ФІЗИЧНА ТА ЛОГІЧНА СТРУКТУРИЗАЦІЯ МЕРЕЖ

        Причини структуризації сереж

---

У мережах з невеликою (10-30) кількістю комп'ютерів частіше за все використовується одна з типових топологій загальна шина, кільце, зірка або повнозв'язна мережа. Всі перераховані топології володіють властивістю однорідності, тобто всі комп'ютери в такій мережі мають однакові права у відношенні доступу до інших комп'ютерів (за винятком центрального комп'ютера при з'єднанні зірка). Така однорідність структури робить простою 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 трафіка, що породжується вузлами мережі.

Для зняття цих обмежень використовуються спеціальні методи структуризації мережі і спеціальне структуроутворююче обладнання повторювачі, концентратори, мости, комутатори, маршрутизатори. Обладнання такого роду також називають комунікаційним, маючи на увазі, що за допомогою нього окремі сегменти мережі взаємодіють між собою.

Розрізняють:

Топологію фізичних зв'язків (фізичну структуру мережі):в цьому випадку конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів, тобто ребрам графа відповідають відрізки кабелю, що зв'язують пари вузлів.

Топологію логічних зв'язків (логічну структуру мережі):де в якості логічних зв'язків виступають маршрути передачі даних між вузлами мережі, які утворюються шляхом відповідного налаштування комунікаційного устаткування.

Фізична структуризація мереж.

        Під фізичною топологією розуміють конфігурацію зв'язків, утворених окремими частинами кабеля, а під логічною - конфігурація інформаційних потоків між комп'ютерами мережі. У більшості випадків фізична та логічна топології співпадають. Найпростіший з комунікаційних пристроїв – повторювач (repeator) – використовується для фізичного з'єднання різноманітних сегментів кабелю локальної мережі з метою збільшення загальної довжини мережі. Повторювач передає сигнали, що приходять з одного сегмента мережі, в інші її сегменти. Повторювач дозволяє перебороти обмеження на довжину ліній зв'язку за рахунок поліпшення якості переданого сигналу – відновлення його потужності й амплітуди, поліпшення фронтів.

.

рис.1.1 Повторювач дозволяє збільшити довжину мережі Ethernet

.

       Повторювач, що має декілька портів і з'єднує декілька фізичних сегментів, часто називають концентратором (concentrator) або хабом (hub). Ці назви (hub – основа, центр діяльності) відбивають той факт, що в даному пристрої зосереджуються всі зв'язки між сегментами мережі. Концентратори характерні практично для всіх базових технологій локальних мереж – Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN.

Концентратори різних технологій:

.

рис.1.2 Концентратори різних технологій (а, б)

.

       В роботі концентраторів будь-яких технологій багато спільного – вони повторюють сигнали, що прийшли від одного зі своїх портів, на інших своїх портах. Різниця полягає в тому, на яких саме портах повторюються вхідні сигнали. Так, концентратор Ethernet повторює вхідні сигнали на усіх своїх портах, крім того, із якого сигнали надходять (Рис.1.2 а). А концентратор Token Ring (Рис.1.2 б) повторює вхідні сигнали, що надходять із деякого порту, тільки на одному порту – на тому, до якого підключений наступний комп'ютер у кільці.

        Важливо пам'ятати! Концентратор завжди змінює фізичну топологію мережі, але при цьому лишає без зміни її логічну топологію. У багатьох випадках фізична і логічна топології мережі збігаються.

Приклад неспівпадання фізичної і логічної топології:

.

рис.1.3 Логічна і фізична топології мережі

.

       Фізична структуризація мережі за допомогою концентраторів корисна не тільки для збільшення відстані між вузлами мережі, але і для підвищення її надійності. Наприклад, якщо якийсь комп'ютер мережі Ethernet із фізичною загальною шиною через збій починає безперервно передавати дані кабелем, то вся мережа виходить із ладу, і для вирішення цієї проблеми залишається тільки один вихід – вручну від’єднати мережевий адаптер цього комп'ютера від кабелю. У мережі Ethernet, побудованій 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 вузол, що працює некоректно, і в інших випадках, виконуючи роль керуючого вузла.

Логічна структуризація мереж.

        Фізична структуризація мережі не дозволяє вирішувати певні проблеми, такі як:

• Дефіцит пропускної здатності.
• Неможливість використання в різних частинах мережі ліній зв’язку з різною пропускною здатністю.
• Типові фізичні топології («загальна шина», «кільце», «зірка») для обміну даними мають лише одне роздільне середовище, що об’єднує всі мережні пристрої. Наприклад, в мережі «загальна шина» взаємодія двох комп’ютерів займає шину на весь час обміну, тому при збільшенні кількості комп’ютерів зменшується продуктивність та швидкодія мережі.
• Часто типові топології виявляються неадекватними до структури інформаційних потоків великої мережі.

Ці проблеми спроможна вирішити логічна структуризація мережі.

Логічна структуризація мережі – це процес розбивки мережі на сегменти з локалізованим трафіком.Для логічної структуризації мережі використовуються такі комунікаційні пристрої:

• мости;
• комутатори;
• маршрутизатори;
• шлюзи.

       Міст (bridge) поділяє розподілене середовище передачі даних на частини, передаючи інформацію з одного сегмента в інший тільки у тому випадку, коли така передача дійсно необхідна, тобто якщо адреса комп'ютера призначення належить іншій підмережі. Тим самим міст ізолює трафік однієї підмережі від трафіка іншої, підвищуючи загальну продуктивність передачі даних у мережі. Локалізація трафіка не тільки заощаджує пропускну здатність, але і зменшує можливість несанкціонованого доступу до даних, тому що кадри не виходять за межі свого сегмента і їх складніше перехопити зловмиснику.

рис.2.1 Логічна структура мережі за допомогою моста

.

       Комутатор (switch) за принципом опрацювання кадрів нічим не відрізняється від моста. Основна його відмінність від моста полягає в тому, що кожен його порт оснащений спеціалізованим процесором, що опрацьовує кадри за алгоритмом моста незалежно від процесорів інших портів. За рахунок цього загальна продуктивність комутатора набагато вище продуктивності традиційного моста, що має один процесорний блок. Комутатори – це мости нового покоління, що опрацьовують кадри в паралельному режимі. Функції комутатора локальної мережі:

• Забезпечення наскрізної комутації.
• Наявність засобів маршрутизації.
• Підтримка простого протоколу управління мережею.
• Імітація моста або маршрутизатора.
• Організація віртуальних мереж.
• Швидкісна ретрансляція блоків даних.

       Маршрутизатор - комунікаційний пристрій, що утворює логічні сегменти за допомогою явної адресації, оскільки використовує не плоскі апаратні, а складові числові адреси. У цих адресах є поле номера мережі, так що всі комп'ютери, у яких значення цього поля однакове, належать до одного сегменту.Крім локалізації трафіка, маршрутизатори працюють в мережі з замкнутими контурами, при цьому здійснюючи вибір найбільш раціонального маршруту з декількох можливих.Іншою дуже важливою функцією маршрутизаторів є їх спроможність зв'язувати в єдину мережу підмережі, побудовані з використанням різних мережевих технологій, наприклад Ethernet і Х.25.

Маршрутизатори, як і мости або комутатори ретранслюють пакети з однієї частини мережі в іншу.

рис.2.2 Логічна структура мережі за допомогою маршрутизаторів

.

        Між маршрутизатором і комутатором існують принципові відмінності:

• Маршрутизатори працюють не з фізичними адресами пакетів (MAC-адресами), а з логічними мережними адресами (IP-адресами).
• Маршрутизатори ретранслюють не всю інформацію, що приходить, а лише ту, яка адресована до них особисто, і відкидають (не ретранслюють) широкомовні пакети.
• Маршрутизатори на відміну від мостів і комутаторів не є прозорими для абонентів.

Крім локалізації трафіка маршрутизатори виконують ще багато інших корисних функцій. Так, маршрутизатори можуть працювати в мережі із замкненими контурами, при цьому вони здійснюють вибір найбільш раціонального маршруту з декількох можливих. Мережа, представлена на рис. 2.2, відрізняється від своєї попередниці (див. рис. 2.1) тим, що між підмережами відділів 1 і 2 прокладений додатковий зв'язок, який може використовуватися як для підвищення продуктивності мережі, так і для підвищення її надійності.
Основною причиною, через яку в мережі використовують шлюз, є необхідність об'єднати мережі з різними типами системного і прикладного програмного забезпечення, а локалізацію трафіка шлюз забезпечує в якості деякого побічного ефекту.

       Значні 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.
Переваги логічної структуризації мережі

       Обмеження, що виникають через використання загального поділюваного середовища, можна перебороти, розділивши мережу на кілька поділюваних середовищ і з'єднавши окремі сегменти мережі такими пристроями, як мости, комутатори або маршрутизатори (див. рис.)

рис.2.3 Логічна структуризація мережі

.

       Перераховані пристрої передають кадри з одного свого порту на інший, аналізуючи адресу призначення, що поміщена в цих кадрах. (На відміну від концентраторів, які повторюють кадри на всіх своїх портах, передаючи їх в усі приєднані до них сегменти, незалежно від того, у якому з них перебуває станція призначення). Мости й комутатори виконують операцію передачі кадрів на основі плоских адрес канального рівня, тобто Мас-адрес, а маршрутизатори - на основі номера мережі. При цьому єдине поділюване середовище, створене концентраторами (або в граничному випадку - одним сегментом кабелю), поділяється на декілька частин, кожна з яких приєднана до порту моста, комутатора або маршрутизатора.

       Говорять, що при цьому мережа ділиться на логічні сегменти або мережа піддається логічній структуризації. Логічний сегмент являє собою єдине поділюване середовище. Розподіл мережі на логічні сегменти приводить до того, що навантаження, що доводиться на кожний зі знову утворених сегментів, майже завжди виявляються менше, ніж навантаження, що випробовувала вихідна мережа. Отже, зменшуються шкідливі ефекти від поділу середовища: знижується час очікування доступу, а в мережах Ethernet - і інтенсивність колізій.