Projektowanie sieci LAN WAN

Urządzenia sieci

1. Karta NIC (Network Interface Card)

Karta NIC to podstawowy element sprzętowy w komunikacji sieciowej. Tłumaczy ona równoległy sygnał generowany przez komputer do formatu szeregowego wysyłanego kablem sieciowym. Jedynki i zera komunikacji binarnej są odwzorowywane na impulsy elektryczne, pulsacje światła, fal radiowych lub na inny system sygnalizacyjny używany przez nośniki sieciowe.

Ważną częścią interfejsu sieci jest urządzenie nadawczo-odbiorcze. Niektóre karty NIC na przykład te wykonane dla sieci 10Base2 i l0BaseT, mają takie urządzenie wbudowane w samą kartę. Inne, na przykład przeznaczone dla sieci l0Base5, są wyposażone w dodatkowy łącznik interfejsu (AUI), do którego za pomocą kabla podłączane jest zewnętrzne urządzenie nadawczo-odbiorcze. Urządzenie to wysyła i odbiera sygnały.

Najważniejsze elementy składające się na każdą kartę sieciową to: specjalizowany mikroprocesor nadzorujący wymianę danych między komputerem i siecią LAN, pamięć EEPROM, w której przechowywana jest aktualna konfiguracja karty oraz bufor wejścia/wyjścia służący do magazynowania nadmiarowych danych.

Karty NIC pełnią ważne funkcje warstwy danych:

- Kontrola łącza logicznego - komunikuje się z wyższymi warstwami w komputerze.

- Adresowanie - dostarcza unikatowy adres MAC.

- Ramki - pakuje bity w celu ich przesyłania jako części procesu enkapsulacji (Hermetyzacja lub inaczej ukrywanie informacji)

- MAC (Media Access Control) - zapewnia strukturalny dostęp do wspólnych mediów.

- Sygnały - tworzy sygnały i współpracuje z mediami używając wbudowanych urządzeń nadawczo-odbiorczych.

Podczas wyboru karty NIC dla komputera należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

1. Interfejs łączący z komputerem

-ISA (Industry Standard Architecture) - są to najstarsze karty, dostępne już tylko na rynku wtórnym, oferują prędkość do 10Mbps;

-EISA (Extender ISA)

-PCI (Peripheral Komponent Interconnect) - aktualnie najpopularniejsze i powszechnie dostępne, oferują przepustowość 10, 100, a nawet 1000Mbps;

-MCA (Micro Chanel Architecture)

-USB - karty występują w formie klucza, jest to przydatne rozwiązanie w wypadku braku możliwości rozbudowy komputera z poprzednimi typami (zaplombowany komputer bądź notebook). Jej prędkość zależy przede wszystkim od obsługiwanego standardu USB - do 10Mbps dla USB 1.1 i 100Mbps dla USB2.0;

-PCMCA (Personal Komputer Memory Card International Association) - złącze występujące typowo w notebookach, oferuje przepustowość do 100Mbps.

2. Medium transmisyjne.

- kabel koncentryczny - najstarsze i praktycznie niestosowane już rozwiązanie oferujące prędkość do 10Mbps, spotykane w kartach ISA i niektórych wolniejszych PCI;

- kabel tzw. „skrętka” - kabel o 4 parach żył, dzięki niemu możliwe jest uzyskanie prędkości 10, 100, a nawet 1000Mbps. Jest to najpopularniejsze w tej chwili rozwiązanie;

- fale radiowe - sieci WiFi (Wireless Fidelity), coraz popularniejsze, choć jeszcze nie w Polsce ze względu na parokrotnie wyższe koszty budowy sieci niż w tradycyjnym przypadku. Oferują one wiele prędkości zależnych od warunków radiowych i obsługiwanych standardów, średnio 11Mbps, w porywach do ponad 100Mbps przy zaawansowanych i bardzo drogich rozwiązaniach;

- światłowód - drogie i mało popularne rozwiązanie na rynku SOHO, przeznaczone głównie do profesjonalnych i wysokowydajnych zastosowań oferujące z reguły prędkości 1Gbps i większe.

3. Architektura sieci.

4. System operacyjny.

5. Szybkość transferu danych.

Ceny poszczególnych modeli, mających nawet podobne możliwości, mogą mieć dość dużą rozpiętość, szczególnie w wypadku kart opartych na złączu PCI. Generalizując można powiedzieć, iż im mniejsza cena, tym większe obciążenie procesora przy transferze danych. Dlatego też im większa sieć, im większe łącze i transfery, tym lepsze i droższe karty powinny być stosowane. Polecić można rozwiązania firm Intel i 3Com, które na rynku wtórnym nie są wcale takie drogie, a ich ceny w tym wypadku oscylują w okolicach 70-100zł. Te najtańsze, oparte na chipie firmy Realtek nie zawsze dobrze się sprawdzają w ciężkich warunkach, jednak do domowych zastosowań w zupełności wystarczą. Bezsprzeczną zaletą jest ich cena - nowe kosztują poniżej 40zł.

Należy pamiętać, iż podane przez producenta maksymalne prędkości są raczej teoretyczne i mocno zależne od wielu czynników - wydajności komputera (prędkości zapisu i odczytu dysku, konfiguracji systemu), jakości i długości okablowania, sprzętu nadrzędnego do którego komputer jest podłączony i wielu innych parametrów.

2. Wzmacniak (repeater)

Jeden z powodów ograniczenia zasięgu sieci lokalnych wynika z tłumienia sygnałów elektrycznych. W niektórych technikach sieciowych stosuje się wzmacniaki, aby obejść to ograniczenie. Wzmacniaki są podstawowym elementem sieci łączącym osobne seg­menty. Przechwytują one nadchodzące ramki, regenerują preambułę, wzmacniają sygnały i wysyłają ramkę do innego interfejsu.

Wzmacniak jest zwykle urządzeniem analogowym, które stale monitoruje sygnał w obu kablach, które łączy. Po wykryciu sygnału w jednym kablu przekazuje jego wzmocniona kopie do drugiego kabla. Wzmacniak łączy dwa kable sieci ethernet zwane segmentami. Każdy z segmentów jest standardowo zakończony terminatorem. Wzmacniaki nie interpretują formatów ramek ani adresów fizycznych sieci. Są podłączone bezpośrednio do kabla sieciowego i przekazują kopie sygnałów elektrycznych, nie czekając na przesłanie kompletnej ramki. Jeden wzmacniak umożliwia podwojenie długości segmentu sieci ethernet. Stosując dwa wzmacniaki można juz połączyć trzy segmenty sieci.

Wzmacniaki działają w fizycznej warstwie modelu OSI. Ponieważ nie są świadome formatu pakietu czy też ramek, nie kontrolują ani domen kolizji ani domen rozgłaszania. Mówimy, że wzmacniaki są przezroczyste dla protokołów ponieważ nie są świadome protokołów wyższych warstw takich jak IP, IPX.

Podstawową zasadą używania wzmacniaków w sieciach Ethernet jest reguła 5-4-3. Maksymalna ścieżka pomiędzy dwiema stacjami w sieci nie powinna zawierać więcej niż cztery wzmacniaki pomiędzy tymi segmentami oraz nie powinna mieć więcej niż trzy segmenty zawierające przewód z podłączonymi węzłami.

Wzmacniaki maja kilka wad. Najważniejsza wynika z tego, ze wzmacniaki nie interpretują zawartości ramek. Przekazują tylko sygnały miedzy segmentami sieci, niezależnie od tego, czy sa to poprawne ramki, czy jakieś inne sygnały. Jeśli w jednym z segmentów wystąpi kolizja, to odpowiadający jej sygnał zostanie powtórzony we wszystkich segmentach sieci. Podobnie dowolne zakłócenia elektryczne (np. spowodowane przez burze) również zostaną wiernie powtórzone w całej sieci.

Użycie wzmacniaków w topologii rozszerzonej gwiazdy

Jeśli prosta topologia gwiazdy nie może spełnić potrzeb obszaru, który musi być po­kryty siecią, można ją rozszerzyć korzystając z urządzeń sieci rozległych, które nie powodują osłabienia sygnału; topologia powstała w taki sposób nazywana jest topo­logią rozszerzonej gwiazdy.

Wyobraźmy sobie budynek o wymiarach 250 metrów na 250 metrów. Aby topologia gwiazdy mogła tu być wykorzystana w sposób efektywny, musi być rozszerzona. Cel ten nie jest osiągany przez horyzontalne rozszerzenie okablowania poza zalecane długości maksymalne. Należy użyć urządzeń sieciowych, które wzmacniają sygnał.

Sygnały pozostaną rozpoznawalne dla urządzeń odbiorczych, jeśli w osłabionej for­mie przejdą przez wzmacniaki, które oczyszczą je, zregenerują i wyślą dalej. Korzy­stając ze wzmacniaka można rozszerzyć odległość osiągalną dla sieci. Wzmacniaki działają w parze z mediami sieciowymi, i dlatego istnieją w fizycznej warstwie mo­delu odniesienia OSI.

3. Koncentrator (Hub).

Wraz ze wzrastającą gęstością sieci LAN w późnych latach 80 i wczesnych 90 wprowadzono koncentratory w celu „skupienia” sieci Thinnet i 10BASE-T w szafkach dystrybucyjnych. Tradycyjne koncentratory pracują w fizycznej warstwie modelu OSI i pełnią te same funkcje co proste wzmacniaki. Różnica polega na tym, że koncentratory posiadają więcej portów niż proste wzmacniaki. Dlatego też koncentrator znany jest także jako wieloportowy wzmacniak. Różnica polega jeszcze na sposobie rozsyłania sygnału. Wzmacniak odbiera na jednym porcie i wysyła wzmocniony sygnał na drugi, koncentrator natomiast odbiera na jednym porcie, a nadaje na pozostałych.

Najważniejsze właściwości koncentratorów to:

• regenerują i naprawiają sygnały,

• propagują sygnały w sieci,

• nie mogą filtrować ruchu sieciowego,

• nie mogą określać najlepszych ścieżek,

• są używane jako sieciowe punkty koncentracji.

W sieciach istnieją różne klasyfikacje koncentratorów. Można je podzielić na aktywne i pasywne.

Zadaniem koncentratorów pasywnych jest tylko rozdzielenie sygnałów wśród wielu użytkowników. Ich działanie można porównać do korzystania z rozgałęźnika. Koncentratory pasywne nie regenerują bitów, więc nie rozszerzają długości kabla, pozwalają na podłączenie tylko kilku hostów do danego segmentu kabla. W wyniku tego koncentratory pasywne osłabiają sygnał.

Koncentratory aktywne regenerują sygnał wchodzący jednym z portów przed wysłaniem go innym portem. Koncentratory aktywne wymagają zasilania energią elektryczną. Istnieją także „inteligentne” koncentratory aktywne. Są one wyposażone w procesor, który umożliwia przeprowadzenie diagnostyki i wykrycie ewentualnych problemów z obsługiwanymi portami.

Użycie dużego koncentratora (na przykład 24-portowego) lub łańcuchowe połączenie kilku koncentratorów może znacząco obniżać wydajność sieci. Wynika to stąd, iż każde urządzenie musi nasłuchiwać informacji wysyłanych przez wszystkie pozostałe urządzenia i wstrzymywać się z transmisją aż do chwili, gdy w ruchu sieciowym nastąpi przerwa.

Wybierając koncentrator dla swojej sieci Ethernet, musimy wziąć pod uwagę:

1. Typ złączy, odpowiedni dla typu nośnika sieciowego. Zazwyczaj koncentra­tory wyposażone są w jeden typ złączy, choć niektóre modele mogą oferować dodatkowe złącza innego rodzaju. Wiele koncentratorów l0BaseT dysponuje, oprócz standardowych portów RJ-45, pojedynczym portem BNC.

2. Liczba potrzebnych portów. Koncentratory wytwarzane są w konfiguracjach od 4- do 48-portowych. Możliwe jest też łączenie koncentratorów 24-portowych. Takie zestawy mogą obejmować aż do 96 portów.

3. Szybkość. Typowy koncentrator transmituje i odbiera dane z szybkością 10 Mb/s. Niektóre wyposażone są też w jeden lub kilka portów, które mogą transmitować i od­bierać dane z szybkością 10 lub 100 Mb/s albo też samoczynnie przełączać się po­między tymi szybkościami, w zależności od charakterystyk przyłączonych urządzeń.

4. Koncentrator zarządzany lub niezarządzany. Koncentratory zarządzane po­zwalają administratorowi sieci zdalnie kontrolować ich działanie, przy użyciu specjalnego oprogramowania. Koncentratory niezarządzane takiej możliwości nie dają.

5. Koncentrator z portem łącza nadrzędnego czy bez. Port łącza nadrzędnego (ang. uplink) jest niezbędny, jeśli zamierzamy łączyć koncentratory kablem dołączeniowym. Wiele modeli koncentratorów wyposażonych jest w znajdujący się obok por­tu łącza nadrzędnego przełącznik, który pozwala zmieniać tryb funkcjonowania danego portu, z uplink na normalny. Chcąc połączyć dwa koncentratory niewyposażone w porty uplink, musielibyśmy użyć kabla krzyżowego.

4. Most (bridge).

Mosty, podobnie jak koncentratory, łączą segmenty sieci LAN, ale funkcjonują na warstwie łącza danych modelu OSI. Z tego też powodu mogą one podejmować decyzje o przepuszczaniu lub zatrzymywaniu danych na podstawie adresów MAC.

Most pełni cztery podstawowe funkcje:

1. Tworzy tabele mostkowania, stanowiącą spis urządzeń w poszczególnych segmentach.

2. Filtruje pakiety, które nie muszą być przekierowywane do innych segmentów, badając docelowe adresy MAC.

3. Przekierowuje pakiety, których docelowy adres MAC nie należy do żadnego urządzenia w segmencie sieci, w którym znajduje się urządzenie źródłowe.

4. Dzieli sieć na domeny kolizyjne, redukując tym samym liczbę kolizji w poszczególnych jej segmentach.

Mosty, decydując o przekierowywaniu pakietów do innych segmentów sieci, korzystają z protokołu Spanning Tree Protocol (STP). STP pełni dwie funkcje: po pierwsze określa most główny, który odpowiedzialny jest za podejmowanie wszystkich decyzji i rozwiązywanie problemów mostkowania. Drugą funkcją jest zapobieganie powstawaniu pętli.

Mosty filtrują ruch sieciowy opierając się tylko na adresach MAC. Dlatego też mogą bardzo szybko przesłać ruch reprezentujący dowolny protokół warstwy sieci. Ponieważ mosty interesują tylko adresy MAC, nie zajmują się protokołami warstwy sieci. Zajmują się tylko przekazywaniem ramek w oparciu o docelowe adresy MAC.

Oto ważne właściwości mostów:

• Są bardziej „inteligentne" niż koncentratory — oznacza to, że mogą analizować przy­chodzące ramki i przekazywać (lub odrzucać) je w oparciu o informacje adresowe.

• Gromadzą i przekazują pakiety między dwoma lub większą liczbą segmentów sieci LAN.

• Tworzą większą liczbę domen kolizji, umożliwiając więcej niż jednemu urządzeniu jednoczesne nadawanie bez powodowania kolizji.

• Przechowują tablice adresów.

Działanie mostu:

Do filtrowania lub selektywnego dostarczania ruchu sieciowego, mosty budują tabli­ce wszystkich adresów MAC w sieci. Jeśli za pośrednictwem mediów nadejdą dane, most porównuje docelowy adres MAC przenoszony przez te dane z adresami MAC zawartymi w jego tablicy. Jeśli most stwierdzi, że ten docelowy adres MAC znajduje się tym samym segmencie sieci co źródło, co widać na rysunku, nie przeka­zuje danych do innych segmentów sieci.

Jeśli most stwierdzi, że docelowy adres MAC danych nie należy do tego samego segmentu sieci co źródło, przekazuje dane do wszystkich pozostałych segmentów sieci. Poprzez eliminację zbędnego ruchu mosty mogą zna­cząco zredukować ilość ruchu między segmentami sieci.

5. Przełącznik (Switch).

Przełączniki są właściwie wieloportowymi mostami, funkcjonującymi na war­stwie łącza danych modelu OSI. Istnieją przełączniki typu Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM oraz wiele innych (w tym niektóre działające na wyższych warstwach modelu OSI). Decyzje o przekierowaniu pakietów do innego segmentu sieci podej­muje autonomicznie każdy port przełącznika. Przełącznik śledzi adresy MAC wszyst­kich przyłączonych doń węzłów. Obserwuje też, do których portów podłączone są poszczególne węzły. Dzięki tym informacjom przełączniki mogą filtrować ruch sie­ciowy, a tym samym redukować obciążenie sieci, podobnie jak czynią to mosty.

Przełączniki cieszą się wzrastającą popularnością wśród administratorów i pro­jektantów sieci. Ponieważ ceny przełączników spadły już do poziomu konkurencyjne­go wobec cen koncentratorów, w wielu sieciach instaluje się je w szafkach okablo­wania. Przełączniki redukują ruch w sieci i zapobiegają obniżaniu jej wydajności przez transmisje intensywnie wysycające pasmo. Podobnie jak most, każdy port przełącznika stanowi odrębną domenę kolizyjną. Jeżeli do danego portu przyłączone jest tylko jedno urządzenie, prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji jest minimalne

Wygląd zewnętrzny:

panel przedni

panel tylni

Ze względu na konstrukcje przełączniki możemy podzielić na urządzenia:
- wieżowe
- wolno stojące typu STAND ALONE (bez możliwości rozbudowy)
- CHASSIS BASED wyposażone w wiele dodatkowych gniazd poddające się bardzo łatwo rozbudowie)

Urządzenia wolno stojące obsługują stałą liczbę portów. Konstrukcja jest najczęściej stosowana do budowania przełączników klasy desktop. To co najbardziej odróżnia urządzenia typu wolno stojącego od konstrukcji wielogniazdowych typu CHASSIS BASED, to systemy zarządzania i możliwość konfigurowania tych ostatnich w bardzo elastyczny sposób.

Przełączniki wieżowe są urządzeniami wolno stojącymi, które można ze sobą łączyć na dowolne sposoby. Użytkownik może więc w ten sposób łączyć na dowolne sposoby, może w ten sposób również tworzyć duże węzły sieci, postrzegane przez system zarządzania jako pojedyncze stanowiska. Urządzenia wieżowe pełnią bardzo często w systemach informatycznych rolę przełączników obsługujące grupy robocze. Przodującymi producentami przełączników wieżowych są: Cisco (Modele lii Kalpana EtherSwitch ), Cabletron (TSX-1620 Token Ring Switch ) i Cnet Technology (rodzina przełączników PwerSwitch ).

---