Компьютерные сети представляют собой вариант сотрудничества людей и компьютеров, обеспечивающего ускорение доставки и обработки информации. Объединять компьютеры в сети начали более 30 назад. Когда возможности компьютеров выросли и ПК стали доступны каждому, развитие сетей значительно ускорилось.

Сеть обеспечивает обмен информацией и ее совместное использование (разделение). Компьютерные сети делят на локальные (ЛВС, Local Area Network, LAN), представляющие собой группу близко расположенных компьютеров, связанный между собой, и распределенные (глобальные, Wide Area Networks, WAN). Соединенные в сеть компьютеры обмениваются информацией и совместно используют периферийное оборудование и устройства хранения информации.

Ethernet, как описано в стандарте IEEE 802.3, представляет собой компьютерную сеть, основанную на использовании метода CSMA/CD (множественный доступ к среде с детектированием несущей и обнаружением конфликтов) при передаче электрических сигналов по соединяющему компьютеры кабелю

Стандарт IEEE 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например, 10BASE-5 использует толстый коаксиальный кабель, 10BASE-2 тонкий, а 10BASE-F, 10BASE-FB, 10BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наиболее популярна спецификация IEEE 802.3I 10BASE-T, в которой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных скрученных пар с разъемами RJ-45.

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетей большого размера. Для того чтобы лучше разобраться в устройстве и работе коммутаторов Ethernet, полезно понять основы технологии организации кабельных систем сети.

Повторители

В начале 80-х годов сети Ethernet организовывались на базе шинной топологии с использованием сегментов на основе коаксиального кабеля длиной до 500 метров. Увеличение размеров сетей поставило задачу преодоления 500-метрового барьера. Для решения этой задачи использовались повторители (repeater):

Повторитель просто копирует (пересылает) все пакеты Ethernet из одного сегмента во все другие, подключенные к нему. Основной задачей повторителя является восстановление электрических сигналов для передачи их в другие сегменты. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналов повторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети

Мосты и маршрутизаторы

При использовании повторителей максимальная протяженность сети составляет 2500 метров. Для преодоления этого ограничения требуются другие устройства, называемые мостами (bridge). Мосты имеют много отличий от повторителей. Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакет не нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуют многочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальным требованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты, подключенные к повторителю, образуют одну разделяемую среду, а сегменты, подключенные к каждому порту моста, образуют свою среду с полосой 10 Mbps. При использовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, а пользователи разных сегментов используют независимые среды. Следовательно, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы для каждого пользователя.

Поначалу в сетях Ethernet использовалась шинная топология на основе коаксиального кабеля, а для расширения сетей применялись 2-х портовые повторители или мосты. Однако, в конце 80-х годов началось широкое распространение сетей на основе кабеля со скрученными парами проводников (витая пара). Новая технология 10Base-T стала очень популярной и привела к трансформации топологии сетей от шинной магистрали к организации соединений типа "звезда". Требования к повторителям и мостам для таких сетей существенно изменились по сравнению с простыми двухпортовыми устройствами для сетей с шинной топологией - современные мосты и повторители представляют собой сложные многопортовые устройства. Мосты позволяют сегментировать сети на меньшие части, в которых общую среду разделяет небольшое число пользователей.

Маршрутизаторы, подобно мостам, также позволяют сегментировать сети Ethernet. Маршрутизаторы фильтруют и пересылают сетевой трафик на основе алгоритмов и правил, существенно отличающихся от тех, что используются мостами. Такой способ сегментирования сетей более дорогостоящий, но имеет значительно большую производительность.

Переключение портов

Сегодняшние модульные концентраторы (повторители) часто позволяют организовать несколько сегментов, каждый из которых предоставляет пользователям отдельную разделяемую полосу 10 Mbps. Некоторые концентраторы позволяют программным путем разделять порты устройства на независимые сегменты, такая возможность называется переключением портов.

Концентратор, к примеру, может содержать три различных сегмента Ethernet, организуемые внутренними средствами хаба. Переключение портов обеспечивает администратору сети высокую гибкость организации сегментов, позволяя переносить порты из одного сегмента в другой программными средствами. Эта возможность особенно полезна для распределения нагрузки между сегментами Ethernet и снижения расходов, связанных с подобными операциями. Переключение портов статическое связывание портов с различными сегментами Ethernet - сильно отличается от описанной ниже коммутации Ethernet.

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты, коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет.

Реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства - это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью.

Виртуальные соединения

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств (таблица 2). Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Таблица 2

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. На рисунке узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные пользователи (в нашем примере - B и C) не получат этот пакет. Таким образом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные для стандартных повторителей Ethernet.

Одновременные соединения

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10 Mbps для каждого соединения.

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса Mbps, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации 12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. Теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальности скорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса пар портов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокого класса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способность при условии организации одновременных соединений между всеми парами портов. Однако в реальной жизни, трафик обычно представляет собой ситуацию "один ко многим" (например, множество пользователей сети обращается к ресурсам одного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашем примере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

На рисунке три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняет пакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передача пакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинает передавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случае пропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данном случае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формой блокировки.

Производительность коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Для того, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

1. скорость передачи между портами

2. общая пропускная способность

3. задержка

Скорость передачи между портами

При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS) для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяется свойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPS между портами, полностью использует возможности среды. Полоса пропускания среды является важным параметром, поскольку коммутатор, обеспечивающий передачу пакетов с такой скоростью, полностью использует возможности среды, предоставляя пользователям максимальную полосу.

Общая пропускная способность

Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps, суммарная пропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальных соединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора, поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скорость передачи не имеет внутренней блокировки.

Задержка

Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной, например, из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps, коммутацию на лету использовать вообще невозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик, при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. При организации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность.

Преимущества коммутаторов Ethernet

Ниже перечислены основные преимущества использования коммутаторов Ethernet:

1. Повышение производительности за счет высокоскоростных соединений между сегментами Ethernet (магистральные коммутаторы) или узлами сети (коммутаторы для рабочих групп). В отличие от разделяемой среды Ethernet коммутаторы позволяют обеспечить рост интегральной производительности при добавлении в сеть пользователей или сегментов.

2. Снижение числа коллизий, особенно в тех случаях, когда каждый пользователь подключен к отдельному порту коммутатора.

3. Незначительные расходы при переходе от разделяемой среды к коммутируемой за счет сохранения существующей инфраструктуры 10 Mbps Ethernet (кабели, адаптеры, программы).

4. Повышение безопасности за счет передачи пакетов только в тот порт, к которому подключен адресат.

5. Малое и предсказуемое время задержки за счет того, что полосу разделяет небольшое число пользователей (в идеале - один)

Кабели UTP

При обмене данными между двумя устройствами приемник одного из устройств должен быть соединен с передатчиком другого и наоборот. Перекрутка пар (cross-over) обычно реализуется внутри одного из устройств при разводке кабеля в разъеме. Некоторые порты концентраторов и коммутаторов поддерживают возможность смены типа разводки проводников в разъеме (MDI-X или Normal). Сетевые адаптеры компьютеров обычно не позволяют менять тип разводки порта и обозначаются как устройства с портом MDI или Uplink. На рисунках 1 и 2 показаны варианты соединения портов прямым и перекрученным (cross-over) кабелем.

Рисунок 1. Соединение прямым кабелем

Рисунок 2. Соединение перекрученным кабелем

Патч-панели и кабели

Если Вы используете патч-панели, убедитесь, что они соответствуют спецификациям 100BASE-T. NETGEAR рекомендует использовать все оборудование категории 5.

При использовании патч-панелей Вам потребуются кабели для подключения портов концентратора к панели.

Рисунок C-3. Патч-кабель UTP с разъемами RJ-45 на концах

Разъемы RJ-45

Модульные разъемы IEC 603-7 с 8 контактами, называемые обычно RJ-45, используются для соединения концентраторов, компьютеров, мостов, коммутаторов и т.п. с помощью неэкранированного кабеля из скрученных пар (UTP). Разъемы RJ-45 можно использовать с 4-парными кабелями UTP категории 5. В сетях Fast Ethernet следует использовать кабели и разъемы, сертифицированные для 100BASE-T. Зачастую с кабелем категории 5 используются разъемы категории 3. Однако при скорости 100 Mbps это может привести к возникновению проблем.

Переходные помехи (NEXT)

Одной из характеристик кабелей UTP является переходное затухание или уровень переходных помех (NEXT). Уровень переходных помех характеризуется мощностью сигнала, наведенного от соседних пар. Поскольку затухание в кабеле снижает уровень принятого сигнала, высокий уровень переходных помех может приводить к искажению принятого сигнала. Межпарные наводки на концах кабеля зависят от длины раскрученной части каждой пары при установке разъема. При малой длине раскрученной части пар и хорошей скрутке по всей длине уровень переходных помех снижается. Одним из способов снижения переходных помех является использование пар с наиболее частой скруткой. Выбирая кабельную систему (кабели, разъемы, кросс-панели) необходимо принимайте во внимание длину, на которую придется раскрутить пары проводников при соединении

Монтаж и настройка

Местоположение/Расстояния/Питание коммутаторов

Выбор места установки концентратора является наиболее важным этапом планирования небольшой сети. Коммутатор разумно расположить вблизи геометрического центра сети (на равном приблизительно расстоянии от всех компьютеров). Такое расположение позволит минимизировать расход кабеля. Длина кабеля от концентратора до любого из подключаемых к сети компьютеров или периферийных устройств не должна превышать 100 метров. Коммутатор можно поставить на стол или закрепить его на стене с помощью входящих в комплект скоб. Установка коммутатора на стене позволяет упростить подключение кабелей, если они уже проложены в Вашем офисе. При планировании сети не забудьте о возможности наращивания (каскадирования) сети на основе коммутаторов. Возможно собрать в одном месте несколько коммутаторов (для увеличения числа портов), соединив их через порты расширения. Не стоит забывать о розетке для питания коммутатор. Требования к питающей сети приведены в Руководстве пользователя.

Приведен краткий обзор процесса установки сетевых адаптеров. Большинство современных адаптеров поддерживают программную установку параметров или относятся к типу plug-and-play и, скорей всего, не потребуется устанавливать переключатели или перемычки на плате.

По умолчанию новые адаптеры обычно имеют следующие параметры:

Для установки адаптера в компьютер выполните следующие операции:

1. Выключите компьютер и отсоедините от компьютера все кабели во избежание повреждения оборудования.

2. Снимите крышку корпуса компьютера.

3. Выбрать подходящий разъем расширения и снять заглушку на задней стенке корпуса.

4. Вставить плату адаптера в разъем и завернуть винт, фиксирующий плату в корпусе.

5. Собрать компьютер и подключить к нему все кабели.

6. Повторить операции 1-5 для всех компьютеров

После размещения концентратора на выбранном месте, установки сетевых адаптеров в компьютеры нужно соединить компьютеры с коммутатором обжатыми кабелями.

Требования к кабелям

Кабельные материалы и технологии меняются очень быстро. Переход от толстого коаксиального кабеля с громоздкими разъемами и трансиверами к использованию кабеля на основе скрученных пар произошел на глазах.

Подключение разъемов RJ45 к сетевому оборудованию не отличается от подключения телефона к розетке. Вам нужно просто вставить разъем в розетку до щелчка. После щелчка разъем фиксируется и вынуть его можно только нажав на фиксатор.

1. Вставьте разъем RJ45 в порт коммутатора.

2. Вставьте разъем на другом конце кабеля в разъем сетевого адаптера.

3. Повторите процедуру 1-2 для всех кабелей.

После установки кабелей можно включать коммутатор.

Рекомендуем промаркировать все кабели с обоих концов (например, цифрами), это поможет избавиться от лишних проблем при внесении изменений в конфигурацию сети или ее расширении.

До выполнения этого теста необходимо:

· установить коммутатор

· установить в компьютеры сетевые адаптеры

· соединить адаптеры с коммутатором.

Для проверки работы адаптера необходимо выполните перечисленные здесь операции. Эти простые операции часто помогают обнаружить проблемы, связанные с адаптерами и кабелями.

1. Убедитесь, что коммутатор включен.

2. Вставьте разъемы кабеля в розетки коммутатора и адаптера.

3. Включите компьютер.

4. Посмотрите на светодиодный индикатор используемого порта коммутатора. Свечение диода "Link" говорит о нормальном соединении адаптера с коммутатором.

Обнаружение

Если светодиодные индикаторы при включенном коммутаторе и компьютерах, соединенных кабелями, не горят, нет иного способа обнаружить неполадки кроме аккуратного выполнения перечисленных ниже операций.

Локальная сеть состоит из 3 основных компонентов

1. Оборудование (адаптеры, концентраторы и др.).

2. Кабельная система.

3. Сетевая ОС.

Пять основных проблем, связанных с сетевым оборудованием:

1. Адаптеры некорректно сконфигурированы. Чаще всего проблем не возникает при инсталляции сети до тех пор, пока не будут подключены кабели, а иногда и до попытки получить доступ к сетевым ресурсам. Обычно источником проблемы является конфликт IRQ (два устройства используют одно прерывание). Такие ситуации не всегда легко обнаружить программными средствами, поэтому необходимо проверить внимательно установки прерываний для всех устройств компьютера (звуковые платы, параллельные и последовательные порты, приводы CD-ROM, другие сетевые адаптеры и т.п). Иногда может помочь в определении доступного прерывания программа конфигурирования и/или диагностики адаптера. В некоторых случаях проблемы возникают при использовании для сетевого адаптера IRQ 15 на современных компьютерах с шиной PCI, даже если это прерывание не используется.

2. Проблемы с кабелями также возникают достаточно часто, особенно в тех случаях, когда разъемы устанавливаются самостоятельно. Обычно для обнаружения некачественных кабелей меняют подозрительный кабель на заведомо хороший и смотрят результат. Если после замены кабеля индикаторы загорелись, меняйте кабель или проверяйте правильность установки разъемов.

3. Адаптер не отвечает на запросы. Если после включения компьютера программа диагностики не может обнаружить адаптер или детектирует сбой при внутреннем тесте, попробуйте заменить адаптер или обратитесь к его производителям.

4. Если проверка адаптеров и кабелей показала их работоспособность, причиной возникновения проблем могут быть некорректные параметры драйвера сетевого адаптера. Проверьте корректность параметров и сам драйвер (он должен быть предназначен для используемого Вами адаптера). Дополнительную информацию можно найти в описании адаптера

5. Коммутаторы редко являются источником проблем, однако одной из наиболее распространенных проблем такого типа является отсутствие питания: забыли включить коммутатор или неисправен источник питания. Если индикатор питания на панели концентратора светится, это говорит о том, что коммутатор, по крайней мере, включен. Иногда неисправный сетевой адаптер может нарушить работу порта в концентраторе. Для проверки кабелей используйте проверенный кабель для замены сомнительного. Для проверки адаптера пользуйтесь диагностическими программами из комплекта адаптера.