Рис. 4.42. Соответствие устройств уровням (а); кадры, пакеты и заголовки (б)
Приступим к рассмотрению коммутирующих устройств и взглянем на то, как они соотносятся с пакетами и кадрами. На самом нижнем, физическом уровне работают повторители. Это аналоговые устройства, к которым подсоединяются концы двух сегментов кабеля. Сигнал, появляющийся на одном из них, очищается, усиливается повторителем и выдается на второй. Повторители не знают слов «пакет», «кадр» или «заголовок». Они знают символы, кодирующие биты в напряжение. В классическом Ethernet, например, допускается установка четырех повторителей, что усилит сигнал, чтобы увеличить максимальную длину кабеля с 500 до 2500 м.
Теперь обратимся к концентраторам. Концентратор имеет несколько входов, объединяемых электрически. Кадры, прибывающие на какой-либо вход, передаются на все остальные линии. Если одновременно по разным линиям придут два кадра, они столкнутся, как в коаксиальном кабеле. Все линии, подсоединяемые к нему, должны работать с одинаковыми скоростями. Концентраторы отличаются от повторителей тем, что они обычно не усиливают входные сигналы, поскольку предназначены не
для этого. Их задача — обеспечивать согласованную работу с несколькими входами, к которым подключаются линии с похожими параметрами. Впрочем, во всем остальном хабы не очень отличаются от повторителей. И те и другие являются устройствами физического уровня, они не анализируют адреса уровня каналов и не используют их.
Перейдем теперь на канальный уровень. Здесь мы обнаружим мосты и коммутаторы. Только что мы как раз более или менее подробно обсуждали мосты, поэтому знаем, что мост соединяет две или более ЛВС. Как и в концентраторах, в современных мостах имеются несколько портов, рассчитанных обычно на от 4 и до 48 входящих линий определенного типа. В отличие от концентратора каждый порт изолирован, чтобы быть собственным доменом коллизий; если у порта есть полнодуплексная двухточечная линия, в алгоритме CSMA/CD нет необходимости. Когда прибывает кадр, мост извлекает из заголовка и анализирует адрес назначения, сопоставляя его с таблицей и определяя, куда этот кадр должен быть передан. Для Ethernet этот адрес — 48-битный адрес назначения (рис. 4.14). Мост только выдает кадр в нужный порт и может передавать несколько кадров одновременно.
Мосты предлагают намного лучшую производительность, чем концентраторы, а изоляция между портами моста также означает, что входные линии могут работать на различных скоростях, возможно даже с различными типами сетей. Типичный пример — мост с портами, которые соединяются с 10-, 100- и 1000-Мбит/с Ethernet. Буферизация в мосте необходима, чтобы принять кадр на одном порту и передать его на другой порт. Если кадры приходят быстрее, чем они могут быть повторно переданы, мост может исчерпать буферное пространство и начать отказываться от кадров. Например, если Gigabit Ethernet заливает биты в 10-Мбит/с Ethernet на большой скорости, мост должен будет буферизовать их, надеясь не исчерпать память. Эта проблема существует, даже если все порты работают на одной и той же скорости, потому что в данный порт назначения кадры могут быть посланы из нескольких портов.
Мосты первоначально предназначались для того, чтобы соединять различные виды ЛВС, например Ethernet и Token Ring. Однако из-за различий между ЛВС это никогда не работало хорошо. Различные форматы кадра требуют копирования и переформатирования, которое занимает время центрального процессора, требует нового вычисления контрольной суммы и добавляет возможность необнаруженных ошибок из-за плохих битов в памяти моста. Еще одна серьезная проблема без хорошего решения — различные максимальные длины кадра. Нужно стремиться избавиться от слишком длинных кадров. В первую очередь — для совместимости.
Двумя другими областями, где ЛВС могут отличаться, является безопасность и качество обслуживания. У некоторых ЛВС есть шифрование канального уровня, например у 802.11, у некоторых, например Ethernet, его нет. У некоторых ЛВС есть возможности для обеспечения качества обслуживания, такие как приоритеты, например у 802.11, у некоторых, например Ethernet, их нет. Следовательно, когда кадр должен быть передан между этими ЛВС, безопасность или качество обслуживания, ожидаемое отправителем, возможно, не может быть обеспечено. По всем этим причинам современные мосты обычно работают с сетями одного типа, а для присоединения к сетям различных типов используются маршрутизаторы, к которым мы скоро перейдем.
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, таким образом, они имеют тенденцию присоединяться к относительно небольшому числу ЛВС, а значит, иметь относительно немного портов. Термин «коммутатор» более популярен в настоящее время. Кроме того, все современные системы используют двухточечные линии, такие как кабели витой пары, таким образом, отдельные компьютеры включаются непосредственно в коммутатор, и поэтому коммутатор будет стремиться иметь много портов. Наконец, «коммутатор» также используется в качестве общего термина. С мостом функциональность ясна. С другой стороны, «коммутатор» может относиться к коммутатору Ethernet или абсолютно другому виду устройства, которое принимает решения по перенаправлению, такому как телефонный коммутатор.
Итак, мы рассмотрели вкратце повторители и концентраторы, которые весьма сходны друг с другом, а также коммутаторы и мосты, которые еще более похожи. Теперь же мы перейдем к маршрутизаторам, которые резко отличаются от всего рассмотренного выше. Когда пакет прибывает на маршрутизатор, отрезаются заголовки и концевики кадров и остаются только поля данных (выделены серым на рис. 4.42), которые и передаются программному обеспечению маршрутизатора. Далее анализируется заголовок пакета и в соответствии с ним выбирается его дальнейший путь. Если это IP-пакет, то в заголовке будет содержаться 32-битный (IPv4) или 128-битный (IPv6), а не 48-битный IEEE 802 адрес. Программное обеспечение маршрутизатора не интересуется адресами кадров и даже не знает, откуда эти кадры взялись (то ли с ЛВС, то ли с двухточечной линии). Более подробно мы изучим маршрутизаторы и принципы маршрутизации в главе 5.
Поднявшись еще на уровень выше, мы обнаружим транспортные шлюзы. Они служат для соединения компьютеров, использующих различные транспортные протоколы, ориентированные на установление соединения. Например, такая ситуация возникает, когда компьютеру, использующему ориентированный на соединение протокол TCP, необходимо передать данные компьютеру, использующему другой ориентированный на соединение протокол SCTP. Транспортный шлюз может копировать пакеты между соединениями, одновременно приводя их к нужному формату.
Наконец, шлюзы приложений уже работают с форматами и содержимым пакетов, занимаясь переформатированием на более высоком уровне. 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 пересылки, который выполняется в верхнем уровне.
4.8.5. Виртуальные локальные сети
На заре развития технологий локальных сетей толстые желтые провода опутали огромное количество офисов. Можно было подключить к сети каждый компьютер, мимо которого шел такой провод. Никто не задумывался над тем, к какой ЛВС подключен конкретный компьютер. Все люди из соседних офисов были подключены к одной сети, без учета того, насколько им это было нужно. «География» управляла корпоративными организационными структурами.
С появлением в 1990-е годы витых пар и концентраторов все изменилось. Из офисных зданий стали исчезать эти желтые провода, напоминающие садовые шланги, и им
на смену пришли витые пары, которые шли к щитам, висящим по концам коридоров (или в центральных машинных залах) и напичканным проводами, как показано на рис. 4.43. Если чиновник, ответственный за прокладку кабелей в здании, был способен смотреть в будущее, то устанавливались витые пары категории 5; если же он был крохобором, то использовались существующие (телефонные) витые пары категории 3, которые были заменены только с приходом сетей типа Fast Ethernet.
