Мосты используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров.

Лабораторная работа № 7

ТЕМА: Логическая структуризация локальных сетей.

Цель: Изучение причин структуризации транспортной инфраструктуры сетей. Изучение основных сетевых устройств и их параметров, применяемых при логической структуризации. Построение сетей с применением простейших коммуникационных устройств.

Причины структуризации транспортной инфраструктуры сетей

Физическая структуризация сети не позволяет справиться с такими важными проблемами, как дефицит пропускной способности, невозможность использования в разных частях сети линий связи разной пропускной способности. В таком случае может помочь логическая структуризация сети.

Типовые физические топологии сети (шина, кольцо, звезда), которые ограничивают все сетевые устройства, предоставляя им для обмена данными только одну разделяемую среду, оказываются неадекватными структуре информационных потоков большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает ее на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом.

Пример:

Пусть на предприятии имелась простейшая односегментная сеть Ethernet (рисунок 1, а). К коаксиальному кабелю были подключены все имеющиеся на предприятии компьютеры. Шло время, количество пользователей увеличивалось, сеть все чаще оказывалась занятой, пользователям приходилось все дольше ждать ответа сетевых приложений. Кроме того, начали сказываться ограничения на длину связей между компьютерами, так оказалось невозможным разместить компьютеры в помещении, выделенном для новой рабочей группы.

Было принято решение применить концентраторы. На рисунке 1, б показана сеть, полученная в результате физической структуризации. Появилась возможность разнести компьютеры пользователей на большие расстояния, и физическая структура сети стала соответствовать административному устройству предприятия. Однако проблемы, связанные с производительностью, остались нерешенными. Например, каждый раз, когда пользователь компьютера A посылал данные своему соседу, работающему за компьютером B, оказывалась блокированной вся сеть.

Ничего удивительного – в соответствии с логикой работы концентратора кадр, посылаемый компьютером A компьютеру B, повторялся на всех интерфейсах всех узлов сети. И до тех пор, пока компьютер B не получал адресованный ему кадр, ни один из компьютеров сети не мог получить доступ к разделяемой среде передачи. Такая ситуация возникла из-за того, что использование концентраторов изменило только физическую структуру сети, оставив без изменения ее логическую структуру.

Рисунок 1 – Изменение физической структуры сети не сказывается на производительности сети

Решение представленной в примере проблемы состоит в отказе от идеи одной общей для всех узлов разделяемой среды. Например, в данном случае желательно было бы сделать так, чтобы кадры, которые передают компьютеры отдела 1, выходили бы за пределы этой части сети только в том и только в том случае, если они направлялись компьютеру какого-либо из других отделов. С другой стороны, в сеть каждого из отделов должны попадать те и только те кадры, которые адресованы узлам этой сети. Таким образом, в пределах каждого отдела используется отдельная «собственная» разделяемая среда. Рисунок 1 – Изменение физической структуры сети не сказывается на производительности сети

Распространение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента сети называется локализацией трафика. Логическая структуризация сети – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком.

При правильно проведенной логической структуризации производительность сети может существенно повысится, так как компьютеры одного отдела не будут простаивать в то время, когда обмениваются данными компьютеры других отделов. Кроме того, логическая структуризация позволяет дифференцировать доступную пропускную способность в разных частях сети.

Логическая структуризация сети проводится путем использования мостов, коммутаторов, маршрутизаторов и шлюзов.

Мост (bridge) делит единую среду передачи на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другому сегменту (рисунок 2). Тем самым мост изолирует трафик одного сегмента от трафика другого, повышая общую производительность сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и снижает возможность несанкционированного доступа к данным, так как кадры не выходят за пределы своего сегмента и их сложнее перехватить злоумышленнику.

Рисунок 2 – Мост делит единую среду передачи

На рисунке 3 показана сеть, которая была получена из сети с центральным концентратором (см. рисунок 1, б) путем его замены мостом. Сети отделов 1 и 2 состоят из отдельных логических сегментов, а сеть отдела 3 – из двух логических сегментов. Каждый логический сегмент построен на базе концентратора и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связывающими компьютерами с портами концентратора. Если пользователь компьютера A пошлет данные пользователю компьютеру B, находящемуся в одном с ним сегменте, то эти данные будут повторены только на сетевых интерфейсах их общего сегмента.

Рисунок 3 – Единая разделяемая среда с помощью моста преобразована в четыре разделяемых среды

Мосты используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров.

А каким же образом мост узнает интерфейс, на который надо передать кадр, ведь аппаратный адрес не содержит никакой информации о принадлежности компьютера с данным адресом тому или иному сегменту?

Конечно, такая информация может быть предоставлена мосту администратором в результате ручного конфигурирования. Однако такой способ мало пригоден для больших сетей. Мост решает эту задачу автоматически, используя простой обучающий алгоритм. Все кадры, приходящие на определенный интерфейс моста, сгенерированы компьютерами, относящимися к сегменту, подключенному к этому интерфейсу. Мост извлекает из поступающих кадров адреса отправителей и помещает их в таблицу, где делает отметку о том, на какой его интерфейс поступил каждый из кадров. Так мост определяет, какие компьютеры подключены к каждому из его интерфейсов. В дальнейшем мост использует эту информацию для передачи кадра именно на тот интерфейс, через который идет путь к компьютеру назначения.

Поскольку, точная топология связей между логическими сегментами мосту неизвестна, он может правильно работать только в тех сетях, в которых межсегментные связи не образуют замкнутых контуров (петель).

Коммутатор (switch) функционально подобен мосту и отличается от моста в основном более высокой производительностью. В данном случае термин «коммутатор» используется в узком смысле, обозначая конкретный тип устройства.

Каждый интерфейс коммутатора оснащен специальным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок.

Можно сказать, что коммутаторы – это усовершенствованные мосты, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме. Когда стало экономически оправданно использовать отдельные специализированные процессоры на каждом порту коммуникационного устройства, коммутаторы локальных сетей полностью вытеснили мосты.

Ограничения, связанные с применением мостов и коммутаторов, - по топологии связей, а также рад других, - привели к тому, что в перечне коммуникационных устройств появилось еще одно устройство – маршрутизатор (router).

Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Помимо локализации трафика маршрутизаторы выполняют еще много других полезных функций.

Так, маршрутизаторы могут работать в сети с замкнутыми контурами, при этом они обеспечивают выбор наиболее рациональных маршрутов. Другой важной функцией маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть сети, построенные на базе разных сетевых технологий, например Ethernet и ATM.

Рис. 5. Логическая структуризация сети с помощью маршрутизаторов.

Помимо перечисленных устройств отдельные части сети может соединять шлюз (gateway). Шлюз позволяет объединять сети, построенные на существенно разных программных и аппаратных платформах. Например, шлюз может позволить пользователям, работающим в сети Unix, взаимодействовать с пользователями сети Windows. Традиционно в Интернете термины «шлюз» и «маршрутизатор» используются как синонимы.