Логічна структуризація мережі

Фізична структуризація мережі корисна в багатьох відносинах, однак у ряді випадків, як правило в мережах великого й середнього розміру, неможливо обійтися без логічної структуризації мережі. Найбільш важливою проблемою, не розв'язуваної шляхом фізичної структуризації, залишається проблема перерозподілу переданого трафика між різними фізичними сегментами мережі.

У великій мережі природно виникає неоднорідність інформаційних потоків: мережа складається з безлічі підмереж робітників груп, відділів, філій підприємства й інших адміністративних утворень. Дуже часто найбільш інтенсивний обмін даними спостерігається між комп'ютерами, що належать до однієї підмережі, і тільки невелика частина обігу відбувається до ресурсів комп'ютерів, що перебувають поза локальними робочими групами. Зараз характер навантаження мереж багато в чому змінився, широко впроваджується технологія іntranet, на багатьох підприємствах є централі­зовані сховища корпоративних даних, активно використовувані всіма співробітниками підприємства. Все це не могло не вплинути на розподіл інформаційних потоків. І тепер не рідкі ситуації, коли інтенсивність зовнішніх обігів вище інтенсивності обміну між "сусідніми" машинами. Але незалежно від того, у якій пропорції розподіляються зовнішній і внутрішній трафік, для підвищення ефективності роботи мережі неодно­рідність інформаційних потоків необхідно враховувати.

Мережа з типовою топологією (шина, кільце, зірка), в якій всі фізичні сегменти розглядаються в якості одного поділюваного середовища, виявляється неадекватною структурі інформаційних потоків у великій мережі. Наприклад, у мережі із загальною шиною взаємодія будь-якої пари комп'ютерів займає її на весь час обміну, тому при збільшенні числа комп'ютерів у мережі шина стає вузьким місцем. Комп'ютери одного відділу змушені чекати, коли закінчать обмін пари комп'ютерів іншого відділу, і це при тому, що необхідність у зв'язку між комп'ютерами двох різних відділів виникає набагато рідше й вимагає зовсім невеликої пропускної здатності.

Цей випадок ілюструє рис.1.6, а. Тут показана мережа, побудована з вико­ристанням концентраторів. Нехай комп'ютер А, що перебуває в одній підмережі з комп'ютером В, посилає йому дані. Незважаючи на розгалужену фізичну структуру мережі, концентратори поширюють будь-який кадр по всіх її сегментах. Тому кадр, що посилає комп'ютером А комп'ютеру В, хоча й не потрібний комп'ютерам відділів 2 і 3, відповідно до логіки роботи концентраторів надходить на ці сегменти теж. І доти, доки комп'ютер В не одержить адресований йому кадр, жоден з комп'ютерів цієї мережі не зможе передавати дані. Така ситуація виникає через те, що логічна структура даної мережі залишилася однорідною — вона ніяк не враховує збільшення інтенсивності трафіка усередині відділу й надає всім парам комп'ютерів рівні можливості по обміну інформацією (рис.1.6, б).

Рис.1.6. Протиріччя між логічною структурою мережі й структурою інформаційних потоків

Рішення проблеми складається у відмові від ідеї єдиного однорідного поділюваного середовища. Наприклад, у розглянутому вище прикладі бажано було б зробити так, щоб кадри, які передають комп'ютери відділу 1, виходили б за межі цієї частини мережі тільки в тому випадку, якщо ці кадри спрямовані якому-небудь комп'ютеру з інших відділів. З іншого боку, у мережу кожного з відділів повинні попадати тільки ті кадри, які адресовані вузлам цієї мережі. При такій організації роботи мережі її продуктивність істотно підвищиться, тому що комп'ютери одного відділу не будуть простоювати в той час, коли обмінюються даними комп'ютери інших відділів.

Неважко помітити, що в запропонованому рішенні ми відмовилися від ідеї загального поділюваного середовища в межах всієї мережі, хоча й залишили її в межах кожного відділу. Пропускна здатність ліній зв'язку між відділами не повинна збігатися із пропускною здатністю середовища усередині відділів. Якщо трафік між відділами становить тільки 20 % трафіку усередині відділу, то й пропускна здатність ліній зв'язку й комунікаційного встаткування, що з'єднує відділи, може бути значно нижчою за внутрішній трафік мережі відділу.

Поширення трафика, призначеного для комп'ютерів деякого сегмента мережі, тільки в межах цього сегмента, називається локалізацією трафіка. Логічна структуризація мережі — це процес розбивки мережі на сегменти з локалізованим трафиком.

Для логічної структуризації мережі використаються такі комунікаційні пристрої, як мости, комутатори, маршрутизатори та шлюзи.

Міст (brіdge) ділить поділюване середовище передачі мережі на частини, що називаються логічними сегментами, передаючи інформацію з одного сегмента в іншій тільки в тому випадку, якщо така передача дійсно необхідна, тобто якщо адреса комп'ютера призначення належить іншій підмережі. Тим самим міст ізолює трафік однієї підмережі від трафіка іншої, підвищуючи загальну продуктивність передачі даних у мережі. Локалізація трафіка не тільки заощаджує пропускну здатність, але й зменшує можливість несанкціонованого доступу до даних, тому що кадри не виходять за межі свого сегмента і їх складніше перехопити зловмисникові.

На рис.1.7 показана мережа, що була отримана з мережі із центральним концентратором (див. рис.1.6) шляхом його заміни на міст. Мережі 1-го й 2-го відділів складаються з окремих логічних сегментів, а мережа відділу 3 — із двох логічних сегментів. Кожний логічний сегмент, побудований на базі концентратора, має найпростішу фізичну структуру, утворену відрізками кабелю, що зв'язують комп'ютери з портами концентратора.

Мости використовують для локалізації трафіку апаратні адреси комп'ютерів. Це ускладнює розпізнавання приналежності того або іншого комп'ютера до певного логічного сегмента — сама адреса не містить ніякої інформації із цього приводу. Тому міст досить спрощено представляє розподіл мережі на сегменти — він запам'ятовує, через який порт на нього надійшов кадр даних від кожного комп'ютера мережі, і надалі передає кадри, призначені для цього комп'ютера, на цей порт. Точної топології зв'язків між логічними сегментами міст не знає. Через це застосування мостів призводить до значних обмежень на конфігурацію зв'язків мережі — сегменти повинні бути з'єднані таким чином, щоб у мережі не утворювалися замкнуті контури (петлі).

Рис.1.7. Логічна структуризація мережі за допомогою моста

Комутатор (swіtch, swіtchіng hub) за принципом обробки кадрів нічим не відрізняється від моста. Основна його відмінність від моста полягає в тому, що він є свого роду комунікаційним мультипроцессором, тому що кожний його порт оснащений спеціалізованим процесором, що обробляє кадри по алгоритму моста незалежно від процесорів інших портів. За рахунок цього загальна продуктивність комутатора звичайно набагато вище продуктивності традиційного моста, що має один проце­сорний блок. Можна сказати, що комутатори — це мости нового покоління, які оброб­ляють кадри в паралельному режимі.

Обмеження, пов'язані із застосуванням мостів і комутаторів — по топології зв'язків, а також ряд інших, — привели до появи маршрутизаторів (router). Маршрутизатори більш надійно й більш ефективно, ніж мости, ізолюють трафік окремих частин мережі один від одного. Маршрутизатори утворюють логічні сегменти за допомогою явної адресації, оскільки використовують не плоскі апаратні, а складові числові адреси. У цих адресах є поле номера мережі, так що всі комп'ютери, у яких значення цього поля однаково, належать до одного сегмента, що називаєтьсяу в цьому випадку піжмережою (subnet).

Крім локалізації трафіку маршрутизатори виконують ще багато інших корисних функцій. Так, маршрутизатори можуть працювати в мережі із замкнутими контурами, при цьому вони здійснюють вибір найбільш раціонального маршруту з декількох можливих. Мережа, представлена на рис.1.8, відрізняється від своєї попередниці (див. рис.1.7) тим, що між підмережами відділів 1 і 2 прокладено додатковий зв'язок, що може використовуватися як для підвищення продуктивності мережі, так і для підвищення її надійності.

Рис.1.8. Логічна структуризація мережі за допомогою маршрутизаторів

Іншою дуже важливою функцією маршрутизаторів є їхня здатність зв'язувати в єдину мережу підмережі, побудовані з використанням різних мережних технологій, наприклад Ethernet і Х.25.

Крім перерахованих пристроїв окремі частини мережі може з'єднувати шлюз (gateway). Звичайно шлюз використовують при необхідності об'єднати мережі з різними типами системного й прикладного програмного забезпечення. Проте шлюз забезпечує й локалізацію трафіку як деякий побічний ефект.

Великі мережі практично ніколи не будуються без логічної структуризації. Для окремих сегментів і підмереж характерні типові однорідні топології базових технологій, і для їхнього об'єднання завжди використовують обладнання, що забезпечує локалізацію трафіку, — мости, комутатори, маршрутизатори та шлюзи.