Мосты

Мост (bridge) – это сетевое устройство, соединяющее между собой сегменты локальной сети.

Мосты позволяют решать следующие задачи:

• расширить локальную сеть в случае, когда достигнут лимит на максимальное количество соединений (например, если сегмент Ethernet имеет 30 узлов);
• расширить локальную сеть и обойти ограничения на длину сегментов (например, если нужно нарастить сегмент Ethernet на тонком кабеле, который уже имеет длину 185 м);
• сегментировать локальную сеть для ликвидации узких мест в сетевом трафике;
• предотвратить неавторизованный доступ к сети.

Рис. 1 Мост сетевой

Мосты весьма распространены в сетях Ethernet II/IEEE 802.3, хотя устройства, выполняющие только функции мостов, быстро были заменены устройствами, обладающими функциями и мостов, и маршрутизаторов. Поскольку Работа мостов незаметна для пользователей, то широко используется термин прозрачный мост.

Мосты функционируют в так называемом беспорядочном режиме (promiscuous mode), что подразумевает просмотр физического целевого адреса каждого фрейма перед его пересылкой. Этим мосты отличаются от повторителей, которые не имеют возможности анализа адресов фреймов.

Мосты работают на подуровне MAC Канального уровня OSI, поскольку они считывают исходный и целевой физические адреса фрейма. Мост перехватывает весь сетевой трафик и анализирует целевой адрес каждого фрейма определяя, следует ли пересылать данный фрейм в следующую сеть. В процессе своей работы мост просматривает МАС-адреса передаваемых через него фреймов и строит таблицу известных целевых адресов.

Если мост знает, что фрейм предназначен для узла, который находится в том же сегменте что и отправитель фрейма, он отбрасывает сегмент, поскольку тот не нуждается в дальнейшей пересылке. Если мост знает, что целевой адрес располагается в другом сегменте, он транслирует фрейм только в нужный сегмент. Если мосту не известен целевой сегмент, он передает фрейм во все сегменты, за исключением исходного сегмента, и этот процесс называется лавинной маршрутизацией (адресацией) (flooding).

Главным достоинством мостов является то, что они сосредотачивают трафик в конкретных сетевых сегментах. Мост может выполнять фильтрацию и пересылку с довольно высокой скоростью, поскольку он просматривает информацию только на Канальном уровне и игнорирует информацию на более высоких уровнях.

Мосты “прозрачны” для любого протокола или комбинации протоколов, по-скольку от них не зависят. Мосты просматривают только МАС-адреса. Один мост может транслировать в одной и той же сети различные протоколы, такие как TCP/IP, IPX, NetBEUI, AppleTalk и Х.25, безотносительно к тому, какие структуры фреймов передаются через него.

Мосты не конвертируют фреймы из формата одного протокола в формат другого, исключение составляют только транслирующие мосты.

Транслирующие мосты преобразуют фреймы, относящиеся к одному методу доступа и передающей среде, во фреймы другого стандарта (например, из стандарта Ethernet в стандарт Token Ring) и наоборот. Такие мосты переформатируют адреса, например, отбрасывая адресную информацию стандарта Token Ring, которая не используется стандартом Ethernet. Далее перечислены базовые элементы, которые транслирующие мосты преобразуют во фреймах Token Ring и Ethernet:

• очередность битов в адресах;
• формат МАС-адреса;
• элементы маршрутной информации;
• функции, имеющиеся во фреймах Token Ring, не имеющие эквивалентов во фреймах Ethernet;
• зондирующие (explorer) пакеты Token Ring, которые не используются в се-тях Ethernet.

Мосты выполняют три важных функции – анализ, фильтрация и пересылка.

После включения мост анализирует топологию сети и адреса устройств во всех подключенных сетях. Для этого мост просматривает исходный и целевой адреса во всех передаваемых ему фреймах и на основе этой информации строит свою табли-цу, содержащую адреса всех узлов сети. Большинство мостов может хранить в таких таблицах значительное количество адресов. Затем таблица адресов используется для принятия решений о пересылки трафика.

Администратор сети может также ввести инструкции для моста, запрещающие лавинообразно передавать фреймы от определенных исходных адресов или же позволяющие отбрасывать некоторые фреймы без ретрансляции. Такая возможность фильтрации позволяет применять мосты для повышения безопасности (например, путем ограничения доступа к серверу, хранящему важную информацию).

Некоторые мосты могут связывать только два сетевых сегмента. Такие мосты используются для каскадирования (каскадного соединения) сегментов.

Существуют также многопортовые мосты, которые могут соединять несколько сетевых сегментов.

Мосты могут заметно повысить производительность сети, поскольку они сег-ментируют сетевой трафик, изолируя его внутри сегмента от активности других сегментов. Этим мосты принципиально отличаются от повторителей и концентраторов, которые передают все фреймы во все подключенные сегменты.

Другим достоинством мостов является то, что они могут использоваться как брандмауэры (сетевые экраны), запрещая посторонним доступ к сети. Брандмауэрами (firewall) называются программные или аппаратные средства, запрещающие доступ к данным из-за пределов сети, а также препятствующие пересылке информации из сети во внешние узлы.

Существуют два типа мостов: локальные и удаленные.

Локальный мост (local bridge) используется для непосредственного соединения двух близко расположенных локальных сетей (например, двух сетей Ethernet). Он также применяется для сегментации сетевого трафика с целью ликвидации узких мест.

Локальный мост может связать два подразделения одной компании, позволяя всем пользователям обращаться к некоторым файлам и электронной почте. Пусть в одном (головном) подразделении сетевой трафик большой, что обусловлено большим количеством отчетов, генерируемых сервером базы данных в клиент-серверной прикладной программе.

После того как мост проанализирует трафик, связанный с обращениями к этому серверу, он начнет фильтровать фреймы и не будет ретранслировать их в сеть другого подразделения, где внутренний трафик невелик.

Беспроводные мосты представляют собой точки доступа, которые являются Подклассом локальных мостов и взаимодействуют с компьютерами, снабженными беспроводными сетевыми адаптерами.

Беспроводной мост (например, мост 802.11b) может выбирать скорость обмена с каждым беспроводным адаптером и поэтому в зависимости от условий передачи он может одному адаптеру передавать данные со скоростью 11 Мбит/с, а другому – со скоростью 2 Мбит/с.

Беспроводной мост, совместимый со стандартом 802.На и работающий на скорости 54 Мбит/с, может обслуживать до 64 клиентов, а 802.11b-совместимый мост может работать на скорости до 11 Мбит/с и обслужить до 256 клиентов. Беспроводные мосты могут соединяться каскадно с другими внутренними или наружными мостами.

Маршрутизаторы

Маршрутизатор (router) выполняет некоторые функции моста, такие анализ топологии, фильтрация и пересылка пакетов.

Рис.2 Маршрутизатор

Однако, в отличие от мостов, мар-шрутизаторы могут направлять пакеты в конкретные сети, анализировать сетевой трафик и быстро адаптироваться к изменениям сети.

Маршрутизаторы соединяют локальные сети на Сетевом уровне эталонной модели OSI, что позволяет им анализировать в пакетах больше информации, чем это возможно для мостов.

Главные задачи, которые могут решать маршрутизаторы:

• эффективно перенаправлять пакеты из одной сети в другую, устраняя не-нужный трафик;
• соединять соседние или удаленные сети;
• связывать разнородные сети;
• устранять узкие места сети, изолируя ее отдельные части;
• защищать фрагменты сети от несанкционированного доступа.

В отличие от мостов, маршрутизаторы могут связывать сети, имеющие различные каналы данных. Например, сеть Ethernet на базе протокола TCP/IP можно подключить к коммутирующей сети с ретрансляцией кадров, в которой также используется протокол IP. Некоторые маршрутизаторы поддерживают только один протокол, например, TCP/IP или IPX. Многопротокольные маршрутизаторы могут выполнять преобразование протоколов разнородных сетей, т. е. осуществлять конвертацию протокола TCP/IP сети Ethernet в протокол AppleTalk сети с маркерным доступом, и наоборот.

При наличии соответствующего аппаратного и программного обеспечения маршрутизаторы могут соединять различные сети, в том числе:

• Ethernet;
• Fast Ethernet;
• Gigabit Ethernet;
• 10 Gigabit Ethernet;
• Token Ring;
• Fast Token Ring;
• Frame Relay (сети с ретрансляцией кадров);
• ATM;
• ISDN;
• Х.25.

Также в отличие от мостов, “прозрачных” для других сетевых узлов (например, рабочих станций или серверов), маршрутизаторы получают от узлов регулярные сообщения, подтверждающие адреса узлов и их присутствие в сети.

Маршрутизаторы пересылают пакеты по маршрутам, где трафик самый маленький и для которых минимальна стоимость использования сетевых ресурсов. Маршрут с наименьшей стоимостью определяется следующими факторами: расстоянием или длиной пути, нагрузкой в следующем пункте ретрансляции, имеющейся пропускной способностью и надежностью маршрута.

Программные средства маршрутизатора представляют один или несколько перечисленных факторов в виде единого параметра, называемого метрикой (metric). Метрики применяются для определения наилучшего маршрута в сети.

Для вычисления метрики могут использоваться дующие величины в любых комбинациях:

• количество входящих пакетов, ожидающих обработки, на определенном порту (подключении) маршрутизатора;
• количество ретрансляций между сегментом, к которому подключен передающий узел, и сегментом, к которому подключен принимающий узел;
• количество пакетов, которые маршрутизатор может обработать в течение определенного интервала времени;
• размер пакета (если пакет слишком большой, маршрутизатор может разделить его на несколько пакетов меньшего размера);
• пропускная способность (скорость) между двумя взаимодействующими узлами;
• доступность (работоспособность) некоторого сегмента сети.

Маршрутизаторы могут изолировать часть сети с высоким трафиком и распространять его на остальные участки сети. Эта способность маршрутизаров позволяет предотвратить потерю производительности сети и возникновение широковещательного шторма.

По мере усложнения структуры сети растет необходимость передачи пакетов по самому короткому и наиболее эффективному маршруту. Чтобы обеспечить полный контроль над растущим сетевым трафиком и избежать падение производительности сети, вместо мостов часто используют маршрутизаторы.

Кроме того, маршрутизаторы намного эффективнее мостов в случае объединения больших сетей. Однако при модернизации следует учитывать скорость обработки пакетов в маршрутизаторе в сравнении со скоростью обработки фреймов мостом. В принципе мост работает быстрее маршрутизатора, поскольку он не анализирует и не обрабатывает данные о маршрутизации. Чтобы компенсировать эти издержки, некоторые маршрутизаторы оснащаются специализированными процессорами, позволяющими сделать соразмерными эти скорости.

Статическая и динамическая маршрутизация

Маршрутизация бывает статическая и динамическая. Для статической маршрутизации необходимы таблицы маршрутизации, которые создает сетевой администратор; в них указываются фиксированные (статические) маршруты между любыми двумя маршрутизаторами. Эту информацию администратор вводит в таблицы вручную. Администратор сети также отвечает за ручное обновление таблиц в случае отказа каких-либо сетевых устройств. Маршрутизатор, работающий со статическими таблицами, может определить факт неработоспособности какого-либо сетевого канала, однако он не может автоматически изменить пути передачи пакетов без вмешательства со стороны администратора.

Динамическая маршрутизация выполняется независимо от сетевого администратора.

Протоколы динамической маршрутизации позволяют маршрутизаторам автоматически выполнять следующие операции:

• находить другие доступные маршрутизаторы в остальных сетевых сегментах;
• определять с помощью метрик кратчайшие маршруты к другим сетям;
• определять моменты, когда сетевой путь к некоторому маршрутизатору не-доступен или не может использоваться;
• применять метрики для перестройки наилучших маршрутов, когда некото-рый сетевой путь становится недоступным;
• повторно находить маршрутизатор и сетевой путь после устранения сетевой проблемы в этом пути.

Мосты-маршрутизаторы

Мост-маршрутизатор (brouter) – это сетевое устройство, в некоторых случаях исполняющее функции моста, а в других случаях – функции маршрутизатора.

Рис. 3 Мост-маршрутизатор

Например, такое устройство может работать как мост для определенных протоколов, таких как NetBEUI (поскольку тот является немаршрутизируемым), и как маршрутизатор для других протоколов, например, для TCP/IP.

Мост-маршрутизатор может выполнять следующие функции:

• эффективно управлять пакетами в сети со многими протоколами, включая протоколы, которые являются маршрутизируемыми, и протоколы, которые маршрутизировать нельзя;
• уменьшать нагрузку на каналы, изолируя и перенаправляя сетевой трафик;
• соединять сети;
• обеспечивать безопасность некоторых фрагментов сети, контролируя доступ к ним.

Мосты-маршрутизаторы используются в сетях, работающих с несколькими протоколами, например, с NetBEUI, IPX/SPX и TCP/IP, поэтому они также называются многопротокольными маршрутизаторами.

Функции (маршрутизация или пересылка), выполняемые ими по отношению к некоторому протоколу, зависят от двух причин:

• от директив сетевого администратора, заданных для этого протокола;
• от того, содержит ли входящий фрейм данные о маршрутизации (если не со-держит, то пакеты этого протокола обычно пересылаются во все сети).

Если мост-маршрутизатор настроен не на маршрутизацию, а на пересылку протокола, он передает каждый фрейм, используя адресную информацию подуровня MAC Канального уровня так, как это делает мост.

Это существенная возможность для сети, в число протоколов которой входит NetBEUI (поскольку этот протокол нельзя маршрутизировать). Для маршрутизируемых протоколов, таких как TCP/IP, мост-маршрутизатор пересылает пакеты в соответствии с адресной информацией и данными о маршрутизации, содержащимися на сетевом уровне.

Коммутаторы

Коммутаторы (switch) обеспечивают функции моста, а также позволяют по-высить пропускную способность существующих сетей.

Рис. 4 Коммутатор

Коммутаторы используемые в локальных сетях, напоминают мосты в том смысле, что они работают на подуровне MAC Канального уровня и анализируют адреса устройств во всех входящих фреймах.

Как и мосты, коммутаторы хранят таблицу адресов и используют эту информацию для принятия решения о том, как фильтровать и пересылать трафик локальной сети. В отличие от мостов, для увеличения скорости передачи данных и полосы пропускания сетевой среды в коммутаторах применяются методы коммутации.

В коммутаторах локальных сетей обычно используется один из двух методов:

• при коммутации без буферизации пакетов (cut-through switching) фреймы пересылаются по частям до того момента, пока фрейм не будет получен целиком. Передача фрейма начинается сразу же, как только будет прочитан целевой адрес MAC-уровня и из таблицы коммутатора будет определен порт назначения. Такой подход обеспечивает относительно высокую скорость передачи (отчасти за счет отказа от проверки наличия ошибок).
• в процессе коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward switching) (также называемой коммутацией с буферизацией) передача фрейма не начинается до тех пор, пока он не будет получен полностью. Как только коммутатор получает фрейм, он проверяет его контрольную сумму (CRC) перед тем, как отправлять целевому узлу. Затем фрейм поминается (буферизируется) до тех пор, пока не освободится соответствующий порт и коммуникационный канал (они могут быть заняты другими данными).

Новейшие модели коммутаторов (иногда называемые маршрутизирующими коммутаторами), использующие коммутацию с промежуточным хранением, могут совмещать функции маршрутизаторов и коммутаторов и, следовательно, работают на Сетевом уровне, чтобы определять кратчайший путь к целевому узлу. Одним из достоинств таких коммутаторов является то, что они предоставляют большие возможности для сегментации сетевого трафика, позволяя избегать широковещательного трафика, возникающего в сетях Ethernet.

Коммутация с промежуточным хранением распространена больше, чем коммутация без буферизации пакетов, и в некоторых коммутаторах, работающих по этому принципу, для повышения производительности используется встроенный центральный процессор. В принципе коммутаторы с собственным процессором работают значительно быстрее, чем “простые” коммутаторы. Однако в некоторых случаях и такие коммутаторы могут быть перегружены входящим трафиком, причем использование процессора может достигать 100% и коммутатор фактически будет работать медленнее, чем коммутатор без внутреннего процессора.

Поэтому, если используется коммутатор с собственным процессором, важно определить мощность этого процессора и его соответствие ожидаемой сетевой нагрузке.

Коммутаторы локальных сетей поддерживают следующие стандарты:

• Ethernet;
• Fast Ethernet;
• Gigabit Ethernet;
• 10 Gigabit Ethernet;
• Token Ring;
• Fast Token Ring;
• FDDI;
• ATM

Одной из наиболее распространенных задач, решаемой при помощи механизмов коммутации, является уменьшение вероятности конфликтов и повышение пропускной способности локальных сетей Ethernet. Коммутаторы сетей Ethernet, используя свои таблицы MAC-адресов, определяют порты, которые должны получить конкретные данные.

Поскольку каждый порт подключен к сегменту, содержащему только один узел, то этот узел и сегмент получают в свое распоряжение всю полосу пропускания (10 или 100 Мбит/с, 1 или 10 Гбит/с), т. к. другие узлы отсутствуют; при этом вероятность конфликтов уменьшается.

Другой распространенной областью применения коммутаторов являются сети с маркерным кольцом. Коммутатор Token Ring может выполнять только функции моста на канальном уровне или работать как мост с маршрутизацией от источника на Сетевом уровне.

Переключаясь непосредственно к тому сегменту, который должен получать данные, коммутаторы могут значительно увеличить пропускную способность сети без модернизации, существующей передающей среды. Рассмотрим для примера не имеющий возможности коммутации концентратор Ethernet, к которому подключены восемь сегментов 10 Мбит/с. Скорость работы этого концентратора никогда не превысит 10 Мбит/с, поскольку каждый момент времени он может передавать данные только в один сегмент. Если концентратор заменить коммутатором Ethernet, общая пропускная способность сети увеличится в восемь раз, т. е. до 80 Мбит/с, поскольку коммутатор может посылать пакеты в каждый сегмент практически одновременно. В настоящее время коммутаторы не намного дороже концентраторов, поэтому с их помощью проще всего повысить скорость работы сети с высоким трафиком.

Выпускаются управляемые коммутаторы, которые, как и управляемые концентраторы, имеют “интеллектуальные” способности. Для многих сетей имеет смысл потратить дополнительные средства на приобретение управляемых коммутаторов, поддерживающих протокол SNMP, что позволит повысить степень управления и мониторинга сети. Некоторые коммутаторы также могут поддерживать технологию виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN).

Эта технология, описанная стандартами IEEE 802.1q, представляет собой программный метод деления сети на подсети, не зависящие от ее физической топологии и содержащие логические группы. Члены рабочей группы VLAN могут располагаться в физически удаленных сетевых сегменте однако их можно объединить в один логический сегмент с помощью программного обеспечения и коммутаторов VLAN, маршрутизаторов и других сетевых устройств. Лучше всего для реализации сетей VLAN использовать маршрутизирующие коммутаторы, поскольку они позволяют уменьшить издержки на управление сетью, что объясняется их умением маршрутизировать пакеты между подсетями. Коммутаторы Уровня 2 в сети VLAN требуют, чтобы порты коммутаторов были связаны с МАС-адресами, что усложняет управление сетью VLAN.

Шлюзы

Термин шлюз (gateway) используется во многих контекстах, но чаще всего он обозначает программный или аппаратный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между двумя различными типами сетевых систем или программ.

Рис. 5 Шлюз

Например, с помощью шлюза можно выполнять следующие операции:

• преобразовывать широко используемые протоколы (например, TCP/IP) в специализированные (например, в SNA);
• преобразовывать сообщения из одного формата в другой;
• преобразовывать различные схемы адресации;
• связывать хост-компьютеры с локальной сетью;
• обеспечивать эмуляцию терминала для подключений к хост-компьютеру;
• перенаправлять электронную почту в нужную сеть;
• соединять сети с различными архитектурами.

Шлюзы имеют множество назначений, поэтому могут работать на любом Уровне OSI.

Сетевые шлюзы работают на всех известных операционных системах. Основная задача сетевого шлюза — конвертировать протокол между сетями.

Роутер сам по себе принимает, проводит и отправляет пакеты только среди сетей, использующих одинаковые протоколы.

Сетевой шлюз может с одной стороны принять пакет, сформатированный под один протокол (например Apple Talk) и конвертировать в пакет другого протокола (например TCP/IP) перед отправкой в другой сегмент сети. Сетевые шлюзы могут быть аппаратным решением, программным обеспечением или тем и другим вместе, но обычно это программное обеспечение, установленное на роутер или компьютер. Сетевой шлюз должен понимать все протоколы, используемые роутером. Обычно сетевые шлюзы работают медленнее, чем сетевые мосты, коммутаторы и обычные маршрутизаторы.

Сетевой шлюз — это точка сети, которая служит выходом в другую сеть. В сети Интернет узлом или конечной точкой может быть или сетевой шлюз, или хост. Интернет-пользователи и компьютеры, которые доставляют веб-страницы пользователям — это хосты, а узлы между различными сетями — это сетевые шлюзы. Например, сервер, контролирующий трафик между локальной сетью компании и сетью Интернет — это сетевой шлюз.

В крупных сетях сервер, работающий как сетевой шлюз, обычно интегрирован с прокси-сервером и межсетевым экраном. Сетевой шлюз часто объединен с роутером, который управляет распределением и конвертацией пакетов в сети.

Сетевой шлюз может быть специальным аппаратным роутером или программным обеспечением, установленным на обычный сервер или персональный компьютер. Большинство компьютерных операционных систем использует термины, описанные выше.

Компьютеры под Windows обычно используют встроенный мастер подключения к сети, который по указанным параметрам сам устанавливает соединение с локальной или глобальной сетью. Такие системы могут также использовать DHCP-протокол.