитывая адрес отправителя пришедших пакетов и интерфейс, на который они пришли, мост может построить таблицу адресов узлов для каждого сегмента, подключенного к нему.

Обычно сетевые администраторы устанавливают между сегментами сети резервные мосты на случай сбоя. Однако это может привести и к потере данных или зацикливанию широковещательных пакетов. Чтобы этого не случилось, мосты соединяются друг с другом с помощью протокола STA (Spanning Tree Algorithm), который выбирает для обработки пакетов один мост. Все другие мосты в данном сегменте сети простаивают, пока работающий мост не выйдет из строя.

Прозрачные мосты и протокол STA используются в сетях Ethernet повсеместно, но в сетях Token Ring применяется другой принцип. Здесь уже не мосты выбирают, который из них будет объединять два сегмента, а сами системы Token Ring выбирают, каким мостом они будут пользоваться. Этот способ называется соединением «источник - маршрут» (source route bridging). Суть его в том, что каждая система передает по сети особые широковещательные пакеты - кадры ARB (All Rings Broadcast). Обрабатывая и направляя их во все подсоединенные сегменты, каждый мост добавляет к ним указатель маршрута, идентифицирующий мост и порт, через который был получен пакет. Когда ARB-пакеты достигают целевой системы, она отсылает их обратно. Мосты используют указатели маршрута, чтобы избежать пересылки пакетов дважды через один и тот же мост, а исходная система-отправитель выбирает по возвращенным пакетам наиболее эффективный маршрут к системе-получателю.