Глава 38 : Повторители и концентраторы
Возможность передачи информации на максимально протяженные расстояния - это одна из самых первостепенных задач, ставящихся перед сетевыми технологиями.
Здесь самое большое негативное влияние на этот процесс оказывает физическая среда, т.к. ее характер приводит сначала к снижению мощности, а затем вообще к исчезновению сигнала. Чтобы сигнал распознавался, большое значение имеет соотношение сигнал/шум, при этом абсолютное значение амплитуды не важно.
Для высокочастотных цифровых сигналов абсолютно не подходит усиление, используемое в аналоговых системах. Без сомнений и этот метод применим, но эффект будет не большим и чем больше будет расстояние, тем сильнее искажения будут нарушать целостность данных.
Такое положение дел существует уже давно, поэтому сигнал обычно не усиливают, а повторяют. В этом случае принимающее устройство не только принимает его, но и распознает его первоначальный вид. Затем на выходе оно создает точную его копию. Теоретически данные в такой системе могут передаваться бесконечно далеко, но это предположение построено без учета особенности разделения физической среды в Ethernet.
Изначально для создания сетей Ethernet применялся коаксиальный кабель, а сама архитектура была выстроена по принципу "шины". В таких условиях соединить требовалось всего несколько протяженных сегментов. С этой целью применялись repeater - повторители, которые обладали двумя портами. С течением времени им на смену пришли многопортовые устройства - concentrator (концентраторы). Физика работы у этих портов была та же, но при этом воссозданный сигнал направлялся на все активные порты, за исключением того порта, с которого сигнал был передан.
Здесь самое большое негативное влияние на этот процесс оказывает физическая среда, т.к. ее характер приводит сначала к снижению мощности, а затем вообще к исчезновению сигнала. Чтобы сигнал распознавался, большое значение имеет соотношение сигнал/шум, при этом абсолютное значение амплитуды не важно.
Для высокочастотных цифровых сигналов абсолютно не подходит усиление, используемое в аналоговых системах. Без сомнений и этот метод применим, но эффект будет не большим и чем больше будет расстояние, тем сильнее искажения будут нарушать целостность данных.
Такое положение дел существует уже давно, поэтому сигнал обычно не усиливают, а повторяют. В этом случае принимающее устройство не только принимает его, но и распознает его первоначальный вид. Затем на выходе оно создает точную его копию. Теоретически данные в такой системе могут передаваться бесконечно далеко, но это предположение построено без учета особенности разделения физической среды в Ethernet.
Изначально для создания сетей Ethernet применялся коаксиальный кабель, а сама архитектура была выстроена по принципу "шины". В таких условиях соединить требовалось всего несколько протяженных сегментов. С этой целью применялись repeater - повторители, которые обладали двумя портами. С течением времени им на смену пришли многопортовые устройства - concentrator (концентраторы). Физика работы у этих портов была та же, но при этом воссозданный сигнал направлялся на все активные порты, за исключением того порта, с которого сигнал был передан.
Схематическое изображение активных устройств
Когда появилась витая пара (протокол 10baseT), то многопортовые повторители для нее получили название - hub (хаб), а повторители для коаксила - репитеры. Названия были присвоены разные, чтобы не возникала терминологическая путаница. В настоящее время данные названия используются повсеместно.
Особенности работы концентраторов
Для начала укажем, что в модели OSI концентраторы работают на физическом уровне. Следовательно для них не имеет значения тот факт, что в сети могут использоваться протоколы более высоких уровней. Такой подход чрезвычайно прост и надежен. Модель предполагает равноправие портов хаба, сам сигнал не проходит логическую обработку и не буферизируется. Что касается коллизий, то они обработке так же не подвергаются, а просто фиксируются и их наличие отражается на индикаторе устройства.Был разработан ряд простейших операций для автоматического выполнения концентраторами:
- Концентраторы автоматически находят ошибки полярности (если внутри витой пары были перепутаны проводники) и меняют ее.
- На светодиодных индикаторах отражается информация о состоянии порта или всего устройства. Набор индикаторов может быть различным, чаще всего используются следующий: Port Status - состояние порта, Power - наличие питания, Collisions - обнаружены ли коллизии, Activity - активность канала передачи.
- Включение или отключение порта в автоматическом режиме - network integrity (автосегментация). Если к порту не подключено активное оборудование, или если линия, к которой он подключен, неисправна, то такой порт считается свободным, неактивным. Работа порта возобновляется если было обнаружено устройство. Для этой цели применяются специальные link test pulses - служебные сигналы проверки целостности линии. Данные сигналы имеют вид импульса, длительностью 100 нс, импульс повторяется через каждые 16 мс.
Концентраторы и повторители могут применяться как отдельные устройства, из можно соединять друг с другом. Такой подход позволяет усложнить типологию и увеличить масштабы компьютерной сети. Вариантами типологии могут стать: дерево, шина или звезда. Однако кольцевая топология не может быть применена.
Из-за того, что сигнал не проходит логическую обработку, он передается по всей ширине полосы пропускания. Таким образом, если не брать во внимание не существенную задержку сигнала на хабе (менее 3 микросекунд), становится очевидным полное смысловое сходство повторителя с сегментом коаксиального кабеля.
Такой подход, несомненно, имеет положительные стороны: все узлы находятся в прямом доступе и прозрачны перед протоколами более высоких уровней. Но подход имеет и ряд недостатков. Все устройства сети, построенной по такому принципу, имеют доступ ко всему сетевому трафику. Связано это с тем, что информация, которая может быть адресована другому узлу, анализируется каждым из узлов, а только потом отбрасывается.
Хабы 100baseT и 10baseT отличаются друг от друга по скорости. На практике не редко встречаются конструкции смешанного типа. Для их работы с максимальным кпд необходимо соединение только с оборудованием 100baseT. Объясняется это просто: если скорости портов разные, то приходящие данные нужно обрабатывать и буферизировать. Что очень сильно усложнит и загрузит конструкцию (так было еще несколько лет назад).
Необходимо указать еще одну особенность. Достаточно часто повторители распределяют на два класса: I и II. Это обуславливает сам стандарт 802.3u. Разница будет следующей. Повторители I класса осуществляют декодировку входящих сигналов, их преобразование в логическую форму и передачу на активные порты. Тут применимы сразу несколько технологий: 100BaseFX, 100BaseT4, 100BaseTX. А вот повторители II класса занимаются восстановлением сигнала без его явного преобразования в логический вид. При таком подходе задержка передачи будет снижена, но применяться тут может только один вид протокола.
На практике концентратор I класса не применяется. Появившись, он так и не был ни разу применен на практике, как и некоторые подобные технологии.
Назначение и классификация концентраторов
Определимся с основной функцией хабов - это создание рабочей группы путем объединения сосредоточенных на одной территории рабочих мест. Однако применение концентраторов как ретрансляторов между удаленными сетями и несколькими рабочими группами так же возможно.
Схема применения хабов
Хабы имеют ряд недостатков, которые значительно сокращают область их использования. Так в связи с отсутствием в хабах механизмов, обеспечивающих безопасность потока и стабильной гарантированной скорости передачи, их применяют только в тех частях сети, где нет жестких требований к этим параметрам. К примеру, концентраторы не применяются для связи нескольких фирм между собой или финансового отдела с другими участками организации.
Из-за этих недостатков концентраторы часто относят к устаревшему оборудованию. Этому так же способствует их заметное отставание по всем главным показателям от коммутаторов. Их цена так же не сильно разнится. Таким образом хабы не применимы для локальной сети организации, т.к. стоит совсем не много увеличить затраты и в итоге получить в несколько десятков большую скорость.
Однако ситуация будет несколько другой для сетей территориального или домашнего назначения. Здесь важен ряд преимуществ, которым обладают хабы: возможность передавать на большие расстояния по кабелю низкого качества и их надежность в сложных условиях эксплуатации. Таким образом, на этом поле они будут основными игроками еще долго, окончательно сместить их способно только повсеместное внедрение оптоволокна.
Хабы делят на классы, в зависимости от их сложности:
1. Хабы начального уровня. Они имеют 5 или 8 портов, почти все модели оснащены портом для подсоединения коаксиального кабеля (BNC), некоторые имеют AUI порт. Стоят они примерно 30-50 долларов и являются довольно дешевым и простым оборудованием для небольшой компьютерной сети.
2. Концентраторы среднего уровня. Они имеют 12, 16 или 24 порта, модели этого класса так же оснащены BNC или AUI портом. Область их применения – сети среднего и малого размера. Однако стоит заметить, что здесь их сильно потеснили коммутаторы из-за сильного снижения их стоимости.
3. Управляемые концентраторы. Данный вид хабов в настоящее время почти не применяется. Модели этого класса обладают консольным портом RS-232, предназначенным для управления или сбора статистики (применяется протокол SNMР/IР или IРХ).
4. Концентраторы 10/100. Обладают коммутатором между 10 и 100 мегабитными шинами. Модели этого ряда удобны и относительно не дорогие. Появился данный вид хаба из-за того, что обычные концентраторы могли связывать рабочие станции только на одной скорости, а на практике существовала необходимость объединения 10 и 100 мегабитных шин без потери скорости передачи. Однако этот вид так и не успел стать популярным из-за появления дешевых неуправляемых свитчей.