Лабораторна робота №2. Активне мережеве обладнання

Тема роботи: Активне мережеве обладнання.

Мета роботи: Проаналізувати основні топології комп’ютерних мереж та ознайомитись із загальною характеристикою і класифікацією активного мережевого обладнання та функціонуванням мереж типу Ethernet.

Теоретичні відомості.

Топології локальних комп’ютерних мереж.

Під топологією (компонуванням, конфігурацією, структурою) комп'ютерної мережі звичайно розуміється фізичне розташування комп'ютерів мережі один щодо іншого та спосіб їх з'єднання лініями зв'язку. Важливо відзначити, що поняття топології ставиться, насамперед, до локальних мереж, у яких структуру зв'язків можна легко простежити. У глобальних мережах структура зв'язків звичайно схована від користувачів і не надто важлива, тому що кожний сеанс зв'язку може виконуватися по своєму власному шляху.

Топологія комп'ютерної мережi відображає структуру зв'язків між її основними функціональними елементами. В залежностi від компонентів, що розглядаються, розрізняють фізичну i логічну структури локальних мереж. Фізична структура визначає топологію фізичних з'єднань між комп'ютерами. Логічна структура визначає логічну організацію взаємодії комп'ютерів між собою. Доповнюючи одна одну, фізична та логічна структури дають найповніше уявлення про комп'ютерну мережу.

Топологія мережі спричиняється її характеристиками. Зокрема, вибір тієї або іншої топології впливає на:

склад необхідного мережного встаткування;

характеристики мережного встаткування;

можливості розширення мережі;

спосіб керування мережею.

· Топологія повного з'єднання – це мережева топологія, в якій існує прямий шлях (гілка) між будь-якими двома вузлами, тобто граф мережі є повним. У такому графі з n вузлами існує n(n-1)/2 гілок. Повне з'єднання можна розглядати як частковий випадок сіткової топології.

· Топологія сітка - це мережева топологія, в якій існують щонайменше два вузли з двома або більше шляхами між ними.

· Кільцева топологія - це мережева топологія, в якій кожен вузол має точно два зв'язки з іншими вузлами.

· Топологія дерева - ця мережева топологія, яка описується графом без контурів (петель). У мережі з топологією дерева існує один виділений вузол, який є коренем дерева.

· Зіркова топологія -.мережева топологія, яка є частковим випадком топології дерева, а саме – дворівневим деревом. Центральний вузол відповідає кореню дерева.

· Лінійна (ланцюгова) топологія -.це топологія, у якій кожен вузол з'єднаний з попереднім та наступним відносно себе. Частковий випадок дерева виникає з кільцевої топології при видаленні однієї гілки.

· Змішана (гібридна) топологія - це поєднання двох або більшої кількості мережевих топологій. Можна навести приклади, коли дві об'єднані основні мережеві топології не змінюють характеру топології мережі і тому створюють гібридні мережі. Наприклад, сполучення мереж з топологією дерева дає мережу з такою ж топологією. Тому гібридна топологія мережі виникає тільки тоді, коли сполучені дві мережі з основними топологіями дають у результаті мережу, топологія якої не відповідає жодному з означень основних топологій. Наприклад, дві мережі із зірковою топологією при об'єднанні утворюють мережу з гібридною топологією. Гібридна топологія мережі виникає також при сполученні мереж із різними видами топологій.

Найбільш широко використовуються наступні топології:

ü зірка,

ü спільна шина,

ü кільце.

На базі цих трьох топологій будуються всі мережі.

На рис. 2.1 показані комп'ютери з'єднані зіркою. У цьому випадку кожен комп'ютер через спеціальний мережевий адаптер під'єднується окремим кабелем до об'єднуючого пристрою. При необхідності можна об'єднати разом кілька мереж з топологією "зірка", при цьому ми одержуємо розгалужену конфігурацію мережі.

Рис. 2.1. Топологія “зірка”

Велика перевага топології «зірка» полягає в тому, що всі точки підключення зібрані в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності мережі шляхом простого відключення від центра тих або інших абонентів (що неможливо, наприклад, у випадку шини), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливого для мережі точкам підключення.

Загальним недоліком для всіх топологій типу «зірка» є значно більша, ніж при інших топологіях, витрата кабелю. Це може істотно вплинути на вартість всієї мережі в цілому.

Топологія "спільна шина" передбачає використання одного кабелю до якого підключаються всі комп'ютери мережі (рис. 2.2).

У випадку топології "спільна шина" кабель використовується спільно усіма станціями по черзі. Приймаються спеціальні заходи для того, щоб при роботі з спільним кабелем комп'ютери не заважали один одному передавати і приймати дані.

Рис 2.2 Топологія “спільна шина”

В топології "спільна шина" всі повідомлення, що посилались окремими комп'ютерами, приймаються усіма іншими комп'ютерами, що підключені до мережі. Надійність тут вища, так як вихід з ладу окремих комп'ютерів не порушить працездатності мережі в цілому.

Пошук несправності в кабелі ускладнений. Крім того, так як використовується один кабель, то в випадку обриву порушується робота всієї мережі. При проходженні по лінії зв’язку мережі з топологією «шина» інформаційні сигнали послабляються й ніяк не відновлюються, що накладає тверді обмеження на сумарну довжину ліній зв’язку, крім того, кожний абонент може одержувати з мережі сигнали різного рівня залежно від відстані до передавального абонента. Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережного устаткування. Для збільшення довжини мережі з топологією «шина» часто використовують кілька сегментів (кожний з яких являє собою шину), з’єднаних між собою за допомогою спеціальних відновлювачів сигналів - репітерів.

Використовуються також топологія "кільце" (рис. 2.3). У цьому випадку дані передаються від одного комп'ютера до іншого ніби по естафеті. Якщо комп'ютер одержує дані призначені для другого комп'ютера, він передає їх далі по кільцю. Якщо дані одержав той, кому вони були адресовані, вони далі не передаються.

Велика перевага кільця полягає в тому, що ретрансляція сигналів кожним абонентом дозволяє істотно збільшити розміри всієї мережі в цілому (часом до декількох десятків кілометрів). Кільце щодо цього істотно перевершує будь-які інші топології.

Недоліком кільця (у порівнянні із зіркою) можна вважати те, що до кожного комп’ютера мережі необхідно підвести два кабелі.

Рис. 2.3 Топологія “кільце”.

Іноді топологія «кільце» виконується на основі двох кільцевих ліній зв’язку, що передають інформацію в протилежних напрямках. Мета подібного рішення – збільшення (в ідеалі удвічі) швидкості передачі інформації. До того ж при ушкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем (правда, гранична швидкість зменшиться).

Локальна мережа може використовувати одну із вище перерахованих топологій. Яку саме залежить від кількості об'єднаних комп'ютерів, їх місця розташування та інших умов. Можна також об'єднати кілька локальних мереж, які використовують різну топологію, в єдину локальну мережу. Тоді отримаємо деревоподібну топологію.

Характеристики топологій локальних мереж приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Характеристики топологій локальних мереж

Характеристики	Топологія
Зірка	Кільце	Спільна шинна
Розміри системи	Необмежені	Необмежені	Обмежені
Захист від прослуховування	Добрий	Добрий	Задовільний
Вартість підключення	Низька	Низька	Висока
Поведінка системи при високих навантаженнях	Добра	Задовільна	Погана
Можливість роботи в режимі реального часу	Дуже добра	Добра	Погана
Прокладання кабелю	Добра	Задовільна	Добра
Обслуговування	Дуже добре	Задовільне	Задовільне

Еволюція активного обладнання мереж

Для забезпечення роботи комп'ютерної мережі необхідно мережеве обладнання. Мережеве обладнання - це пристрої, необхідні для роботи комп'ютерної мережі, наприклад: маршрутизатор, комутатор, концентратор, патч-панель і ін Зазвичай виділяють активне і пасивне мережеве обладнання.

До активного мережевого обладнання відносять концентратори, комутатори, маршрутизатори, мережеві адаптери, тобто мережеве телекомунікаційне обладнання, яке можна назвати «інтелектуальним», тоді як функція пасивного мережевого обладнання складається тільки в забезпеченні передачі сигналу. Активні пристрої, як правило, виконують певні операції з сигналом, тобто можуть підсилювати його або перетворювати з одного виду в інший. Для цього вони вимагають наявності зовнішнього джерела живлення.

Карта мережевого інтерфейсу (Network Interface Card - NIC), яку також називають мережевим адаптером або мережевою картою - це пристрій, який здійснює фізичне під’єднання комп’ютера до мережі, тобто забезпечує фізичне сполучення між мережевим кабелем і внутрішньою шиною комп’ютера. У більшості випадків ця карта встановлюється безпосередньо в шину розширення комп’ютера. В окремих випадках карта може бути частиною окремого пристрою, до якого комп’ютер під’єднаний через паралельне або послідовне сполучення.

Карта мережевого інтерфейсу отримує дані від персонального комп’ютера, перетворює їх до відповідного формату і пересилає через кабельну систему до іншої мережевої карти; остання приймає дані, переводить їх у форму, зрозумілу для даного комп’ютера і висилає їх у цей комп’ютер.

Для вирішення проблеми міжмережевої взаємодії виробниками обладнання пропонуються різні інтерфейсні пристрої - повторювачі (repeater), мости (bridge), комутатори (switch), маршрутизатори (router), мости- маршрутизатори (bridge/router, brouter) і шлюзи (gateway).

Основна різниця між цими пристроями полягає в тому, що у відповідності з прийнятою ISO (Міжнародною Організацією по Стандартизації) семирівневої моделі відкритих систем OSI, повторювачі діють на першому (фізичному) рівні (Physical Layer), мости - на другому рівні (Data Link Layer), а маршрутизатори - це пристрої, які діють на третьому (мережевому) рівні (Network Layer).

Повторювач - це пристрій, який отримує електричний або оптичний сигнал із кабеля через один інтерфейс, регенерує його і висилає в кабель через другий інтерфейс. Завданням повторювача є пересилання будь-якого вхідного сигналу до всіх інших портів без модифікації або непотрібної затримки. Це означає також пересилання сигналів колізій, фрагментів рамок, шумів. Повторювачі можуть мати два або більше портів. Прикладом багатопортового повторювача є х аб у мережі Ethernet. Порти повторювача не мусять бути ідентичними. Вони можуть передавати сигнали від входу для провідного кабеля до входу для оптоволоконного кабеля, але це можливе тільки в межах тієї самої топології. Наприклад, можна переслати сигнал від 10Base-T до 10Base-F, але не можна побудувати повторювач для мереж різних типів, наприклад, для Ethernet і TokenRing; пристрої, які можуть здійснювати такі сполучення, називають мостами. Всередині повторювача є два або більше трансиверів (відповідно до кількості портів) та логічні елементи, які з'єднують трансивери між собою. Оскільки повторювачі містять тільки трансивери, які не аналізують жодної інформації про регенеровані сигнали, тому їх відносять до пристроїв Рівня 1 (Фізичного рівня) моделі OSI.

Час поширення сигналу з одного кінця мережі до іншого скінчений. Стандарт Ethernet вимагає, щоб цей час не був більшим від певної частки сумарного часу, за який сигнал досягає віддаленого кінця мережі. Якщо діаметр мережі (максимальна відстань між двома станціями) занадто великий, то ця вимога не виконується і мережа не може правильно функціонувати. Проблему синхронізації не можна легковажити. Коли вимоги стандарту Ethernet не дотримані, то втрачаються рамки, характеристики мережі погіршуються, програми виконуються повільно і можуть містити помилки.

Порти повторювачів не мають власних фізичних або логічних адрес, тобто повторювачі у цьому відношенні діють подібно до загальної шини мережі Ethernet, дотримуючись протоколу CSMA/CD, і сегменти, під'єднані до портів повторювача, утворюють одну область колізій. Трафік, генерований одним сегментом, передається через повторювач до інших сегментів. Це спричиняє зростання сумарного трафіку, так що, коли мережеві сегменти дуже завантажені, то застосування повторювачів не рекомендується.

Сьогоднішні модульні концентратори (повторювачі) часто дозволяють організувати кілька сегментів, кожний з який надає користувачам окрему поділювану смугу. Деякі концентратори дозволяють програмним шляхом розділяти порти пристрою на незалежні сегменти. Така можливість називається переключенням портів. Концентратор, приміром, може містити три різних сегменти Ethernet, організовані внутрішніми засобами хаба. Переключення портів забезпечує адміністратору мережі високу гнучкість організації сегментів, дозволяючи переносити порти з одного сегмента в іншій програмними засобами. Ця можливість особливо корисна для розподілу навантаження між сегментами Ethernet і зниження витрат, пов'язаних з подібними операціями. Переключення портів, статичне зв'язування портів з різними сегментами Ethernet - сильно відрізняється від описаної нижче комутації Ethernet.

Концентратор (hub) ще інколи називають багатопортовим повторювачем завдяки тому, що функції його нічим не відрізняються від попереднього пристрою. Єдина відмінність концентратора полягає в тому, що він, як правило, має більше ніж 2 порти – 5, 8, 12, 24 або навіть 48.

Концентратори можна також умовно розбити на певні групи:

- активні – вони можуть регенерувати сигнали у мережі завдяки наявності зовнішнього джерела живлення, а значить, і збільшувати шлях проходження сигналу по середовищу;

- пасивні – служать лише для організації фізичної зіркової топології і не підсилюють сигнал, не збільшуючи відстань від відправника до отримувача;

- програмовані (intelligent) – мають консольні порти і можуть бути запрограмовані для управління мережевим трафіком;

- непрограмовані (dumb) – не володіють можливостями управління трафіком; приймають сигнал на вхідному порті і передають його на всі інші порти крім вхідного без змін.

Більшість концентраторів, що використовуються на даний момент у мережах, є активними непрограмованими і працюють за їх алгоритмом.

Мости дозволяють сегментувати мережі на менші частини, у яких загальне середовище розділяється невеликим числом користувачів.

Функцією моста є об’єднання окремих локальних мереж на Канальному рівні (підрівень MAC). Мости можуть з’єднувати різні типи мереж (такі як Ethernet і Fast Ethernet) або мережі однакового типу. Оскільки мости працюють на Рівні 2, вони мають доступ до фізичних адрес станцій в сегментах мереж, під’єднаний до моста. Після встановлення фізичних адрес станції-джерела і станції-призначення, які беруть участь в обміні інформацією, мости можуть здійснювати доступ до сегментів на основі фізичних адрес. Це дозволяє пропускати через мости тільки необхідний трафік. Якщо рамка, прийнята мостом, адресована до станції в тому ж сегменті, то вона не передається до інших сегментів (фільтрується); якщо ж станція-джерело і станція-призначення розташовані в різних сегментах, то міст висилає рамку до належного сегменту. Крім того, мости запобігають передаванню всіх помилкових або погано вирівняних пакетів.

Мости здійснюють механізм сполучення двох або більшої кількості окремих сегментів локальної мережі на рівні даних. Сьогодні є різні підстави для застосування мостів. В багатьох організаціях різні підрозділи всюди збільшують окремі локальні мережі без будь-якої думки про їх погодженість або сумісність. В багатьох випадках застосовуються різні типи локальних мереж. Для використання нових мережевих послуг виникають наміри з’єднати ці мережі між собою. Однак багато робочих станцій мережі були спроектовані в припущенні, що вони будуть взаємодіяти в одній локальній мережі з одним мережевим протоколом. Тому бажано допускати з’єднання локальних мереж без потреби безпосередньої взаємодії індивідуальних станцій. Пристрої, які забезпечують таку можливість - це мости.

Комутатор Ethernet використовується на рівні доступу. Як і концентратор, комутатор з'єднує кілька вузлів з мережею. На відміну від концентратора, комутатор може передати повідомлення конкретному вузлу. Коли вузол відправляє повідомлення іншому вузлу через комутатор, той приймає і декодує кадри та зчитує фізичну (MAC) адресу повідомлення.

У таблиці комутатора, що називається таблицею MAC-адрес, перебуває список активних портів і адрес підключених до них вузлів. Коли вузли обмінюються повідомленнями, комутатор перевіряє, чи є в таблиці MAC-адреса. Якщо так, комутатор встановлює між джерелом та адресатом тимчасове з'єднання, що називається лінією. Ця нова лінія являє собою спеціалізований канал, по якому два вузли обмінюються даними. Інші вузли, підключені до комутатора, працюють на різних смугах пропускання каналу і не приймають повідомлення, адресовані не їм. Для кожного нового з'єднання між вузлами створюється нова лінія. Такі лінії дозволяють встановлювати кілька зв'язків одночасно, без зіткнень.

Комутатор будує таблицю MAC-адрес, перевіряючи MAC-адресу джерела в кожному кадрі, що проходить між вузлами. Коли новий вузол відправляє повідомлення або відповідає на повідомлення з масового розсилання, комутатор негайно з'ясовує його адресу і порт, до якого він підключений. Таблиця динамічно оновлюється щоразу, коли комутатор зчитує нову MAC-адресу джерела. У такий спосіб він швидко довідується адреси всіх підключених вузлів.

Іноді до порту комутатора підключають інший мережевий пристрій, наприклад, концентратор. Це збільшує кількість вузлів, які можна підключити до мережі. Якщо до порту комутатора підключений концентратор, то MAC-адреси всіх вузлів, підключених до концентратора, зв'язуються з одним портом. Трапляється, що один вузол підключеного концентратора відправляє повідомлення іншому вузлу того ж пристрою. У цьому випадку комутатор приймає кадр і перевіряє місцезнаходження вузла призначення по таблиці. Якщо вузли джерела й призначення підключені до одного порту, комутатор відхиляє повідомлення.

Одним із найбільш поширених комутаторів Сisco є модель Cisco 2960, рис. 2.4.

Рис.2.4. Комутатор Cisco 2960.

Якщо концентратор підключений до порту комутатора, можливі зіткнення. Концентратор передає пошкоджені при зіткненні повідомлення всім портам. Комутатор приймає пошкоджене повідомлення, але, на відміну від концентратора, не переправляє його. В результаті, у кожного порту комутатора створюється окремий домен колізій. Чим менше в домені колізій вузлів, тим менш імовірне зіткнення.

Маршрутизатори є високоефективним засобом для з’єднання різних ЛКМ в мережеві структури довільної складності. На відміну від мостів маршрутизатори працюють з логічними ідентифікаторами кожного сегменту мережі. Це дозволяє об’єднувати множину логічно різних підмереж, кожна з яких є в принципі незалежним адміністративним доменом.

Сучасні маршрутизатори є багатопротокольними і, на відміну від мостів, містять програмний модуль, що забезпечує реалізацію відповідного протоколу і працює з більш повною інформацією, що зберігається в базі даних маршрутизатора - таблиці маршрутизації.

Принципова різниця між базами даних маршрутизатора і моста полягає в тому, що таблиця маршрутизації містить інформацію про шляхи (маршрути), пройдені кожним пакетом по мережі від відправника до отримувача.

На рис.2.5 представлено маршрутизатор Cisco 1841.

Рис. 2.5 Маршрутизатор Cisco 1841.

Шлюзи забезпечують ще більш інтелектуальний і, відповідно, більш повільний сервіс. Як і люди, ком’ютери “розмовляють” на різних мовах. Мови, що дозволяють комп’ютерам спілкуватись, називаються протоколами. Шлюзи переводять різні мережеві протоколи і таким чином дозволяють різним мережевим пристроям не просто з’єднуватись, а працювати як єдина мережа.