Повторитель и концентраторы.

Повторитель (репитер (repeater)) - 2-портовое устройство соединяющее между собой протяженные сегменты сети выполненные из коаксиального кабеля (обычно с топологией "шина").

Концентратор (concentrator) - многопортовое устройство транслирующее восстановленный сигнал на все другие активные порты. Работают на физическом уровне модели OSI, поэтому для них совершенно безразлично, какие протоколы более высоких уровней используются в сети

Хаб - концентратор сети выполненной витой парой (протокол 10baseT). Все порты хаба равноправны, никакой логической обработке сигнал не подвергается, не буферизируется, коллизии им не обрабатываются (только фиксируются их наличие на индикации некоторых моделей устройств).

Простейшие операции выполняемые большинством концентраторов в автоматическом режиме:

Автосегментация (network integrity) - автоматическое включение или отключение порта. Порт, к которому подсоединена неисправная линия, или не подключено активное устройство, считается свободным и находится в неактивном режиме. При обнаружении устройства работоспособность порта восстанавливается (используются служебные сигналы проверки целостности линии (link test pulses) в виде периодического импульса длительностью 100 нс, посылаемого через каждые 16 мс.

Отображение состояния портов (или устройства в целом) на светодиодных индикаторах:

1) состояние порта (Port Status),

2) наличие коллизий (Collisions),

3) активность канала передачи (Activity),

4) наличие питания (Power),

5) обнаружение ошибки полярности (перепутаны проводники внутри витой пары) и автоматическое ее переключение.

Повторители и концентраторы можно использовать как отдельные устройства или соединять их друг с другом, увеличивая размер сети и усложняя топологию: шина, звезда или иерархическая топология. Кольцевая топология недопустима.

Так как логической обработки сигнала не происходит, данные передаются с использованием всей полосы пропускания. Если не учитывать задержку на хабе (по стандарту IEEE 802.3 менее 3 мкс, а в реальности существенно меньше), то концентратор (или повторитель) ничем не отличается по смыслу от сегмента коаксиального кабеля.

Преимущества:

1) полная прозрачность перед протоколами более высоких уровней,

2) прямая доступность всех узлов.

Недостатки:

1) все устройства, подключенные к сети, построенной на хабах, видят весь сетевой трафик,

2) данные, адресованные другому узлу, принимаются, анализируются по крайней мере на уровне заголовка пакета, и только после этого отбрасываются.

По скорости различают хабы 10baseT и 100baseT. Часто встречаются смешанные конструкции, работающие на полную скорость только при соединении с оборудованием 100baseT, поскольку при разных скоростях на разных портах необходимо об рабатывать данные и накапливать их в специальном буфере (что означает резкое усложнение конструкции).

При делении повторителей на классы (I и II):

1) повторители I класса полностью декодируют входящий сигнал, преобразуют его в логическую форму и передают на активные порты (задержка порядка 0,7 мс) и при этом возможно использование нескольких технологий одновременно - например, 100BaseT4, 100BaseTX или 100BaseFX,

2) повторители II класса восстанавливают форму сигнала без его явного преобразования в логический вид, поэтому задержка передачи заметно меньше (менее 0,46 мс по стандарту), но можно использовать только один протокол.

 

Основное назначение концентраторов (хабов) - объединение территориально сосредоточенных рабочих станций в группу, но вполне возможно использование хабов в качестве ретрансляторов (повторителей) между удаленными сетями или для связи нескольких рабочих групп.

Недостатки:

1) из-за отсутствия в концентраторах каких либо механизмов обеспечения безопасности и гарантированной скорости, их применение рационально только в части сети, где существуют общие требования по этим важным параметрам, поэтому хабы являются морально устаревшим оборудованием,

 

Рис.11.9. Действие ретранслятора

2) практически по всем техническим показателям они серьезно уступают коммутаторам и очень близки по цене (дешевле всего на 30-40%), поэтому их применение в локальной сети предприятия не имеет смысла - при незначительном увеличении затрат можно получить в десятки раз большую скорость.

Преимущества: более надежны в тяжелых условиях эксплуатации и способны передавать данные на большие расстояния (или по кабелю худшего качества).

Управляемые концентраторы - имеют консольный порт R-232 для управления или сбора статистики с использованием протоколов SNMP/1 или IPX. В настоящее время практически не применяются.

Хабы 10/100 - содержат коммутаторы между 10 и 100 Мб шинами и исключают проблему понижения скорости сети при появлении в ней хотя бы одной 10-мегабитной сетевой карты.

Мосты и коммутаторы.

Мост (Bridge) - объединяет 2 (или более) сегмента сети, слишком больших для объединения их в один коллизионный домен, и территориально удаленных друг от друга.

Рис.11.10. Действие моста

Мост принимает входящий пакет данных в свой буфер, определяет его целостность и адрес (MAC) назначения. При этом каждая половина моста, анализируя поле адреса отправителя, ведет таблицу адресов узлов, находящихся на своей стороне. На другую сторону моста передаются только пакеты широковещательной рассылки (Broadcast) и пакеты, не имеющие получателя на своей стороне. Таким образом, в отличие от повторителей коллизии не транслируются

Буферизация данных перед их отправкой (store-and-forward) приводит к большей по сравнению с концентраторами задержки, что несколько снижает скорость работы сети. С другой стороны, количество устройств, которые разделяют между собой физическую среду, снижается. В результате обычно реальная скорость передачи данных возрастает.

Коммутатор (switch) - многопортовый мост (для технологии 10baseT). Выполняет те же функции, что и мосты, но используются, как средство уменьшения числа узлов в доменах коллизий. Имеют число портов до 24...30, а модульные коммутаторы - до сотни.

Переход от концентраторов (хабов) к коммутаторам (switch) и от полудуплексных каналов связи к дуплексным обеспечил уменьшение влияния коллизий в сети Ethernet.

Мост (другое предназначение) - объединение устройств, связанных по различным физическим средам, например по радиоканалу, модемной связи или другими способами. При этом с одной стороны моста пакеты будут преобразованы в какой-либо иной протокол канального уровня, а с другой - восстановлены обратно.

Однако мосты не могут выполнять фрагментацию и повторную сборку пакетов более высокого (сетевого) уровня. Как следствие, многие мосты имеют ограничение по размеру передаваемого пакета данных и слишком большой пакет может быть отброшен как поврежденный.

Маршрутизаторы (роутеры, routers) - устройства, связывающие 3 нижних уровня и устанавливающее соединение на 4-ом (транспортном) уровне. Обеспечивают выбор маршрута передачи данных (рис.11.11).

Соответственно, если мосты для передачи кадров используют адреса физического уровня (MAC), то маршрутизаторы обычно используют IP-адреса глобальной сети Интернет.

Для этого выполняется:

1) развертывание пакета данных,

2) извлечение из его поля данных дейтаграммы IP и по ее заголовку отправление пакета.

Рис.11.11. Действие маршрутизатора

Большинство маршрутизаторов работает по более сложному алгоритму, используя для передачи данных протоколы следующих уровней модели OSI - TCP, UDP, Novell IPX, AppleTalk II и др.

Подобно повторителям, маршрутизаторы используют буферизацию сигнала, а затем восстанавливают уровень и форму передаваемого сигнала.

Подобно мостам, они не передают адресату коллизии или поврежденные кадры, и из-за буферизации задерживают передачу.

Но в отличие от повторителей, мостов и коммутаторов, маршрутизаторы изменяют все передаваемые пакеты данных (они их разбирают и формируют заново по определенным правилам).

Маршрутизаторы -могут соединять сети с различными протоколами доступа, например Ethernet и ArcNet. В случае установления связи с помощью маршрутизатора, верхние уровни модели OSI (5,6 и 7) отправителя и получателя должны быть одинаковыми.

В зависимости от типа программного обеспечения маршрутизаторы могут поддерживать очень сложные и нетиповые функции. Например, подсчет трафика, авторизацию пользователей, ведение статистики и т.п.

Шлюз (gateway) - служит для объединения разнородных сетей, т.е. сетей с различными протоколами. Выполняет протокольное преобразование для всех 7 уровней модели OSI.

Обычно применяются для:

1) соединения локальных сетей,

2) преобразования протоколов обмена,

3) передачи пакетов информации между двумя различными сетями.

Может выполнять функции маршрутизатора, однако, скорость обмена при этом снижается.

Открытые промышленные сети

Открытые промышленные сети - соответствующие международным стандартам промышленных сетей.

Открытые системы - приводят в соответствие специфические характеристики изделий различных производителей интересам всех потребителей ресурсов сети.

Закрытые системы - уникальными сети, поддерживаемые только производителем и работающие по уникальным протоколам связи (обычно устаревшие).

Критерии предпочтительности сетевого решения как средства транспортировки данных:

1) объем передаваемых полезных данных,

2) время передачи фиксированного объема данных,

3) удовлетворение требованиям задач реального времени,

4) максимальная длина шины,

5) допустимое число узлов на шине,

6) помехозащищенность,

7) денежные затраты в расчете на узел.

Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, т.е. при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности.

В зависимости от области применения промышленные сети можно разделить на 2 уровня:

1) контроллерные (полевые) сети (Field level) - сети по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

2) сенсорные (низовой автоматики) сети (Sensor/actuator level) – сети опроса преобразователей (датчиков) и управления работой разнообразных исполнительных механизмов.