Неуправляемый коммутатор подходит для построения домашней сети или сети малого офиса. Его отличие от остальных - "коробочная" версия. Т. е., после покупки достаточно настроить подключение к серверу провайдера и можно раздавать интернет.
При работе с таким коммутатором стоит учитывать, что возможны кратковременные задержки при использовании пейджеров голосовой связи (Skype, Vo-IP) и невозможность распределения ширины канала интернета. Т. е., при включении программы Torrent на одном из компьютеров в сети - она будет потреблять почти всю ширину канала, а остальные компьютеры в сети - пользоваться остатками пропускной способности.
Управляемый коммутатор - это лучшее решение для построение сети в офисах и компьютерных клубах. Данный вид продается в стандартной комплектации и стандартными настройками.
Для настройки такого коммутатора придется попотеть - большое количество настроек может вскружить голову, но при правильном подходе принести замечательные результаты. Главная особенность - распределение ширины канала и настройка пропускной способности каждого порта. Возьмем в пример канал интернета 50 Mbps/s, 5 компьютеров в сети, IP-TV приставку и ATC. Мы можем поступить несколькими вариантами, но рассмотрю я всего один.
Далее - только Ваша фантазия и нестандартное мышление. В общей сложности мы имеем относительно большой канал. Почему относительно? Эту информацию Вы узнаете далее, если внимательно вникнете в суть. Забыл уточнить - я собираю сеть для малого офиса. IP-TV используется для телевизора в комнате ожидания, компьютеры - для работы с электронной почтой, передачей документов, просмотров сайтов, ATC - для подключения стационарных телефонов к основной линии для приема звонков с Skype, QIP, сотовых телефонов и пр.
Управляемый коммутатор представляет собой модификацию обычного, неуправляемого коммутатора.
Кроме чипа ASIC в нем присутствует микропроцессор, способный выполнять дополнительные операции над фреймами, такие как фильтрация, модификация и приоритезация, а так же другие, не связанные с пересылкой фреймов, действия. Например, предоставлять пользовательский интерфейс.
В практическом плане отличия управляемых коммутаторов от неуправляемых заключаются, во-первых, в списке поддерживаемых стандартов - если обычный, неуправляемый коммутатор поддерживает только стандарт Ethernet (IEEE 802.3) в различных его разновидностях, то управляемые коммутаторы поддерживают гораздо более широкий список стандартов: 802.1Q.802.1X, 802.1AE, 802.3ad (802.1AX) и так далее, которые требуют настройки и управления.
Есть еще один вид - SMART-коммутаторы.
Появление смарт-коммутаторов было обязано маркетинговому ходу - устройства поддерживают значительно меньшее количество функций, чем свои старшие собратья, но тем не менее являются управляемыми.
Что бы не смущать и не вводить потребителей в заблуждение, первые модели выпускались с обозначением intelligent или web-managed.
Эти устройства по значительно меньшей цене предлагали базовую функциональность управляемых коммутаторов - организация VLAN, административное включение и отключение портов, фильтрация по MAC-адресу или ограничение скорости. Традиционно, единственным способом управления являлся web-интерфейс, так что за смарт-коммутаторами прочно закрепилось название web-eуправляемых.
Коммутатор хранит в ассоциативной памяти таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он начинает работать в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (frame) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу.
Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не привязан к какому-либо порту коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты.
Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется.
Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.
Способы коммутации в коммутаторе.
Существует три способа коммутации. Каждый из них - это комбинация таких параметров, как время ожидания «принятием коммутатором решения» (латентность) и надёжность передачи.
С промежуточным хранением (Store and Forward).
«Напролет» (cut-through).
«Бесфрагментный» (fragment-free) или гибридный.
С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю поступившую информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него проверенный кадр.
«Напролет» (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
«Бесфрагментный» (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией режима «Напролет». Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through). Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.
Характеристики производительности коммутаторов.
Основными характеристиками коммутатора, измеряющими его производительность, являются:
Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:
Скорость фильтрации и продвижения кадров - это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.
Скорость фильтрации определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
Скорость продвижения определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в секунду.
Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров длиной 64 байта (без преамбулы), с полем данных в 46 байт.
Применение в качестве основного показателя скорости работы коммутатора кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности переносимых пользовательских данных.
Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании для него параметров трафика.
Кроме того, для пакетов минимальной длины скорость фильтрации и продвижения имеют максимальное значение, что имеет немаловажное значение при рекламе коммутатора.
Пропускная способность коммутатора измеряется количеством переданных в единицу времени через его порты пользовательских данных.
Так как коммутатор работает на канальном уровне, то для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня - Ethernet, Token Ring, FDDI и т. п.
Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом и доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, и время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше.
Зависимость пропускной способности коммутатора от размера передаваемых кадров хорошо иллюстрирует пример протокола Ethernet, для которого при передаче кадров минимальной длины достигается скорость передачи в 14880 кадров в секунду и пропускная способность 5.48 Мб/с, а при передаче кадров максимальной длины - скорость передачи в 812 кадров в секунду и пропускная способность 9.74 Мб/c.
Пропускная способность падает почти в два раза при переходе на кадры минимальной длины, и это еще без учета потерь времени на обработку кадров коммутатором.
Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на выходном порту коммутатора.
Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором - просмотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продвижении и получения доступа к среде выходного порта. Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется "на лету", то задержки обычно невелики и составляют от 10 мкс до 40 мкс, а при полной буферизации кадров - от 50 мкс до 200 мкс (для кадров минимальной длины). Коммутатор - это многопортовое устройство, поэтому для него принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки передачи кадра) давать в двух вариантах:
Так как при одновременной передаче трафика несколькими портами существует огромное количество вариантов трафика, отличающегося размерами кадров в потоке, распределением средней интенсивности потоков кадров между портами назначения, коэффициентами вариации интенсивности потоков кадров и т. д., и т. п.
Тогда, при сравнении коммутаторов по производительности необходимо принимать во внимание, для какого варианта трафика получены публикуемые данные производительности. Некоторые лаборатории, постоянно проводящие тестирование коммуникационного оборудования, разработали детальные описания условий тестирования коммутаторов и используют их в своей практике, однако общепромышленными эти тесты пока не стали. В идеальном случае коммутатор, установленный в сети, передает кадры между узлами, подключенными к его портам, с той скоростью, с которой узлы генерируют эти кадры, не внося дополнительных задержек и не теряя ни одного кадра.
В реальной практике коммутатор всегда вносит некоторые задержки при передаче кадров, а также может некоторые кадры терять, то есть не доставлять их адресатам. Из-за различий во внутренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкретного образца трафика. Лучшим критерием по-прежнему остается практика, когда коммутатор ставится в реальную сеть и измеряются вносимые им задержки и количество потерянных кадров. Суммарная производительность коммутатора обеспечивается достаточно высокой производительностью каждого его отдельного элемента - процессора порта, коммутационной матрицы, общей шины, соединяющей модули и т. п.
Независимо от внутренней организации коммутатора и способов конвейеризации его операций, можно определить достаточно простые требования к производительности его элементов, которые являются необходимыми для поддержки заданной матрица трафика. Так как производители коммутаторов стараются сделать свои устройства как можно более быстродействующими, то общая внутренняя производительность коммутатора часто с некоторым запасом превышает среднюю интенсивность любого варианта трафика, который можно направить на порты коммутатора в соответствии с их протоколами.
Такой тип коммутаторов называют неблокирующими, т. е., любой вариант трафика передается без снижения его интенсивности. Кроме пропускных способностей отдельных элементов коммутатора, таких как процессоры портов или общая шина, на производительность коммутатора влияют такие его параметры как размер адресной таблицы объем общего буфера или отдельных буферов портов.
Размер адресной таблицы влияет на максимальную емкость адресной таблицы и определяет максимальное количество MAC-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор.
Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт.
Экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей не обязательно содержат одну и ту же адресную информацию - скорее всего повторяющихся адресов будет не так много, если только распределение трафика каждого порта не полностью равновероятное между остальными портами. Каждый порт хранит только те наборы адресов, которыми он пользуется в последнее время. Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей - до нескольких тысяч, обычно 4000 - 8000 адресов. Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, то он должен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы.
Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем необязательны. Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом.
Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика.
Ведь даже если трафик хорошо сбалансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений трафика, то это не гарантирует, что их производительности хватит при очень больших пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты. Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполниться.
Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт.
Хорошо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.
Любой системный администратор рано или поздно сталкивается с задачей построения или модернизации локальной сети предприятия. К такому вопросу следует подходить очень серьезно и основательно, т.к. от этого зависит дальнейшая беззаботная работа.
Как выбрать коммутатор под свои задачи, чтобы потом не покупать новый?
Коммутатор или в простонародье свитч - это сетевое устройство, которое соединяет несколько компьютеров в одну единую локальную сеть. Современные свитчи обладают очень большим рядом функций, которые очень сильно могут облегчить дальнейшую работу админа. От правильного выбора свитчей зависит функционирование всей локальной сети и работа предприятия в целом.
При выборе сетевого оборудования начинающий системный администратор сталкивается с большим количеством непонятных обозначений и поддерживаемых протоколов. Данное руководство написано с целью восполнить этот пробел знаний у начинающих.
Многие до сих пор не видят разницы между свичом и хабом. Понимая, что тема уже много раз обсуждалась, все же хотелось начать именно с нее.
Для свитчей это правило уже не актуально, т.к. современные свитчи даже начального уровня в ходе работы формируют таблицу коммутации, набирая список MAC-адресов, и согласно нее осуществляют пересылку данных. Каждый свитч, после непродолжительного времени работы, "знает" на каком порту находится каждый компьютер в сети.
При первом включении, таблица коммутации пуста и коммутатор начинает работать в режиме обучения. В режиме обучения работа свича идентична работе хаба: коммутатор, получая поступающие на один порт данные, пересылает их на все остальные порты. В это время коммутатор производит анализ всех проходящих портов и в итоге составляет таблицу коммутации.
Чтобы правильно сделать выбор при покупке коммутатора, нужно понимать все обозначения, которые указываются производителем. Покупая даже самое дешевое устройство, можно заметить большой список поддерживаемых стандартов и функций. Каждый производитель сетевого оборудования старается указать в характеристиках как можно больше функций, чтобы тем самым выделить свой продукт среди конкурентов и повысить конечную стоимость.
Количество портов лежит в диапазоне от 5 до 48.
При выборе коммутатора следует учитывать характер работы подключенных к нему пользователей.
К примеру, Вы используете 16-портовый коммутатор на скорости 100 Мб/сек, имеющий пропускную способность в 1Гб/сек. В моменты пиковой нагрузки 16 портов смогут передавать объем информации равный:
16x100=1б00(Мб/сек)=1.6(Гб/сек)
Полученное значение меньше пропускной способности самого коммутатора. Такой коммутатор подойдет в большинстве случаев небольшой организации, где на практике приведенную ситуацию можно встретить крайне редко, но не подойдет для организации, где передаются большие объемы информации.
Для правильного выбора коммутатора следует учитывать, что в действительности внутренняя пропускная способность не всегда соответствует значению, которое заявлено производителем.
Стандарт MDI
:
Стандарт MDI-X:
При выборе коммутатора следует отдавать предпочтение устройствам поддерживающим стекирование, т.к. в будущем эта функция может оказаться полезной.
Большинство современных устройств имеют такую поддержку, поэтому при выборе коммутатора не стоит акцентировать на этом большого внимания.
При выборе коммутатора следует прикинуть примерное количество компьютеров и размер таблицы MAC-адресов коммутатора.
Так как эта функция присутствует почти во всех современных коммутаторах, то при выборе коммутатора на ней не следует акцентировать особого внимания.
После приема каждого пакета тратится некоторое время на его обработку. При использовании увеличенного размера пакета по технологии Jumbo Frame, можно существенно сэкономить на времени обработки пакета в сетях, где используются скорости передачи данных от 1 Гб/сек и выше. При меньшей скорости большого выигрыша ждать не стоит.
Технология Jumbo Frame работает только между двумя устройствами, которые оба ее поддерживают.
При подборе коммутатора на этой функции не стоит заострять внимание, т.к. она присутствует почти во всех устройствах.
Читайте о новинках железа, новости компьютерных компаний и будите всегда в курсе последних достижений.
Помимо того, что все существующие коммутаторы различаются количеством портов (5, 8, 16, 24 и 48 портов и т.д.) и скоростью передачи данных (100Мб/сек, 1Гб/сек и 10Гб/сек и т.д.), коммутаторы можно так же разделить на:
Такие коммутаторы получили наибольшее распространение в "домашних" ЛВС и малых предприятиях, основным плюсом которых можно назвать низкую цену и автономную работу, без вмешательства человека.
Минусами у неуправляемых коммутаторов является отсутствие инструментов управления и малая внутренняя производительность. Поэтому в больших сетях предприятий неуправляемые коммутаторы использовать не разумно, так как администрирование такой сети требует огромных человеческих усилий и накладывает ряд существенных ограничений.
Основным минусом управляемых коммутаторов является цена, которая зависит от возможностей самого коммутатора и его производительности.
Абсолютно все коммутаторы можно разделить по уровням. Чем выше уровень, тем сложней устройство, а значит и дороже. Уровень коммутатора определяется слоем на котором он работает по сетевой модели OSI .
Для правильного выбора коммутатора Вам потребуется определиться на каком сетевом уровне необходимо администрировать ЛВС.
Коммутаторы 2 уровня работают с данными ни как с непрерывным потоком информации (коммутаторы 1 уровня), а как с отдельными порциями информации - кадрами (frame или жарг. фреймами ). Умеют анализировать получаемые кадры и работать с MAC-адресами устройств отправителей и получателей кадра. Такие коммутаторы "не понимают" IP-адреса компьютеров, для них все устройства имеют названия в виде MAC-адресов.
Коммутаторы 2 уровня составляют коммутационные таблицы, в которых соотносят MAC-адреса встречающихся сетевых устройств с конкретными портами коммутатора.
Чтобы правильно подобрать коммутатор Вам нужно представлять всю топологию будущей сети, рассчитать примерное количество пользователей, выбрать скорость передачи данных для каждого участка сети и уже под конкретную задачу начинать подбирать оборудование.
Интеллектуальными коммутаторами можно управлять различными способами:
Администратор сети может контролировать и настраивать сразу несколько сетевых устройств со своего компьютера. Благодаря унификации и стандартизации этого протокола появляется возможность централизованно проверять и настраивать все основные компоненты сети.
Чтобы правильно выбрать управляемый коммутатор стоит обратить внимание на устройства, которые имеют SSH-доступ и протокол SNMP. Несомненно Web-интерфейс облегчает первоначальную настройку коммутатора, но практически всегда имеет меньшее количество функций, чем командная строка, поэтому его наличие приветствуется, но не является обязательным.
Случайные 7 статей.
Зачем нужны локальные сети, и какими они бывают? Как подключить к одному интернет-каналу сразу несколько компьютерных устройств? Какое оборудование требуется для построения домашней сети? На все эти и другие не менее важные вопросы вы получите ответы в этом материале.
Перед тем как вы научитесь самостоятельно конструировать и настраивать домашние локальные сети, давайте сразу ответим на самый главный вопрос: «А зачем они нужны?».
Само по себе понятие локальной сети означает объединение нескольких компьютеров или компьютерных устройств в единую систему для обмена информацией между ними, а так же совместного использования их вычислительных ресурсов и периферийного оборудования. Таким образом, локальные сети позволяют:
Обмениваться данными (фильмами, музыкой, программами, играми и прочим) между членами сети. При этом для просмотра фильмов или прослушивания музыки совершенно не обязательно записывать их к себе на жесткий диск. Скорости современных сетей позволяют это делать прямо с удаленного компьютера или мультимедийного устройства.
Подключать одновременно сразу несколько устройств к глобальной сети Интернет через один канал доступа. Наверное, это одна из самых востребованных функций локальных сетей, ведь в наши дни список оборудования, в котором может использоваться соединение с всемирной паутиной, очень велик. Помимо всевозможной компьютерной техники и мобильных устройств, теперь полноправными участниками сети стали телевизоры, DVD/Blu-Ray проигрыватели, мультимедиа плееры и даже всевозможная бытовая техника, начиная от холодильников и заканчивая кофеварками.
Совместно использовать компьютерное периферийное оборудование , такое как принтеры, МФУ, сканеры и сетевые хранилища данных (NAS).
Совместно использовать вычислительные мощности компьютеров участников сети. При работе с программами, требующих сложных вычислений, например как 3D-визуализация, для увеличения производительности и ускорения обработки данных, можно задействовать свободные ресурсы других компьютеров состоящих в сети. Таким образом, имея несколько слабых машин объединённых в локальную сеть, можно использовать их суммарную производительность для выполнения ресурсоемких задач.
Как видите, создание локальной сети даже в рамках одной квартиры, может принести немало пользы. Тем боле, что наличие дома сразу нескольких устройств, требующих подключения к интернету, уже давно не редкость и объединение их в общую сеть, является актуальной задачей для большинства пользователей.
Чаще всего в локальных сетях используются два основных типа передачи данных между компьютерами - по проводам, такие сети называются кабельными и используют технологию Ethernet, а так же с помощью радиосигнала по беспроводным сетям, построенных на базе стандарта IEEE 802.11, который более известен пользователям под названием Wi-Fi.
На сегодняшний день проводные сети до сих пор обеспечивают самую высокую пропускную способность, позволяя пользователям обмениваться информацией со скоростью до 100 Мбит/c (12 Мб/c) или до 1 Гбит/с (128 Мб/с) в зависимости от используемого оборудования (Fast Ethernet или Gigabit Ethernet). И хотя современные беспроводные технологии чисто теоретически тоже могут обеспечить передачу данных до 1.3 Гбит/c (стандарт Wi-Fi 802.11ac), на практике эта цифра выглядит гораздо скромнее и в большинстве случаев не превышает величину 150 - 300 Мбит/с. Виной тому служит дороговизна высокоскоростного Wi-Fi оборудования и низкий уровень его использования в нынешних мобильных устройствах.
Как правило, все современные домашние сети устроены по одному принципу: компьютеры пользователей (рабочие станции), оборудованные сетевыми адаптерами, соединяются между собой через специальные коммутационные устройства, в качестве которых могут выступать: маршрутизаторы (роутеры), коммутаторы (хабы или свитчи), точки доступа или модемы. Более подробно об их отличиях и назначениях мы поговорим ниже, а сейчас просто знайте, что без этих электронных коробочек, объединить сразу несколько компьютеров в одну систему не получится. Максимум чего можно добиться, это создать мини-сеть из двух ПК, соединив их, друг с другом.
В самом начале необходимо определить основные требования к вашей будущей сети и ее масштаб. Ведь от количества устройств, их физического размещения и возможных способов подключения, напрямую будет зависеть выбор необходимого оборудования. Чаще всего домашняя локальная сеть является комбинированной и в ее состав может входить сразу несколько типов коммутационных устройств. Например, стационарные компьютеры могут быть подключены к сети с помощью проводов, а различные мобильные устройства (ноутбуки, планшеты, смартфоны) - через Wi-Fi.
Для примера рассмотрим схему одного из возможных вариантов домашней локальной сети. В нем будут участвовать электронные устройства, предназначенные для различных целей и задач, а так же использующих разный тип подключения.
Как видно из рисунка, в единую сеть могут объединяться сразу несколько настольных компьютеров, ноутбуков, смартфонов, телевизионных приставок (IPTV), планшетов и медиаплееров и прочих устройств. Теперь давайте разбираться, какое же оборудование вам понадобится, для построения собственной сети.
Сетевая плата является устройством, позволяющим компьютерам связываться друг с другом и обмениваться данными в сети. Все сетевые адаптеры по типу можно разделить на две большие группы - проводные и беспроводные. Проводные сетевые платы позволяют подключать электронные устройства к сети с использованием технологии Ethernet при помощи кабеля, а в беспроводных сетевых адаптерах используется радио технология Wi-Fi.
Как правило, все современные настольные компьютеры уже оснащены встроенными в материнскую плату сетевыми картами Ethernet, а все мобильные устройства (смартфоны, планшеты) - сетевыми адаптерами Wi-Fi. При этом ноутбуки и ультрабуки в большинстве своем оснащаются обоими сетевыми интерфейсами сразу.
Несмотря на то, что в подавляющем большинстве случаев, компьютерные устройства имеют встроенные сетевые интерфейсы, иногда возникает необходимость в приобретении дополнительных плат, например, для оснащения системного блока беспроводным модулем связи Wi-Fi.
По своей конструктивной реализации отдельные сетевые карты делятся на две группы - внутренние и внешние. Внутренние карты предназначены для установки в настольные компьютеры с помощью интерфейсов и соответствующих им разъемов PCI и PCIe. Внешние платы подключаются через разъемы USB или устаревающие PCMCIA (только ноутбуки).
Основным и самым главным компонентом домашней локальной сети является роутер или маршрутизатор - специальная коробочка, которая позволяет объединять несколько электронных устройств в единую сеть и подключать их к Интернету через один единственный канал, предоставляемый вам провайдером.
.jpg)
Роутер - это многофункциональное устройство или даже миникомпьютер со своей встроенной операционной системой, имеющий не менее двух сетевых интерфейсов. Первый из них - LAN (Local Area Network) или ЛВС (Локальная Вычислительная Сеть) служит для создания внутренней (домашней) сети, которая состоит из ваших компьютерных устройств. Второй - WAN (Wide Area Network) или ГВС (Глобальная Вычислительная Сеть) служит для подключения локальной сети (LAN) к другим сетям и всемирной глобальной паутине - Интернету.
Основным назначением устройств подобного типа является определение путей следования (составление маршрутов) пакетов с данными, которые пользователь посылает в другие, более крупные сети или запрашивает из них. Именно с помощью маршрутизаторов, огромные сети разбиваются на множество логических сегментов (подсети), одним из которых является домашняя локальная сеть. Таким образом, в домашних условиях основной функцией роутера можно назвать организацию перехода информации из локальной сети в глобальную, и обратно.
Еще одна важная задача маршрутизатора - ограничить доступ к вашей домашней сети из всемирной паутины. Наверняка вы вряд будете довольны, если любой желающий сможет подключаться к вашим компьютерам и брать или удалять из них все что ему заблагорассудится. Что бы этого не происходило, поток данных, предназначенный для устройств, относящихся к определенной подсети, не должен выходить за ее пределы. Поэтому, маршрутизатор из общего внутреннего трафика, создаваемого участниками локальной сети, выделяет и направляет в глобальную сеть только ту информацию, которая предназначена для других внешних подсетей. Таким образом, обеспечивается безопасность внутренних данных и сберегается общая пропускная способность сети.
Главный механизм, который позволяет роутеру ограничить или предотвратить обращение из общей сети (снаружи) к устройствам в вашей локальной сети получил название NAT (Network Address Translation). Он же обеспечивает всем пользователям домашней сети доступ к Интернету, благодаря преобразованию несколько внутренних адресов устройств в один публичный внешний адрес, который предоставляет вам поставщик услуг интернета. Все это дает возможность компьютерам домашней сети спокойно обмениваться информацией между собой и получать ее из других сетей. В то же время, данные хранящиеся в них остаются недоступными для внешних пользователей, хотя в любой момент доступ к ним может быть предоставлен по вашему желанию.
В общем, маршрутизаторы можно разделить на две большие группы - проводные и беспроводные. Уже по названиям видно, что к первым все устройства подключаются только с помощью кабелей, а ко вторым, как с помощью проводов, так и без них с использованием технологии Wi-Fi. Поэтому, в домашних условиях, чаще всего используются именно беспроводные маршрутизаторы, позволяющие обеспечивать интернетом и объединять в сеть компьютерное оборудование, использующее различные технологии связи.
Для подключения компьютерных устройств с помощью кабелей, роутер имеет специальные гнезда, называемые портами. В большинстве случаев на маршрутизаторе имеется четыре порта LAN для подсоединения ваших устройств и один WAN-порт для подключения кабеля провайдера.
Чтобы не перегружать статью избыточной информацией, детально рассматривать основные технические характеристики роутеров в этой главе мы не будем, о них я расскажу в отдельном материале, посещённому выбору маршрутизатора.
Во многих случаях, роутер может оказаться единственным компонентом, необходимым для построения собственной локальной сети, так как в остальных попросту не будет нужды. Как мы уже говорили, даже самый простой маршрутизатор позволяет при помощи проводов подключить до четырех компьютерных устройств. Ну а количество оборудования, получающего одновременный доступ к сети с помощью технологии Wi-Fi, может и вовсе исчисляться десятками, а то и сотнями.
Если все же в какой-то момент количества LAN-портов роутера перестанет хватать, то для расширения кабельной сети к маршрутизатору можно подсоединить один или несколько коммутаторов (речь о них пойдет ниже), выполняющих функции разветвителей.
В современных компьютерных сетях модемом называют устройство обеспечивающее выход в интернет или доступ к другим сетям через обычные проводные телефонные линии (класс xDSL) или с помощью беспроводных мобильных технологий (класс 3G).
Условно модемы можно разделить на две группы. К первой относятся те, которые соединяются с компьютером через интерфейс USB и обеспечивают выходом в сеть только один конкретный ПК, к которому непосредственно происходит подключение модема. Во второй группе для соединения с компьютером используется уже знакомые нам LAN и/или Wi-Fi интерфейсы. Их наличие говорит о том, что модем имеет встроенный маршрутизатор. Такие устройства часто называют комбинированными, и именно их следует использовать для построения локальной сети.
При выборе DSL-оборудования пользователи могут столкнуться с определенными трудностями, вызванными путаницей в его названиях. Дело в том, что зачастую в ассортименте компьютерных магазинов, соседствуют сразу два очень похожих класса устройств: модемы со встроенными роутерами и роутеры со встроенными модемами. В чем же у них разница?
Каких-либо ключевых отличий эти две группы устройств практически не имеют. Сами производители позиционируют маршрутизатор со встроенным модемом как более продвинутый вариант, наделенный большим количеством дополнительных функций и обладающий улучшенной производительностью. Но если вас интересуют только базовые возможности, например, такие как, подключение к интернету всех компьютеров домашней сети, то особой разницы между модемами-маршрутизаторами и маршрутизаторами где, в качестве внешнего сетевого интерфейса используется DSL-модем, нет.
Итак, подытожим, современный модем, с помощью которого можно построить локальную сеть - это, по сути, маршрутизатор, у которого в качестве внешнего сетевого интерфейса выступает xDSL или 3G-модем.
Коммутатор или свитч (switch) служит для соединения между собой различных узлов компьютерной сети и обмена данными между ними по кабелям. В роли этих узлов могут выступать как отдельные устройства, например настольный ПК, так уже и объединенные в самостоятельный сегмент сети целые группы устройств. В отличие от роутера, коммутатор имеет только один сетевой интерфейс - LAN и используется в домашних условиях в качестве вспомогательного устройства преимущественно для масштабирования локальных сетей.
Для подключения компьютеров с помощью проводов, как и маршрутизаторы, коммутаторы так же имеют специальные гнезда-порты. В моделях, ориентированных на домашнее использование, обычно их количество равняется пяти или восьми. Если в какой-то момент для подключения всех устройств количества портов коммутатора перестанет хватать, к нему можно подсоединить еще один свитч. Таким образом, можно расширять домашнюю сеть сколько угодно.
Коммутаторы разделяют на две группы: управляемые и неуправляемые. Первые, что следует из названия, могут управляться из сети с помощью специального программного обеспечения. Имея продвинутые функциональные возможности, они дороги и не используются в домашних условиях. Неуправляемые свитчи распределяют трафик и регулируют скорость обмена данными между всеми клиентами сети в автоматическом режиме. Именно эти устройства являются идеальными решениями для построения малых и средних локальных сетей, где количество участников обмена информацией невелико.
В зависимости от модели, коммутаторы могут обеспечить максимальную скорость передачи данных равную либо 100 Мбит/с (Fast Ethernet), либо 1000 Мбит/c (Gigabit Ethernet). Гигабитные свитчи лучше использовать для построения домашних сетей, в которых планируется часто передавать файлы большого размера между локальными устройствами.
Для обеспечения беспроводного доступа к интернету или ресурсам локальной сети, помимо беспроводного маршрутизатора можно использовать и другое устройство, называемое беспроводной точкой доступа. В отличие от роутера, данная станция не имеет внешнего сетевого интерфейса WAN и оснащается в большинстве случаев только одним портом LAN для подключения к роутеру или коммутатору. Таким образом, точка доступа вам понадобится в том случае, если в вашей локальной сети используется обычный маршрутизатор или модем без поддержки Wi-Fi.
Использование же дополнительных точек доступа в сети с беспроводным маршрутизатором может быть оправдано в тех случаях, когда требуется большая зона покрытия Wi-Fi. Например, мощности сигнала одного лишь беспроводного роутера может не хватить, что бы покрыть полностью всю площадь в крупном офисе или многоэтажном загородном доме.
Так же точки доступа можно использовать для организации беспроводных мостов, позволяющих соединять между собой с помощью радиосигнала отдельные устройства, сегменты сети или целые сети в тех местах, где прокладка кабелей нежелательна или затруднительна.
Несмотря на бурное развитие беспроводных технологий, до сих пор многие локальные сети строятся с помощью проводов. Такие системы имеют высокую надежность, отличную пропускную способность и сводят к минимуму возможность несанкционированного подключения к вашей сети извне.
Для создания проводной локальной сети в домашних и офисных условиях используется технология Ethernet, где сигнал передается по так называемой «витой паре» (TP- Twisted Pair) - кабелю, состоящему из четырех медных свитых друг с другом (для уменьшения помех) пар проводов.
При построении компьютерных сетей используется преимущественно неэкранированный кабель категории CAT5, а чаще его усовершенствованная версия CAT5e. Кабели подобной категории позволяют передавать сигнал со скоростью 100 Мбит/c при использовании только двух пар (половины) проводов, и 1000 Мбит/с при использовании всех четырех пар.
Для подключения к устройствам (маршрутизаторам, коммутаторам, сетевым картам и так далее) на концах витой пары используются 8-контактные модульные коннекторы, повсеместно называемые RJ-45 (хотя их правильное название - 8P8C).
В зависимости от вашего желания, вы можете, либо купить в любом компьютерном магазине уже готовые (с обжатыми разъемами) сетевые кабели определённой длинны, называемые «патч-кордами», либо по отдельности приобрести витую пару и разъемы, а затем самостоятельно изготовить кабели необходимого размера в нужном количестве. О том, как это делается, вы узнаете из отдельного материала.
Используя кабели для объединения компьютеров в сеть, конечно можно подключать их напрямую от коммутаторов или маршрутизаторов к разъемам на сетевых картах ПК, но существует и другой вариант - использование сетевых розеток. В этом случае, один конец кабеля соединяется с портом коммутатора, а другой с внутренними контактами розетки, во внешний разъем которой впоследствии можно уже подключать компьютерные или сетевые устройства.
Сетевые розетки могут быть как встраиваемыми в стену, так и монтируемыми снаружи. Применение розеток вместо торчащих концов кабелей придаст более эстетичный вид вашему рабочему месту. Так же розетки удобно использовать в качестве опорных точек различных сегментов сети. Например, можно установить коммутатор или маршрутизатор в коридоре квартиры, а затем от него капитально развести кабели к розеткам, размещенным во всех необходимых помещениях. Таким образом, вы получите несколько точек, расположенных в разных частях квартиры, к которым можно будет в любой момент подключать не только компьютеры, но и любые сетевые устройства, например, дополнительные коммутаторы для расширения вашей домашней или офисной сети.
Еще одной мелочью, которая вам может понадобиться при построении кабельной сети является удлинитель, который можно использовать для соединения двух витых пар с уже обжатыми разъемами RJ-45.
Помимо прямого назначения, удлинители удобно применять в тех случаях, когда конец кабеля заканчивается не одним разъемом, а двумя. Такой вариант возможен при построении сетей с пропускной способностью 100 Мбит/c, где для передачи сигнала достаточно использования только двух пар проводов.
Так же для подключения к одному кабелю сразу двух компьютеров без использования коммутатора можно использовать сетевой разветвитель. Но опять же стоит помнить, что в этом случае максимальная скорость обмена данными будет ограничена 100 Мбит/c.
Более подробно об обжимке витой пары, подключения розеток и характеристиках сетевых кабелей читайте в специальном материале.
Теперь, когда мы познакомились с основными компонентами локальной сети, пришло время поговорить о топологии. Если говорить простым языком, то сетевая топология - это схема, описывающая месторасположения и способы подключения сетевых устройств.
Существует три основных вида топологии сети: Шина, Кольцо и Звезда. При шинной топологии все компьютеры сети подключаются к одному общему кабелю. Для объединения ПК в единую сеть с помощью топологии «Кольцо», осуществляется их последовательное соединение между собой, при этом последний компьютер подключается к первому. При топологии «Звезда» каждое устройство подсоединяется к сети через специальный концентратор с помощью отдельного кабеля.
Наверное, внимательный читатель уже догадался, что для построения домашней или небольшой офисной сети преимущественно используется топология «Звезда», где в качестве устройств-концентраторов используются маршрутизаторы и коммутаторы.
Создание сети с применением топологии «Звезда» не требует глубоких технических знаний и больших финансовых вливаний. Например, с помощью коммутатора, стоимостью 250 рублей можно за несколько минут объединить в сеть 5 компьютеров, а при помощи маршрутизатора за пару тысяч рублей и вовсе построить домашнюю сеть, обеспечив несколько десятков устройств доступом к интернету и локальным ресурсам.
Еще одними несомненными преимуществами данной топологии являются хорошая расширяемость и простота модернизации. Так, ветвление и масштабирование сети достигается путем простого добавления дополнительных концентраторов с необходимыми функциональными возможностями. Так же в любой момент можно изменять физическое месторасположение сетевых устройств или менять их местами, чтобы добиться более практичного использования оборудования и уменьшить количество, а так же длину соединительных проводов.
Несмотря на то, что топология «Звезда» позволяет достаточно быстро изменять сетевую структуру, расположения маршрутизатора, коммутаторов и других необходимых элементов необходимо продумать заранее, сообразуясь с планировкой помещения, количеством объединяемых устройств и способами их подключения к сети. Это позволит минимизировать риски, связанные с покупкой неподходящего или избыточного оборудования и оптимизировать сумму ваших финансовых затрат.
В этом материале мы рассмотрели общие принципы построения локальных сетей, основное оборудование, которое при этом используется и его назначение. Теперь вы знаете, что главный элементом практически любой домашней сети является маршрутизатор, который позволяет объединять в сеть множество устройств, использующих как проводные (Ethernet), так и беспроводные (Wi-Fi) технологии, при этом обеспечивая всем им подключение к интернету через один единственный канал.
В качестве вспомогательного оборудования для расширения точек подключения к локальной сети с помощью кабелей, используются коммутаторы, по сути, являющиеся разветвителями. Для организации же беспроводных соединений служат точки доступа, позволяющие с помощью технологии Wi-Fi не только подключать без проводов к сети всевозможные устройства, но и режиме «моста» соединять между собой целые сегменты локальной сети.
Что бы точно понимать, сколько и какого оборудования вам необходимо будет приобрести для создания будущей домашней сети, обязательно сначала составьте ее топологию. Нарисуйте схему расположения всех устройств-участников сети, которым потребуется кабельное подключение. В зависимости от этого выберите оптимальную точку размещения маршрутизатора и при необходимости, дополнительных коммутаторов. Каких-либо единых правил здесь нет, так как физическое расположение роутера и свитчей зависит от многих факторов: количества и типа устройств, а так же задач, которые на них будут возложены; планировки и размера помещения; требований к эстетичности вида коммутационных узлов; возможностей прокладки кабелей и прочих.
Итак, как только у вас появится подробный план вашей будущей сети, можно начинать переходить к подбору и покупке необходимого оборудования, его монтажу и настройке. Но на эти темы мы поговорим уже в наших следующих материалах.
18.03.1997 Дмитрий Ганьжа
Коммутаторы занимают центральное место в современных локальных сетях. ТИПЫ КОММУТАЦИИ КОММУТИРУЮЩИЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПАКЕТОВ RISC И ASIC АРХИТЕКТУРА КОММУТАТОРОВ СТАРШЕГО КЛАССА ПОСТРОЕНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ КОММУТАЦИЯ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ ЗАКЛЮЧЕНИЕ Коммутация - одна из самых популярных современных технологий.
Коммутация - одна из самых популярных современных технологий. Коммутаторы вытесняют мосты и маршрутизаторы на периферию локальных сетей, оставляя за ними роль организации связи через глобальную сеть. Такая популярность коммутаторов обусловлена в первую очередь тем, что они позволяют за счет микросегментации повысить производительность сети по сравнению с разделяемыми сетями с той же номинальной пропускной способностью. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность организовать подключенные устройства в логические сети и легко перегруппировывать их, когда это необходимо; иными словами, они позволяют создавать виртуальные сети.
Что же такое коммутатор? Согласно определению IDC, "коммутатор - это устройство, конструктивно выполненное в виде концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществлять сегментирование локальной сети и выделять полосу пропускания конечным станциям в сети" (см. статью М. Кульгина "Построить сеть, посадить дерево..." в февральском номере LAN ). Однако это определение относится в первую очередь к коммутаторам кадров.
Под коммутацией обычно понимают четыре различные технологии - конфигурационную коммутацию, коммутацию кадров, коммутацию ячеек и преобразование между кадрами и ячейками.
Конфигурационная коммутация известна также как коммутация портов, при этом конкретный порт на модуле интеллектуального концентратора приписывается к одному из внутренних сегментов Ethernet (или Token Ring). Это назначение производится удаленным образом посредством программного управления сетью при подключении или перемещении пользователей и ресурсов в сети. В отличие от других технологий коммутации, этот метод не повышает производительности разделяемой локальной сети.
Коммутация кадров, или коммутация в локальной сети, использует стандартные форматы кадров Ethernet (или Token Ring). Каждый кадр обрабатывается ближайшим коммутатором и передается далее по сети непосредственно получателю. В результате сеть превращается как бы в совокупность параллельно работающих высокоскоростных прямых каналов. То, как осуществляется коммутация кадров внутри коммутатора, мы рассмотрим ниже на примере коммутирующего концентратора.
Коммутация ячеек применяется в ATM. Использование небольших ячеек фиксированной длины дает возможность создать недорогие высокоскоростные коммутирующие структуры на аппаратном уровне. И коммутаторы кадров, и коммутаторы ячеек могут поддерживать несколько независимых рабочих групп вне зависимости от их физического подключения (см. раздел "Построение виртуальных сетей").
Преобразование между кадрами и ячейками позволяет, например, станции с платой Ethernet непосредственно взаимодействовать с устройствами в сети ATM. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.
В данном уроке нас будет прежде всего интересовать коммутация кадров.
Первый коммутирующий концентратор под названием EtherSwictch был представлен компанией Kalpana. Этот концентратор позволял снизить конкуренцию в сети за счет сокращения числа узлов в логическом сегменте с помощью технологии микросегментации. По существу, число станций в одном сегменте сокращалось до двух: станция, инициирующая запрос, и станция, отвечающая на запрос. Никакая другая станция не видит передаваемую между ними информацию. Пакеты передаются как бы через мост, но без свойственной мосту задержки.
В коммутируемой сети Ethernet каждому члену группы из нескольких пользователей может быть одновременно гарантирована пропускная способность 10 Мбит/с. Понять, как такой концентратор работает, лучше всего помогает аналогия с обычным старым телефонным коммутатором, в котором участников диалога соединяет коаксиальный кабель. Когда абонент звонил по "вечному" 07 и просил соединить его с таким-то номером, оператор прежде всего проверял, доступна ли линия; если да, то он соединял участников непосредственно с помощью куска кабеля. Никто другой (за исключением спецслужб, разумеется) не мог слышать их разговор. После завершения разговора оператор отсоединял кабель от обоих портов и ждал следующего вызова.
Коммутирующие концентраторы действуют аналогичным образом (см. Рисунок 1): они передают пакеты со входного порта на выходной порт через коммутирующую матрицу. Когда пакет попадает на входной порт, коммутатор читает его MAC-адрес (т. е. адрес второго уровня), и он немедленно перенаправляется на порт, связанный с этим адресом. Если порт занят, то пакет помещается в очередь. По существу, очередь представляет собой буфер на входном порту, где пакеты ждут, когда нужный порт освободится. Однако методы буферизации несколько отличаются.
Рисунок 1.
Коммутирующие концентраторы функционируют аналогично прежним телефонным
коммутаторам: они соединяют входной порт непосредственно с выходным через
коммутирующую матрицу.
При сквозной коммутации (называемой также коммутацией на лету и коммутацией без промежуточной буферизации) коммутатор считывает только адрес поступающего пакета. Пакет передается далее вне зависимости от отсутствия или наличия в нем ошибок. Это позволяет значительно сократить время обработки пакета, так как читаются только несколько первых байт. Поэтому определять дефектные пакеты и запрашивать их повторную передачу должна принимающая сторона. Однако современные кабельные системы достаточно надежны, так что необходимость в повторной передаче во многих сетях минимальна. Тем не менее никто не застрахован от ошибок в случае повреждения кабеля, неисправности сетевой платы или помех от внешнего электромагнитного источника.
При коммутации с промежуточной буферизацией коммутатор, получая пакет, не передает его дальше, пока не прочтет полностью, или во всяком случае не прочтет всю необходимую ему информацию. Он не только определяет адрес получателя, но и проверяет контрольную сумму, т. е. может отсекать дефектные пакеты. Это позволяет изолировать порождающий ошибки сегмент. Таким образом, коммутация с промежуточной буферизацией делает упор на надежность, а не на скорость.
Помимо двух вышеперечисленных, некоторые коммутаторы используют гибридный метод. В обычных условиях они осуществляют сквозную коммутацию, но при этом следят за числом ошибок посредством проверки контрольных сумм. Если число ошибок достигает заданного порогового значения, они переходят в режим коммутации с промежуточной буферизацией. При снижении числа ошибок до приемлемого уровня они возвращаются в режим сквозной коммутации. Такой тип коммутации называется пороговой или адаптивной коммутацией.
Зачастую коммутаторы с промежуточной буферизацией реализуются на основе стандартных процессоров RISC. Одним из преимуществ такого подхода является их относительная дешевизна по сравнению с коммутаторами с интегральными схемами ASIC, однако он не очень хорош в случае специализированных приложений. Коммутация в таких устройствах осуществляется при помощи программного обеспечения, поэтому их функциональность может быть изменена посредством модернизации установленного ПО. Недостаток же их в том, что они медленнее коммутаторов на базе ASIC.
Коммутаторы с интегральными схемами ASIC предназначены для выполнения специализированных задач: вся их функциональность "зашита" в аппаратное обеспечение. В таком подходе есть и недостаток: когда необходима модернизация, производитель вынужден перерабатывать схему. ASIC обычно осуществляют сквозную коммутацию. Коммутирующая матрица ASIC создает выделенные физические пути между входным и выходным портом, как показано на .
Коммутаторы старшего класса имеют, как правило, модульную структуру, и они могут осуществлять как коммутацию пакетов, так и коммутацию ячеек. Модули такого коммутатора осуществляют коммутацию между сетями разных типов, в том числе Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI и ATM. При этом основным механизмом коммутации в таких устройствах является коммутационная структура ATM. Мы рассмотрим архитектуру таких устройств на примере Centillion 100 компании Bay Networks.
Коммутация осуществляется при помощи следующих трех аппаратных компонентов (см. Рисунок 2):
(1x1)
Рисунок 2.
В коммутаторах старшего класса коммутация ячеек используется все чаще
благодаря ее высокой скорости и простоте миграции к ATM.
Каждый модуль коммутатора имеет порты ввода/вывода, буферную память и CellManager ASIC. Кроме того, каждый модуль для локальной сети имеет также процессор RISC для осуществления коммутации кадров между локальными портами и сборщика/разборщика пакетов для преобразования кадров и ячеек друг в друга. Все модули могут самостоятельно осуществлять коммутацию между своими портами, так что только трафик, предназначенный другим модулям, передается через объединительную панель.
Каждый модуль поддерживает свою собственную таблицу адресов, а главный управляющий процессор сводит их в одну общую таблицу, благодаря чему отдельный модуль может видеть сеть в целом. Если, например, модуль Ethernet получает пакет, он определяет, кому этот пакет адресован. Если адрес находится в локальной таблице адресов, то RISC-процессор осуществляет коммутацию пакета между локальными портами. Если адресат находится на другом модуле, то сборщик/разборщик преобразует пакет в ячейки. CellManager указывает маску адресата для идентификации модуля(-ей) и порта(-ов), которым предназначен полезный груз ячеек. Всякий модуль, бит маски платы которого задан в маске адресата, копирует ячейку в локальную память и передает данные на соответствующий выходной порт в соответствии с заданными битами маски портов.
Кроме повышения производительности, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети. Одним из методов создания виртуальной сети является создание широковещательного домена посредством логического соединения портов внутри физической инфраструктуры коммуникационного устройства (это может быть как интеллектуальный концентратор - конфигурационная коммутация, так и коммутатор - коммутация кадров). Например, нечетные порты восьмипортового устройства приписываются к одной виртуальной сети, а четные - к другой. В результате станция в одной виртуальной сети оказывается изолированной от станций в другой. Недостаток такого метода организации виртуальной сети состоит в том, что все станции, подключенные к одному и тому же порту, должны принадлежать к одной и той же виртуальной сети.
Другой метод создания виртуальной сети базируется на MAC-адресах подсоединенных устройств. При таком способе организации виртуальной сети любой сотрудник может подключать, например, свой портативный компьютер к любому порту коммутатора, и он будет автоматически определять принадлежность его пользователя к той или иной виртуальной сети на основе MAC-адреса. Такой метод разрешает также пользователям, подключенным к одному порту коммутатора, принадлежать к разным виртуальным сетям. Подробнее о виртуальных сетях см. статью А. Авдуевского "Такие реальные виртуальные сети" в мартовском номере LAN за этот год.
При всех их достоинствах коммутаторы имеют один существенный недостаток: они не в силах защитить сеть от лавин широковещательных пакетов, а это ведет к непроизводительной загрузке сети и увеличении времени отклика. Маршрутизаторы могут контролировать и фильтровать ненужный широковещательный трафик, но они работают на порядок медленнее. Так, согласно документации Case Technologies, типичная производительность маршрутизатора составляет 10 000 пакетов в секунду, а это не идет ни в какое сравнение с аналогичным показателем коммутатора - 600 000 пакетов в секунду.
В результате многие производители стали встраивать в коммутаторы функции маршрутизации. Чтобы работа коммутатора не замедлилась существенным образом, применяются различные методы: например, и коммутация второго уровня, и коммутация третьего уровня реализуются непосредственно в аппаратном обеспечении (в интегральных схемах ASIC). Разные производители называют эту технологию по-разному, но цель одна: маршрутизирующий коммутатор должен выполнять функции третьего уровня с той же скоростью, что и функции второго уровня. Немаловажным фактором является и цена такого устройства в расчете на порт: она тоже должна быть невысока, как и у коммутаторов (см. статью Ника Липписа в следующем номере журнала LAN).
Коммутаторы и конструктивно, и функционально весьма разнообразны; в одной небольшой статье невозможно охватить все их аспекты. В следующем уроке мы подробно рассмотрим коммутаторы ATM.
Дмитрий Ганьжа - ответственный редактор LAN. С ним можно связаться по адресу: [email protected] .
Коммутация в локальных сетях (ЛВС) является одной из основ происходящего сегодня перехода к использованию технологий следующего поколения. Традиционные ЛВС рассчитаны на совместное использование ресурсов пользователями небольшого числа станций (обычно до 50). К числу разделяемых ресурсов относятся файлы и периферийные устройства (принтеры, модемы и т.п.). Поскольку картина трафика в таких сетях имеет ярко выраженный взрывной характер, использование разделяемой между всеми пользователями полосы может приводить к существенному замедлению работы. Стандарты Ethernet и token ring регулируют доступ сетевых устройств к разделяемой среде передачи. Когда одно из устройств передает данные в сеть, все остальные должны ждать окончания передачи, не делая попыток передать в сеть свои данные.
Такая схема разделения доступа к среде очень эффективна в небольших сетях, используемых для совместного использования файлов или принтеров. Сегодня размер и сложность локальных сетей значительно возрасли, а число устройств измеряется тысячами. В сочетании с ростом потребностей пользователей недетерминистический характер традиционных сеетвых архитектур (таких как Ethernet и token ring) начал ограничивать возможности сетевых приложений. Коммутация ЛВС является популярной технологией, способной продлить жизнь существующих ЛВС на базе Ethernet и token ring. Преимущества коммутации заключаются в сегментировании сетей - делении их на более мелкие фрагменты со значительным снижением числа станций в каждом сегменте. Изоляция трафика в небольшом сегменте приводит к многократному расширению доступной каждому пользователю полосы, а поддержка виртуальных ЛВС (VLAN) значительно повышает гибкость системы.
Администраторы сетей должны представлять себе технологические аспекты коммутации ЛВС и стоимость перехода к использованию коммутаторов в существующих сетях. Технологические вопросы включают понимание архитектуры коммутаторов ЛВС различий между коммутацией на MAC-уровне и маршрутизацией на сетевом, а также разницы между выполнением операций на программном и аппаратном уровне. Экономические аспекты включают сравнение соотношения производительность/цена для маршрутизаторов и коммутаторов, оценку эффективности вложения средств, а также расходов на организацию и поддержку сетей (включая управление сетью).
Еще недавно для сегментации ЛВС использовались мосты, но развитие технологий позволило использовать для этого более эффективные решения. Еще несколько лет назад для объединения сегментов ЛВС использовались маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Маршрутизаторы обеспечивают эффективную сегментацию, но они достаточны дороги и сложны в управлении. Появление коммутаторов, основанных на базе специализированных контроллеров ASIC, сделало эти устройства значительно более эффективным инструментом сегментации сетей.
Коммутаторы ЛВС отличаются большим разнообразием возможностей и, следовательно, цен - стоимость 1 порта колеблется в диапазоне от 50 до 1000 долларов. Одной из причин столь больших различий является то, что они предназначены для решения различных классов задач. Коммутаторы высокого класса должны обеспечивать высокую производительность и плотность портов, а также поддерживать широкий спектр функций управления. Такие устройства зачастую кроме традиционной коммутации на MAC-уровне выполняют функции маршрутизации. Простые и дешевые коммутаторы имеют обычно небольшое число портов и не способны поддерживать функции управления.
Одним из основных различий является используемая в коммутаторе архитектура. Поскольку большинство современных коммутаторов работают на основе патентованных контроллеров ASIC, устройство этих микросхем и их интеграция с остальными модулями коммутатора (включая буферы ввода-вывода) играет важнейшую роль. Коммутаторы, реализующие также функции сетевого уровня (маршрутизацию), оснащены, как правило, RISC-процессорами для выполнения ресурсоемких программ маршрутизации.
Рисунок 2.1 Блок-схема коммутатора с архитектурой cross-bar
Контроллеры ASIC для коммутаторов ЛВС делятся на 2 класса - большие ASIC, способные обслуживать множество коммутируемых портов (один контроллер на устройство) и небольшие ASIC, обслуживающие по несколько портов и объединяемые в матрицы коммутации. Вопросы масштабирования и стратегия разработчиков коммутаторов в области организации магистралей и/или рабочих групп определяет выбор ASIC и, следовательно, - скорость продвижения коммутаторов на рынок.
Существует 3 варианта архитектуры коммутаторов - переключение (cross-bar) с буферизацией на входе, самомаршрутизация (self-route) с разделяемой памятью и высокоскоростная шина. На показана блоксхема коммутатора с архитектурой, используемой для поочередного соединения пар портов. В любой момент такой коммутатор может обеспечить организацию только одного соединения (пара портов). При невысоком уровне трафика не требуется хранение данных в памяти перед отправкой в порт назначения - такой вариант называется коммутацией на лету cut-through). Однако, коммутаторы cross-bar требуют буферизации на входе от каждого порта, поскольку в случае использования единственного возможного соединения коммутатор блокируется (). Несмотря на малую стоимость и высокую скорость продвижения на рынок, коммутаторы класса cross-bar слишком примитивны для эффективной трансляции между низкоскоростными интерфейсами Ethernet или token ring и высокоскоростными портами ATM и FDDI.
Рисунок 2.2 Блокировка коммутатора с архитектурой cross-bar
Коммутаторы с разделяемой памятью имеют общий входной буфер для всех портов, используемый как внутренняя магистраль устройства (backplane). Буферизагия данных перед их рассылкой (store-and-forward - сохранить и переслать) приводит к возникновению задержки. Однако, коммутаторы с разделяемой памятью, как показано на не требуют организации специальной внутренней магистрали для передачи данных между портами, что обеспечивает им более низкую цену по сравнению с коммутаторами на базе высокоскоростной внутренней шины.
Рисунок 2.3 Архитектура коммутатора с разделяемой памятью
Рисунок 2.4 Коммутатор с высокоскоростной шиной
Рисунок 2.5 Коммутация и маршрутизация в модели OSI
Большинство современных сетевых устройств - концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы - поддерживают отдельные функции коммутации и маршрутизации. Администратор сети должен решить, какие услуги каждого типа требуются в сети и чье оборудование наиболее соответствует задачам.
Аппаратные реализации коммутаторов ЛВС используют специализированные микросхемы ASIC (собственной разработки или других фирм), в которых реализованы функции коммутации. Аппаратная реализация обеспечивает более высокую скорость по сравнению с программной. Однако, этого еще недостаточно для создания хорошего коммутатора. При разработке ASIC должны создавать и проверяться программы коммутации, реализуемые в микросхемах. После создания контроллера программный код уже нельзя изменить, поэтому эффективность машины коммутации играет важнейшую роль. Стремление быстрее предложить устройства на рынок зачастую определяет уровень функциональности ASIC. Программные решения используют процессоры общего назначения, для работы которых требуется загрузить программный код. Преимущества такого подхода включают более высокий уровень сервиса (например, маршрутизация), но эти преимущества зачастую полностью подавляются ростом задержек.
Очевидно, что основной причиной столь быстрого внедрения коммутаторов является более низкая, по сравнению с традиционными маршрутизаторами, стоимость самих устройств и существенное снижение расходов на организацию и поддержку сетей. Будучи устройством MAC-уровня, коммутатор не требует какой-либо настройки и обеспечивает решение plug-and-play (это относится прежде всего к простым коммутаторам). Коммутаторы легко позволяют решить проблему расширения полосы и могут работать в сетях с традиционными маршрутизаторами, обеспечивая деление сети на сегменты, связываемые потом маршрутизаторами. Поскольку на канальном уровне сеть выглядит плоской, все дополнительные услуги маршрутизации должны выполняться традиционными маршрутизаторами. Таким образом, коммутаторы в рабочих группах позволяют эффективно сегментировать сеть, оставляя маршрутизаторам функции связи между сегментами.
Другой причиной быстрого роста популярности коммутаторов является то, что они оптимизированы для решения различных сетевых задач (в частности для организации рабочих групп). Поскольку потребности рабочих групп связаны прежде всего с высокой скоростью обмена и обеспечением неблокируемых путей передачи трафика между членами группы, коммутаторы ЛВС содержат в качестве ядра аппаратную машину коммутации (switching engine). Массовое производство контроллеров ASIC привело к значительному снижению цен. Дополнительные высокоскоростные порты (uplink) для подключения к серверам, маршрутизаторам или магистралям обеспечивают пользователям рабочих групп удовлетворение всех возникающих потребностей. Гибкое и масштабируемое выделение полосы делает коммутаторы ЛВС важной частью процесса модернизации существующих сетей на базе разделяемых сред. Возможность простого переноса из одной точки сети в другую обеспечивает высокую эффективность капиталовложений, поскольку при изменении задач или структуры сети не приходится покупать новые устройства взамен имеющихся.
Возможно наибольшая экономия в результате использования коммутаторов связана с эффектиной сегментацией сети (рост пропускной способности) и простотой управления (plug-and-play). В отличие от маршрутизаторов, коммутаторы ЛВС практически не требуют настройки и не отнимают много времени у сетевых администраторов. MAC-адреса подключенных к коммутатору устройств определяются автоматически, а сложные схемы IP-адресации, используемые в сегодняшних сетях остаются полностью прозрачными для рабочих групп. Установка коммутатора в рабочей группе обычно не требует ничего, кроме подключения устройств к портам коммутатора взамен портов концентратора или размещения коммутатора между концентраторами и маршрутизатором как показано на рисунках , и .
Рисунок 2.6 Традиционная ЛВС на основе концентратора
Рисунок 2.7 Коммутатор ЛВС взамен хаба
Рисунок 2.8 Совместное использование коммутаторов и концентраторов
Сегментирование ЛВС с разделяемой средой можно проиллюстрировать на примере разделения участников большой конференции на специализированные группы, разделенные в разных помещениях. Сегментация сети обеспечивает многократный рост агрегатной полосы, позволяя вместо одного устройства вести передачу многим устройствам сразу. Сети Ethernet и token ring аналогичны пленарным заседаниям конференций, где все слушают одного оратора. Заседания рабочих групп позволяют выступать одному человеку в каждой группе. Таким образом и сегментация сетей позволяет вести передачу данных нескольким устройствам одновременно (по одному на сегмент).
При рассмотрении вопросов коммутации ЛВС важно понимать картину трафика и изменения в структуре ЛВС. Картины трафика в традиционных ЛВС с состязательным доступом к среде и сетях с выделенной полосой для каждого порта существенно отличаются. При изучении картины администратор наверняка увидит, что отдельным пользователям или группам требуется более широкая полоса, а часть задач весьма чувствительна к задержкам.
Сейчас уже очевидно, что используемый в сетях с разделяемой полосой состязательный механизм доступа является основной причиной недостаточной пропускной способности традиционных ЛВС. Напомним, что в каждый момент времени передавать данные в разделяемую среду может лишь одна станция - остальные должны "слушать". Реализации механизмов доступа в сетях Ethernet и token ring отличаются, следовательно, будут различаться и результаты использования коммутаторов.
Доступ к среде в сетях Ethernet основан на алгоритме CSMA/CD (множественный доступ с детектированием несущей и обнаружением конфликтов). Когда станции требуется передать данные, она сначала проверяет канал на предмет его использования другой станцией (обнаружение несущей - CS). Если среда в данный момент не используется, станция может начать передачу. Если среда занята, станция повторяет попытку доступа по истечении случайного интервала времени. Несмотря на предварительное прослушивание среды две (или более) станции могут начать передачу одновременно - возникает конфликт или коллизия (CD). В этом случае обе станции должны немедленно прекратить передачу и пытаться повторить ее по истечение случайного интервала времени.
В небольших сетях взрывной характер трафика (пакеты данных передаются лишь время от времени) обеспечивает достаточно малую вероятность возникновения конфликтов. В большой сети интервалы между пакетами сокращаются и вероятность коллизий растет. Это приводит к тому (), что в больших сетях возможна (хотя и маловероятна) ситуация, когда какая-либо станция (например, с медленным процессором) вообще не сможет получить доступа к среде передачи, поскольку какой-либо очередности доступа не соблюдается (известный принцип - кто первый встал, тому и тапочки). Сегментация такой сети позволит обеспечить существенное повышение пропускной способности.
Figure 2.9 Пример сети рабочей группы
В сетях Token ring доступ к среде основан на передаче маркера (token) - специального пакета, распространяемого по кольцу. Получившая маркер станция может начать начать передачу своих данных в сеть. Здесь не возникает конфликтов, но станция, не владеющая маркером, не может передавать данные, даже при свободной среде. В маленьких сетях цикл передачи маркера по кольцу занимает немного времени и станции не ждут подолну возможности начать передачу. Однако, в большой сети время ожидания может стать слишком большим. Разделение кольца на несколько меньших колец с помощью коммутатора (сегментация) уменьшает число станций в кольце и снижает время ожидания маркера. Кроме того, коммутация token ring повышает устойчивость сети к повреждениям.
Причиной нехватки пропускной способности является то, что каждая станция сегмента слышит "разговоры" всех других станций. Переход к ориентированным на организацию соедиений "точка-точка" технологиям типа ATM, является важнейшим шагом вперед. Преимущества полностью коммутируемых сетей, ориентированных на организацию соединений, очевидны, но что делать с имеющимися сетевыми приложениями и услугами на основе широковещательных пакетов в традиционных ЛВС. До тех пор, пока все эти приложения не будут переписаны для сетей на основе организации прямых соединений, проблема широковещательного трафика будет основным вопросом в связи с коммутацией ЛВС.
Рисунок 2.10 Число пользователей Ethernet и эффективная полоса
Широкополосные приложения, такие как multimedia и базы данных клиент-сервер являются достаточно тяжелым грузом для ЛВС с разделяемой средой, рассчитанных просто на совместное использование файлов и принтеров. Использование состязательных механизмов доступ к среде не позволяет обеспечить пользователям графических приложений высокоскоростной перенос по сети больших объемов данных с малой задержкой. Администраторы сетей часто решают эту проблему организацией для таких пользователей отдельных сегментов без перехода на высокоскоростные технологии типа FDDI. Подбор числа пользователей для каждого порта коммутатора обеспечивает экономичное решение проблемы недостаточной пропускной способности без перехода на новые технологии.
Файловые серверы, серверы приложений и пользователи с высокими запросами можно подключить к коммутатору через скоростные порты Fast Ethernet, FDDI или ATM. Этот путь требует замены сетевых адаптеров в серверах и, возможно, кабельной системы, но обеспечивает гибкое и масштабируемое решение.
Широкополосные приложения отнюдь не являются единственной проблемой сетевых администраторов. Чувствительные к задержкам задачи реального времени (например, видео) в разделяемых средах с недетерминистическим способом доступа (типа Ethernet).
Коммутация ЛВС позволяет создавать виртуальные сети (VLAN) из групп пользователей, основываясь на их задачах, а не по физическому расположению в сети. Технология виртуальных ЛВС позволяет пользователям свободно перемещаться по сети, оставаясь в своей рабочей группе.
Простота приспособления виртуальных ЛВС к перемещению и добавлению узлов, а также другим изменениям в сети вместе с эффективной интеграцией традиционных ЛВС в сети ATM способна поразить воображение каждого. Перестройка сети с учетом роста числа мобильных пользователей и необходимости обеспечения доступа на базе правил, позволяет многочисленным пользователям свободно работать даже находясь за пределами офиса. Планирование интеграции традиционных ЛВС в сети на базе ATM требует от администраторов с осторожностью относится к выбору технологии. Правильный выбор позволит создать эффективную сеть и обеспечит возможность поэтапного перехода на новые технологии.
Сотрудники многих организаций работают над различными проектами, группируясь в рабочие команды для решения конкретных задач. По мере решения задачи состав группы может меняться, а по завершении потребуется создание новой группы. Организация рабочих групп по физическому расположнию компьютеров (как это делается в сетях с разделяемой средой) зачастую создает трудноразрешимые проблемы. Приходится переносить рабочие места пользователей или передавать большие объемы информации через перегруженные маршрутизаторы. Кроме того, трудоемкость настройки маршрутизаторов делает практически нереальной задачу создания временных рабочих групп из числа сотрудников, удаленных друг от друга. Виртуальные ЛВС позволяют группировать пользователей, не обращая внимание на их физическое расположение в сети - вы можете создать рабочую группу из сотрудников, расположенных в разных зданиях или даже в разных городах.
Возможность организации VLAN с использованием WAN-каналов требует интеграции коммутаторов ЛВС и ATM. На показан пример использования ATM для организации логического соединения между портами удаленных коммутаторов ЛВС. Таким образом можно создавать широковещательные домены (виртуальные ЛВС) из станций, расположенных на значительном удалении
Рисунок 2.11 Логические соединения коммутаторов ATM через WAN-каналы
Виртуальные ЛВС обеспечивают многочисленные преимущества. Рассмотрим для примера организацию с большим числом работающих на выезде сотрудников. При переезде такого сотрудника в другое место меняется его сетевой адрес и требуется полностью обновлять таблицу маршрутизации. Пользователю после такого переезда также придется вносить конфигурационные изменения для получения привычного сервиса. Виртуальные ЛВС на базе коммутаторов с поддержкой функций маршрутизации значительно упрощают операции, связанные с перемещениями пользователей. Возможно обеспечить полное сохранение рабочей среды независимо от местоположения пользователя ().
Рисунок 2.12 Построение виртуальной ЛВС
В дополнение к возможности организации распределенных рабочих групп технология VLAN позволяет создавать такие группы на основе широкого набора критериев (правил), задаваемых администратором сети. Таким образом, вопросы доступа, обеспечения безопасности, ведения счетов на оплату услуг можно решать автоматически за счет задания соответствующих правил организации VLAN. Виртуальные сети на базе правил позволяют обеспечить высочайшую гибкость при надежном обеспечении безопасности сети. Управление VLAN на основе технолгии drag-and-drop позволяет легко настраивать права доступа, создавать и менять логические рабочие группы.
Рисунок 2.13 Построение виртуальной ЛВС
Возможно одним из основных преимуществ коммутации ЛВС является возможность удовлетворения разнообразных потребностей пользователей в части предоставления полосы и типа сервиса. Как мы показали ранее установка коммутатора ЛВС, работающего на MAC-уровне не требует внесения изменений на уровне рабочих станций или уже имеющихся в сети маршрутизаторов. За счет возможности управления числом станций на каждом порту коммутатора администратор может обеспечить каждому пользователю или приложению требуемую полосу и величину задержки. Высокоскоростные магистральные модули (uplink) обеспечивают хорошее масштабирование за счет возможности подключения к высокоскоростным серверам и магистралям. Поскольку установка коммутаторов практически не требует настройки, добавление коммутаторов вследствие роста сети не вызывает затруднений и не требует высоких расходов.
Наконец, возможность поэтапной модернизации позволяет оценить необходимость использования новых технологий (типа ATM) для расширения возможностей существующих сетей. Реализация сетей полностью на базе ATM требует значительных средств и возможность использования преимуществ этой технологии при сохранении существующих сетей Ethernet и token ring имеет очень важное значение.
Приведенная в документе техническая информация может быть изменена без предупреждения.
© 1997 Xylan Corporation.
