Компьютерные сети. 6-е изд.

Чтобы разобраться, как работают упомянутые устройства, надо понять, что они задействованы на разных уровнях, как показано на илл. 4.37 (а). Уровень имеет значение, поскольку от него зависит, какую часть информации устройство использует для маршрутизации. Рассмотрим типичный сценарий. У пользователя появляются данные (User data), которые необходимо отправить на другой компьютер. Они передаются на транспортный уровень, который добавляет к ним свой заголовок (например, TCP header) и передает полученную единицу информации на сетевой уровень. Тот, в свою очередь, тоже добавляет свой заголовок (Packet header), в результате чего формируется пакет сетевого уровня (например, IP-пакет). На илл. 4.37 (б) IP-пакет выделен серым цветом. Пакет отправляется на канальный уровень, где дополняется еще одним заголовком (Frame header) и контрольной суммой (CRC). Наконец, формируется фрейм, который спускается на физический уровень для передачи, например, по LAN.

Приступим к рассмотрению коммутирующих устройств и разберемся, как они соотносятся с пакетами и фреймами. На самом нижнем, физическом, уровне находятся повторители. Это аналоговые устройства, которые работают с сигналами, идущими по подключенным к ним кабелям.

Илл. 4.37. (а) Уровни и расположенные на них устройства. (б) Фреймы, пакеты и заголовки

Сигнал, появившийся в одном кабеле, очищается, усиливается повторителем и выдается на второй. Повторители не знают, что такое пакет, фрейм или заголовок. Они знают символы, кодирующие биты в напряжение. В классическом Ethernet, например, допускается установка четырех повторителей для усиления сигнала, чтобы увеличить максимальную длину кабеля с 500 до 2500 м.

Теперь перейдем к концентраторам. Концентратор имеет несколько входных линий, объединяемых с помощью электричества. Фреймы, приходящие на какой-либо вход, передаются на все остальные линии. Если одновременно по разным линиям придут два фрейма, они столкнутся, как в коаксиальном кабеле. Все линии, идущие в концентратор, должны работать с одинаковой скоростью. Концентраторы отличаются от повторителей тем, что, как правило, не усиливают входной сигнал и предназначены для нескольких входных линий. Впрочем, разница между ними незначительна. И те и другие являются устройствами физического уровня; они не анализируют адреса канального уровня и никак не используют их.

Далее мы поднимемся на канальный уровень. Здесь расположены мосты и коммутаторы. Только что мы довольно подробно обсудили мосты, поэтому знаем, что они соединяют две или несколько LAN. Как и в концентраторах, в современных мостах имеются несколько портов, рассчитанных обычно на 4–48 входящих линий определенного типа. В отличие от концентратора, каждый порт изолирован, чтобы быть своей собственной областью коллизий; если у порта есть полнодуплексная двухточечная линия, в алгоритме CSMA/CD нет необходимости. Когда приходит фрейм, мост извлекает из заголовка адрес назначения и анализирует его, сопоставляя с таблицей и определяя, куда нужно его передать. Для Ethernet этот адрес — 48-битный адрес назначения (см. илл. 4.14). Мост только выводит фрейм на нужный порт; он может передавать несколько фреймов одновременно.

Мосты предлагают гораздо более высокую производительность, чем концентраторы, а благодаря изолированным портам входные линии могут работать на разных скоростях и даже с различными типами сетей. Распространенный пример — мост с портами, которые соединяются с 10-, 100 и 1000-Мбит/с Ethernet. Чтобы мост мог принять фрейм на одном порте и передать его на другой, необходима буферизация. Если фреймы приходят быстрее, чем передаются дальше, мост может исчерпать буферное пространство и начать отказываться от фреймов. Например, если Gigabit Ethernet заливает биты в 10-Мбит/с Ethernet на большой скорости, мост должен буферизовать их, надеясь, что памяти хватит. Эта проблема существует, даже если все порты работают на одной и той же скорости, потому что фреймы могут передаваться в порт назначения из нескольких портов.

Первоначально мосты предназначались для того, чтобы соединять разные виды LAN, например Ethernet и Token Ring. Однако из-за отличий между LAN это не сработало. Для фреймов различных форматов необходимо копирование и переформатирование. Это занимает время CPU, требует нового вычисления контрольной суммы и ведет к появлению необнаруженных ошибок из-за поврежденных битов в памяти моста. Еще одна серьезная проблема, не имеющая хорошего решения, — разная максимальная длина фреймов. По сути, слишком длинные для дальнейшей передачи фреймы должны быть отклонены. С идеей прозрачности можно распрощаться.