Причини структуризації транспортної інфраструктури мереж
У мережах з невеликим (10-30) кількістю комп'ютерів найчастіше використовується одна з типових топологій - "загальна шина", "кільце", "зірка" або полносвязная мережу. Всі перераховані топології володіють властивістю однорідності, тобто всі комп'ютери в такій мережі мають однакові права щодо доступу до інших комп'ютерів (за винятком центрального комп'ютера при з'єднанні "зірка"). Така однорідність структури спрощує процедуру нарощування числа комп'ютерів, полегшує обслуговування і експлуатацію мережі.
Однак при побудові великих мереж однорідна структура зв'язків перетворюється з переваги в недолік. У таких мережах використання типових структур породжує різні обмеження, найважливішими з яких є:
-обмеження на довжину зв'язку між вузлами;
-обмеження на кількість вузлів в мережі;
-обмеження на інтенсивність трафіку, який генерують вузли мережі.
Наприклад, технологія Ethernet на тонкому коаксіальному кабелі дозволяє використовувати кабель довжиною не більше 185 метрів, до якого можна підключити не більше 30 комп'ютерів. Однак якщо комп'ютери інтенсивно обмінюються інформацією, іноді доводиться знижувати число підключених до кабелю машин до 20, а то і до 10, щоб кожному комп'ютеру діставалася прийнятна частка загальної пропускної здатності мережі.
Для зняття цих обмежень використовуються особливі методи структуризації мережі і спеціальне структуроутворююче обладнання - повторювачі, концентратори, мости, комутатори, маршрутизатори. Такого роду устаткування також називають комунікаційним, маючи на увазі, що з його допомогою окремі сегменти мережі взаємодіють між собою.
1. Топологію фізичних зв'язків (фізичну структуру мережі). В цьому випадку конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів, тобто ребрах графа відповідають відрізки кабелю, що зв'язують пари вузлів.
2. Топологію логічних зв'язків (логічну структуру мережі). Тут в якості логічних зв'язків виступають маршрути передачі даних між вузлами мережі, які утворюються шляхом відповідної настройки комунікаційного обладнання.
Фізична структуризація мережі
Найпростіше з комунікаційних пристроїв - повторювач (repeater) - використовується для фізичного з'єднання різних сегментів кабелю локальної мережі з метою збільшення загальної довжини мережі. Повторювач передає сигнали, що приходять з одного сегмента мережі, в інші її сегменти (рис. 1). Повторювач дозволяє подолати обмеження на довжину ліній зв'язку за рахунок поліпшення якості сигналу - відновлення його потужності і амплітуди, поліпшення фронтів і т. П.
Мал. 1. Повторювач дозволяє збільшити довжину мережі Ethernet.
Повторювач, який має кілька портів і з'єднує кілька фізичних сегментів, часто називають концентратором (concentrator) або хабом (hub). Ці назви (hub - основа, центр діяльності) відображають той факт, що в цьому пристрої зосереджені всі зв'язки між сегментами мережі.
Використання концентраторів характерно практично для всіх базових технологій локальних мереж - Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.
Потрібно підкреслити, що в роботі будь-яких концентраторів багато спільного - вони повторюють сигнали, що прийшли з одного з їх портів, на інших своїх портах. Різниця полягає в тому, на яких саме портах повторюються вхідні сигнали. Так, концентратор Ethernet повторює вхідні сигнали на всіх своїх портах, крім того, з якого сигнали надходять (рис. 2).
Мал. 2. Концентратор Ethernet.
А концентратор Token Ring (рис. 3) повторює вхідні сигнали, що надходять з деякого порту, тільки на одному порту - на тому, до якого підключений наступний в кільці комп'ютер.
Мал. 3. Концентратор Token Ring.
Додавання в мережу концентратора завжди змінює фізичну топологію мережі, але при цьому залишає без змін її логічну топологію.
Під фізичною топологією розуміється конфігурація зв'язків, утворених окремими частинами кабелю, а під логічною - конфігурація інформаційних потоків між комп'ютерами мережі. У багатьох випадках фізична і логічна топології мережі збігаються. Наприклад, мережа, представлена на рис. 4а, має фізичну топологію "кільце". Комп'ютери такої мережі отримують доступ до кабелів кільця за рахунок передачі один одному спеціального кадру - маркера, причому цей маркер також передається послідовно від комп'ютера до комп'ютера в тому ж порядку, в якому комп'ютери утворюють фізичне кільце, тобто комп'ютер A передає маркер комп'ютеру B, комп'ютер B - комп'ютера С і т. д.
Мережа, показана на рис. 4б, демонструє приклад неспівпадання фізичної і логічної топології. Фізично комп'ютери з'єднані по топології "загальна шина". Доступ же до шини відбувається не по алгоритму випадкового доступу, вживаному в технології Ethernet, а шляхом передачі маркера в кільцевому порядку: від комп'ютера A - комп'ютера B, від комп'ютера B - комп'ютера С і т. Д. Тут порядок передачі маркера вже не повторює фізичні зв'язку, а визначається логічним конфигурированием драйверів мережевих адаптерів. Ніщо не заважає налаштувати мережеві адаптери і їх драйвери так, щоб комп'ютери утворили кільце в іншому порядку, наприклад: В, А, С. При цьому фізична структура мережі не змінюється.
Мал. 4. а) логічна і фізична структури мережі збігаються; б) логічна структура не збігається з фізичної.
Іншим прикладом неспівпадання фізичної і логічної топології мережі є вже розглянута мережа на рис. 2 Концентратор Ethernet підтримує в мережі фізичну топологію "зірка". Однак логічна топологія мережі залишилася без змін - це "загальна шина". Так як концентратор повторює дані, що прийшли з будь-якого порту, на всіх інших портах, то вони з'являються на всіх фізичних сегментах мережі одночасно, як і в мережі з фізичною загальною шиною. Логіка доступу до мережі не змінюється: всі компоненти алгоритму випадкового доступу - визначення незайнятості середовища, захоплення середовища, розпізнавання і обробка колізій - залишаються в силі.
Фізична структуризація мережі за допомогою концентраторів корисна не тільки для збільшення відстані між вузлами мережі, але і для підвищення її надійності. Наприклад, якщо який-небудь комп'ютер мережі Ethernet з фізичною загальною шиною через збій починає безперервно передавати дані по загальному кабелю, то вся мережа виходить з ладу, і залишається тільки одне - вручну від'єднати мережевий адаптер цього комп'ютера від кабелю. У мережі Ethernet, побудованої з використанням концентратора, ця проблема може бути вирішена автоматично - концентратор відключає свій порт, якщо виявляє, що приєднаний до нього вузол занадто довго монопольно займає мережу. Концентратор може блокувати некоректно працюючий вузол і в інших випадках, виконуючи роль деякого керуючого вузла.
Логічна структуризація мережі
Фізична структуризація мережі корисна в багатьох відносинах, однак в ряді випадків, зазвичай відносяться до мереж великого і середнього розміру, без логічної структуризації мережі обійтися неможливо. Найбільш важливою проблемою, нерозв'язною шляхом фізичної структуризації, залишається проблема перерозподілу трафіка, що передається між різними фізичними сегментами мережі.
Логічна структуризація мережі - це процес розбиття мережі на сегменти з локалізованим трафіком. Поширення трафіку, призначеного для комп'ютерів деякого сегмента мережі, тільки в межах цього сегмента, називається локалізацією трафіку.
Для логічної структуризації мережі використовуються комунікаційні пристрої:
На рис. 5 показана мережа, яка була отримана з мережі з центральним концентратором шляхом його заміни на міст. Мережі 1-го і 2-го відділів складаються з окремих логічних сегментів, а мережа відділу 3 - з 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. Якщо користувач комп'ютера А пошле дані користувачеві комп'ютера В, що знаходиться в одному з ним сегменті, то ці дані будуть повторені тільки на тих мережеві інтерфейси, які відзначені на малюнку заштрихованими кружками.
Мал. 5. Логічна структуризація мережі за допомогою моста.
Комутатор (switch) за принципом обробки кадрів від моста практично нічим не відрізняється. Єдина його відмінність полягає в тому, що він є свого роду комунікаційним мультипроцесором, так як кожен його порт оснащений спеціалізованої мікросхемою, яка обробляє кадри по алгоритму моста незалежно від мікросхем інших портів. За рахунок цього загальна продуктивність комутатора звичайно набагато вище продуктивності традиційного моста, що має один процесорний блок. Можна сказати, що комутатори - це мости нового покоління, які обробляють кадри в паралельному режимі.
Важливою функцією маршрутизаторів є їх здатність зв'язувати в єдину мережу підмережі, побудовані з використанням різних мережевих технологій, наприклад Ethernet і X.25.
Мал. 6. Логічна структуризація мережі за допомогою маршрутизаторів.
Крім перерахованих пристроїв, окремі частини мережі може з'єднувати шлюз (gateway). Зазвичай основною причиною використання шлюзу в мережі 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 їх об'єднання завжди використовується обладнання, що забезпечує локалізацію трафіка: мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи.