Локальные вычислительные сети

6.3 Мосты и шлюзы [2, 3]

6.3.1  Мосты

    Мосты нужны для того, чтобы связывать  между собой локальные сети различных  типов. Мост состоит из аппаратных и программных средств, необходимых для связывания в одну интерсеть двух отдельных ЛВС, или подсетей, расположенных в одном месте. Мост самого простого типа анализирует 48-битовое поле адреса пункта назначения пакета и сравнивает этот адрес с таблицей, в которой указаны адреса всех рабочих станций данного сегмента сети. Если адрес не соответствует ни одному из указанных в таблице, мост передает пакет в следующий сегмент. Эти простые мосты продолжают передавать пакеты, переход за переходом, до тех пор, пока они не достигнут сегмента сети, содержащей компьютер с указанным адресом пункта назначения. Мосты, участвующие в таком процессе анализа таблиц адресов и передачи пакетов, называются прозрачными мостами. Этот метод используется во всех Ethernet-мостах и в некоторых мостах в сетях Token Ring. Некоторые мосты создают собственные таблицы сетевых адресов. Такие мосты проверяют адрес отправителя и адрес получателя каждого пакета, передаваемого в те ЛВС, к которым они подключены. Затем они строят таблицы адресов, в которых перечисляются адреса отправителей пакетов их сети, имеющих соответствующий этой сети номер. После этого мосты сверяют адреса получателей пакетов с адресами отправителей. Обнаружив совпадение, мост фильтрует пакет и посылает его по сети дальше; станция-адресат распознает свой адрес и копирует этот пакет в свою память. Если совпадения нет, пакет продвигается, т.е. ему позволяется перемещаться через мост в следующий сегмент сети. Широковещательные и групповые пакеты продвигаются всегда, поскольку их поля адресов получателей никогда не используются как адреса отправителей.

    Мосты «не понимают» протоколов более  высокого уровня и не связаны с  ними. Они функционируют на подуровне управления доступом к среде передачи (MAC) канального уровня модели OSI и отстоят далеко от протоколов верхних уровней. Если обе сети соответствуют стандартам управления логическим каналом IEEE 802.2, то мост может их связать независимо от различий в средах передачи и методах доступа.

    При проектировании сетей мосты являются необходимыми элементами, потому что  с их помощью обеспечивается повышение  эффективности, безопасности и дальности. Чаще всего мосты устанавливают  в целях повышения эффективности. Мосты могут фильтровать пакеты согласно предварительно заданным критериям оптимизации, поэтому администратор сети может воспользоваться мостом для уменьшения перегрузки и повышения быстродействия: большая сеть делится на несколько подсетей, которые соединяются мостами. Две небольшие сети будут работать быстрее, чем одна большая, так как трафик локализуется в пределах подсети.

    Использование мостов приводит к повышению эффективности  работы сети еще и потому, что  разработчик может использовать разные топологии и среды передачи, а затем соединить эти сети посредством мостов. Например, если кабинеты в отделе соединены витыми парами, то мостом можно соединить эту сеть с корпоративной волоконно-оптической базовой магистралью. Поскольку витые пары гораздо дешевле волоконно-оптического кабеля, такая структура сети позволит сэкономить средства и повысить эффективность, так как в базовой магистрали, на которую приходится большая часть трафика, будет использоваться среда передачи с высокой пропускной способностью. Мосты могут соединять две аналогичные сети с разными скоростями передачи.

    Мосты прежде всего предназначены для  повышения эффективности, однако их часто используют и в целях  повышения безопасности. Мосты можно  программировать на передачу только тех пакетов, которые содержат определенные адреса отправителя и получателя, чтобы ограничить круг рабочих станций, которые могут посылать и принимать информацию из другой подсети. В сети, обслуживающей бухгалтерский учет, например, можно поставить мост, который позволит принимать информацию лишь некоторым внешним станциям. Мосты можно использовать не только для создания защитного барьера, фильтрующего пакеты и предотвращающего несанкционированный доступ, но и в целях повышения отказоустойчивости системы. Когда выходит из строя единственный файловый сервер сети, прекращает работу вся сеть. Если же с помощью внутренних мостов связать два файловых сервера, которые будут постоянно подстраховывать друг друга, то, во-первых, возрастет безопасность, во-вторых, снизится уровень трафика.

    Наконец, мосты позволяют увеличить дальность  охвата сети. Поскольку мост ретранслирует  пакет в широковещательном режиме на рабочие станции принимающей сети, то он функционирует как повторитель. Тем самым расстояние, которое пакет может пройти без затухания сигнала, увеличивается.

2. Шлюзы

    Шлюзы применяются для соединения различных  сетей. Они выполняют протокольное преобразование для всех семи уровней  модели ЭМВОС, в частности - маршрутизацию пакетов, преобразование сообщения из одного формата в другой или из одной системы кодирования в другую. Следует иметь в виду, что по мере того, как взаимная связь устанавливается на все более высоких уровнях модели ЭМВОС, задача поддержания этой связи усложняется, и для ее реализации требуется более мощный процессор.

6.4 Маршрутизаторы [2,3]

    Сети, соединенные мостами, представляют собой одну большую сеть. Если нужно  связать большие сети и направить  пакеты в соответствии с принятыми  в этих сетях протоколами, необходим  маршрутизатор.

    В отличие от мостов, маршрутизаторы ориентированы на протоколы. Маршрутизатор должен поддерживать конкретные протоколы, например, TCP/IP, XNS, NetBIOS, DECnet, и использовать приняты в них схемы адресации, алгоритмы контроля ошибок и методы маршрутизации.

    Маршрутизаторы (роутеры). Эти устройства устанавливают соединение на 4-м (транспортном) уровне, при этом верхние уровни сети (5, 6 и 7) должны быть одинаковы. Они обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса, так как могут выполнять «интеллектуальные» функции: выбор наилучшего маршрута для передачи сообщения, адресованного другой сети; управление балансированной нагрузкой в сети путем равномерного распределения потоков данных; защиту данных; буферизацию передаваемых данных; различные протокольные преобразования. Такие возможности маршрутизаторов особенно важны при построении базовых сетей крупных организаций.

    Использование маршрутизаторов при объединении  ряда небольших локальных сетей в единую сеть дает следующие преимущества (по сравнению с большой ЛВС, имеющей такое же количество абонентских систем):

• обеспечивается большая безопасность информации, циркулирующей в сети. В большой ЛВС, работающей в широковещательном режиме, информация распространяется по всей кабельной системе, поэтому лица, заинтересованные в расстройстве схемы адресации и приеме не адресованных им передач, имеют для этого все возможности. В сети, образованной из нескольких небольших ЛВС, защищенность информации выше;
• повышается надежность работы сети: выход из строя одной ЛВС не отражается на работе других взаимосвязанных сетей, так как маршрутизаторы, осуществляющие множественное взаимодействие, изолируют отказавшие сети;
• увеличивается производительность в пределах каждой индивидуальной сети, входящей в состав единой сети. В каждой небольшой ЛВС имеются свои средства управления сетью, повышающие степень ее самостоятельности. Кроме того, уменьшаются нагрузки, связанные с потоком данных, генерируемых рабочими станциями (в полном объеме по кабельной системе индивидуальной сети распространяются только те данные, которые поступают от «своих» рабочих станций);
• увеличивается диапазон действия сети: выполняя функции усилителей сигнала, маршрутизаторы устраняют ограничение по допустимой протяженности длины кабеля.

    В отличие от многих мостов, маршрутизаторы способны, поддерживать несколько альтернативных путей и выбирать наиболее подходящий путь в зависимости от определенных условий, например от перегрузки сети.

    В данном случае пунктом назначения пакета является рабочая станция в сети XYZ. Маршрутизатор 1 проверяет свои маршрутные таблицы и определяет, что оптимальный путь пролегает через маршрутизатор 4. Маршрутизатор 1 "видит", что, к сожалению, прямой путь к маршрутизатору 4 перегружен, поэтому он выбирает другой путь, через маршрутизатор 2 и маршрутизатор 3.

    Маршрутизаторы  гораздо более интеллектуальны, чем мосты, и пользуются своим  "интеллектом" для определения оптимального пути соединения двух ЛВС. Маршрутизатор, кроме того, достаточно "разумен" для выполнения сегментации и сборки пакетов, необходимой для прохождения по сетям, в которых размеры пакетов разные.

    Существуют  статические и динамические маршрутизаторы.

    Статические маршрутизаторы требуют от администратора сети создания маршрутных таблиц. Эти таблицы остаются статическими (неизменными) до тех пор, пока администратор не внесет в них изменения, отражающие выполняемые в сети операции и размещение узлов. Поскольку статические маршрутизаторы требуют ручного создания и ведения маршрутных таблиц, их лучше не применять в больших сетях, где условия маршрутизации могут меняться ежеминутно.

    Динамические  маршрутизаторы направляют пакеты по наиболее оптимальному пути, используя  сложные алгоритмы для его  определения. В каждом комплекте  сетевых протоколов должен быть соответствующий протокол маршрутизации. У фирмы Cisco Systems, к примеру, есть собственный протокол маршрутизации, IGRP (Interior Gateway Routing Protocol — внутренний протокол маршрутизации). При выборе оптимального пути в этом протоколе учитывается сетевой трафик, надежность путей и скорость передачи.

    Динамический  маршрутизатор непрерывно обменивается пакетами с другими маршрутизаторами, чтобы отслеживать появление  новых пунктов назначения, изменение перечня рабочих станций и соответствующим образом корректировать свои маршрутные таблицы. Динамические маршрутизаторы выявляют перегрузки в сети и дефектные цепи; если из-за этих неисправностей путь становится непроходимым, маршрутизатор выбирает альтернативный вариант пути продвижения пакета.

    Существует два базовых алгоритма внутренней маршрутизации: метод вектора расстояния (distance vector) и анализа состояния канала (link state). Алгоритм длины векторов, известный также как протокол Беллмана-Форда, сегодня очень распространен и применяется, в частности, в протоколе RIP. При этом методе отслеживается маршрут от источника до пункта назначения и подсчитывается число переходов (т.е. количество маршрутизаторов) через которые должен пройти пакет. Этот, алгоритм допускает в каждом маршруте не более 15-ти переходов.

    При анализе состояния канала динамический маршрутизатор осуществляет широковещательную передачу пакетов с описанием своих собственных связей с другими маршрутизаторами. Вес маршрутизаторы сети пользуются этими широковещательными пакетами для составления своих маршрутных таблиц.

    Одно  из главных преимуществ маршрутизатора перед мостом состоит в том, что  маршрутизатор не тиражирует автоматически  все широковещательные сообщения. Это значит, что если какое-либо устройство начнет наводнять сеть копиями одного пакета, маршрутизатор сможет ограничить область распространения проблемы, поставив "брандмауэр" (firewall), который не даст широковещательному шторму охватить всю сеть.

6.5 Коммутаторы [2,4]

    Появление коммутаторов в сетях диктовалось  теми же потребностями, что и в случае мостов и маршрутизаторов, но, кроме того, и необходимостью улучшения некоторых характеристик сетевого оборудования.

    Сетевой коммутатор или свитч (от англ. switch – переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

    В отличие от первых образцов современные  коммутаторы обладают гибкой архитектурой и широкими функциональными возможностями. Они обеспечивают оперативную коммутацию пакетов с проверкой корректности данных, упрощают создание логических сетей с полным набором встроенных средств сетевого управления, в составе концентраторов с высокоскоростными переключаемыми магистралями позволяют достичь приемлемого варианта в организации сетевых соединений (например, формирования на магистрали выделенного сегмента, включающего двух конечных пользователей).