Тема 1.3 Структуризация сетей. Структуризация как средство построения больших сетей. В сетях с небольшим (10-30) количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все ком­пьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа ком­пьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети. Однако при построении больших сетей однородная структура связей превра­щается из преимущества в недостаток. В таких сетях использование типовых струк­тур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются: ограничения на длину связи между узлами; ограничения на количество узлов в сети; ограничения на интенсивность графика, порождаемого узлами сети.

Физическая структуризация сети Простейшее из коммуникационных устройств повторитель (repeator) исполь­зуется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы происходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала – восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п. Повторитель позволяет увеличить длину сети Ethernet

Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором (concentrator) или хабом (hub). Эти названия (hub основа, центр деятельности) отражают тот факт, что в данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети. Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit EtI 100VG-AnyLAN. Нужно подчеркнуть, что в работе концентраторов любых технологий много общего они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 1 а). А концентратор Token Ring (рис. 1 б) повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту на том, к которому подключен следующий в кольце компьютер. Рис.1. Концентраторы различных технологий

Напомним, что под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают. Например, сеть, представленная на рис. 2 а, имеет физическую топологию кольцо. Компьютеры этой сети получают доступ к кабелям кольца за счет передачи друг другу специального кадра маркера, причем этот маркер также передается последовательно от компьютера к компьютеру в том же порядке, в котором компьютеры образуют физическое кольцо, то есть компьютер А передает маркер компьютеру В, компьютер В компьютеру С и т.д. Сеть, показанная на рис. 2 б, демонстрирует пример несовпадения физичес­кой и логической топологии. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина. Доступ же к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, приме­няемому в технологии Ethernet, а путем передачи маркера в кольцевом порядке: от компьютера А компьютеру В, от компьютера В компьютеру С и т.д. Здесь порядок передачи маркера уже не повторяет физические связи, а определяется логическим конфигурированием драйверов сетевых адаптеров. Ничто не мешает настроить сетевые адаптеры и их драйверы так, чтобы компьютеры образовали кольцо в другом порядке, например: В, А, С... При этом физическая структура сети никак не изменяется.

Рис.2. Логическая и физическая топологии сети

Другим примером несовпадения физической и логической топологий сети яв­ляется уже рассмотренная сеть на рис. 1.6, а. Концентратор Ethernet поддержива­ет в сети физическую топологию звезда. Однако логическая топология сети осталась без изменений это общая шина. Так как концентратор повторяет данные, при­шедшие с любого порта, на всех остальных портах, то они появляются одновремен­но на всех физических сегментах сети, как и в сети с физической общей шиной. Логика доступа к сети совершенно не меняется: все компоненты алгоритма случай­ного доступа определение незанятости среды, захват среды, распознавание и от­ работка коллизий остаются в силе. Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не толь­ко для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надеж­ности. Например, если какой-либо компьютер сети Ethernet с физической общей шиной из-за сбоя начинает непрерывно передавать данные по общему кабелю, то вся сеть выходит из строя, и для решения этой проблемы остается только один выход вручную отсоединить сетевой адаптер этого компьютера от кабеля. В сети Ethernet, построенной с использованием концентратора, эта проблема может быть решена автоматически концентратор отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть. Кон­центратор может блокировать некорректно работающий узел и в других случаях, выполняя роль некоторого управляющего узла.

Логическая структуризация сети Физическая структуризация сети полезна во многих отношениях, однако в ряде случаев, обычно относящихся к сетям большого и среднего размера, невозможно обойтись без логической структуризации сети. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределе­ния передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети. В большой сети естественным образом возникает неоднородность информа­ционных потоков: сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, отделов, филиалов предприятия и других административных образований. Очень часто наиболее интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, при­надлежащими к одной подсети, и только небольшая часть обращений происхо­дит к ресурсам компьютеров, находящихся вне локальных рабочих групп. (До недавнего времени такое соотношение графиков не подвергалось сомнению, и был даже сформулирован эмпирический закон «80/20», в соответствии с кото­рым в каждой подсети 80 % трафика является внутренним и только 20 % вне­ шним.) Сейчас характер нагрузки сетей во многом изменился, широко внедряется технология intranet, на многих предприятиях имеются централизованные храни­лища корпоративных данных, активно используемые всеми сотрудниками пред­приятия. Все это не могло не повлиять на распределение информационных потоков. И теперь не редки ситуации, когда интенсивность внешних обращений выше интенсивности обмена между «соседними» машинами. Но независимо от того, в какой пропорции распределяются внешний и внутренний трафик, для повыше­ ния эффективности работы сети неоднородность информационных потоков не­обходимо учитывать.

Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается не­адекватной структуре информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает ее на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится уз­ким местом. Компьютеры одного отдела вынуждены ждать, когда окончит обмен пара компьютеров другого отдела, и это при том, что необходимость в связи между компьютерами двух разных отделов возникает гораздо реже и требует совсем не­большой пропускной способности. Этот случай иллюстрирует рис. 3 а. Здесь показана сеть, построенная с ис­пользованием концентраторов. Пусть компьютер А, находящийся в одной подсети с компьютером В, посылает ему данные. Несмотря на разветвленную физическую структуру сети, концентраторы распространяют любой кадр по всем ее сегментам. Поэтому кадр, посылаемый компьютером А компьютеру В, хотя и не нужен компьютерам отделов 2 и 3, в соответствии с логикой работы концентраторов поступает на эти сегменты тоже. И до тех пор, пока компьютер В не получит адресованный ему кадр, ни один из компьютеров этой сети не сможет передавать данные.

Рис. 3.а.

Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура данной сети осталась однородной она никак не учитывает увеличение интенсивности трафика внутри отдела и предоставляет всем парам компьютеров равные возможности по обмену информацией (рис. 3 б). Рис. 3.б. Противоречие между логической структурой сети и структурой информационных потоков

Решение проблемы состоит в отказе от идеи единой однородной разделяемой среды. Например, в рассмотренном выше примере желательно было бы сделать так, чтобы кадры, которые передают компьютеры отдела 1, выходили бы за преде­лы этой части сети в том и только в том случае, если эти кадры направлены како­му-либо компьютеру из других отделов. С другой стороны, в сеть каждого из отделов должны попадать те и только те кадры, которые адресованы узлам этой сети. При такой организации работы сети ее производительность существенно повыситься, так как компьютеры одного отдела не будут простаивать в то время, когда обмени­ваются данными компьютеры других отделов. Нетрудно заметить, что в предложенном решении мы отказались от идеи общей разделяемой среды в пределах всей сети, хотя и оставили ее в пределах каждого отдела. Пропускная способность линий связи между отделами не должна совпадать с пропускной способностью среды внутри отделов. Если трафик между отделами составляет только 20% трафика внутри отдела (как уже отмечалось, эта величина может быть другой), то и пропускная способность линий связи и комму­никационного оборудования, соединяющего отделы, может быть значительно ниже внутреннего трафика сети отдела. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Мост (bridge) делит разделяемую среду передачи сети на части, передавая информацию из одного сегмента в дру­гой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производи­тельность передачи данных в сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным, так как кадры не выходят за пределы своего сегмента и их сложнее перехватить злоумышленнику. На рис. 4 показана сеть, которая была получена из сети с центральным кон­центратором (см. рис. 3) путем его замены на мост. Сети 1-го и 2-го отделов состоят из отдельных логических сегментов, а сеть отдела 3 из двух логических сегментов. Каждый логический сегмент построен на базе концентратора и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связываю­щими компьютеры с портами концентратора. Мосты используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров, то затрудняет распознавание принадлежности того или иного компьютера к определенному логическому сегменту сам адрес не содержит никакой информации этому поводу. Поэтому мост достаточно упрощенно представляет деление сети сегменты он запоминает, через какой порт на него поступил кадр данных от каждого компьютера сети, и в дальнейшем передает кадры, предназначенные для о компьютера, на этот порт. Точной топологии связей между логическими сегментами мост не знает.

Из-за этого применение мостов приводит к значительным ограничениями на конфигурацию связей сети сегменты должны быть соединены таким образом, чтобы в сети не образовывались замкнутые контуры. Рис. 4. Логическая структуризации сети с помощью моста

Коммутатор (switch, switching hub) по принципу обработки кадров ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по ал­горитму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что ком­мутаторы это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в парал­лельном режиме. Ограничения, связанные с применением мостов и коммутаторов по тополо­гии связей, а также ряд других, привели к тому, что в ряду коммуникационных устройств появился еще один тип оборудования маршрутизатор (router). Марш­рутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Маршрутизаторы образуют логические сег­менты посредством явной адресации, поскольку используют не плоские аппарат­ные, а составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью (subnet).

Кроме локализации графика маршрутизаторы выполняют еще много других полезных функций. Так, маршрутизаторы могут работать в сети с замкнутыми контурами, при этом они осуществляют выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Сеть, представленная на рис. 5, отличается от своей предшественницы (см. рис. 4) тем, что между подсетями отделов 1 и 2 проложе­на дополнительная связь, которая может использоваться как для повышения производительности сети, так и для повышения ее надежности. Рис. 5. Логическая структуризация сети с помощью маршрутизаторов.

Другой очень важной функцией маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий, например Ethernet и X.25. Кроме перечисленных устройств отдельные части сети может соединять шлюз (gateway). Обычно основной причиной по которой в сети используют шлюз является необходимость объединить сети с разными типами сетевого и прикладного программного обеспечения, а не желание локализовать трафик. Тем не менее шлюз обеспечивает и локализацию трафика, в качестве некоторого побочного эффекта. Крупные сети практически никогда не строятся без логической структуризации. Для отдельных сегментов и подсетей характерны типовые однородные топологии базовых технологий, и для их объединения всегда используется оборудова­ние, обеспечивающее локализацию трафика, мосты, коммутаторы, маршрутиза­торы и шлюзы.