Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Илл. 4.37. (а) Уровни и расположенные на них устройства. (б) Фреймы, пакеты и заголовки

Сигнал, появившийся в одном кабеле, очищается, усиливается повторителем и выдается на второй. Повторители не знают, что такое пакет, фрейм или заголовок. Они знают символы, кодирующие биты в напряжение. В классическом Ethernet, например, допускается установка четырех повторителей для усиления сигнала, чтобы увеличить максимальную длину кабеля с 500 до 2500 м.

Теперь перейдем к концентраторам. Концентратор имеет несколько входных линий, объединяемых с помощью электричества. Фреймы, приходящие на какой-либо вход, передаются на все остальные линии. Если одновременно по разным линиям придут два фрейма, они столкнутся, как в коаксиальном кабеле. Все линии, идущие в концентратор, должны работать с одинаковой скоростью. Концентраторы отличаются от повторителей тем, что, как правило, не усиливают входной сигнал и предназначены для нескольких входных линий. Впрочем, разница между ними незначительна. И те и другие являются устройствами физического уровня; они не анализируют адреса канального уровня и никак не используют их.

Далее мы поднимемся на канальный уровень. Здесь расположены мосты и коммутаторы. Только что мы довольно подробно обсудили мосты, поэтому знаем, что они соединяют две или несколько LAN. Как и в концентраторах, в современных мостах имеются несколько портов, рассчитанных обычно на 4–48 входящих линий определенного типа. В отличие от концентратора, каждый порт изолирован, чтобы быть своей собственной областью коллизий; если у порта есть полнодуплексная двухточечная линия, в алгоритме CSMA/CD нет необходимости. Когда приходит фрейм, мост извлекает из заголовка адрес назначения и анализирует его, сопоставляя с таблицей и определяя, куда нужно его передать. Для Ethernet этот адрес — 48-битный адрес назначения (см. илл. 4.14). Мост только выводит фрейм на нужный порт; он может передавать несколько фреймов одновременно.

Мосты предлагают гораздо более высокую производительность, чем концентраторы, а благодаря изолированным портам входные линии могут работать на разных скоростях и даже с различными типами сетей. Распространенный пример — мост с портами, которые соединяются с 10-, 100 и 1000-Мбит/с Ethernet. Чтобы мост мог принять фрейм на одном порте и передать его на другой, необходима буферизация. Если фреймы приходят быстрее, чем передаются дальше, мост может исчерпать буферное пространство и начать отказываться от фреймов. Например, если Gigabit Ethernet заливает биты в 10-Мбит/с Ethernet на большой скорости, мост должен буферизовать их, надеясь, что памяти хватит. Эта проблема существует, даже если все порты работают на одной и той же скорости, потому что фреймы могут передаваться в порт назначения из нескольких портов.

Первоначально мосты предназначались для того, чтобы соединять разные виды LAN, например Ethernet и Token Ring. Однако из-за отличий между LAN это не сработало. Для фреймов различных форматов необходимо копирование и переформатирование. Это занимает время CPU, требует нового вычисления контрольной суммы и ведет к появлению необнаруженных ошибок из-за поврежденных битов в памяти моста. Еще одна серьезная проблема, не имеющая хорошего решения, — разная максимальная длина фреймов. По сути, слишком длинные для дальнейшей передачи фреймы должны быть отклонены. С идеей прозрачности можно распрощаться.

Еще две сферы, в которых LAN могут различаться, — это безопасность и QoS. У некоторых LAN (например, у 802.11) есть шифрование канального уровня и функции QoS (такие, как приоритеты), у других (например, у Ethernet) этого нет. Следовательно, при обмене между такими LAN трудно обеспечить бе­зопасность или QoS, ожидаемые отправителем. По этой причине современные мосты обычно работают с сетями одного типа, а для соединения разных сетей используются маршрутизаторы, которые мы обсудим позже.

Коммутаторы — это другое название современных мостов. Различия больше связаны с маркетингом, чем с техническими особенностями, но есть несколько важных моментов. Мосты были разработаны, когда использовался классический Ethernet, поэтому они могут соединять относительно небольшое число LAN, а значит, имеют не так много портов. Сегодня чаще употребляется термин «коммутатор». Кроме того, все современные системы используют двухточечные линии, например витую пару. Отдельные компьютеры подключаются непосредственно к коммутатору, поэтому у него, как правило, много портов. Наконец, понятие «коммутатор» также используется в качестве общего термина. Функционал моста понятен. А вот слово «коммутатор» может относиться и к коммутатору Ethernet, и к совершенно другому устройству, принимающему решения о переадресации, например телефонному коммутатору.

Итак, мы кратко обсудили повторители и концентраторы, весьма схожие между собой, а также коммутаторы и мосты, между которыми еще меньше различий. Теперь перейдем к маршрутизаторам. Они существенно отличаются от рассмотренных выше устройств. Когда пакет приходит в маршрутизатор, заголовок и трейлер фрейма удаляются, а сам пакет, расположенный в поле данных (выделены серым на илл. 4.37), передается программному обеспечению маршрутизатора. Далее анализируется заголовок пакета и в соответствии с ним выбирается его дальнейший путь. Если это IP-пакет, то в его заголовке содержится 32-битный (IPv4) или 128-битный (IPv6), но не 48-битный IEEE 802 адрес. ПО маршрутизатора не видит адреса фреймов и даже не знает, как они пришли, по LAN или по двухточечной линии. Более подробно мы изучим маршрутизаторы и принципы маршрутизации в главе 5.

На следующем уровне расположены транспортные шлюзы. Они служат для соединения компьютеров, которые применяют различные транспортные протоколы, ориентированные на установление соединения. Например, одно устройство использует TCP/IP, а другое — SCTP. Транспортный шлюз может копировать пакеты между соединениями, одновременно переводя их в нужный формат.

Наконец, шлюзы приложений различают форматы и содержимое данных и могут менять формат сообщений. Например, шлюз e-mail может переводить электронные письма в формат SMS-сообщений для мобильных телефонов. Как и «коммутатор», «шлюз» — своего рода общий термин. Он относится к процессу передачи, который выполняется на верхнем уровне.

4.7.5. Виртуальные локальные сети

На заре развития технологий локальных сетей толстые желтые кабели прокладывались во множестве офисов. Можно было подключить к сети каждый компьютер, рядом с которым проходил такой провод. Никто не задумывался над тем, к какой именно LAN подключался конкретный компьютер. Сотрудники соседних офисов пользовались одной сетью, даже если они работали в разных отделах. «География» брала верх над корпоративной структурой.

В 1990-х с появлением витой пары и концентраторов все изменилось, и офисные здания были переоборудованы (что обошлось недешево). На смену желтым проводам, напоминающим садовые шланги, пришла витая пара, идущая от каждого кабинета к монтажному шкафу в конце коридора или к центральному машинному залу (илл. 4.38). Если сотрудник, ответственный за переоборудование, был дальновидным человеком, то прокладывалась витая пара категории 5. Если же он был крохобором, то