Использование репитеров и концентраторов в сети Ethernet не является обязательным. Небольшие сети на основе сегментов 10BASE2 или 10BASE5 вполне могут без них обойтись. Для сетей из нескольких таких сегментов необходимы простейшие репитеры. А при выборе в качестве среды передачи витой пары (10BASE-T) или оптоволоконного кабеля (10BASE-FL) уже необходимы концентраторы. В сети Fast Ethernet применение концентраторов обязательно.
Функции репитеров и концентраторов
Репитеры (или, как их еще называют, повторители), ретранслируют приходящие на их порты сигналы, восстанавливают их амплитуду и форму, что позволяет увеличивать длину сети. То же самое делают и простейшие репитерные концентраторы. Но помимо этой основной функции концентраторы Ethernet и Fast Ethernet обычно выполняют еще ряд функций по обнаружению и исправлению некоторых простейших ошибок сети. К этим ошибкам относятся:
- ложная несущая (FCE – False Carrier Event);
- множественные коллизии (ECE – Excessive Collision Error);
- затянувшаяся передача (Jabber).
Все эти ошибки могут вызываться неисправностями оборудования абонентов, высоким уровнем шумов и помех в кабеле, плохими контактами в разъемах.
Под ложной несущей понимают ситуацию, когда концентратор получает от одного из своих портов (от единичного абонента или из сегмента) данные, не содержащие ограничителя начала потока данных, то есть преамбула пакета началась, но в ней нет признака начала кадра.
Если после старта передачи кадр не начался в течение заданного временного интервала, то концентратор посылает сигнал "Пробка" всем остальным портам, чтобы они обнаружили коллизию. Длительность этого сигнала составляет 5 (Ethernet) или 50 (FastEthernet) мкс. Затем выявленный порт переводится в состояние "Связь неустойчива" (Link Unstable) и отключается. Обратное включение порта концентратором может произойти только при поступлении от него правильного пакета, без ложной несущей.
Ситуация множественных коллизий фиксируется при выявлении в данном порту более 60 коллизий подряд. Концентратор считает количество коллизий в каждом порту и сбрасывает счетчик, если получает пакет без коллизии. Порт, в котором возникают множественные коллизии, отключается. Если в течение заданного времени в этом порту не будет зафиксировано коллизий, то он снова включается.
Ситуация затянувшейся передачи фиксируется в случае, когда время передачи превышает более чем в три раза максимально возможную длительность пакета, то есть 400 мкс для Fast Ethernet или 4000 мкс для Ethernet. При обнаружении такой затянувшейся передачи соответствующий порт отключается. После окончания затянувшейся передачи данный порт снова включается.
Кроме перечисленных функций концентратор также активно способствует обнаружению любых коллизий в сети. При одновременном поступлении на его порты двух и более пакетов он, как и любой абонент, усиливает столкновение путем передачи во все порты сигнала "Пробка" в течение 32 битовых интервалов. В результате все передающие абоненты всех сегментов обязательно обнаруживают факт коллизии и прекращают свою передачу.
Таким образом, даже самый простой концентратор представляет собой довольно сложное устройство, позволяющее автоматически устранять некоторые неисправности и временные сбои. Концентратор не только объединяет точки включения кабелей сети, но и активно улучшает условия обмена, повышает производительность сети, отключая время от времени неисправные или неустойчиво работающие сегменты. Впрочем, главный признак концентратора – он не производит никакой обработки информации, воспринимает пакеты как единое целое, не анализируя их содержимое.
Как и сетевые адаптеры, концентраторы могут быть односкоростными и двухскоростными. Для большей свободы в проектировании сети лучше выбирать именно двухскоростные (10/100 Мбит/с) концентраторы.
Чаще всего репитеры и концентраторы выполняются в виде отдельных автономных блоков, имеющих внутренний или внешний источник питания.
Некоторые концентраторы рассчитаны на подключение жестко заданного количества сегментов определенного типа. Для этого на них устанавливаются соответствующие типу сегмента разъемы: BNC, RJ-45, AUI или оптоволоконные разъемы.
Более дорогие концентраторы, называемые наращиваемыми, стековыми (Stackable), имеют модульную структуру и позволяют гибко приспосабливать их к заданной конфигурации сети. В этом случае в каркас (стек) концентратора может быть установлено различное число сменных модулей, каждый из которых ориентирован на один или несколько сегментов какого-нибудь типа и имеет соответствующие разъемы для подключения кабеля сети. Как правило, количество подключаемых сегментов (портов концентратора) выбирается кратным четырем: 4, 8, 12, 16, 24. Наращиваемый концентратор может поддерживать, к примеру, 192 порта (восемь модулей, каждый из которых рассчитан на 24 сегмента). Структура такого наращиваемого концентратора показана на рис. 1.
Рис. 1. Структура наращиваемого концентратора
Самые сложные концентраторы на базе единого шасси (рис. 2) позволяют путем перекоммутации связей на контактной задней панели строить сложные конфигурации сетей. Они могут одновременно поддерживать несколько типов сетей (Token-Ring, Ethernet и FDDI), допускают включение не только модулей репитерных концентраторов, но и модулей маршрутизаторов и коммутаторов. На основе такого концентратора можно также организовывать одновременно несколько независимых однотипных сетей для разделения информационных потоков между ними, снижения нагрузки на сеть.
Рис. 2 Концентратор на основе шасси
Как правило, концентраторы на базе шасси предусматривают возможность довольно сложного управления обменом. Количество портов таких концентраторов может доходить до 288. Правда, этот тип концентратора оказывается обычно самым дорогим в расчете на один порт. Считается, что их применение становится экономически оправданным только в случае необходимости поддержки большого количества портов (около 100).
Встречаются также совсем простые и самые дешевые репитеры и концентраторы, выполненные в виде платы, вставляемой в разъем системной шины компьютера (из компьютера они берут при этом только питание). Недостаток такого решения состоит в том, что для работы сети необходимо, чтобы компьютер, в который включена плата репитера (концентратора), был постоянно включен (в идеале – круглосуточно). При выключении питания этого компьютера связь по сети становится невозможной.
Концентраторы класса I и класса II
Стандарт IEEE 802.3 определяет два класса репитерных концентраторов Ethernet/Fast Ethernet, отличающихся друг от друга своими функциональными возможностями и областями применения. Каждый концентратор должен иметь маркировку своего класса в виде римской цифры I или II, заключенной в кружок.
Концентраторы класса II —классические концентраторы, использовавшиеся с самого начала в сетях Ethernet. Именно поэтому их применение было разрешено и в сетях Fast Ethernet. Эти концентраторы отличаются тем, что они непосредственно повторяют приходящие на них из сегмента сигналы и передают их в другие сегменты, без какого бы то ни было преобразования. Они не способны преобразовывать методы кодирования сетевых сигналов. Поэтому к ним можно подключать только сегменты, использующие одну систему сигналов. Допустимо, правда, подключение и разных сегментов, но они должны использовать один код передачи, например, 10BASE-T и 10BASE-FL или 100BASE-TX и 100BASE-FX. Данные концентраторы принципиально не могут объединять сегменты с разными системами кодирования.
Задержка сигналов в концентраторах класса II меньше, чем в концентраторах класса I. Согласно стандарту, она должна составлять от 46 битовых интервалов (для 100BASE-TX/FX) до 67 битовых интервалов (для 100BASE-T4). Отсюда следуют ограничения на наращиваемость таких концентраторов и на количество их портов (зачастую оно не превышает 24). Зато меньшая задержка концентратора позволяет использовать кабели большей длины, так как на работоспособность сети влияет суммарная задержка сигнала в сети, включающая в себя задержки, как концентраторов, так и в кабелях.
Для соединения концентраторов класса II между собой используется специальный порт расширения (UpLink port). Каждый концентратор подключается этим портом к одному из обычных портов другого концентратора (рис. 3).
Рис. 3 Соединение двух концентраторов класса II
Концентраторы класса II сложнее в производстве, так как временные требования, предъявляемые к ним, жестче. Но при этом возможности их меньше, поэтому в настоящее время их вытесняют концентраторы класса I.
Концентраторы класса I характеризуются тем, что они преобразуют приходящие по сегментам сигналы в цифровую форму, прежде чем передавать их во все другие сегменты. Они содержат декодирующие и кодирующие узлы.
Они способны преобразовывать коды, применяемые в разных сегментах. Поэтому к ним можно одновременно подсоединять сегменты разных типов. Но этот процесс двойного преобразования кодов требует времени, поэтому данные концентраторы оказываются медленнее (по стандарту, их задержка составляет не более 140 битовых интервалов).
Концентраторы класса I более гибкие, они имеют расширенные возможности по наращиваемости. Именно из них строятся сложные концентраторы на базе шасси. К тому же благодаря внутренним цифровым шинам сигналов они допускают управление с удаленных рабочих станций, позволяющих контролировать нагрузку сети, состояние портов, интенсивность ошибок в сети, а также автоматически отключать неисправные сегменты.
При этом для обмена с управляющей станцией применяется специально разработанный протокол обмена SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью). Такой концентратор, допускающий удаленное управление, называется интеллектуальным (Intelligent Hub).
Рабочая станция, управляющая сетью (NMS – Network Management Station) – это один из компьютеров, подключенных к сети, на котором запущен специальный пакет прикладных программ, в удобном графическом виде отображающий состояние сетевых устройств и позволяющий управлять ими.
Протокол SNMP поддерживает три типа команд:
- Команда GET читает значения объектов данных устройства (из MIB) в произвольном порядке.
- Команда GET NEXT читает следующее по порядку значение объекта данных устройства.
- Команда SET применяется для изменений (записи) значений объектов данных устройства.
Команды и реакции протокола SNMP передаются посредством модулей данных в составе дейтаграмм (PDU – Protocol Data Unit). Протокол предусматривает также передачу информации о типе кодирования MIB, поэтому в разных устройствах MIB может иметь различный формат. Существует ряд фирменных и стандартных форматов MIB для сетевых адаптеров (MIB-II), концентраторов, мостов и сети в целом (RMON MIB), поддерживаемых SNMP.