Реферат: Концентраторы

РИГА

2002

Основные и дополнительные функции концентраторов

Практически во всех современных технологиях локальных сетей определено устрой­ство, которое имеет несколько равноправных названий — концентратор (concentrator), хаб (hub), повторитель (repeator). В зависимости от области применения этого устройства в значительной степени изменяется состав его функций и конструктив­ное исполнение. Неизменной остается только основная функция — это повторение кадра либо на всех портах (как определено в стандарте Ethernet, либо только на некоторых портах, в соответствии с алгоритмом, определенным соответствующим стандартом.

Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдель­ных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети — компьюте­ры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одним из рассмотренных протоколов локальных сетей — Ethernet, Token Ring и т. п. Так как логика доступа к разделяемой среде существенно зависит от технологии, то для каждого типа технологии выпускаются свои концентраторы — Ethernet; Token Ring; РВП1 и 100VG-AnyLAN. Для конкретного протокола иногда используется свое, узкоспециализированное название этого устройства, более точно отражающее его функции или же использующееся в силу традиций, например, для концентраторов Token Ring характерно название MSAU.

Каждый концентратор выполняет некоторую основную функцию, определен­ную в соответствующем протоколе той технологии, которую он поддерживает. Хотя , эта функция достаточно детально определена в стандарте технологии, при ее реа­лизации концентраторы разных производителей могут отличаться такими деталя­ми, как количество портов, поддержка нескольких типов кабелей и т. п.

Кроме основной функции концентратор может выполнять некоторое количе­ство дополнительных функций, которые либо в стандарте вообще не определены, либо являются факультативными. Например, концентратор Token Ring может вы­полнять функцию отключения некорректно работающих портов и перехода на ре­зервное кольцо, хотя в стандарте такие его возможности не описаны. Концентратор оказался удобным устройством для выполнения дополнительных функций, облег­чающих контроль и эксплуатацию сети.

Рассмотрим особенности реализации основной функции концентратора на при­мере концентраторов Ethernet.

В технологии Ethernet устройства, объединяющие несколько физических сег­ментов коаксиального кабеля в единую разделяемую среду, использовались давно и получили название «повторителей» по своей основной функции — повторению на всех своих портах сигналов, полученных на входе одного из портов. В сетях на основе коаксиального кабеля обычными являлись двухпортовые повторители, соединяющие только два сегмента кабеля, поэтому термин концентратор к ним обычно не применялся.

С появлением спецификации 10Base-T для витой пары повторитель стал неотъем­лемой частью сети Ethernet, так как без него связь можно было организовать только между двумя узлами сети. Многопортовые повторители Ethernet на витой паре стали называть концентраторами или хабами, так как в одном устройстве действи­тельно концентрировались связи между большим количеством узлов сети. Кон­центратор Ethernet обычно имеет от 8 до 72 портов, причем основная часть портов предназначена для подключения кабелей на витой паре. На рис. 4.5 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. Обычно к этому порту подключается трансивер, работающий на коаксиал или оптоволокно. С по­мощью этого трансивера концентратор подключается к магистральному кабелю, соединяющему несколько концентраторов между собой, либо таким образом обес­печивается подключение станции, удаленной от концентратора более чем на 100 м.

Рис. 4.5. Концентратор Ethernet.

Для соединения концентраторов технологии 10Base-T между собой в иерархи­ческую систему коаксиальный или оптоволоконный кабель не обязателен, можно применять те же порты, что и для подключения конечных станций, с учетом одно­го обстоятельства. Дело в том, что обычный порт RJ-45, предназначенный для под­ключения сетевого адаптера и называемый MDI-X (кроссированный MDI), имеет инвертированную разводку контактов разъема, чтобы сетевой адаптер можно было подключить к концентратору с помощью стандартного соединительного кабеля, не кроссирующего контакты (рис. 4.6). В случае соединения концентраторов через  стандартный порт MDI-X приходится использовать нестандартный кабель с перекрестным соединением пар. Поэтому некоторые изготовители снабжают концентратор выделенным портом MDI, в котором нет кроссирования пар. Таким образом, два концентратора можно соединить обычным некроссированным кабелем, если это делать через порт MDI-X одного концентратора и порт MDI второго. Чаще один порт концентратора может работать и как порт MDI-X, и как порт MDI, в зависимости от положения кнопочного переключателя, как это показано в нижней части рис. 4.6.

Многопортовый повторитель-концентратор Ethernet может по-разному рассматриваться при использовании правила 4-х хабов. В большинстве моделей все порты связаны с единственным блоком повторения, и при прохождении сигнала между двумя портами повторителя блок повторения вносит задержку всего один раз. Поэтому такой концентратор нужно считать одним повторителем с ограничения­ми, накладываемыми правилом 4-х хабов. Но существуют и другие модели повто­рителей, в которых на несколько портов имеется свой блок повторения. В таком случае каждый блок повторения нужно считать отдельным повторителем и учиты­вать его отдельно в правиле 4-х хабов.

Рис. 4.6. Соединения типа «станция—концентратор» и «концентратор—концентратор» на витой паре

Некоторые отличия могут демонстрировать модели концентраторов, работаю­щие на одномодовый волоконно-оптический кабель. Дальность сегмента кабеля, поддерживаемого концентратором FDDI, на таком кабеле может значительно от­личаться в зависимости от мощности лазерного излучателя — от 10 до 40 км.

Однако если существующие различия при выполнении основной функции кон­центраторов не столь велики, то их намного превосходит разброс в возможностях реализации концентраторами дополнительных функций.

Отключение портов

Очень полезной при эксплуатации сети является способность концентратора от­ключать некорректно работающие порты, изолируя тем самым остальную часть сети от возникших в узле проблем. Эту функцию называют автосегментацией (autopartitioning). Для концентратора FDDI эта функция для многих ошибочных ситуаций является основной, так как определена в протоколе. В то же время для  концентратора Ethernet или Token Ring функция автосегментации для многих си­туаций является дополнительной, так как стандарт не описывает реакцию концентратора на эту ситуацию. Основной причиной отключения порта в стандартах Ethernet и Fast Ethernet является отсутствие ответа на последовательность импульсов link test, посылаемых во все порты каждые 16 мс. В этом случае неисправ­ный порт переводится в состояние «отключен», но импульсы link test будут про­должать посылаться в порт с тем, чтобы при восстановлении устройства работа с ним была продолжена автоматически.

Рассмотрим ситуации, в которых концентраторы Ethernet и Fast Ethernet вы­полняют отключение порта.

•   Ошибки на уровне кадра. Если интенсивность прохождения через порт кадров, имеющих ошибки, превышает заданный порог, то порт отключается, а затем, при отсутствии ошибок в течение заданного времени, включается снова. Таки­ми ошибками могут быть: неверная контрольная сумм, неверная длина кадра (больше 1518 байт или меньше 64 байт), неоформленный заголовок кадра.

•    Множественные коллизии. Если концентратор фиксирует, что источником кол­лизии был один и тот же    порт 60 раз подряд, то порт отключается. Через некоторое время порт снова будет включен.

•    Затянувшаяся передача (jabber). Как и сетевой адаптер, концентратор контро­лирует время прохождения одного кадра через порт. Если это время превышает время передачи кадра максимальной длины в 3 раза, то порт отключается.

Поддержка резервных связей

Так как использование резервных связей в концентраторах определено только в стандарте FDDI, то для остальных стандартов разработчики концентраторов под­держивают такую функцию с помощью своих частных решений. Например, кон­центраторы Ethernet/Fast Ethernet могут образовывать только иерархические связи без петель. Поэтому резервные связи всегда должны соединять отключенные пор­ты, чтобы не нарушать логику работы сети. Обычно при конфигурировании кон­центратора администратор должен определить, какие порты являются основными, а какие по отношению к ним — резервными (рис. 4.7). Если по какой-либо причине порт отключается (срабатывает механизм автосегментации), концентратор делает активным его резервный порт.

Рис. 4.7. Резервные связи между концентраторами Ethernet

В некоторых моделях концентраторов разрешается использовать механизм назначения резервных портов только для оптоволоконных портов, считая, что нужно резервировать только наиболее важные связи, которые обычно выполняются на оптическом кабеле. В других же моделях резервным можно сделать любой порт.

Защита от несанкционированного доступа

Разделяемая среда предоставляет очень удобную возможность для несанкциони­рованного прослушивания сети и получения доступа к передаваемым данным. Для этого достаточно подключить компьютер с программным анализатором протоко­лов к свободному разъему концентратора, записать на диск весь проходящий по сети трафик, а затем выделить из него нужную информацию.

Разработчики концентраторов предоставляют некоторый способ защиты дан­ных в разделяемых средах.

Наиболее простой способ — назначение разрешенных МАС-адресов портам кон­центратора. В стандартном концентраторе Ethernet порты МАС-адресов не имеют. Защита заключается в том, что администратор вручную связывает с каждым пор­том концентратора некоторый МАС-адрес. Этот МАС-адрес является адресом стан­ции, которой разрешается подключаться к данному порту. Например, на рис. 4.8 первому порту концентратора назначен МАС-адрес 123 (условная запись). Компью­тер с МАС-адресом 123 нормально работает с сетью через данный порт. Если зло­умышленник отсоединяет этот компьютер и присоединяет вместо него свой, концентратор заметит, что при старте нового компьютера в сеть начали поступать кадры с адресом источника 789. Так как этот адрес является недопустимым для первого порта, то эти кадры фильтруются, порт отключается, а факт нарушения прав доступа может быть зафиксирован.

Заметим, что для реализации описанного метода защиты данных концентратор нужно предварительно сконфигурировать. Для этого концентратор должен иметь блок управления. Такие концентраторы обычно называют интеллектуальными. Блок управления представляет собой компактный вычислительный блок со встроенным программным обеспечением. Для взаимодействия администратора с блоком управ­ления концентратор имеет консольный порт (чаще всего К.5-232), к которому под­ключается терминал или персональный компьютер с программой эмуляции терминала. При присоединении терминала блок управления организует на его эк­ране диалог, с помощью которого администратор вводит значения МАС-адресов. Блок управления может поддерживать и другие операции конфигурирования, на­пример ручное отключение или включение портов и т. д. Для этого при подключе­нии терминала блок управления выдает на экран некоторое меню, с помощью которого администратор выбирает нужное действие.

Рис. 4.8. Изоляция портов: передача кадров только от станций с

Другим способом защиты данных от несанкционированного доступа является их шифрация. Однако процесс истинной шифрации требует большой вычислительной мощности, и для повторителя, не буферизующего кадр, выполнить шифрацию «на лету» весьма сложно. Вместо этого в концентраторах применяется метод случайного искажения поля данных в пакетах, передаваемых портам с адресом, отличным от адреса назначения пакета. Этот метод сохраняет логику случайного доступа к среде, так как все станции видят занятость среды кадром информации, но только станция, которой послан этот кадр, может понять содержание поля данных кадра (рис. 4.9). Для реализации этого метода концентратор также нужно снабдить информацией о том, какие МАС-адреса имеют станции, подключенные к его портам. Обычно поле данных в кадрах, направляемых станциям, отличным от адресата, заполняется нулями.

Рис. 4.9. Искажение поля данных в кадрах, не предназначенных для приема станциями

Многосегментные концентраторы

При рассмотрении некоторых моделей концентраторов возникает вопрос — зачем в этой модели имеется такое большое количество портов, например 192 или 240? Имеет ли смысл разделять среду в 10 или 16 Мбит/с между таким большим количеством станций? Возможно, десять — пятнадцать лет назад ответ в некоторых случаях мог бы быть и положительным, например, для тех сетей, в которых компьютеры пользо­вались сетью только для отправки небольших почтовых сообщений или для перепи­сывания небольшого текстового файла. Сегодня таких сетей осталось крайне мало, и даже 5 компьютеров могут полностью загрузить сегмент Ethernet или Token Ring, а в некоторых случаях — и сегмент Fast Ethernet. Для чего же тогда нужен концентра­тор с большим количеством портов, если ими практически нельзя воспользоваться из-за ограничений по пропускной способности, приходящейся на одну станцию? Ответ состоит в том, что в таких концентраторах имеется несколько несвязанных внутренних шин, которые предназначены для создания нескольких разделяемых сред. Например, концентратор, изображенный на рис. 4.10, имеет три внутренние шины Ethernet. Если, например, в таком концентраторе 72 порта, то каждый из этих пор­тов может быть связан с любой из трех внутренних шин. На рисунке первые два компьютера связаны с шиной Ethernet 3, а третий и четвертый компьютеры — с шиной Ethernet 1. Первые два компьютера образуют один разделяемый сегмент, а третий и четвертый — другой разделяемый сегмент.

Рис. 4.10. Многосегментный концентратор

Между собой компьютеры, подключенные к разным сегментам, общаться через концентратор не могут, так как шины внутри концентратора никак не связаны.

Многосегментные концентраторы нужны для создания разделяемых сегментов, состав которых может легко изменяться. Большинство многосегментных концент­раторов, например System 5000 компании Nortel Networks или PortSwitch Hub компании 3Com, позволяют выполнять операцию соединения порта с одной из внутренних шин чисто программным способом, например с помощью локального конфигурирования через консольный порт. В результате администратор сети мо­жет присоединять компьютеры пользователей к любым портам концентратора, а затем с помощью программы конфигурирования концентратора управлять соста­вом каждого сегмента. Если завтра сегмент 1 станет перегруженным, то его ком­пьютеры можно распределить между оставшимися сегментами концентратора.

Возможность многосегментного концентратора программно изменять связи пор­тов с внутренними шинами называется конфигурационной коммутацией (configuration switching)

      ВНИМАНИЕ      Конфигурационная коммутация не имеет ничего общего с коммутацией кадров, которую выполняют мосты и коммутаторы.

Многосегментные концентраторы — это программируемая основа больших се­тей. Для соединения сегментов между собой нужны устройства другого типа — мосты/коммутаторы или маршрутизаторы. Такое межсетевое устройство должно подключаться к нескольким портам многосегментного концентратора, подсоеди­ненным к разным внутренним шинам, и выполнять передачу кадров или пакетов между сегментами точно так же, как если бы они были образованы отдельными устройствами -концентраторами.

Для крупных сетей многосегментный концентратор играет роль интеллекту­ального кроссового шкафа, который выполняет новое соединение не за счет меха­нического перемещения вилки кабеля в новый порт, а за счет программного изменения внутренней конфигурации устройства.

Управление концентратором по протоколу SNMP

Как видно из описания дополнительных функций, многие из них требуют конфи­гурирования концентратора. Это конфигурирование может производиться локально, через интерфейс RS-232C, который имеется у любого концентратора, имеющего блок управления.. Кроме конфигурирования в большой сети очень полезна функция наблюдения за состоянием концентратора: работоспособен ли он, в каком со­стоянии находятся его порты.

При большом количестве концентраторов и других коммуникационных устройств в сети постоянное наблюдение за состоянием многочисленных портов и изменением их параметров становится очень обременительным занятием, если оно должно вы­полняться с помощью локального подключения терминала. Поэтому большинство концентраторов, поддерживающих интеллектуальные дополнительные функции, могут управляться централизованно по сети с помощью популярного протокола управления SNMP (Simple Network Management Protocol) из стека TCP/IP.

Рис. 4.11. Структура системы управления на основе протокола SNMP

В блок управления концентратором встраивается так называемый ЗКМР-агент. Этот агент собирает информацию о состоянии контролируемого устройства и хранит ее в так называемой базе данных управляющей информации — Management Information Base, MIB. Эта база данных имеет стандартную структуру, что позволяет одному из компьютеров сети, выполняющему роль центральной станции управления, запра­шивать у агента значения стандартных переменных базы MIB. В базе MIB хранятся не только данные о состоянии устройства, но и управляющая информация, воздей­ствующая на это устройство. Например, в MIB есть переменная, управляющая со­стоянием порта, имеющая значения «включить» и «выключить». Если станция управления меняет значение управляющей переменной, то агент должен выполнить это указание и воздействовать на устройство соответствующим образом, например выключить порт или изменить связь порта с внутренними шинами концентратора.

Взаимодействие между станцией управления (по-другому — менеджером системы управления) и встроенными в коммуникационные устройства агентами происходит по протоколу SNMP. Концентратор, который управляется по протоколу SNMP, должен поддерживать основные протоколы стека TCP/IP и иметь IP- и МАС-адреса. Точнее, эти адреса относятся к агенту концентратора. Поэтому администратор, который хочет воспользоваться преимуществами централизованного управления концентраторами по сети, должен знать стек протоколов ТСР/IР и сконфигурировать IР-адреса их агентов.

Конструктивное исполнение концентраторов

На конструктивное устройство концентраторов большое влияние оказывает их область применения. Концентраторы рабочих групп чаще всего выпускаются как устройства с фиксированным количеством портов, корпоративные концентраторы — как модульные устройства на основе шасси, а концентраторы отделов могут иметь стековую конструкцию. Такое деление не является жестким, и в качестве корпоративного концентратора может использоваться, например, модульный кон­центратор.

Концентратор с фиксированным количеством портов — это наиболее простое конструктивное исполнение, когда устройство представляет собой отдельный кор­пус со всеми необходимыми элементами (портами, органами индикации и управ­ления, блоком питания), и эти элементы заменять нельзя. Обычно все порты такого концентратора поддерживают одну среду передачи, общее количество портов изме­няется от 4-8 до 24. Один порт может быть специально выделен для подключения концентратора к магистрали сети или же для объединения концентраторов (в ка­честве такого порта часто используется порт с интерфейсом AUI, в этом случае применение соответствующего трансивера позволяет подключить концентратор к практически любой физической среде передачи данных).

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 концентраторы являются многосегментными, тогда в пределах одного мо­дульного концентратора работает несколько несвязанных между собой повторите­лей. Для модульного концентратора могут существовать различные типы модулей, отличающиеся количеством портов и типом поддерживаемой физической среды. Часто агент протокола SNMP выполняется в виде отдельного модуля, при установ­ке которого концентратор превращается в интеллектуальное устройство. Модуль­ные концентраторы позволяют более точно подобрать необходимую для конкретного применения конфигурацию концентратора, а также гибко и с минимальными за­тратами реагировать на изменения конфигурации сети.

Ввиду ответственной работы, которую выполняют корпоративные модульные концентраторы, они снабжаются модулем управления, системой терморегулирова­ния, избыточными источниками питания и возможностью замены модулей «на ходу».

Недостатком концентратора на основе шасси является высокая начальная сто­имость такого устройства для случая, когда предприятию на первом этапе созда­ния сети нужно установить всего 1-2 модуля. Высокая стоимость шасси вызвана тем, что оно поставляется вместе со всеми общими устройствами, такими как из­быточные источники питания и т. п. Поэтому для сетей средних размеров боль­шую популярность завоевали стековые концентраторы.

Стековый концентратор, как и концентратор с фиксированным числом портов, выполнен в виде отдельного корпуса без возможности замены отдельных его моду­лей. Типичный вид нескольких стековых концентраторов Ethernet показан на рис. 4.12. Однако стековыми эти концентраторы называются не потому, что они устанавливаются один на другой. Такая чисто конструктивная деталь вряд ли удо­стоилась бы особого внимания, так как установка нескольких устройств одинако­вых габаритных размеров в общую стойку практикуется очень давно. Стековые концентраторы имеют специальные порты и кабели для объединения нескольких таких корпусов в единый повторитель (рис. 4.13), который имеет общий блок повторения, обеспечивает общую ресинхронизацию сигналов для всех своих портов и поэтому с точки зрения правила 4-х хабов считается одним повторителем.                       Если стековые концентраторы имеют несколько внутренних шин, то при соеди­нении в стек эти шины объединяются и становятся общими для всех устройств стека. Число объединяемых в стек корпусов может быть достаточно большим (обыч­но до 8, но бывает и больше). Стековые концентраторы могут поддерживать раз­личные физические среды передачи, что делает их почти такими же гибкими, как и модульные концентраторы, но при этом стоимость этих устройств в расчете на один порт получается обычно ниже, так как сначала предприятие может купить одно устройство без избыточного шасси, а потом нарастить стек еще несколькими аналогичными устройствами.

Рис. 4.13. Объединение стековых концентраторов в единое устройство с помощью специальных разъемов на задней панели

Стековые концентраторы, выпускаемые одним производителем, выполняются в едином конструктивном стандарте, что позволяет легко устанавливать их друг на друга, образуя единое настольное устройство, или помещать их в общую стойку. Экономия при организации стека происходит еще и за счет единого для всех устройств стека модуля SNMP-управления (который вставляется в один из корпу­сов стека как дополнительный модуль), а также общего избыточного источника питания.

Модульно-стековые концентраторы представляют собой модульные концент­раторы, объединенные специальными связями в стек. Как правило, корпуса таких концентраторов рассчитаны на небольшое количество модулей (1-3). Эти концен­траторы сочетают достоинства концентраторов обоих типов.

Выводы

·         От производительности сетевых адаптеров зависит производительность любой сложной сети, так как данные всегда проходят не только через коммутаторы и маршрутизаторы сети, но и через адаптеры компьютеров, а результирующая производительность последовательно соединенных устройств определяется про­изводительностью самого медленного устройства.

·         Сетевые адаптеры характеризуются типом поддерживаемого протокола, производительностью, шиной компьютера, к которой они могут присоединяться, типом приемопередатчика, а также наличием собственного процессора, разгружающего центральный процессор компьютера от рутинной работы.

·         Сетевые адаптеры для серверов обычно имеют собственный процессор, а клиент­ские сетевые адаптеры — нет.

·         Современные адаптеры умеют адаптироваться к временным параметрам шины и оперативной памяти компьютера для повышения производительности обмена «сеть—компьютер».

·         Концентраторы, кроме основной функции протокола (побитного повторения кадра на всех или последующем порту), всегда выполняют ряд полезных допол­нительных функций, определяемых производителем концентратора.

·         Автосегментация — одна из важнейших дополнительных функций, с помощью которой концентратор отключает порт при обнаружении разнообразных про­блем с кабелем и конечным узлом, подключенным к данному порту.

·         В число дополнительных функций входят функции защиты сети от несанкцио­нированного доступа, запрещающие подключение к концентратору компьюте­ров с неизвестными MAC-адресами, а также заполняющие нулями поля данных кадров, поступающих не к станции назначения.

·         Стековые концентраторы сочетают преимущества модульных концентраторов и концентраторов с фиксированным количеством портов.

·         Многосегментные концентраторы позволяют делить сеть на сегменты программ­ным способом, без физической перекоммутации устройств.

·         Сложные концентраторы, выполняющие дополнительные функции, обычно могут управляться централизованно по сети по протоколу SNMP.