Основні і додаткові функції концентраторів

Тема 3. Мережеві адаптери та концентратори

При вивченні теми студенти повинні:

– отримати уявлення про мережеві адаптери та концентратори;

– вивчити поняття класифікації мережних адаптерів;

– вміти дати класифікацію концентраторам;

– опанувати поняття функцій концентраторів;

– отримати уявлення про передачу даних на фізичному та канальному рівнях;

– знати про зв'язок між пропускною спроможністю і смугою пропускання лінії.

Ключові слова: мережевий адаптер; концентратор; кадр; МАС - рівень; стек; магістральна лінія зв’язку; Ethernet; Token Ring; хаб; свіч.

Лекція 3

Мережеві адаптери та концентратори

Загальні відомості про мережні адаптери і концентратори

Функції і характеристики мережних адаптерів

Класифікація мережних адаптерів

Основні і додаткові функції концентраторів

3.1 Загальні відомості про мережні адаптери і концентратори

Концентратори разом з мережними адаптерами, а також кабельною системою представляють той мінімум устаткування, за допомогою якого можна створити локальну мережу. Така мережа буде середовищем, що розділяється. Зрозуміло, що мережа не може бути дуже великою, оскільки при великій кількості вузлів загальне середовище передачі даних швидко стає вузьким місцем, що знижує продуктивність мережі. Тому концентратори і мережні адаптери дозволяють будувати невеликі базові фрагменти мереж, які потім повинні об'єднуватися один з одним за допомогою мостів, комутаторів і маршрутизаторів.

Мережевий адаптер (мережева карта, мережева плата) – це пристрій двонаправленого обміну даними між ПК і середовищем передачі даних обчислювальній мережі. Окрім організації обміну даними між ПК і обчислювальною мережею, мережевий адаптер виконує буферизацію (тимчасове зберігання даних) і функцію сполучення комп'ютера з мережевим кабелем. Мережевими адаптерами реалізуються функції фізичного рівня, а функції канального рівня семирівневої моделі ISO реалізуються мережевими адаптерами і їх драйверами.

Мережева плата, також відома як мережева карта, мережевий адаптер, Ethernet-адаптер, NIC (англ. network interface card) – периферійний пристрій, що дозволяє комп'ютеру взаємодіяти з іншими пристроями мережі. В даний час, особливо в персональних комп'ютерах, мережеві плати досить часто інтегровані в материнські плати для зручності і здешевлення всього комп'ютера в цілому.

Мережева плата (ISA) з роз'ємами AUI (зверху) і BNC (знизу).

Мережева плата 3Com 3CXFE575CT встановлена в ноутбук

Концентра́ тор (багатопортовий повторювач; Hub; від англ. Hub — центр діяльності) — з'єднувальний компонент, до якого підключають усі комп'ютери в мережі за топологією «зірка».

Активні концентратори підключають до джерела електроенергії; вони можуть відновлювати і ретранслювати сигнали. Пасивні концентратори лише виконують функцію комутації.

Концентратор використовують для об'єднання кількох пристроїв Ethernet у спільний сегмент. Пристрої під'єднують за допомогою звитої пари, коаксіального кабелю чи оптоволокна.

Як елемент творення мереж їх майже не випускають — на зміну прийшли мережеві комутатори (світчі), що виділяють кожен під'єднаний пристрій в окремий сегмент. Мережеві комутатори деколи помилково називають «інтелектуальними концентраторами».

4-портовий концентратор (хаб)

3.2 Функції і характеристики мережних адаптерів

Мережний адаптер (Network Interface Card, NIC) разом з своїм драйвером реалізує другий, канальний рівень моделі відкритих систем в кінцевому вузлі мережі - комп'ютері. Більш точно, в мережній операційній системі пари адаптер і драйвер виконує тільки функції фізичного і МАС - рівнів, тоді як LLC - рівень звичайно реалізується модулем операційної системи, єдиним для всіх драйверів і мережних адаптерів. Власне так воно і повинно бути відповідно до моделі стека протоколів IEEE 802.

Мережний адаптер спільно з драйвером виконують дві операції: передачу і прийом кадра.

Кадр – це одиниця даних, якими обмінюються комп’ютери в мережі Ethernet.

Передача кадра з комп'ютера в кабель складається з перерахованих нижче етапів (залежно від прийнятих методів кодування деякі можуть бути відсутнім).

· Прийом кадра даних LLC через міжрівневий інтерфейс разом з адресною інформацією МАС - рівня. Звичайно взаємодія між протоколами усередині комп'ютера відбувається через буфери, розташовані в оперативній пам'яті. Дані для передачі в мережу поміщаються в ці буфери протоколами верхніх рівнів, які витягують їх з дискової пам'яті або з файлового кеша за допомогою підсистеми введення – виводу операційної системи.

· Оформлення кадра даних МАС - рівня, в який інкапсулюється кадр LLC (з відкинутими прапорами 01111110). Заповнення адрес призначення і джерела, обчислення контрольної суми.

· Формування символів кодів при використовуванні надмірних кодів типу 4В/5В. Скремблювання кодів для отримання більш рівномірного спектру сигналів. Цей етап використовується не у всіх протоколах - наприклад, технологія Ethernet 10 Мбіт/с обходиться без нього.

· Видача сигналів в кабель відповідно до прийнятого лінійного коду - манчестерським, NRZI, MLT-3 і т.п.

Прийом кадра з кабеля в комп'ютер включає наступні дії:

· Прийом з кабеля сигналів, що кодують бітовий потік.

· Виділення сигналів на фоні шуму. Цю операцію можуть виконувати різні спеціалізовані мікросхеми або сигнальні процесори DSP. В результаті в приймачі адаптера утворюється деяка бітова послідовність, з великим ступенем вірогідності співпадаюча з тією, яка була послана передавачем.

· Якщо дані перед відправкою в кабель піддавалися скремблюванню, то вони пропускаються через дискремблер, після чого в адаптері відновлюються символи коду, послані передавачем.

· Перевірка контрольної суми кадра. Якщо вона невірна, то кадр відкидається, а через міжрівневий інтерфейс вгору, протоколу LLC передається відповідний код помилки. Якщо контрольна сума вірна, то з МАС-кадра витягується кадр LLC і передається через міжрівневий інтерфейс вгору, протоколу LLC. Кадр LLC поміщається в буфер оперативної пам'яті.

Розподіл обов'язків між мережним адаптером і його драйвером стандартами не визначається, тому кожен виробник вирішує це питання самостійно. Звичайно мережні адаптери діляться на адаптери для клієнтських комп'ютерів і адаптери для серверів.

У адаптерах для клієнтських комп'ютерів значна частина роботи перекладається на драйвер, тим самим адаптер виявляється простіше і дешевше. Недоліком такого підходу є високий ступінь завантаження центрального процесора комп'ютера рутинними роботами по передачі кадрів з оперативної пам'яті комп'ютера в мережу. Центральний процесор вимушений займатися цією роботою замість виконання прикладних задач користувача.

Адаптери, призначені для серверів, звичайно забезпечуються власними процесорами, які самостійно виконують велику частину роботи по передачі кадрів з оперативної пам'яті в мережу і у зворотному напрямі. Прикладом такого адаптера може служити мережний адаптер SMS EtherPower з вбудованим процесором Intel i960.

Залежно від того, який протокол реалізує адаптер, адаптери діляться на Ethernet-адаптери, Token Ring-адаптери, FDDI-адаптери і т.д. Оскільки протокол Fast Ethernet дозволяє за рахунок процедури автопереговорів автоматично вибрати швидкість роботи мережного адаптера залежно від можливостей концентратора, то багато адаптерів Ethernet сьогодні підтримують дві швидкості роботи і мають в своїй назві приставку 10/100. Цю властивість деякі виробники називають авточутливістю.

Мережний адаптер перед установкою в комп'ютер необхідно конфігурувати. При конфігурації адаптера звичайно задаються номер переривання IRQ, що використовується адаптером, номер каналу прямого доступу до пам'яті DMA (якщо адаптер підтримує режим DMA) і базова адреса портів введення - виводу.

Якщо мережний адаптер, апаратура комп'ютера і операційна система підтримують стандарт Plug-and-Play, то конфігурація адаптера і його драйвера здійснюється автоматично. Інакше потрібно спочатку конфігурувати мережний адаптер, а потім повторити параметри його конфігурації для драйвера. У загальному випадку, деталі процедури конфігурації мережного адаптера і його драйвера багато в чому залежать від виробника адаптера, а також від можливостей шини, для якої розроблений адаптер.

3.3 Класифікація мережних адаптерів

Як приклад класифікації адаптерів використовуємо підхід фірми 3Com, що має репутацію лідера у області адаптерів Ethernet. Фірма 3Com вважає, що мережні адаптери Ethernet пройшли в своєму розвитку три покоління.

Адаптери першого покоління були виконані на дискретних логічних мікросхемах, внаслідок чого мали низьку надійність. Вони мали буферну пам'ять тільки на один кадр, що приводило до низької продуктивності адаптера, оскільки всі кадри передавалися з комп'ютера в мережу або з мережі в комп'ютер послідовно. Окрім цього, конфігурація адаптера першого покоління відбувалася вручну, за допомогою перемичок. Для кожного типу адаптерів використовувався свій драйвер, причому інтерфейс між драйвером і мережною операційною системою не був стандартизований.

У мережних адаптерах другого покоління для підвищення продуктивності стали застосовувати метод багатокадрової буферизації. При цьому наступний кадр завантажується з пам'яті комп'ютера в буфер адаптера одночасно з передачею попереднього кадра в мережу. У режимі прийому, після того, як адаптер повністю прийняв один кадр, він може почати передавати цей кадр з буфера в пам'ять комп'ютера одночасно з прийомом іншого кадра з мережі.

У мережних адаптерах другого покоління широко використовуються мікросхеми з високим ступенем інтеграції, що підвищує надійність адаптерів. Крім того, драйвери цих адаптерів засновані на стандартних специфікаціях. Адаптери другого покоління звичайно поставляються з драйверами, що працюють як в стандарті NDIS (специфікація інтерфейсу мережного драйвера), розробленому фірмами 3Com і Microsoft і схваленому IBM, так і в стандарті ODI (інтерфейс відкритого драйвера), розробленому фірмою Novell.

У мережних адаптерах третього покоління реалізована конвейєрна схема обробки кадрів. Вона полягає у тому, що процеси прийому кадра з оперативної пам'яті комп'ютера і передачі його в мережу поєднуються в часі. Таким чином, після прийому декількох перших байтів кадра починається їх передача. Це істотно (на 25-55 %) підвищує продуктивність ланцюжка оперативна пам'ять - адаптер - фізичний канал - адаптер - оперативна пам'ять. Така схема дуже чутлива до порогу початку передачі, тобто до кількості байтів кадра, яка завантажується в буфер адаптера перед початком передачі в мережу. Мережний адаптер третього покоління здійснює самонастройку цього параметра шляхом аналізу робочого середовища, а також методом розрахунку, без участі адміністратора мережі. Самонастройка забезпечує максимально можливу продуктивність для конкретного поєднання продуктивності внутрішньої шини комп'ютера, його системи переривань і системи прямого доступу до пам'яті.

Адаптери третього покоління базуються на спеціалізованих інтегральних схемах (ASIC), що підвищує продуктивність і надійність адаптера при одночасному зниженні його вартості. Компанія 3Com назвала свою технологію конвейєрною обробкою кадрів Parallel Tasking, інші компанії також реалізували схожі схеми в своїх адаптерах. Підвищення продуктивності каналу «адаптер-пам'ять» дуже важливе для підвищення продуктивності мережі в цілому, оскільки продуктивність складного маршруту обробки кадрів, що включає, наприклад, концентратори, комутатори, маршрутизатори, глобальні канали зв'язку і т. п„ завжди визначається продуктивністю найповільнішого елементу цього маршруту. Отже, якщо мережний адаптер серверу або клієнтського комп'ютера працює поволі, ніякі швидкі комутатори. не зможуть підвищити швидкість роботи мережі.

Мережні адаптери, що випускаються сьогодні, можна віднести до четвертого покоління. У ці адаптери обов'язково входить інтегральна схема ASIC, що виконує функції МАС-рівня, а також велика кількість високорівневих функцій. У набір таких функцій може входити підтримка агента видаленого моніторингу RMON, схема пріорітезациі кадрів, функції дистанційного керування комп'ютером і т.п. В серверних варіантах адаптерів майже обов'язкова наявність могутнього процесора, що розвантажує центральний процесор.

3.4 Основні і додаткові функції концентраторів

Практично у всіх сучасних технологіях локальних мереж визначений пристрій, який має декілька рівноправних назв - концентратор (concentrator), хаб (hub), повторювач (repeator). Залежно від області застосування цього пристрою в значній мірі змінюється склад його функцій і конструктивне виконання. Незмінною залишається тільки основна функція — повторення кадра або на всіх портах (як визначено в стандарті Ethernet), або тільки на деяких портах, відповідно до алгоритму, визначеного відповідним стандартом.

Концентратор звичайно має декілька портів, до яких за допомогою окремих фізичних сегментів кабеля підключаються кінцеві вузли мережі, — комп'ютери. Концентратор об'єднує окремі фізичні сегменти мережі в єдине середовище, що розділяється, доступ до якого здійснюється відповідно до одного з розглянутих протоколів локальних мереж — Ethernet, Token Ring і т.п. Оскільки логіка доступу до середовища, що розділяється, істотно залежить від технології, то для кожного типу технології випускаються свої концентратори — Ethernet; Token Ring; FDDI і 100VG-AnyLAN. Для конкретного протоколу іноді використовується своє, вузькоспеціалізована назва цього пристрою, що точніше відображає його функції або ж що використовується через традиції, наприклад, для концентраторів Token Ring характерна назва MSAU.

Кожен концентратор виконує деяку основну функцію, визначену у відповідному протоколі тієї технології, яку він підтримує. Хоча ця функція достатньо детально визначена в стандарті технології, при її реалізації концентратори різних виробників можуть відрізнятися такими деталями, як кількість портів, підтримка декількох типів кабелів і т.п.

Окрім основної функції концентратор може виконувати деяку кількість додаткових функцій, які або в стандарті взагалі не визначені, або є факультативними. Наприклад, концентратор Token Ring може виконувати функцію відключення некоректно працюючих портів і переходу на резервне кільце, хоча в стандарті такі його можливості не описані. Концентратор виявився зручним пристроєм для виконання додаткових функцій, що полегшують контроль і експлуатацію мережі.

Розглянемо особливості реалізації основної функції концентратора на прикладі концентраторів Ethernet.

У технології Ethernet пристрою, об'єднуючі декілька фізичних сегментів коаксіального кабеля в єдине середовище, що розділяється, використовувалися давно і одержали назву «повторювачів» по своїй основній функції — повторенню на всіх своїх портах сигналів, одержаних на вході одного з портів. У мережах на основі коаксіального кабеля звичними були двохпортові повторювачі, що сполучають тільки два сегменти кабеля, тому термін концентратор до них звичайно не застосовувався.

З появою специфікації 10Base-T для витої пари повторювач став невід'ємною частиною мережі Ethernet, оскільки без нього зв'язок можна було організувати тільки між двома вузлами мережі. Багатопортові повторювачі Ethernet на витій парі стали називати концентраторами або хабами, оскільки в одному пристрої дійсно концентрувалися зв'язки між великою кількістю вузлів мережі. Концентратор Ethernet звичайно має від 8 до 72 портів, причому основна частина портів призначена для підключення кабелів на витій парі. На мал. показаний типовий концентратор Ethernet, розрахований на утворення невеликих сегментів середовища, що розділяється. Він має 16 портів стандарту 10Base-T з роз'ємами RJ-45, а також один порт AUI для підключення зовнішнього трансивера. Звичайно до цього порту підключається трансивер, працюючий на коаксіальному або оптоволоконному кабелі. За допомогою цього трансивера концентратор підключається до магістрального кабеля, що сполучає декілька концентраторів між собою. Таким же чином забезпечується підключення станції, віддаленої від концентратора більш ніж на 100 м.

Мал. Концентратор Ethernet

Для з'єднання концентраторів технології 10Base-T між собою в ієрархічну систему коаксіальний або оптоволоконний кабель не обов'язковий, можна застосовувати ті ж порти, що і для підключення кінцевих станцій, з урахуванням однієї обставини. Річ у тому, що звичний порт RJ-45, призначений для підключення мережного адаптера і званий MDI-X (кросованний MDI), має інвертовану розводку контактів роз'єму, щоб мережний адаптер можна було підключити до концентратора за допомогою стандартного сполучного кабеля, не кросуючого контакти. У разі з'єднання концентраторів через стандартний порт MDI-X доводиться використовувати нестандартний кабель з перехресним з'єднанням пар. Тому деякі виробники забезпечують концентратор виділеним портом MDI, в якому немає кросування пар. Таким чином, два концентратори можна з'єднати звичним некросированним кабелем, якщо це робити через порт MDI-X одного концентратора і порт MDI другого. Частіше один і той же порт концентратора може працювати і як порт MDI-X, і як порт MDI, залежно від положення кнопкового перемикача, як це показано в нижній частині мал.

Багатопортовий повторювач - концентратор Ethernet може по-різному розглядатися при використовуванні правила 4 хабів. У більшості моделей всі порти пов'язані з єдиним блоком повторення, і при проходженні сигналу між двома портами повторювача блок повторення вносить затримку всього один раз. Тому такий концентратор потрібно вважати одним повторювачем з обмеженнями, що накладаються правилом 4 хабів. Але існують і інші моделі повторювачів, в яких на декілька портів є свій блок повторення. У такому разі кожен блок повторення потрібно вважати окремим повторювачем і враховувати його окремо в правилі 4 хабів.

Деякі відмінності можуть мати місце в моделях концентраторів, що працюють на одномодовий волоконно-оптичний кабель. Дальність сегменту кабеля, підтримуваного концентратором FDDI, на такому кабелі може значно відрізнятися залежно від потужності лазерного випромінювача — від 10 до 40 км.

Проте якщо існуючі відмінності при виконанні основної функції концентраторов не такі великі, то їх набагато перевершує розкид в можливостях реалізації концентраторами додаткових функцій.