Мережеві пристрої. Властивості мережевих пристроїв та їх функції.

Мережеві пристрої.

Пристрої, підключені до якого-небудь сегменту мережі, називають мережевими пристроями. Їх заведено поділяти на 2 групи:

• Пристрої користувача. У цю групу входять комп’ютери, принтери, сканери та інші пристрої, які виконують функції, необхідні безпосередньо користувачеві мережі;

• Мережеві пристрої. Ці пристрої дозволяють здійснювати зв’язок з іншими мережевими пристроями або пристроями кінцевого користувача. У мережі вони виконують специфічні функції.

Нижче більш докладно описані типи пристроїв і їх функції.

Типи мережевих пристроїв.

Мережеві карти:

Пристрої, які пов’язують кінцевого користувача з мережею, називаються також кінцевими вузлами або станціями (host). Прикладом таких пристроїв є звичайний персональний комп’ютер або робоча станція (потужний комп’ютер, що виконує певні функції, що вимагають великої обчислювальної потужності. Наприклад, обробка відео, моделювання фізичних процесів і т.д.). Для роботи в мережі кожен хост оснащений платою мережного інтерфейсу (Network Interface Card – NIC), також званої мережним адаптером. Як правило, такі пристрої можуть функціонувати та без комп’ютерної мережі.

Мережева карта має друковану плату, яка вставляється в слот на материнській платі комп’ютера, або зовнішній пристрій. Кожен адаптер NIC має унікальний код, званий MAC-адресою. Ця адреса використовується для організації роботи цих пристроїв в мережі. Мережеві пристрої забезпечують транспортування даних, які необхідно передавати між пристроями кінцевого користувача. Вони подовжують і об’єднують кабельні з’єднання, перетворюють дані з одного формату в інший і управляють передачею даних. Прикладами пристроїв, що виконують перераховані функції, є:

• повторювачі;

• концентратори;

• мости;

• комутатори;

• маршрутизатори.

Ретранслятори

Ретранслятори (репітери)  – являють собою мережеві пристрої, що функціонують на першому, фізичному рівні еталонної моделі OSI. Для того, щоб зрозуміти роботу ретранслятора, необхідно знати, що в міру того, як дані залишають пристрій відправника і виходять в мережу, вони перетворюються в електричні або світлові імпульси, які після цього передаються по мережевому середовищі. Такі імпульси називаються сигналами. Коли сигнали залишають передавальну станцію, вони є чіткими та легко розпізнаваними. Однак чим більше довжина кабелю, тим слабшим і менш помітним стає сигнал у міру проходження по мережевому передавальному середовищі. Метою використання ретранслятора є регенерація і ресинхронізація мережевих сигналів на побутовому рівні, що дозволяє передавати їх по середовищі на більшу відстань. Термін повторювач (repeater) спочатку означав окремий порт ” на вході ” деякого пристрою та окремий порт на його ” виході ”. Зараз використовуються також ретранслятори з декількома портами. У передових моделях повторювачі класифікуються як пристрою першого рівня, оскільки вони функціонують тільки на побутовому рівні та не переглядають іншу міститься в пакеті інформацію.

Концентратори

Концентратор – це один з видів мережевих пристроїв, які можна встановлювати на рівні доступу мережі Ethernet. На концентраторах є кілька портів для підключення вузлів до мережі. Концентратори – це прості пристрої, не обладнані необхідними електронними компонентами для передачі повідомлень між вузлами в мережі. Концентратор не в змозі визначити, якому вузлу призначене конкретне повідомлення. Він просто бере електронні сигнали одного порту і відтворює (або ретранслює) те саме повідомлення для всіх інших портів.

Для відправки та отримання повідомлень всі порти концентратора Ethernet підключаються до одного і того ж каналу. Концентратор називається пристроєм із загальною пропускною здатністю, оскільки всі вузли в ньому працюють на одній смузі одного каналу.

Концентратори та ретранслятори мають схожі характеристики, тому концентратори часто називають багатопортовими ретрансляторами (multiport repeater). Різниця між ретрансляторами та концентратором полягає лише в кількості кабелів, приєднаних до пристрою. У той час як повторювач має тільки два порти, концентратор зазвичай має від 4 до 20 і більше портів.

Властивості концентраторів:

• концентратори підсилюють сигнали;

• концентратори поширюють сигнали через мережу;

• концентраторів не потрібно фільтрація;

• концентраторів не потрібно визначення маршрутів і комутації пакетів;

• концентратори використовуються як точки об’єднання трафіку в мережі.

Концентратори вважаються пристроями першого рівня, оскільки вони всього лише регенерують сигнал і повторюють його на всіх своїх портах (на вихідних мережевих з’єднаннях). Мережевий адаптер вузла приймає тільки повідомлення, адресовані на правильну MAC-адресу. Вузли ігнорують повідомлення, які адресовані не їм. Тільки вузол, якому адресовано дане повідомлення, обробляє його і відповідає відправнику.

Для відправки та отримання повідомлень все порти концентратора Ethernet підключаються до одного і того ж каналу. Концентратор називається пристроєм із загальною пропускною здатністю, оскільки всі вузли в ньому працюють на одній смузі одного каналу.

Через концентратор Ethernet можна одночасно відправляти тільки одне повідомлення. Можливо, два або більше вузла, підключені до одного концентратора, спробують одночасно відправити повідомлення. При цьому відбувається зіткнення електронних сигналів, з яких складається повідомлення.

Абонентські вузли, що зіткнулися повідомлення спотворюються. Вузли не зможуть їх прочитати. Оскільки концентратор НЕ декодує повідомлення, він не виявляє, що воно спотворене, і повторює його всім портам. Область мережі, в якій вузол може отримати викривлене при зіткненні повідомлення, називається доменом колізій.

Усередині цього домену вузол, який отримав спотворене повідомлення, виявляє, що сталася колізія. Кожен відправляє вузол якийсь час чекає і потім намагається знову відправити або переправити повідомлення. У міру того, як кількість підключених до концентратора вузлів зростає, зростає і ймовірність зіткнення. Чим більше зіткнень, тим більше буде повторів. При цьому мережа перевантажується, і швидкість передачі мережевого трафіку падає. Тому розмір домену колізій необхідно обмежити.

Мережеві мости

Міст (bridge) – являє собою пристрій другого рівня, призначене для створення двох або більше сегментів локальної мережі LAN, кожен з яких є окремим колізійним доменом. Іншими словами, мости призначені для більш раціонального використання смуги пропускання. Метою моста є фільтрація потоків даних в LAN-мережі з тим, щоб локалізувати внутрішню передачу даних і разом з тим зберегти можливість зв’язку з іншими частинами (сегментами) LAN-мережі для перенаправлення туди потоків даних. Кожне мережевий міст має пов’язаний з NIC-картою унікальну MAC-адресу. Міст збирає інформацію про те, на який його стороні (порте) знаходиться конкретну MAC-адресу, і приймає рішення про пересилку даних на підставі відповідного списку MAC-адрес. Мости здійснюють фільтрацію потоків даних на основі тільки MAC-адрес вузлів. З цієї причини вони можуть швидко пересилати дані будь-яких протоколів мережевого рівня. На рішення про пересилання не впливає тип використовуваного протоколу мережевого рівня, внаслідок цього мости приймають рішення тільки про те, пересилати або не відсилаються фрейм, і це рішення ґрунтується лише на MAC-адресу одержувача. Нижче наведені найбільш важливі властивості мостів.

Властивості мережевих мостів:

• Мости є більш «інтелектуальними» пристроями, ніж концентратори. «Більш інтелектуальні» в цьому випадку це означає, що вони можуть аналізувати вхідні фрейми та пересилати їх (або відкинути) на основі адресної інформації.

• Мости збирають і передають пакети між двома або більше сегментами LAN-мережі.

• Мости збільшують кількість доменів колізій (і зменшують їх розмір шляхом сегментації локальної мережі), що дозволяє декільком пристроям передавати дані одночасно, не викликаючи колізій.

• Мости підтримують таблиці MAC-адрес.

Функції мережевих мостів:

Відмінними функціями мережевого моста є фільтрація фреймів на другому рівні та використовується при цьому спосіб обробки трафіку. Для фільтрації або вибіркової доставки даних міст створює таблицю всіх MAC-адрес, розташованих в даному мережевому сегменті та в інших відомих йому мережах, і перетворює їх у відповідні номери портів. Цей процес детально описаний нижче.

Етап 1. Якщо пристрій пересилає фрейм даних вперше, міст шукає в ньому MAC-адресу пристрою відправника і записує його у свою таблицю адрес.

Етап 2. Коли дані проходять по мережевому середовищі та надходять на порт моста, він порівнює міститься в них MAC-адресу пункту призначення з MAC-адресами, що знаходяться в його адресних таблицях.

Етап 3. Якщо міст виявляє, що MAC-адресу одержувача належить тому ж мережевому сегменту, в якому знаходиться відправник, то він не пересилає ці дані в інші сегменти мережі. Цей процес називається фільтрацією (filtering). Шляхом такої фільтрації мости можуть значно зменшити обсяг переданих між сегментами даних, оскільки при цьому виключається непотрібне пересилання трафіку.

Етап 4. Якщо міст визначає, що MAC-адресу одержувача знаходиться в сегменті, відмінному від сегмента відправника, він направляє дані тільки в відповідний сегмент.

Етап 5. Якщо MAC-адресу одержувача мосту невідомий, він розсилає дані в усі порти, за винятком того, з якого ці дані були отримані. Такий процес називається лавинною розсилкою (flooding). Лавинна розсилка фреймів також використовується в комутаторах.

Етап 6. Міст будує свою таблицю адрес (найчастіше її називають бруківці таблицею або таблицею комутації), вивчаючи MAC-адреси відправників у фреймах. Якщо MAC-адресу відправника блоку даних, фрейму, відсутня в таблиці моста, то він разом з номером інтерфейсу заноситься в адресну таблицю. У комутаторах, якщо розглядати (в найпростішому наближенні) комутатор як багатопортовий міст, коли пристрій виявляє, що MAC-адресу відправника, який йому відомий і разом з номером порту занесений в адресну таблицю пристрою, з’являється на іншому порту комутатора, то він оновлює свою таблицю комутації. Комутатор передбачає, що мережевий пристрій було фізично переміщено з одного сегмента мережі в іншій.

Комутатори

Комутатори використовують ті ж концепції та етапи роботи, які характерні для мережевих мостів. У найпростішому випадку комутатор можна назвати багатопортовим мостом, але в деяких випадках таке спрощення неправомірно.

Комутатор Ethernet використовується на рівні доступу. Як і концентратор, комутатор з’єднує кілька вузлів з мережею. На відміну від концентратора, комутатор в змозі передати повідомлення конкретному вузлу. Коли вузол відправляє повідомлення іншого вузла через комутатор, той приймає і декодує кадри та зчитує фізичний (MAC) адреса повідомлення.

У таблиці комутатора, яка називається таблицею MAC-адрес, знаходиться список активних портів і MAC-адрес підключених до них вузлів. Коли вузли обмінюються повідомленнями, комутатор перевіряє, чи є в таблиці MAC-адресу. Якщо так, комутатор встановлює між портом джерела і призначення тимчасове з’єднання, яке називається канал. Цей новий канал являє собою призначений канал, по якому два вузли обмінюються даними. Інші вузли, підключені до комутатора, працюють на різних смугах пропускання каналу і не приймають коментарі, адресовані не їм. Для кожного нового з’єднання між вузлами створюється новий канал. Такі окремі канали дозволяють встановлювати декілька з’єднань одночасно без виникнення колізій.

Оскільки комутація здійснюється на апаратному рівні, це відбувається значно швидше, ніж аналогічна функція, виконувана мостом за допомогою програмного забезпечення (Слід звернути увагу, що міст вважається пристроєм з програмної, комутатор з апаратної комутацією.). Кожен порт комутатора можна розглядати як окремий мікроміст. При цьому кожен порт комутатора надає кожній робочій станції всю смугу пропускання середовища передачі. Такий процес називається мікросегментації.

Мікросегментація (microsegmentation) дозволяє створювати приватні, або виділені сегменти, в яких є тільки одна робоча станція. Кожна така станція отримує миттєвий доступ до всієї смуги пропускання, і їй не доводиться конкурувати з іншими станціями за право доступу до передавального середовища. У дуплексних комутаторах не відбувається колізій, оскільки до кожного порту комутатора приєднано тільки один пристрій.

Однак, як і міст, комутатор пересилає широкомовні пакети всім сегментам мережі. Тому в мережі, що використовує комутатори, всі сегменти повинні розглядатися як один широкомовний домен.

Деякі комутатори, головним чином найсучасніші пристрої та комутатори рівня підприємства, здатні виконувати операції на декількох рівнях. Наприклад, пристрої серій Cisco 6500 і 8500 виконують деякі функції третього рівня.

Іноді до порту комутатора підключають інший мережний пристрій, наприклад, концентратор. Це збільшує кількість вузлів, які можна приєднати до мережі. Якщо до порту комутатора підключений концентратор, MAC-адреси всіх вузлів, підключених до концентратора, зв’язуються з одним портом. Буває, що один вузол підключеного концентратора відправляє повідомлення іншого вузла того ж пристрою. В цьому випадку комутатор приймає кадр і перевіряє місцеперебування вузла призначення по таблиці. Якщо вузли джерела і призначення підключені до одного порту, комутатор відхиляє повідомлення.

Якщо концентратор підключений до порту комутатора, можливі колізії. Концентратор передає пошкоджені при зіткненні повідомлення всіх портах. Комутатор приймає пошкоджене повідомлення, але, на відміну від концентратора, що не переправляє його. В результаті у кожного порту комутатора створюється окремий домен колізій. Це добре. Чим менше вузлів в домені колізій, тим менш імовірно виникнення колізії.

Маршрутизатори

Маршрутизатор (router) являють собою пристрої об’єднаних мереж, які пересилають пакети між мережами на основі адрес третього рівня. Маршрутизатор здатні вибирати найкращий шлях в мережі для переданих даних. Функціонуючи на третьому рівні, маршрутизатор може приймати рішення на основі мережевих адрес замість використання індивідуальних MAC-адрес другого рівня. Маршрутизатор також здатні з’єднувати між собою мережі з різними технологіями другого рівня, такими, як Ethernet, Token Ring і Fiber Distributed Data Interface (FDDI – розподілений інтерфейс передачі даних по волоконно-оптичним каналам). Зазвичай маршрутизатори також з’єднують між собою мережі, що використовують технологію асинхронної передачі даних ATM (Asynchronous Transfer Mode – ATM) і послідовні з’єднання. Внаслідок своєї здатності пересилати пакети на основі інформації третього рівня, маршрутизатори стали основною магістраллю глобальної мережі Internet і використовують протокол IP.

Функції маршрутизаторів:

• Завданням маршрутизатора є інспектування вхідних пакетів (а саме, даних третього рівня), вибір для них найкращого шляху мережею і їх комутація на відповідний вихідний порт. У великих мережах маршрутизатори є головними пристроями, що регулюють переміщення через мережу потоків даних. В принципі маршрутизатори дозволяють обмінюватися інформацією будь-яких типів комп’ютерів.

• Як маршрутизатор визначає чи потрібно пересилати дані в іншу мережу? У пакеті містяться IP-адреси джерела і призначення і дані пересилається повідомлення. Маршрутизатор зчитує мережеву частину IP-адреси призначення і з її допомогою він визначає, з якої з підключених мереж найкраще переслати повідомлення адресату.

• Якщо мережева частина IP-адрес джерела і призначення не збігається, для пересилання повідомлення необхідно використовувати маршрутизатор. Якщо вузол, що знаходиться в мережі 1.1.1.0, повинен відправити повідомлення вузлу в мережі 5.5.5.0, воно переправляється маршрутизатора. Він отримує повідомлення, розпаковує і прочитує IP-адреса призначення. Потім він визначає, куди переправити повідомлення. Потім маршрутизатор знову інкапсулює пакет в кадр і переправляє його за призначенням.

Бездротові мережеві адаптери

Кожному користувачеві бездротової мережі потрібно бездротової мережевий адаптер NIC, званий також адаптером клієнта. Ці адаптери доступні у вигляді плат PCMCIA або карт стандарту шини PCI  забезпечують бездротові з’єднання як для компактних переносних комп’ютерів, так і для настільних робочих станцій. Переносні або компактні комп’ютери PC з бездротовими адаптерами NIC можуть вільно переміщатися в територіальній мережі, підтримуючи при цьому безперервний зв’язок з мережею. бездротові адаптери для шин PCI (Peripheral Component Interconnect – 32-розрядна системна шина для підключення периферійних пристроїв) і ISA (Industry-Standard Architecture – структура, що відповідає промисловому стандарту) для настільних робочих станцій дозволяють додавати до локальної мережі LAN кінцеві станції легко, швидко і без особливих матеріальних витрат. При цьому не потрібно прокладки додаткових кабелів. Всі адаптери мають антену: карти PCMCIA зазвичай випускаються з вбудованою антеною, а PCI-карти комплектуються зовнішньою антеною. Ці антени забезпечують зону прийому, необхідну для передачі та прийому даних.

Точки бездротового доступу

Точка доступу (Access Point – AP), названа також базовою станцією, являє собою бездротовий приймач локальної мережі LAN, який виконує функції концентратора, тобто центральної точки окремої бездротової мережі, або функції моста – точки з’єднання дротового і бездротового мереж. Використання декількох точок AP дозволяє забезпечити виконання функцій роумінгу (roaming), що надає користувачам бездротового доступу вільний доступ в межах певної області, підтримуючи при цьому безперервний зв’язок з мережею.

Бездротовий міст забезпечує високошвидкісні бездротові з’єднання великої дальності в межах відомості 5 (до 25 миль) між мережами Ethernet.

Бездротові мережеві мости

У бездротових мережах будь-яка точка доступу може бути використана в якості ретранслятора (точки розширення).

Отже, можна зробити висновок, що сьогодні складно знайти мережеві пристрої які виконують тільки одну функцію. Все частіше виробники інтегрують в один пристрій кілька функцій, які раніше виконувалися окремими пристроями в мережі. Тому поділ на типи пристроїв стає умовним. Потрібно тільки ясно відрізняти функції цих складових пристроїв і область їх застосування. Яскравим прикладом такої інтеграції, є маршрутизатори із вбудованими DCHP-серверами.