ГПОУ ТО "ДКИТ"

Коммуникационное оборудование

К коммуникационному оборудованию в первую очередь относится АПД. Аппаратура передачи данных (АПД или DCE - Data Circuit terminating Equipment) непосредственно связывает компьютеры или локальные сети пользователя с линией связи и является, таким образом, пограничным оборудованием. Традиционно аппаратуру передачи данных включают в состав линии связи. Примерами DCE являются модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN, оптические модемы, устройства подключения к цифровым каналам. Обычно DCE работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощности в физическую среду.

Аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные для передачи по линии связи и подключаемая непосредственно к аппаратуре передачи данных, обобщенно носит название оконечное оборудование данных (ООД или DTE - Data Terminal Equipment). Примером DTE могут служить компьютеры или маршрутизаторы локальных сетей. Эту аппаратуру не включают в состав линии связи.

Разделение оборудования на классы DCE и DTE в локальных сетях является достаточно условным. Например, адаптер локальной сети можно считать как принадлежностью компьютера (DTE), так и составной частью канала связи, т.е. DCE.

Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой протяженности. Промежуточная аппаратура решает две основные задачи: улучшение качества сигнала, создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети.

В локальных сетях промежуточная аппаратура может совсем не использоваться, если протяженность физической среды - кабелей или радиоэфира - позволяет одному сетевому адаптеру принимать сигналы непосредственно от другого сетевого адаптера, без промежуточного усиления. В противном случае применяются устройства типа повторителей и концентраторов.

В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сигналов на расстояния в сотни и тысячи километров. Поэтому без усилителей сигналов, установленных через определенные расстояния, построить территориальную линию связи невозможно. В глобальной сети необходима также и промежуточная аппаратура другого рода - мультиплексоры, демультиплексоры и коммутаторы. Эта аппаратура решает вторую указанную задачу, то есть создает между двумя абонентами сети составной канал из некоммутируемых отрезков физической среды - кабелей с усилителями. Наличие промежуточной коммутационной аппаратуры избавляет создателей глобальной сети от необходимости прокладывать отдельную кабельную линию для каждой пары соединяемых узлов сети. Вместо этого между мультиплексорами и коммутаторами используется высокоскоростная физическая среда, например волоконно-оптический или коаксиальный кабель, по которому передаются одновременно данные от большого числа сравнительно низкоскоростных абонентских линий. А когда нужно образовать постоянное соединение между какими-либо двумя конечными узлами сети, находящимися, например, в разных городах, то мультиплексоры, коммутаторы и демультиплексоры настраиваются оператором канала соответствующим образом. Высокоскоростной канал обычно называют уплотненным каналом.

Промежуточная аппаратура канала связи прозрачна для пользователя, он ее не замечает и не учитывает в своей работе. Для него важны только качество полученного канала, влияющее на скорость передачи дискретных данных. В действительности же промежуточная аппаратура образует сложную сеть, которую называют первичной сетью, так как сама по себе она никаких высокоуровневых служб не поддерживает, а только служит основой для построения компьютерных, телефонных или иных сетей.

В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на:

В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, т. е. сигналов, которые имеют непрерывный диапазон значений. Такие линии связи традиционно применялись в телефонных сетях для связи АТС между собой. Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов, при аналоговом подходе обычно используется техника частотного мультиплексирования (FDM).

В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. Как правило, элементарный сигнал, т. е. сигнал, передаваемый за один такт работы передающей аппаратуры, имеет 2 или 3 состояния, которые передаются в линиях связи импульсами прямоугольной формы. С помощью таких сигналов передаются как компьютерные данные, так и оцифрованные речь и изображение. В цифровых каналах связи используется промежуточная аппаратура, которая улучшает форму импульсов и обеспечивает их ресинхронизацию, т.е. восстанавливает период их следования. Промежуточная аппаратура образования высокоскоростных цифровых каналов (мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы) работает по принципу временного мультиплексирования каналов (TDM), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала.

Аппаратура передачи дискретных компьютерных данных по аналоговым и цифровым линиям связи существенно отличается, так как в первом случае линия связи предназначена для передачи сигналов произвольной формы и не предъявляет никаких требований к способу представления единиц и нулей аппаратурой передачи данных, а во втором - все параметры передаваемых линией импульсов стандартизованы. Другими словами, на цифровых линиях связи протокол физического уровня определен, а на аналоговых линиях - нет.

Коммуникационное сетевое оборудование не является источником или конечным получателем данных. Вместе с тем ряд устройств, относясь к промежуточным системам, в плане интерфейса может выступать и в роли DCE, и в роли DTE. Приведем краткие характеристики коммуникационного оборудования локальных сетей [1, 9, 10, 22].

Повторитель (repeater) в сети на коаксиальном кабеле является средством объединения кабельных сегментов в единый логический сегмент (рис. 16). В сетях на витой паре повторитель является самым дешевым средством объединения конечных узлов и других коммуникационных устройств в единый разделяемый сегмент. В этом контексте вместо слова «повторитель» часто применяют «хаб», или «концентратор». Повторители Ethernet могут иметь скорость 10 или 100, 1000 Мбит/с (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet), единую для всех портов. Повторитель воспринимает входные импульсы, удаляет шумовые сигналы и передает вновь сформированные пакеты в следующий кабельный сегмент или сегменты. Никакого редактирования или анализа поступающих данных не производится. Задержка сигнала повторителем не должна превышать 7,5 тактов (750 нс ддя обычного Ethernet). Повторители могут иметь коаксиальные входы/выходы, AUI-разъемы для подключения трансиверов или других аналогичных устройств или каналы для работы со скрученными парами.

Все входы/выходы повторителя с точки зрения пакетов эквивалентны. Если повторитель многовходовый, то пакет, пришедший по любому из входов, будет ретранслирован на все остальные входы/выходы повторителя. Чем больше кабельных сегментов объединено повторителями, тем больше загрузка всех сегментов. При объединении нескольких сегментов с помощью повторителя загрузка каждого из них становится равной сумме всех загрузок до объединения. Это справедливо как для коаксиальных кабельных сегментов, так и для повторителей, работающих со скрученными парами (хабы - концентраторы). Некоторые повторители контролируют наличие связи между портом и узлом (link status), регистрируют коллизии и затянувшиеся передачи (jabber - узел осуществляет передачу дольше, чем это предусмотрено протоколом), выполняют согласование типа соединения (autonegotiation). В этом случае они обычно снабжены SNMP-поддержкой [19, 20, 22].

Мост (bridge) является средством передачи кадров между двумя (и более) логическими сегментами. По логике работы является частным случаем коммутатора. Скорость обычно 10 Мбит/с (для Fast Ethernet 100 Мбит/с используются коммутаторы).

Сетевой мост - это аппаратно-программный блок, который обеспечивает прозрачное соединение нескольких локальных сетей разных стандартов, использующих различные протоколы.

Сетевые мосты делятся на внутренние и внешние:

Внешние, в свою очередь, делятся на:

Мост соединяет два сегмента сети, при инициализации он изучает списки адресов устройств, подсоединенных к каждому из сегментов. В дальнейшем мост записывает в свою память эти списки и пропускает из сегмента в сегмент лишь транзитные пакеты. Существуют мосты, которые оперируют с физическими и с IP-адресами (см. стандарт IEEE 802. Id).

Мост является активным устройством, которое способно адаптироваться к изменениям в окружающей сетевой среде. При этом пакеты, отправленные из сегмента А и адресованные устройству, которое подключено к этому же сегменту, никогда не попадут в сегмент Б и наоборот. Через мост проходят лишь пакеты, отправленные из сети А в Б или из Б в А.

Функцию моста с определенными скоростными ограничениями может выполнять и обычная ЭВМ, имеющая два сетевых интерфейса и соответствующее программное обеспечение. Мосты при разумном перераспределении серверов и рабочих станций по сетевым сегментам позволяют выровнять и даже эффективно снизить среднюю сетевую загрузку. Когда на один из входов моста приходит пакет, производится сравнение адреса получателя с содержимым внутренней базы данных. Если адрес в базе данных отсутствует, мост посылает широковещательный запрос в порт, противоположный тому, откуда получен данный пакет с целью выяснения местоположения адресата. Понятно, что появление в подсетях А и Б двух объектов с идентичными адресами ни к чему хорошему не приведет. При поступлении отклика вносится соответствующая запись в базу данных. Параллельно анализируется и адрес отправителя и, если этот адрес в базе данных отсутствует, производится его запись в банк адресов соответствующего порта. В базу данных записывается также время записи адреса в базу данных. Содержимое базы данных периодически обновляется. К любой подсети может вести несколько путей, но для нормальной работы мостов и переключателей все пути кроме одного должны быть заблокированы. Функциональная схема работы моста показана на рис. 18. Сети, между которыми включается мост, не обязательно должны работать согласно идентичным протоколам. Возможны мосты между Fast Ethernet и Token Ring или между Fast Ethernet и ATM.

Мост, имеющий более двух портов, называется переключателем.

Коммутатор (switch) является средством организации виртуальных цепей для передачи каждого кадра между двумя его портами. Скорости портов - 10, 100 или 1000 Мбит/с могут быть разными у разных портов одного устройства. Суммарная полоса пропускания между всеми узлами и коммуникационными устройствами теоретически ограничена производительностью коммутатора. Реальная пропускная способность ниже из-за несимметричности загрузки портов коммутатора. Применяются как средства сегментации сетей, подключения конечных узлов, построения магистралей. Первый переключатель был разработан фирмой Калпане в 1991 году. Иногда переключатели называются маршрутизаторами, тем более что некоторые из них поддерживают внутренние протоколы маршрутизации (например, RIP). Переключатели имеют внутреннюю параллельную магистраль очень высокого быстродействия (от десятков мегабайт до гигабайт в секунду). Эта магистраль позволяет переключателю совместить преимущества повторителя (быстродействие) и моста (разделение информационных потоков) в одном устройстве. Схемы реализации переключателей варьируются значительно, каких-либо единых стандартов не существует. Алгоритм работы с адресами здесь тот же, что и в случае мостов. На рис. 19 приведена схема 8-входового переключателя. В переключателе все входы идентичны, но внешняя информация, записанная в их память, делает входы неэквивалентными. Определенные проблемы возникают, когда к одному из входов переключателя подключен сервер, с которым работают пользователи, подключенные к остальным входам. Если все ЭВМ, подключенные к переключателю, одновременно попытаются обратиться к серверу, переключатель перегрузится и все каналы будут на некоторое время блокированы (будет послан сигнал перегрузки - jam). При данной схеме вероятность таких событий значительна, так как несколько каналов с пропускной способностью 10 Мбит/с работают на один общий канал с той же полосой пропускания. Для преодоления проблем этого рода следует распределять нагрузки между портами переключателя равномерно, а также подключать серверы через дуплексные каналы. Дуплексные каналы полезны и для соединения переключателей между собой. Современные переключатели имеют много различных возможностей - SNMP-поддержка, автоматическая настройка быстродействия и определения типа соединения (дуплексная/полудуплексная). Имеется возможность внешней загрузки программы работы переключателя. Способы проверки производительности переключателей описаны в документах RFC-1242 и RFC-1944 (тесты Бреднера) [19, 20, 21, 22].

Существуют переключатели, работающие в режиме “на пролет” (cut through). Здесь первые биты пакета поступают на выход переключателя, когда последующие еще только приходят на вход. Задержка в этом случае минимальна, но переключатель пропускает через себя пакеты, поврежденные в результате столкновений. Альтернативой такому режиму является передача через буферную память (схема передачи SAF - Store And Forward). Поврежденные пакеты в этом режиме отбрасываются, но задержка заметно возрастает. Кроме того, буферная память (или общая многопортовая) должна иметь место на всех входах. При проектировании сетей следует иметь в виду, что переключатели превосходят маршрутизаторы по соотношению производительность/цена.

При проектировании локальной сети следует учитывать то обстоятельство, что узлы с самым напряженным трафиком должны располагаться как можно ближе к повторителю (мосту или переключателю). В этом случае среднее число коллизий в единицу времени будет ниже. По этой причине сервер должен располагаться как можно ближе к повторителю или другому сетевому устройству (рис. 21).

Схема внутренних связей переключателя может отличаться от приведенной на рис. 19 и иметь конфигурацию, показанную на рис. 20. Привлекательность такой схемы заключается в возможности реализации обмена по двум непересекающимся направлениям одновременно. При этом эффективная пропускная способность многопортового переключателя может в несколько раз превосходить полосу пропускания сети, например 100 Мбит/с.

При использовании в сети большого числа мостов и/или переключателей может сформироваться топология связей, когда от одного сегмента к друтому пакет может попасть более чем одним путем (рис. 22). Приведенная на рисунке схема неработоспособна и некоторые связи должны быть ликвидированы. В данном примере проблема может быть решена удалением мостов BR-2 и BR-3 или разрывом связей, помеченных символом “X”.

Проблему ликвидации связей, способных привести к зацикливанию, решает протокол STP (Spanning Tree Protocol; алгоритм предложен Пёлманом в 1992 г.), который автоматически блокирует некоторые соединения, а в случае недоступности основного пути открывает эти заблокированные соединения, обеспечивая высокую надежность сети. STP является частью протокола мостов IEEE 802. Id.

При использовании протокола STP каждой связи присваивается при конфигурации определенный вес (чем меньше, тем выше приоритет). Мосты периодически рассылают специальные сообщения (BPDU - Bridge Protocol Data Unit), которые содержат коды их уникальных идентификаторов, присвоенные им при изготовлении. Мост или переключатель с наименьшим значением такого кода становится корневым ("корень дерева"). Затем выявляется наикратчайшее расстояние от корневого мо- ста/переключателя до любого другого моста в сети. Граф, описывающий дерево наикратчайших связей, и является "расширяющимся деревом". Такое дерево включает все узлы сети, но необязательно все мо- сты/переключатели. Этот алгоритм функционирует постоянно, отслеживая все топологические изменения.

Современные мосты позволяют создавать виртуальные подсети (VLAN), увеличивающие сетевую безопасность. VLAN позволяет ограничить зону распространения широковещательных пакетов, улучшая эксплуатационные характеристики сети в целом.

Некоторые современные мосты используют так называемую маршрутизацию отправителя (source routing). Такая маршрутизация предполагает, что отправитель знает, находится ли адресат в пределах локальной сети, и может оптимально определить путь доставки. При посылке кадра другой сети отправитель устанавливает старший бит своего адреса равным единице. Одновременно в заголовке кадра прописывается весь маршрут. Каждой сети присваивается 12-битовый идентификатор, а каждому мосту ставится в соответствие 4-битовый код, уникальный в контексте данной сети. Это означает, что мосты в пределах одной сети должны иметь разные идентификаторы, но их коды могут совпадать, если они находятся в разных сетях. Мост рассматривает только кадры с единицей в старшем бите адреса места назначения. Для этих кадров просматриваются коды сети в списке, записанном в заголовке. Если в списке содержится код, совпадающий с тем, который характеризует сеть, где находится мост, кадр переадресуется в эту сеть. Реализация алгоритма может осуществляться программно или аппаратно. Если путь до места назначения неизвестен, отправитель генерирует специальный пакет, посылаемый широковещательно (discovery frame) и достигающий всех мостов и всех подсетей. Когда приходит отклик от адресата, мосты записывают его идентификатор, а первичный отправитель фиксирует маршрут до адресата. Данный алгоритм достаточно прост, но сопряжен с лавинным размножением "исследовательских" пакетов, особенно в случае, когда смежные сети соединяются через несколько мо- стов/переключателей.

Сетевые шлюзы и межсетевые шлюзы. С помощью шлюзов соединяются между собой гетерогенные сети, использующие различные ОС и протоколы высоких уровней. В отличие от сетевых мостов межсетевые шлюзы устраняют несогласованность в скорости передачи данных.

Концентратор (concentrator), или хаб (hub), может включать набор повторителей, коммутаторов и мостов, соединяющих разные стандарты. В технологии FDDI концентраторы используются для организации колец из подключаемых устройств.

Концентратор - устройство, к которому подключаются кабели от множества конечных узлов и коммуникационных устройств. Внутренняя структура может быть различной. Чаще всего под хабом подразумевают повторитель. Сегментирующий хаб (segmented hub. Port Switch hub) является комбинацией нескольких повторителей, между которыми может присутствовать и мост. В сетях Token Ring хаб (MAU, MSAU) является средством организации кольца на физической звездообразной топологии.

Концентраторы (разветвители) HUB бывают:

  1. активные (Activ HUB);
  2. пассивные (Passiv HUB).

Активные концентраторы, или усилители - это устройства, используемые для усиления сигналов передачи данных в определенных сетевых топологиях.

Как правило, используются для экстенсивно (вширь) - интенсивного (вглубь) наращивания мощности ЛКС.

Пассивный концентратор - устройство, используемое в определенных сетевых топологиях для разделения передаваемых сигналов, что позволяет подключить дополнительные PC.

Преобразователь интерфейсов (media converter) позволяет осуществлять переходы от одной среды передачи к другой (например, от витой пары к оптоволокну) без логического преобразования сигналов. Благодаря усилению сигналов эти устройства могут позволять преодолевать ограничения на длину линий связи (если ограничения не связаны с задержкой распространения). Используются для связи оборудования с разнотипными портами.

Маршрутизатор (router) - устройство с несколькими физическими интерфейсами, возможно, различных сетевых технологий. Выполняет передачи пакетов между интерфейсами на основании информации 3-го (сетевого) уровня. Используется для организации регламентированных связей между логическими сетями (подсетями) на основании сетевой адресной информации, возможно, и с фильтрацией. Узлы сети, желающие переслать пакеты к узлам, не принадлежащим тому же интерфейсу, посылают кадры явно на

MAC - адрес порта маршрутизатора. Маршрутизатор отличается от переключателя тем, что поддерживает хотя бы один протокол маршрутизации. Существуют внутренние и внешние протоколы маршрутизации. Если маршрутизатор осуществляет связь данной автономной системы с другими автономными системами, его называют пограничным (border). Маршрутизатор же, который имеет только один внешний канал связи, в литературе часто называют gateway (входной порт сети). Любой маршрутизатор может поддерживать в любой момент только один внутренний и один внешний протоколы маршрутизации, выбор этих протоколов осуществляет администратор сети из имеющегося списка. Маршрутизаторы представляют собой наиболее сложные сетевые устройства. Главным достоинством маршрутизаторов в локальной сети является ограничение влияния потоков широковещательных сообщений.

В последнее время заметное распространение получил гибрид маршрутизатора и моста - brouter. Некоторые протоколы (например, NetBIOS) не допускают маршрутизации. Когда необходимо использовать такие протоколы совместно с TCP/IP, необходим brouter. Широко используются такие приборы в сетях Token Ring.

Особый класс образуют мультиплексоры/демультиплексоры, которые используют собственные протоколы и служат для предоставления общего канала большему числу потребителей. Эти устройства широко используются при построении сетей типа Интранет (корпоративные сети, где подсети разных филиалов разнесены на большие расстояния). Такие сети строятся на базе специальных выделенных каналов, а мультиплексоры позволяют использовать эти каналы для предоставления комплексных услуг: телефонной связи, передачи факсов и цифровой информации, экономя значительные средства.

Если перед вами стоит задача создания локальной сети с выходом в Интернет, нужно последовательно решить ряд проблем помимо финансовых. Должны быть сформулированы задачи, ради которых эта сеть создается, определена топология сети, число сегментов и характер их связей, число ЭВМ-участников, определен сервис-провайдер, или провайдеры, если вам нужно обеспечить более высокую надежность и живучесть сети. Вам надо оценить требуемую загрузку сегментов сети и внешних каналов связи, выбрать программную среду. После этого вы можете приступить к составлению списка необходимого оборудования и программного обеспечения. Если ваша сеть является оконечной и она имеет только один внешний канал связи, вам не нужен маршрутизатор и вы можете ограничиться ЭВМ- портом (gateway), которая должна иметь необходимый интерфейс. Внешним каналом может стать коммутируемая телефонная сеть, выделенная телефонная линия, оптоволоконный кабель или радиорелейный канал. Во всех перечисленных случаях вам будет необходим соответствующий модем.

Брандмауэр (firewall) - устройство (программное средство), по уровню функционирования аналогичное маршрутизатору, но с более развитой системой фильтрации и малым (как правило 2) числом портов. Для сетевых узлов присутствие брандмауэра не должно быть заметно. Используется для защиты локальных сетей от несанкционированного вмешательства извне, обычно устанавливается между маршрутизатором и внешним интерфейсом глобальной сети. Может быть встроен в маршрутизатор или коммуникационное оборудование подключения к глобальной сети.

Модем - устройство (DCE) для передачи данных на дальние расстояния по выделенным или коммутируемым линиям. Интерфейс, обращенный к источнику и приемнику данных (устройству DTE), может быть последовательным (синхронным или асинхронным), параллельным или даже шиной USB.

Модемный пул - сборка из нескольких модемов, которые со стороны, обращенной к DTE, объединены общим портом с интерфейсом ЛВС. Каждый модем пула подключается к своей внешней линии. Устройство позволяет одновременно нескольким (в пределах числа модемов и линий) абонентам локальной сети пользоваться индивидуальными выходами во внешний мир и/или обеспечивать нескольким внешним пользователям доступ к локальной сети.

LAN-модем - комбинация модема и маршрутизатора, имеющая в качестве интерфейса, обращенного к DTE, порт Ethernet (иногда и несколько портов, объединенных повторителем). Позволяет одновременно пользоваться одним выходом во внешний мир группе абонентов локальной сети [19, 20,21,22].