Курс Лекций: Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей презентация

Тема 4. Аппаратное обеспечение сетей. Сетевые адаптеры. Межсетевые соединительные средства. Концентратор, повторитель.

Сетевыми адаптеры вместе с концентраторами, а также кабельной системой представляют тот минимум обору-дования, с помощью которого можно создать локальную сеть с разделяемой средой. Но из-за ограничений, указанных в стандартах, а самое главное снижением производительности сети с увеличением узлов, можно построить сеть с 5-15 узлов, без выхода во внешние сети. Поэтому концентраторы и сетевые адаптеры позволяют строить небольшие базовые фрагменты сетей, которые затем должны объединяться друг с другом с помощью коммутаторов, мостов и маршрутизаторов.

1. Сетевая карта Ethernet (Fast Ethernet).
Самая распространенная сетевая карта. Использование протокола первого базвого Ethernet позволяет карте работать на скорости 10 Мбит/с, протокола стандарта Fast Ethernet - 100 Мбит/с, а протокола Gigabit Ethernet 1,0 Gbit/s.
2. Сетевая карта Token Ring (High Speed Token Ring)
Использование протокола Token Ring позволяет карте работать на скоростях 4 и 16 Мбит/с. а протокола High Speed Token Ring - на скоростях 100 и 155 Мбит/с.
3. Сет-я карта FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
Используется в оптоволоконных сетях. Протокол FDDI работает на скорости 100 Мбит/с со времен исторически, когда скорости других протоколов ограничивались 10-16 Мбит с.

Сетевая карта или сетевой адаптер - это плата расширения, вставляемая в разъем материнской платы (main board) компьютера. Имеются Ethernet сетевые карты подключаемые к USB (Universal Serial Bus) порту компьютере.

Сетевые карты характеризуются своей
Разрядностью: 8 бит (самые старые), 16, 32 и 64 бита
Шиной данных, по которой идет обмен информацией между материнской платой и сетевой картой: ISA, EISA, VL-Bus, PCI, PCI-X, PCI -Express и др.
Микросхемой контроллера или чипом (Chip, chipset) , определяющий тип используемого совместимого оборудования.
Поддерживаемой сетевой средой передачи (network media), т.е. установленными на карте разъемами для подключения к определенному сетевому кабелю (витая пара, оптоволокно).
Скоростью работы: Ethernet 10Mbit и/или Fast Ethernet 100Mbit, Gigabit Ethernet 1000Base-Т.
MAC- адресом.

Сетевая карта комбинированная RJ45, шина ISA

1 - Разъем под витую пару (RJ-45)
2 - Разъем для коаксиального провода (BNC)

3 - Шина данных ISA
4 - Панелька под микросхему BootrOM
5 - Микросхема контроллера платы (Chip или Chipset)

Сетевые карты PCI UTP rJ-45

3 - Шина данных PCI
4 - Панелька под микросхему BootrOM
5 - Микросхема контроллера платы (Chip или Chipset)

1 - Разъем под витую пару (RJ-45)

Сетевые карты PCI UTP rJ-45

Установка сетевой карты

ISA

Разъем
PCI

Разъем

Стандарты PCI D-Link DGE-528T 10/100/1000
IEEE 802.3 10BASE-T Ethernet
IEEE 802.3u 100BASE-TX Fast Ethernet
IEEE 802.3ab 1000BASE-T Gigabit Ethernet
Автосогласование ANSI/IEEE 802.3 NWay
Спецификации PCI local bus 2.1, 2.2
Поддержка универсальной шины 3.3В, 5В
Управление потоком IEEE 802.3x
IEEE 802.1Q VLAN на основе меток
Поддержка очередей приоритетов IEEE 802.1р

Адаптер поддерживает:
Авто определение скоростей 10/100/1000Mбит/с и полу/полнодуплексного режима работы.
VLAN -Компьютер может быть частью виртуальной сети VLAN, изолированной от остальной сети для повышения безопасности и производительности.
Wake-On-LAN для управления питанием Wake-On-LAN (WOL) – это функция Advanced Configuration Power Interface (ACPI), позволяющая удаленно включать питание выключенного компьютера.
Управлять потоком для минимизации потери пакетов.

Адаптер D-Link DGE-528T

Рис. Не экранированная витая пара

Рис. Экранированная витая пара.

Рис. Коаксиальный кабель (схема).

Оптоволоконный кабель

Оптоволоконный кабель состоит из центральной стеклянной или пластиковой нити толщиной в несколько микрон (световода), покрытой сплошной стеклянной оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем световод. Отражаясь от покрывающего слоя оболочки лучи света не выходят за его пределы. Все это в свою очередь спрятано во внешнюю защитную оболочку. В качестве источников света в таких кабелях применяются светодиоды (длина волны 850 нм и 1300 нм) или полупроводниковые лазеры (длина волны 1300 нм и 1500 нм), а информация кодируется путем изменения интенсивности света. На приемном конце кабеля детектор преобразует световые импульсы в электрические сигналы. Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Оптоволоконный кабель

Различают следующие виды оптоволоконных кабелей:
- одномодовый кабель;
- многомодовый кабель со ступенчатым изменением показателя преломления;
- многомодовый кабель с плавным изменением показателя преломления;

В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber. SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света — от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. В качестве источника света используется полупроводниковый лазер. Это самый дорогой тип кабеля, с самыми высокими показателями.

Оптоволоконный кабель

Рис 2-04.х Типы оптоволоконных кабелей

Оптоволоконный кабель

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber - MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В MMF во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В качестве источников излучения в многомодовых кабелях применяются светодиоды, они также дешевле.
Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками: защищенность от электромагнитных помех, механическая прочность (в изоляции). Недостаток — сложность соединения волокон с разъемами и между собой. Стоимость волоконно-оптических кабелей соизмерима со стоимостью кабелей на витой паре, но монтажные работы намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования.

Повторитель (концентратор, hub) стал применяться ещё в начале 80-х гг. с целью расширения сегментов сети на коаксиальном кабеле с шинной топологией. Для сети Ethernet с “толстым” коаксиальным кабелем> 500м, а с “тонким” >-185 м.

Повторитель(repeater)

Разделяемая
Полоса 10Mb/s

Повторитель(repeater)

Повторители бывают 2-х и многопортовыми. Двухпортовые повторители исполь­зуются в сетях с шинной топологией, построенных на коаксиальном кабеле. Многопортовые повторители используются в сетях с топологией типа "звезда" (кабель "витая пара"). Двух и многопортовые повторители, получив пакет на одни из своих портов, просто передает его во все остальные порты.

Многопортовые повторители (концентраторы/hubs), в сетях построенных на кабеле "витая пара“- необходимое сетевое оборудование, чтобы соединить в сеть три и более компьютеров (физически топология “звезда”, логически и функционально – “шина”).

HUB

Рис 2-04.х Многопортовый повторитель (концентратор/Hub)

Повторитель(repeater)

Рис 2-04.х Многопортовый повторитель (концентратор/Hub)

На рис. 2-04.х показан типичный концентратор Ethernet, рассчитанный на образование небольших сегментов разделяемой среды. Он имеет 16 портов стандарта 10Base-T с разъемами RJ-45, а также один порт AUI для подключения внешнего трансивера. Такой концентратор состоит из 16-ти (N-го) кол-ва портов MDI-X и одного гнездами MDI, для подключения компьютеров с обычными сетевыми картами (RJ-45), порта MDI и порта AUI.

Повторитель(repeater)

MDI (Medium Dependent Interface - Интерфейс, зависящий от среды) и MDI-X (Medium Dependent Interface crossover - Интерфейс, зависящий от среды, с перекрещиванием)

Рис. 2-04. Соединения типа «станция- концентратор» и «концентратор-концентратор» на витой паре

Повторитель(repeater)

Рис. 2-04. Соединения типа «станция- концентратор» и «концентратор-концентратор» на витой паре

Назначение портов:
Порт AUI (Attachment Unit Interface) служит для подключения трансивера магистрального «толстого Ethernet» кабеля, или оптического;
Порт MDI-X (Medium Dependent Interface) с перекрещиванием - подключение компьютеров сети витой парой с прямой разводкой;
Порт MDI обычно- параллельный первому порту MDI-X, предназначен для подключение второго концентратора, при расширении сети.

Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей

Тема 4. Аппаратное обеспечение сетей. Повторитель, концентратор.

Повторитель(repeater)

Зашита от несанкционированного доступа:
способ зашиты заключается в том, что администратор вручную связывает с каждым портом концентратора МАС- адрес сетевой карты ПК;
шифрование. Процесс реального шифрования требует большой вычислительной мощности, и для повторителя, не буферизующего кадр, выполнить шифрование «на лету» весьма сложно. В концентраторах применяется простой метод случайного искажения поля данных в пакетах, передаваемых портам с адресом, отличным от адреса назначения пакета.

Повторитель(repeater)

Рис 2-03.4. Изоляция портов: передача кадров только от станции с фиксированными адресами

Рис 2-04.5. Искажение поля данных в кадрах, не предназначенных для приема станциями

Повторитель, концентратор

Конструктивное исполнение концентраторов
В зависимости от области применения концентраторы имеют то или иное конструктивное исполнение.
Концентраторы рабочих групп чаще всего выпускаются как устройства с фиксированным количеством портов,
корпоративные концентраторы — как модульные устройства на основе шасси,
концентраторы отделов могут иметь стековую конструкцию.

Концентратор с фиксированным количеством портов — это наиболее простое конструктивное исполнение. Выполнен в отдельном корпусе со всеми необходимыми элементами (портами, органами индикации и управления, блоком питания), и эти элементы заменять нельзя. Обычно все порты такого К. поддерживают одну среду передачи, общее количество портов изменяется от 4 до 48. Один порт может быть специально выделен для подключения К. к магистрали сети или же для объединения К-в. (часто используется порт AUI, - применение соответствующего трансивера позволяет подключить К. к практически любой физической среде передачи данных).

Повторитель, концентратор

Модульный концентратор выполняется в виде отдельных модулей с фиксированным количеством портов, устанавливаемых на общее шасси. Шасси имеет внутреннюю шину для объединения отдельных модулей в единый повторитель. Часто такие К-ры являются многосегментными, тогда в пределах одного модульного к-ра работает несколько несвязанных между собой повторителей. Для модульного к-ра могут существовать различные типы модулей, отличающиеся количеством портов и типом поддерживаемой физической среды.

Стековый концентратор, выполнен в виде отдельного корпуса без возможности замены отдельных его модулей. Стековые концентраторы (рис. 2-04.7) имеют специальные порты и кабели для объединения нескольких таких корпусов в единый повторитель с общим блоком повторения (рис.), который обеспечивает общую ресинхронизацию сигналов для всех своих портов и поэтому с точки зрения правила 4-х хабов считается одним повторителем.

Повторитель, концентратор

Рис. 2-04.7. Стековые концентраторы Ethernet

Рис. 2-04.8 Объединение стековых концентраторов в единое устройство

Мост (Bridge)

Мосты позволяют преодолеть ограничение "не более четырех повторителей между любыми двумя компьютерами" за счет того, что работают не на физическом, а на канальном уровне модели OSI. Т.е. мост ретранслирует кадр не по битам, а полностью принимает кадр в свой буфер, и заново получает доступ к разделяемой среде и ретранслирует кадр в сеть. Помимо увеличения протяженности сети, мост также позволяет разбить ее на сегменты с независимыми разделяемыми средами, увеличив общую пропускную способность сети. Мост также позволяет соединить между собой сегменты сети различных стандартов.

Мост (Bridge)

Мост полностью принимая кадр в свой буфер, прочитывает адрес отправителя, анализирует на какой порт поступил пакет, записывает в память запись “адрес-порт” (если такой записи нет), заново получает доступ к разделяемой среде и ретранслирует кадр в сеть. Если такая запись имеется, и имеется запись об “адрес-порт” назначения, то мост ретранслирует кадр только в сегмент сети, подключенный к порту с адресом назначения.
Каждая автоматически созданная запись о принадлежности компьютера к сегменту 1 или 2 имеет срок жизни. Если до истечения срока жизни запись не подтверждалась кадрами, проходящими по сети, то она помечается как недействительная. Если, в любой момент времени, компьютер 1 будет перемешен в сегмент 2 и пакеты от него станут поступать на порт 2. то соответствующая запись в таблице будет изменена.

Рис2-04. Принцип работы прозрачного моста

Мост (Bridge)

Удаленный мост — это мост, который через один или несколько портов подключен к глобальной сети (Internet. Х.25, FiameRelay, ATM). Удаленные мосты используются для соединения локальных сетей через глобальные сети. Если в локальных сетах мосты постепенно вытесняются коммутаторами, то удаленные мосты и сегодня продолжают пользоваться популярностью. Удаленные мосты не надо конфигурировать, а при объединении с сетью предприятия сетей филиалов, где нет квалифицированного обслуживающего персонала, это свойство оказывается очень полезным.

Коммутаторы, как и мосты работают на канальном уровне и позволяют разделить общую разделяемую среду на несколько независимых сегментов передачи данных. Алгоритм работы коммутаторов аналогичен алгоритму работы прозрачного моста. Основным отличием, обеспечившим вытеснение мостов коммутаторами - это гораздо более высокая скорость работы коммутаторов. Мост должен полностью получить кадр данных перед тем как ретранслировать его на соответствующий порт. Коммутатор начинает ретрансляцию кадра, не дожидаясь его полного получения.

Коммутатор (switch)

Типы коммутаторов
По конструктивному исполнению :
коммутаторы с фиксированным количеством портов
модульные коммутаторы на основе шасси
стековые коммутаторы
модульно-стековые коммутаторы.
Различия между ними аналогичны различиям между соответствующими типами концентраторов

Типы коммутаторов
По способу коммутации портов в коммутаторе :
коммутаторы на основе коммутационной матрицы;
коммутаторы с общей шиной;
коммутаторы с разделяемой памятью;
комбинированные коммутаторы.

Рис.2-04 Параллельные соединения между портами

Рис.2-04.10 Логическая схема коммутатора

Коммутатор (switch)

Рис.2-04.11 Ретрансляция широковещательного пакета

Основные достоинства матриц — высокая скорость коммутации портов и регулярная структура. Недостатком является сложность наращивания числа портов и отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы (если порт занят, то данные должны накапливаться во входном блоке порта, принявшего кадр). Для исключения недостатков построения коммутаторов с матрицей используются другие архитектуры построения:

Коммутатор (switch)

1.Коммутаторы с общей шиной - процессоры портов связаны высокоскоростной шиной передачи данных, используемой в режиме разделения времени;

Коммутатор (switch)

2.Коммутаторы с разделяемой памятью обеспечивают коммутацию портов при помощи общей разделяемой памяти и менеджера очередей выходных портов;

Коммутатор (switch)

Комбинированные коммутаторы сочетают в себе достоинства различных типов архитектур. Пример такого коммутатора, сочетающего в себе скорость матричных коммутаторов и легкость наращивания числа портов коммутаторов с общей шиной, приведен на рис;

Коммутатор (switch)

Коммутаторы характеризуются двумя показателями производительности:
• Максимальная скорость ретрансляции пакетов измеряется при передаче пакетов из одного порта в другой, когда все остальные порты отключены.
• Совокупная скорость ретрансляции пакетов измеряется при активной работе всех имеющихся портов. Совокупная скорость больше максимальной, но максимальная скорость, как правило, не может быть обеспечена на всех портах одновременно, хотя коммутаторы и способны одновременно обрабатывать несколько пакетов (в отличие от моста).

Существует два класса коммутаторов, отличающихся уровнем интеллекта и способами коммутации:
• коммутаторы со сквозной передачей (Cut-Through);
• коммутаторы с накоплением и ретрансляцией (Store-and-Forward. SAF).

Маршрутизатор (router) Маршрутизаторы необходимы в крупных сетях, для объединения сегментов, построенных на концентраторах, мостах и коммутаторах.

Коммутатор (switch)

Коммутаторы Store-and-Forward
Главное их отличие состоит в полном буферировании во внутренней буферной памяти FIFO всех ретранслируемых пакета. Размер каждого буфера при этом должен быть не меньше максимально длины пакета. Соответственно возрастает и задержка коммутации - не менее 12000 битовых интервалов.

Коммутаторы Cut-Through
Карликовые пакеты (меньше 512 бит) и ошибочные пакеты (с неправильной контрольной суммой) таким коммутатором отфильтровываются и не пересылаются. Перегрузки возникают гораздо реже, так как есть возможность отложить на время передачу пакета. Перегрузки возникают гораздо реже, так как есть возможность отложить на время передачу пакета. Коммутаторы SAF и отличие от других типов коммутаторов могут поддерживать одновременно разные скорости передачи (10 Мбит/с и 100 Мбит/с).