Сетевой концентратор

Чем отличается концентратор от коммутатора

Концентратор и коммутатор относятся к разным типам активного сетевого оборудования,
которое используется для соединения устройств сети. Они различаются способом
передачи в сеть поступающих данных (трафика).

Концентраторы

Термин «концентратор» иногда
используется для обозначения любого сетевого
устройства, которое служит для объединения ПК
сети, но на самом деле концентратор — это
многопортовый повторитель. Устройства подобного
типа просто передают (повторяют) всю информацию,
которую они получают — то есть все устройства,
подключенные к портам концентратора, получают
одну и ту же информацию.

Концентраторы используются для расширения сети. Однако чрезмерное увлечение
концентраторами может привести к большому количеству ненужного трафика, который
поступает на сетевые устройства. Ведь концентраторы передают трафик в сеть,
не определяя реальный пункт назначения данных. ПК, которые получают пакеты данных,
используют адреса назначения, имеющиеся в каждом пакете, для определения, предназначен
ли пакет им или нет. В небольших сетях это не является проблемой, но даже в
сетях среднего размера с интенсивным трафиком следует использовать коммутаторы,
которые минимизируют количество необязательного трафика.

Коммутаторы

Коммутаторы контролируют сетевой
трафик и управляют его движением, анализируя
адреса назначения каждого пакета. Коммутатор
знает, какие устройства соединены с его портами,
и направляет пакеты только на необходимые порты.
Это дает возможность одновременно работать с
несколькими портами, расширяя тем самым полосу
пропускания.

Таким образом коммутация уменьшает
количество лишнего трафика, что происходит в тех
случаях, когда одна и та же информация передается
всем портам.

Коммутаторы и концентраторы часто используются в одной и той же сети; концентраторы
расширяют сеть, увеличивая число портов, а коммутаторы разбивают сеть на небольшие,
менее перегруженные сегменты.

Когда следует использовать концентратор или коммутатор

В небольшой сети (до 20 рабочих мест)
концентратор или группа концентраторов вполне
могут справиться с сетевым трафиком. В этом
случае концентратор просто служит для
соединения всех пользователей сети.

В сети большего размера (около 50 пользователей) может появиться необходимость
использовать коммутаторы для разделения сети на сегменты, чтобы уменьшить количество
необязательного трафика. Если вы используете концентратор или коммутатор с индикаторами,
показывающими степень загруженности сети, то, анализируя их показания, можно
сделать определенные выводы. Так, в случае если трафик постоянно велик, следует
использовать коммутатор для разделения сети на сегменты. В случае добавления
в сеть новых концентраторов следует соблюдать правила, ограничивающие количество
непосредственно соединяемых друг с другом концентраторов. Применение коммутаторов
позволяет увеличить число используемых в сети концентраторов и тем самым расширить
сеть.

Компоненты сети

Небольшая сеть обычно состоит из:

ПК и периферийных устройств, таких как принтеры;
сетевых адаптеров для ПК и cетевых кабелей;
cетевого оборудования, такого как концентраторы и коммутаторы, которые
соединяют между собой ПК и принтеры;
cетевой операционной системы, например Windows NT или NetWare.

Кроме того, может потребоваться и
другое оборудование.

В ПК для того, чтобы его можно было использовать в сети, необходимо установить
сетевые адаптеры. Некоторые ПК имеют заранее установленный сетевой адаптер.
Сетевой адаптер должен быть по скорости совместим с концентратором, к которому
ПК подключается. Так, сетевой адаптер Ethernet соответствует концентратору Ethernet,
а сетевой адаптер Fast Ethernet — концентратору Fast Ethernet.

Недостатки классического Ethernet

Классический Ethernet, который использует разделяемую среду для передачи данных обладает существенными недостатками.

Первый недостаток, когда в сети много ПК и они активно передают данные, то сеть работает очень медленно или становится неработоспособной. ПК большую часть времени тратят на борьбу за доступ к разделяемой среде, чем на передачу данных.

Безопасность в классическом изернет низкая, все данные, которые поступают в разделяемую среду доступны всем ПК в сети, потому любой, кто подключился к разделяемой среде, может перехватить ваши данные и посмотреть все что в них находится.

И третий недостаток это разное время доставки кадра. Если компьютеру повезло и коллизий не возникло, то он может отправить кадр сразу, но для передачи другого кадра может понадобится 5-6 попыток. Разное время задержки при передачи кадров очень неудобно для трафика реального времени, такого как голосовой трафик или стриминг видео.

Технология «клиент-сервер»

Очень часто бывает целесообразно
перейти от одноранговой сети к сети,
базирующейся на технологии «клиент-сервер»,
применение которой позволяет более эффективно
эксплуатировать мощности ЛВС. В этом случае
приложение делится на две части: клиентскую и
серверную. Один или несколько наиболее мощных
компьютеров сети конфигурируются как серверы
приложений; на них выполняются серверные части
приложений. Клиентские части выполняются на
рабочих станциях; именно на рабочих станциях
формируются запросы к серверам приложений и
обрабатываются полученные результаты.

Различают сети с одним или несколькими
выделенными серверами. В таких сетях именно
ресурсы сервера, чаще всего дисковая память,
доступны всем пользователям. Серверы,
разделяемым ресурсом которых является дисковая
память, называются файл-серверами. Можно сказать,
что сервер обслуживает все рабочие станции.
Файловый сервер обычно используется только
администратором сети и не предназначен для
решения прикладных задач. Поэтому он может быть
оснащен недорогим, даже монохромным дисплеем.
Однако файловые серверы почти всегда содержат
несколько быстродействующих накопителей или
даже RAID-массив. Сервер должен быть
высоконадежным, поскольку его выход из строя
приводит к остановке работы всей сети. На
файловом сервере обычно устанавливается сетевая
операционная система: чаще всего это Windows NT, NetWare
или Linux.

На рабочих станциях устанавливается обычная ОС, например DOS, Windows или Windows
NT. Рабочая станция — это индивидуальное рабочее место пользователя. Полноправным
владельцем всех ресурсов рабочей станции в отличие от одноранговой сети является
пользователь. В то же время ресурсы файл-сервера разделяются всеми пользователями.
В качестве рабочей станции может использоваться компьютер практически любой
конфигурации. Но в конечном счете все зависит от тех приложений, которые данный
компьютер использует.

КомпьютерПресс 10’1999

Коннекторы и кабели

Коаксиальный кабель

Витая пара и коаксиальный кабель
представляют собой различные типы кабеля,
которые используются для соединения
оборудования вычислительных сетей.

Коаксиальный кабель стал
использоваться в сетях раньше витой пары. Сети на
коаксиальном кабеле создаются путем объединения
Т-образных секций в один длинный сегмент. Два
свободных конца сегмента завершаются
терминаторами. ПК подключаются к одному из
концов Т-образной секции. Данные передаются
вдоль всего сегмента и достигают всех устройств,
входящих в сегмент. Для того чтобы сеть
функционировала, весь сегмент должен оставаться
неповрежденным. Это означает, что, если
какая-нибудь секция кабеля повреждена или
отключена, то сеть работать не будет. В процессе
модернизации сети (например, при добавлении
новых ПК) происходит разрыв сегмента, что делает
сеть временно неработоспособной.

Коаксиальный кабель может использоваться только для сетей стандарта Ethernet.

Кабель на витой паре

Кабель на витой паре легче в
использовании и значительно более гибок, чем
коаксиальный. Поэтому в большинстве сетей в
качестве физической среды передачи используется
именно кабель на витой паре. В небольших сетях на
витой паре обычно используется центральное
устройство — концентратор или
коммутатор, — к которому по витой паре
подключаются все ПК. Это устройство распределяет
информацию между ПК, которые к нему подключены.

Кабель на витой паре очень гибок и имеет удобные для использования коннекторы,
которые легко вставляются в порты сетевого оборудования, ПК и принтеров. Если
кабель на витой паре поврежден, то только то устройство, которое он подключает
к сети, будет блокировано. Все остальные устройства остаются работоспособными.
Модернизировать сеть (например, добавить новые ПК) очень легко, и этот процесс
не влияет на работу других устройств. Кабель категории 5 можно использовать
для сетей Fast Ethernet. Кроме того, применение кабеля категории 5 позволит
перейти от сетей Ethernet к сетям Fast Ethernet.

Как можно установить соединение с сетью на коаксиальном
кабеле

Раньше именно коаксиальный кабель
наиболее часто использовался как среда передачи
в сетях Ethernet. Для того чтобы обеспечить переход
на витую пару, следует использовать
концентраторы с портами двух типов — на витой
паре и на коаксиальном кабеле.

Если у вас есть один из этих концентраторов, то установить соединение с сетью
на коаксиальном кабеле будет достаточно легко. Все, что для этого надо, —
соединить существующую сеть с соответствующим портом концентратора. Помимо соединения
с коаксиальным кабелем эти концентраторы позволяют проводить соединения и по
витой паре.

Сравнение

Приборы внешне могут выглядеть очень похоже: компактные коробочки, на одной из сторон которых располагаются выходы для подключения соединительных кабелей. Общим для двух устройств является и то, что они связывают только отдельные компьютеры, а не сети, как в случае с маршрутизатором.

Между тем отличие коммутатора от концентратора заключается в том, что второй прибор является довольно примитивным вариантом и обладает меньшими возможностями. Действие концентратора соответствует первому, физическому, уровню согласно модели OSI. Подобное устройство не способно распознавать взаимодействующие с ним компьютеры. Получив от одного из них данные, концентратор отправляет их на все рабочие порты. Таким образом, пакет приходит и по месту назначения, и на остальные компьютеры.

Такой подход влечет за собой массу недостатков. В их числе угроза безопасности и зависимость пропускной способности от количества подсоединенных узлов. В определенный момент концентратор выполняет только один вид операций: получение или передачу информации. При этом процесс осуществляется со скоростью наиболее медленно работающего элемента группы. Все это снижает производительность описанного аппарата.

Концентраторы в настоящее время утратили былую актуальность. Для построения сети сейчас в основном используются коммутаторы. Они функционируют на втором, канальном, уровне. Такой прибор настроен на запоминание компьютерных адресов и способен фиксировать, к какому из портов подключен каждый отдельный узел.

Пакет данных, проходящий через коммутатор, доставляется только на нужное устройство. Остальные компьютеры эту информацию не видят. Поскольку здесь отсутствуют ненужные передачи, производительность внутри сети повышается. Связующий прибор работает сразу в двух направлениях: приема и трансляции данных избранным устройствам. К тому же коммутатор отлично справляется с большими объемами информации, обрабатывая и пересылая ее намного быстрей.

В чем разница между коммутатором и концентратором? В том, что именно первое из этих устройств является наиболее эффективным и лучше обеспечивает безопасность сформированной компьютерной сети.

Что такое Коммутатор?

Когда появились
первые устройства, позволяющие разъединять
сеть на несколько доменов коллизий (по
сути фрагменты ЛВС, построенные на
hub-ах), они были двух портовыми и получили
название мостов (bridge-ей). По мере развития
данного типа оборудования, они стали
многопортовыми и получили название
коммутаторов ( switch
-ей).
Некоторое время оба понятия существовали
одновременно, а поздее вместо термина
«мост» стали применять «коммутатор».

Обычно, проектируя
сеть, с помощью коммутаторов соединяют
несколько доменов коллизий локальной
сети между собой. В реальной жизни в
качестве доменов коллизий выступают,
как правило, этажи здания, в котором
создается сеть. Их обычно более 2-х, а в
результате обеспечивается гораздо
более эффективное управление трафиком
чем у прародителя комутатора — моста.
По меньшей мере, он может поддерживать
резервные связи между узлами сети.

Благодаря тому,
что коммутаторы могут управлять трафиком
на основе протокола канального уровня
(Уровня 2) модели OSI, он в состоянии
контролировать МАС адреса подключенных
к нему устройств и даже обеспечивать
трансляцию пакетов из стандарта в
стандарт (например Ethernet в FDDI и обратно).
Особенно удачно результаты этой
возможности представлены в коммутаторах
Уровня 3, т.е. устройствах, возможности
которых приближаются к возможностям
маршрутизаторов.

Коммутатор
позволяет пересылать пакеты между
несколькими сегментами сети. Он является
обучающимся устройством и действует
по аналогичной технологии. В отличие
от мостов, ряд коммутаторов не помещает
все приходящие пакеты в буфер. Это
происходит лишь тогда, когда надо
согласовать скорости передачи, или
адрес назначения не содержится в адресной
таблице, или когда порт, куда должен
быть направлен пакет, занят, а коммутирует
пакеты «на лету». Коммутатор лишь
анализирует адрес назначения в заголовке
пакета и, сверившись с адресной таблицей,
тут же (время задержки около 30-40
микросекунд) направляет этот пакет в
соответствующий порт. Таким образом,
когда пакет еще целиком не прошел через
входной порт, его заголовок уже передается
через выходной. К сожалению, типичные
коммутаторы работают по алгоритму
«устаревания адресов». Это означает,
что, если по истечении определенного
промежутка времени, не было обращений
по этому адресу, то он удаляется из
адресной таблицы.

Коммутаторы
поддерживают при соединении друг с
другом режим полного дуплекса. В таком
режиме данные передаются и принимаются
одновременно, что невозможно в обычных
сетях Еthегnеt. При этом скорость передачи
данных повышается в два раза, а при
соединении нескольких коммутаторов
можно добиться и большей пиковой
производительности.

Расширение и модернизация

Рассмотрим вопросы расширения сети,
связанные с увеличением числа пользователей.

В каких случаях требуется расширять
или модернизировать сеть? Существует по
крайней мере три причины:

требуется больше портов;
требуется более широкая полоса пропускания;
одноранговая сеть стала слишком сложной.

Требуется больше портов.

В тех случаях, когда количество
пользователей сети увеличивается, можно просто
добавить другой концентратор, подключив его к
существующему. В результате появится нужное
число дополнительных портов.

Для сопряжения устройств в сетях Ethernet
используется MDI-интерфейс, регламентирующий
правила соединения. Большинство портов
концентраторов и коммутаторов относятся к
MDI-X-портам, которые используют стандартный
кабель на витой паре для подключения к ПК. Часть
портов может относиться к категории MDI/MDI-X. Это
значит, что режим их работы выбирается с помощью
переключателя. Для того чтобы соединение между
двумя устройствами заработало, принимающие
линии одного устройства должны быть соединены с
передающими линиями другого. Для соединения двух
портов MDI или двух портов MDI-X надо использовать
так называемый кроссоверный кабель — кабель с
перекрещиванием передающих и принимающих линий.
Сформулируем наиболее часто используемые
правила сопряжения устройств:

Для соединения MDI/MDI-X-порта (установленного в режим MDI с помощью переключателя)
одного устройства с MDI-X-портом другого нужен стандартный кабель на витой
паре.
Для соединения двух MDI-X-портов нужен кроссоверный кабель на витой паре.

Требуется более широкая полоса
пропускания.
Ethernet-сети, базирующиеся на концентраторах,
являются идеальным решением для большинства
небольших сетей. Однако если Ethernet-сеть постоянно
работает с большими нагрузками, то можно:

добавить Ethernet-коммутатор. Если в сети более 25 пользователей или большинство
пользователей имеют обычные Ethernet-адаптеры в своих ПК, то добавление Ethernet-коммутатора
позволит разделить сеть на менее загруженные сегменты;
перейти к Fast Ethernet. Если по сети передается много больших файлов (например,
графических), то переход к Fast Ethernet обеспечит в 10 раз большую полосу
пропускания. Это ускорит передачу файлов и выполнение других сетевых операций.

Отметим, что переход к Fast Ethernet
потребует сетевые адаптеры стандарта Fast Ethernet.
Если вы не собираетесь сразу модернизировать всю
сеть, можно рекомендовать использовать
концентраторы с автоматическим определением
скорости. Эти устройства обеспечивают
автонастройку портов Ethernet/Fast Ethernet, что позволит
подключать к концентратору старое оборудование
Ethernet и новое Fast Ethernet.

Одноранговая сеть стала слишком
сложной.

В ряде случаев возникают трудности,
связанные с ростом одноранговой сети:

Если существует много совместно используемых (разделяемых) папок или файлов,
то неудобно контролировать их месторасположение и права доступа к ним.
Если к разделяемым папкам и локальным принтерам часто обращаются, то это
приводит к замедлению работы тех ПК, к которым они подключены.

Таблицы коммутации

В простом виде таблица коммутации (ТК) состоит из 2-х столбцов. Столбец №1 это порт коммутатора, а 2-ой это МАК-адрес ПК, который подключен к данному порту.

В действительности, таблица выглядит намного сложнее, но чтобы понять принцип действия коммутатора, хватит этих 2-х полей.

Алгоритм обратного обучения

Чтобы узнать, как коммутатор узнает mac адреса компьютеров, которые подключены к его портам, применяется алгоритм обратного обучения.

Например, есть коммутатор, у него 8 портов. Его только что включили и не знает ничего про ПК, подключенные к нему. Ячейки в таблице коммутации пока пустые, коммутатор принимает все кадры, которые приходят на его порты и проводит анализ заголовка канального уровня. Из заголовка он извлекает адрес отправителя. Коммутатор определяет, что к порту №3 подключен ПК с таким же mac-адресом. И следовательно, записывает этот mac-адрес в ТК.

И так далее, пока вся таблица коммутации не заполнится и коммутатор не будет знать МАК-адреса всех ПК, подключенные к его портам.

Сетевой мост

Чтобы отправить кадры внутри коммутаторов, применяется алгоритм прозрачного моста. Мост — был до коммутаторов, это спец устройство, используется для объединения нескольких сетей классического ethernet. Если в сети классического интернета будет подключено большое количество ПК, то возникнут коллизии и данные будут передаваться с низкой скоростью.

Мосты нужны для того, чтобы разделить крупные сети на несколько маленьких, внутри которых намного меньше возникало коллизий и информация передавались с большей скоростью. Мост был подсоединен к 2-м или нескольким сегментам классического изернет, принимал все кадры, которые передаются, но передавал их в другую сеть только в том случае, есть они предназначались для компьютера из другой сети.

Есть несколько видов мостов, но для коммутаторов выбрали режим работы прозрачного моста. Прозрачный мост, он незаметен для сетевых устройств. У него нет своего макадреса и ему не нужна настройка. Вы можете подключать к нему ПК и информация будет немедленно передаваться в отличие от коммутатора. Маршрутизатору нужны конфигурации для каждого порта. В маршрутизаторах необходимо прописать ip адрес, и настроить таблицу маршрутизации.

Алгоритм прозрачного моста

Например, таблица коммутации заполнена и коммутатор знает мак адреса компьютеров, подключённые к его портам. Коммутатор принимает кадры, проводит анализ заголовка канального уровня и извлекает оттуда адрес получателя. Он ищет этот мак-адрес в таблице коммутации, в нашем случае на картинке ниже, компьютер с таким мак адресом подключен к порту № 2.

Следовательно, кадр передается на порт №2, где и есть получатель, а не на все порты, как это делает концентратор.

Если пришел кадр с адресом получателя, а этого адреса нет в таблице коммутации. То коммутатор работает по такой же схеме, как и концентратор.

Передает кадр на все порты, кроме того порта откуда этот кадр поступил, надеясь, что к какому-нибудь из этих портов подключен компьютер получателя, просто по каким-то причинам он еще не передавал данные и поэтому его мак адреса нет в ТК.

Преимущества и недостатки

В сравнении с повторителем

Концентратор является логическим продолжением повторителя. Различные производители реализуют некоторые из перечисленных ниже функций:

Возможность объединять сегменты сетей с разной физической средой (например, коаксиальный кабель и витая пара)
Автоматическое отключение портов при возникновении на них ошибок
Поддержка резервных связей

В сравнении с коммутатором

Единственное преимущество концентратора — низкая стоимость — было актуально лишь в первые годы развития сетей Ethernet. По мере совершенствования и удешевления электронных микропроцессорных компонентов данное преимущество концентратора полностью сошло на нет, так как стоимость вычислительной части коммутаторов и маршрутизаторов составляет лишь малую долю на фоне стоимости разъёмов, разделительных трансформаторов, корпуса и блока питания, общих для концентратора и коммутатора.

Недостатки концентратора являются логическим продолжением недостатков топологии общая шина, а именно — снижение пропускной способности сети по мере увеличения числа узлов. Кроме того, поскольку на физическом уровне узлы не изолированы друг от друга, все они будут работать со скоростью передачи данных самого худшего узла. Например, если в сети присутствуют узлы со скоростью 100 Мбит/с и всего один узел со скоростью 10 Мбит/с, то все узлы будут работать на скорости 10 Мбит/с, даже если узел 10 Мбит/с вообще не проявляет никакой информационной активности. Ещё одним недостатком является вещание сетевого трафика во все порты, что снижает уровень сетевой безопасности и даёт возможность подключения снифферов.

Примеры концентраторов и хабов

Данные устройства выпускаются, начиная с 4-х и заканчивая 48 портами, а также скорость передачи данных у большинства моделей может варьироваться от 10 и до 100 Мб/сек.

Все приспособления и устройства соединяются и подключаются посредством:

витой пары;
оптоволокна;
кабеля коаксиального типа.

Благодаря этому концентраторы можно объединять друг с другом по каскадному принципу, наращивая общее число разъемов для сети.

Подобная терминология, как концентраторы или хабы, применяется к современным технологиям для передачи данных и информации: USB, FireWire и прочим.

Отметим, что на сегодняшний день хабы практически сняты с массового производства, поскольку их давно потеснили и заменили сетевые коммутаторы или же хаб-свитчи, которые позволяют выделить каждую подключенную машину в отдельный сегмент.

Другими словами хаб-свитчи – это сетевые концентраторы, отправная точка работы, благодаря которым Интернет поступает на несколько компьютеров одновременно и при этом может объединить их в простейшую сеть.

В каждом свитч-хабе насчитывается определенное число портов (разъемов), к ним осуществляется подсоединение сетевых кабелей, а затем и персональных компьютеров.

Преимущества и недостатки

В сравнении с повторителем

Возможность объединять сегменты сетей с разной физической средой (например, коаксиальный кабель и витая пара)
Автоматическое отключение портов при возникновении на них ошибок
Поддержка резервных связей