13. Лекція: Устаткування Ethernet і Fast Ethernet
В даний час мережа Ethernet/Fast Ethernet поширена найширше, її апаратура випускається найбільшим числом виробників, і її перспективи представляються найсприятливішими. У зв'язку з цим слідує детальніше розглянути деякі особливості її апаратних засобів. Втім, багато що з сказаного в даному розділі відноситься не тільки до Ethernet, але і до апаратури інших, менш популярних мереж.
Адаптери Ethernet і Fast Ethernet
Характеристики адаптерів
Мережеві адаптери(NIC, Network Interface Card) Ethernet і Fast Ethernet можуть сполучатися з комп'ютером через один із стандартних інтерфейсів:
шина ISA (Industry Standard Architecture);
шина PCI (Peripheral Component Interconnect);
шина РС Card (вона ж PCMCIA);
Адаптери, розраховані на системну шину (магістраль) ISA, ще не так давно були основним типом адаптерів. Кількість компаній, що випускали такі адаптери, була велика, саме тому пристрої даного типу були найдешевшими. Адаптери для ISA випускаються 8- і 16-розрядними. 8-розрядні адаптери дешевші, а 16-розрядні – швидше. Правда, обмін інформацією по шині ISA не може бути дуже швидким (у межі – 16 Мбайт/с, реально – не більше 8 Мбайт/с, а для 8-розрядних адаптерів – до 2 Мбайт). Тому адаптери Fast Ethernet, що вимагають для ефективної роботи великих швидкостей обміну, для цієї системної шини практично не випускаються. Шина ISA йде в минуле.
Шина PCI зараз практично витіснила шину ISA і стає основною шиною розширення для комп'ютерів. Вона забезпечує обмін 32- і 64-розрядними даними і відрізняється високою пропускною спроможністю (теоретично до 264 Мбайт/с), що цілком задовольняє вимогам не тільки Fast Ethernet, але і швидшою Gigabit Ethernet. Важливо ще і те, що шина PCI застосовується не тільки в комп'ютерах IBM РС, але і в комп'ютерах PowerMac. Крім того, вона підтримує режим автоматичної конфігурації устаткування Plug-and-Play. Мабуть, в найближчому майбутньому на шину PCI буде орієнтовано більшість мережевих адаптерів. Недолік PCI в порівнянні з шиною ISA в тому, що кількість її слотів розширення в комп'ютері, як правило, невелика (звичайний 3 слоти). Але саме мережеві адаптери підключаються до PCI насамперед.
Шина РС Card (стара назва PCMCIA) застосовується поки тільки в портативних комп'ютерах класу Notebook. У цих комп'ютерах внутрішня шина PCI зазвичай не виводиться назовні. Інтерфейс РС Card передбачає просте підключення до комп'ютера мініатюрних плат розширення, причому швидкість обміну з цими платами достатньо висока. Проте все більше портативних комп'ютерів оснащується вбудованими мережевими адаптерами, оскільки можливість доступу до мережі стає невід'ємною частиною стандартного набору функцій. Ці вбудовані адаптери знову ж таки підключені до внутрішньої шини PCI комп'ютера.
При виборі мережевого адаптера, орієнтованого на ту або іншу шину, необхідно, перш за все, переконатися, що вільні слоти розширення даної шини є в комп'ютері, що включається в мережу. Слід також оцінити трудомісткість установки адаптера, що набуває, і перспективи випуску плат даного типу. Останнє може знадобитися у разі виходу адаптера з ладу.
Нарешті, зустрічаються ще мережеві адаптери, що підключаються до комп'ютера через паралельний (принтер) порт LPT. Головне достоїнство такого підходу полягає в тому, що для підключення адаптерів не потрібно розкривати корпус комп'ютера. Крім того, в даному випадку адаптери не займають системних ресурсів комп'ютера, таких як канали переривань і ПДП, а також адреси пам'яті і пристроїв введення/виводу. Проте швидкість обміну інформацією між ними і комп'ютером в цьому випадку значно нижче, ніж при використанні системної шини. До того ж вони вимагають більше процесорного часу на обмін з мережею, уповільнюючи тим самим роботу комп'ютера.
Останнім часом все більше зустрічається комп'ютерів, в яких мережеві адаптери вбудовані в системну плату. Достоїнства такого підходу очевидні: користувач не повинен купувати мережевий адаптер і встановлювати його в комп'ютер. Достатньо тільки підключити мережевий кабель до зовнішнього роз'єму комп'ютера. Проте недолік полягає в тому, що користувач не може вибрати адаптер з кращими характеристиками.
До інших найважливіших характеристик мережевих адаптерів можна віднести:
спосіб конфігурації адаптера;
розмір встановленої на платі буферної пам'яті і режими обміну з нею;
можливість установки на плату мікросхеми постійної пам'яті для видаленого завантаження (BOOTROM).
можливість підключення адаптера до різних типів середовища передачі (витаючи пара, тонкий і товстий коаксіальний кабель, оптоволоконний кабель);
використовувана адаптером швидкість передачі по мережі і наявність функції її перемикання;
можливість застосування адаптером повнодуплексного режиму обміну;
сумісність адаптера (точніше, драйвера адаптера) з використовуваними мережевими програмними засобами.
Конфігурація адаптера користувачем застосовувалася в основному для адаптерів, розрахованих на шину ISA. Конфігурація має на увазі настроювання на використання системних ресурсів комп'ютера (адрес введення/виводу, каналів переривань і прямого доступу до пам'яті, адрес буферної пам'яті і пам'яті видаленого завантаження). Конфігурація може здійснюватися шляхом установки в потрібне положення перемикачів (джамперов) або за допомогою DOS-программы конфігурації, що додається до адаптера (Jumperless, Software configuration). При запуску такої програми користувачеві пропонується встановити конфігурацію апаратури за допомогою простого меню: вибрати параметри адаптера. Ця ж програма дозволяє провести самотестирование адаптера. Вибрані параметри зберігаються в незалежній пам'яті адаптера. У будь-якому випадку при виборі параметрів необхідно уникати конфліктів з системними пристроями комп'ютера і з іншими платами розширення.
Конфігурація адаптера може виконуватися і автоматично в режимі Plug-and-Play при включенні живлення комп'ютера. Сучасні адаптери зазвичай підтримують саме цей режим, тому їх легко може встановити користувач.
У простих адаптерах обмін з внутрішньою буферною пам'яттю адаптера (Adapter RAM) здійснюється через адресний простір пристроїв введення/виводу. В цьому випадку ніякої додаткової конфігурації адрес пам'яті не потрібна. Базова адреса буферної пам'яті, що працює в режимі пам'яті, що розділяється, необхідно задавати. Він приписується до області верхньої пам'яті комп'ютера (UMA, Upper Memory Address) в діапазоні адрес A0000h—FFFFFh. У цю ж зону адрес поміщається і ПЗП видаленого завантаження (Boot ROM), якщо передбачається його використання для створення бездисковой робочої станції. Якщо використовується конфігурація уручну, то треба стежити, щоб не було конфліктів адрес адаптера з іншими пристроями комп'ютера.
Всі операції по конфігурації мережевого адаптера необхідно проводити в строгій відповідності з документацією, що поставляється разом з ним, оскільки кожен з численних виробників адаптерів зазвичай вносить до них щось своє, оригінальне. Тому ніякі докладніші універсальні рекомендації просто не неможливі. Втім, це відноситься до будь-яких електронних пристроїв.
Від розміру буферної пам'яті адаптера залежить як швидкість роботи адаптера, так і його здатність тримати високі інформаційні навантаження. Розмір пам'яті зазвичай складає від 8 Кбайт до декількох мегабайт. Чим більше пам'ять, тим більше передаваних пакетів, що приймаються, може в ній зберігатися. Для адаптерів, що працюють на виділеному сервері, великий об'єм буферної пам'яті просто необхідний, адже через нього підуть всі інформаційні потоки мережі. Втім, найбільша буферна пам'ять не допоможе, якщо комп'ютер працює поволі, не встигає перекачувати інформацію, що приходить по мережі.
Для швидкості роботи адаптера важливий режим обміну комп'ютера з буферною пам'яттю адаптера. Якщо адаптер підтримує режим прямого доступу до пам'яті (DMA – Direct Memory Access), режим прямого управління шиною (Bus Mastering) або режим розділення пам'яті, то він зазвичай працює більш продуктивно, ніж адаптери, що не підтримують цих режимів. Більш того, адаптери, розраховані на швидку шину PCI і працюючі в режимах прямого доступу до пам'яті або прямого управління шиною, можуть і не потребувати великого об'єму буферної пам'яті, оскільки інформація може передаватися адаптером безпосередньо в пам'ять комп'ютера і назад.
Деякі адаптери підтримують функцію видаленого завантаження по мережі. Для цього на платі адаптера встановлюється мікросхема постійної пам'яті (Boot ROM), в якій знаходиться програма початкового завантаження. Таке рішення дозволяє використовувати бездисковые робочі станції. Але зараз дана можливість застосовується не дуже часто, оскільки практично всі комп'ютери оснащені дисководами.
Всі функції по обслуговуванню обміну по мережі в мережевому адаптері, як правило, виконує одна спеціалізована мікросхема або невеликий комплект мікросхем (2—3 штуки). Цим і пояснюється достатньо низька ціна адаптерів. Постачальників подібних комплектів мікросхем не так багато, тому дуже багато адаптерів виконано по схожих схемах. Проте організація обміну шини комп'ютера з адаптером може бути різною, тому показники продуктивності адаптерів від різних виготівників і показники надійності їх роботи, особливо в екстремальних умовах, сильно розрізняються.
Адаптер може бути розрахований тільки на один тип середовища передачі, наприклад, на виту пару, але може також підтримувати можливість підключення декількох різних середовищ передачі, наприклад, тонкий і товстий коаксіальні кабелі. Для цього на платі встановлюються відповідні роз'єми (див. Лекцію 5, розділ "Апаратура локальних мереж"). Найбільш універсальні так звані адаптери "Combo", які мають повний набір роз'ємів (BNC, RJ-45 і AUI для Ethernet). Для вибору конкретного типу середовища іноді використовуються перемикачі (джамперы), як правило, їх декілька і перемикати їх треба обов'язково всі разом. Іноді вибір середовища передачі здійснюється програмно.
Адаптериfast Ethernet випускаються як односкоростными (100 Мбіт/с), так і двохшвидкісними (10 Мбіт/с і 100 Мбіт/с). Двохшвидкісні плати (їх зазвичай позначають "10/100") дещо дорожче односкоростных, та зате вони можуть працювати в будь-якій мережі Ethernet/Fast Ethernet без всяких проблем.
Підтримка адаптером повнодуплексного режиму обміну по мережі поки що зустрічається нечасто. Це пов'язано з тим, що повнодуплексний режим вимагає і застосування повнодуплексних комутаторів. Це виявляється дуже дорого. Проте для могутніх серверів великих мереж підтримка повнодуплексного режиму дуже бажана.
Всі мережеві адаптери мають бути сертифіковані. Сертифікат FCC класу А дозволяє використовувати адаптер в бізнесі, сертифікат FCC класу В – в домашніх умовах. Стандарт передбачає безпечний рівень електромагнітного випромінювання мережевого адаптера.
При виборі адаптера дуже важливо звертати увагу на сумісність його драйвера з мережевим програмним забезпеченням. Всі постачальники мережевих програмних засобів (Novell, Microsoft і ін.) проводять роботу по сертифікації драйверів. Якщо такий сертифікат є, то можна бути упевненим, що проблем по сумісності не буде. З іншого боку, всі мережеві програмні продукти поставляються з набором протестованих драйверів, сумісних з ними. Якщо драйвер придбаної плати входить в цей набір, то проблем теж, швидше за все, не буде. Солідні виробники мережевих адаптерів регулярно поширюють оновлені, швидші і універсальні версії драйверів для своїх плат. Низька ціна деяких адаптерів може пояснюватися якраз відсутністю сертифікату, поганою сумісністю з програмними засобами. Взагалі ж ціни на адаптери різних фірм і різних типів можуть розрізнятися в десятки разів.
Декілька слів про продуктивність адаптера.
Реальна швидкість обміну інформацією по мережі є інтегральним параметром, залежним не тільки від адаптера, але і від комп'ютера (швидкодії процесора і дисковода, об'єму системної пам'яті), середовища передачі (рівня перешкод), програмних засобів, величини завантаження мережі і так далі Тому вибір найшвидшого (і дорогого) адаптера далеко не завжди гарантує помітний виграш в швидкості обміну. Наприклад, перехід з 8-розрядного адаптера ISA на 16-розрядний або з ISA адаптера на 32-розрядний адаптер PCI може практично не позначитися на швидкості. Проте, нерідкі ситуації, коли саме адаптер стає найвужчим місцем в системі і його заміна може різко збільшити продуктивність мережі.
Непрямі показники продуктивності адаптера вже були перераховані: производительнее всього працюють ті, які розраховані на PCI, підтримують режим розділення буферної пам'яті, у яких буферна пам'ять більшого об'єму. Швидше будуть ті адаптери, які максимальну кількість функцій виконують без участі процесора, спираючись на вбудований інтелект.
Але отримати реальні кількісні показники продуктивності можна тільки в результаті тестування мережі в цілому. Для цього існує цілий ряд тестових програм, найбільш відомі Perform3 компанії Novell і Netbench 3.0 фірм Ziff-Davis. Будь-які тестові програми слабо відображають реальну ситуацію в мережі, але дозволяють порівнювати між собою різні мережеві адаптери в умовах, близьких до реальних і в реальній конфігурації апаратних засобів.
Адаптери із зовнішніми трансиверами
Адаптериfast Ethernet можуть випускатися із зовнішнім, виносним модулем трансивера для підключення до середовища передачі (PHY). В цьому випадку для приєднання зовнішнього модуля трансивера до адаптера використовується інтерфейс MII (Media-Independent Interface), що передбачає використання 40-контактного роз'єму, подібного до роз'єму комп'ютерного інтерфейсу SCSI.
Змінний модуль трансивера може встановлюватися безпосередньо на платі адаптера (у спеціальний виріз плати), а може зв'язуватися з платою адаптера зовнішнім кабелем завдовжки до 0,5 метра (мал. 13.1 і 13.2). При обчисленні повного часу затримки в мережі необхідно враховувати і затримку в цьому трансиверном MII кабелі.
На платі трансивера розташовується мікросхема приймача і роз'їм, залежний від типу середовища (MDI – Medium Dependent Interface), наприклад, RJ-45 для витої пари. Таким чином, один і той же адаптер може підтримувати обмін з будь-яким типом середовища за рахунок простої заміни порівняно дешевого трансивера. В цілому подібні складені адаптери виявляються дорожчими за звичайні адаптери з вбудованими приймачами, але іноді їх застосування виправдане, якщо передбачається поступова заміна середовища передачі, наприклад, на оптоволоконні кабелі.

Мал. 13.1.  Мережевий адаптер із зовнішнім трансивером на MII-кабеле
Репітери і концентратори Ethernet і Fast Ethernet
Використання репітерів і концентраторів (хабов) в мережі Ethernet не є обов'язковим. Невеликі мережі на основі сегментів 10BASE2 або 10BASE5 цілком можуть обійтися без них. Для мереж з декількох таких сегментів необхідні прості репітери. А при виборі як середовище передачі витої пари (10BASE-T) або оптоволоконного кабелю (10BASE-FL) вже необхідні концентратори (якщо, звичайно, в мережу об'єднуються не два комп'ютери, а хоч би три). У мережі Fast Ethernet застосування концентраторів обов'язкове.

Мал. 13.2.  Мережевий адаптер із зовнішнім трансивером, що встановлюється на плату адаптера
Функції репітерів і концентраторів
Репітери (повторители), як вже наголошувалося, ретранслюють сигнали, що приходять на них (на їх порти), відновлюють їх амплітуду і форму, що дозволяє збільшувати довжину мережі. Те ж саме роблять і прості репитерные концентратори. Але окрім цієї основної функції концентратори Ethernet і Fast Ethernet зазвичай виконують ще ряд функцій по виявленню і виправленню деяких простих помилок мережі. До цих помилок відносяться наступні:
що помилкова несе (FCE – False Carrier Event);
множинні колізії (ECE – Excessive Collision Error);
тривала передача (Jabber).
Всі ці помилки можуть викликатися несправностями устаткування абонентів, високим рівнем шумів і перешкод в кабелі, поганими контактами в роз'ємах і так далі
Під тією, що помилковою несе розуміється ситуація, коли концентратор отримує від одного зі своїх портів (від одиничного абонента або з сегменту) дані, що не містять обмежувача початку потоку даних, тобто преамбула пакету почалася, але в ній немає ознаки початку кадру.
Якщо після старту передачі кадр не почався протягом заданого тимчасового інтервалу (5 мкс для Fast Ethernet, 50 мкс для Ethernet), то концентратор посилає сигнал "Пробка" решті всіх портів, щоб вони виявили колізію. Тривалість цього сигналу також складає 5 або 50 мкс. Потім виявлений порт переводиться в стан "Зв'язок нестійкий" (Link Unstable) і відключається. Зворотне включення порту концентратором може відбутися тільки під час вступу від нього правильного пакету, без тієї, що помилкової несе.
Ситуація множинних колізій фіксується при виявленні в даному порту більше 60 колізій підряд. Концентратор рахує кількість колізій в кожному порту і скидає лічильник, якщо отримує пакет без колізії. Порт, в якому виникають множинні колізії, відключається. Якщо протягом заданого часу (5 мкс для Fast Ethernet, 50 мкс для Ethernet) в цьому порту не буде зафіксовано колізій, то він знову включається.
Ситуація тривалої передачі фіксується у разі, коли час передачі перевищує більш ніж в три рази максимально можливу тривалість пакету, тобто 400 мкс для Fast Ethernet або 4000 мкс для Ethernet.При виявленні такої тривалої передачі відповідний порт відключається. Після закінчення тривалої передачі даний порт знову включається.
Окрім перерахованих функцій концентратор також активно сприяє виявленню будь-яких колізій в мережі. При одночасному надходженні на його порти два і більш за пакети він, як і будь-який абонент, підсилює зіткнення шляхом передачі у всі порти сигналу "Пробка" протягом 32 бітових інтервалів. В результаті всі абоненти всіх сегментів, що передають, обов'язково виявляють факт колізії і припиняють свою передачу.
Таким чином, навіть найпростішим концентратором є досить складний пристрій, що дозволяє автоматично усувати деякі несправності і тимчасові збої. Таким чином, концентратор не тільки об'єднує точки включення кабелів мережі, але і активно покращує умови обміну, підвищує продуктивність мережі, відключаючи час від часу несправні або нестійкий працюючі сегменти. Втім, головна ознака концентратора залишається – він не проводить ніякої обробки інформації, сприймає пакети як єдине ціле, не аналізуючи їх вміст.
Як і мережеві адаптери, концентратори можуть бути односкоростными і двохшвидкісними. Для більшої свободи в проектуванні мережі краще вибирати саме двохшвидкісні (10/100 Мбіт/с) концентратори.
Найчастіше репітери і концентратори виконуються у вигляді окремих автономних блоків, що мають внутрішнє або зовнішнє джерело живлення.
Деякі концентратори розраховані на підключення жорстко заданої кількості сегментів певного типу (наприклад, на чотири сегменти 10BASE2 або ж на вісім сегментів 10BASE-T). Для цього на них встановлюються відповідні типу сегменту роз'єми: BNC, RJ-45, AUI або оптоволоконні роз'єми.
Інші, дорожчі концентратори, звані нарощуваними, стековими (Stackable), мають модульну структуру і дозволяють гнучко пристосовувати їх до заданої конфігурації мережі. В цьому випадку в каркас (стік) концентратора може бути встановлене різне число (зазвичай до 8) змінних модулів, кожен з яких орієнтований на один або декілька сегментів якого-небудь типу і має відповідні роз'єми для підключення кабелю мережі (наприклад, BNC, AUI, RJ-45, ST-разъемы). Як правило, кількість сегментів (портів концентратора), що підключаються, вибирається кратною чотирьом: 4, 8, 12, 16, 24. Нарощуваний концентратор може підтримувати, наприклад, 192 порти (вісім модулів, кожен з яких розрахований на 24 сегменти). Структура такого нарощуваного концентратора показана на мал. 13.3.
Найскладніші концентратори на базі єдиного шасі (мал. 13.4) дозволяють шляхом перекоммутации зв'язків на контактній задній панелі будувати складні конфігурації мереж. Наприклад, вони можуть одночасно підтримувати декілька типів мереж (Token-Ring, Ethernet і FDDI), допускають включення не тільки модулів репитерных концентраторів, але і модулів маршрутизаторів і комутаторів. На основі такого концентратора можна також організовувати одночасно декілька незалежних однотипних мереж (наприклад, Ethernet) для розділення інформаційних потоків між ними, зниження навантаження на мережу.
Як правило, концентратори на базі шасі передбачають можливість досить складного управління обміном. Кількість портів таких концентраторів може доходити до 288. Правда, цей тип концентратора виявляється зазвичай найдорожчим з розрахунку на один порт. Вважається, що їх застосування стає економічно виправданим тільки у разі потреби підтримка великої кількості портів (близько 100).

Мал. 13.3.  Структура нарощуваного концентратора

Мал. 13.4.  Концентратор на основі шасі
Зустрічаються також зовсім прості і найдешевші репітери і концентратори, виконані у вигляді плати, що вставляється в роз'єм системної шини комп'ютера (з комп'ютера вони беруть при цьому тільки живлення). Недолік такого рішення полягає в тому, що для роботи мережі необхідне, щоб комп'ютер, в який включена плата репітера (концентратора), був постійно включений (у ідеалі – цілодобово). При виключенні живлення цього комп'ютера зв'язок по мережі стає неможливим.
Концентратори класу I і класу II
Стандарт IEEE 802.3 визначає два класи репитерных концентраторів Ethernet/Fast Ethernet, що відрізняються один від одного своїми функціональними можливостями і сферами застосування. Кожен концентратор повинен мати маркіровку свого класу у вигляді римської цифри I або II, увязненій в кружок.
Концентратори класу II —классические концентратори, що використалися із самого початку в мережах Ethernet. Саме тому їх застосування було дозволене і в мережах Fast Ethernet. Ці концентратори відрізняються тим, що вони безпосередньо повторюють ті, що приходять на них з сегменту сигнали і передають їх в інші сегменти без якого б то не було перетворення. Вони не здатні перетворювати методи кодування мережевих сигналів. Тому до них можна підключати тільки сегменти, що використовують одну систему сигналів. Наприклад, до концентратора можуть підключатися тільки однакові сегменти 10BASE-T або тільки однакові сегменти 100BASE-TX. Допустимо, правда, підключення і різних сегментів, але вони повинні використовувати один код передачі, наприклад, 10BASE-T і 10BASE-FL або 100BASE-TX і 100BASE-FX. Дані концентратори принципово не можуть об'єднувати сегменти з різними системами кодування, зокрема, 100BASE-TX і 100BASE-T4.
Затримка сигналів в концентраторах класу II менше, ніж в концентраторах класу I. Згідно стандарту, вона повинна складати від 46 бітових інтервалів (для 100BASE-TX/FX) до 67 бітових інтервалів (для 100BASE-T4). Звідси слідують обмеження на наращиваемость таких концентраторів і на кількість їх портів (як правило, воно не перевищує 24). Зате менша затримка концентратора дозволяє використовувати кабелі більшої довжини, оскільки на працездатність мережі впливає сумарна затримка сигналу в мережі, що включає затримки, як концентраторів, так і в кабелях.
Для з'єднання концентраторів класу II між собою використовується спеціальний порт розширення (UpLink port). Кожен концентратор підключається цим портом до одного із звичайних портів іншого концентратора (мал. 13.5).
Мал. 13.5.  З'єднання двох концентраторів класу II
Концентратори класу II складніше у виробництві, чим концентратори класу I, оскільки тимчасові вимоги, що пред'являються до них, жорсткіше. Але при цьому можливості їх менше, тому в даний час їх витісняють концентратори класу I.
Концентратори класу I характеризуються тим, що вони перетворять сигнали, що приходять по сегментах, в цифрову форму, перш ніж передавати їх у всі інші сегменти. Вони містять декодуючі і кодуючі вузли.
На відміну від концентраторів класу II вони здатні перетворювати коди, вживані в різних сегментах. Тому до них можна одночасно під'єднувати сегменти різних типів, наприклад, 100BASE-TX, 100BASE-T4 і 100BASE-FX. Але цей процес подвійного перетворення кодів вимагає часу, тому дані концентратори виявляються повільнішими (за стандартом, їх затримка складає не більше 140 бітових інтервалів).
Концентратори класу I гнучкіші, вони мають розширені можливості по наращиваемости. Саме з них будуються складні концентратори на базі шасі. До того ж завдяки внутрішнім цифровим шинам сигналів вони допускають управління з видалених робочих станцій, що дозволяють контролювати навантаження мережі, стан портів, інтенсивність помилок в мережі, а також автоматично відключати несправні сегменти.
При цьому для обміну із станцією, що управляє, застосовується спеціально розроблений протокол обміну SNMP (Simple Network Management Protocol – простий протокол управління мережею). Такий концентратор, що допускає видалене управління, називається інтелектуальним (Intelligent Hub).
Протокол SNMP був запропонований в 1988 році комісією IAB (Internet Activities Board). Він описується документами RFC 1067, RFC 1098, RFC 1157. Комісія IAB визначила також і метод опису даних для цього протоколу під назвою ASN.1 (Abstract Syntax Notation). Протокол SNMP відноситься до прикладного рівня, він працює з протоколами IP і IPX, а також дозволяє не тільки збирати інформацію про мережу, але і управляти пристроями мережі.
Протокол SNMP має на увазі зберігання інформації про пристрої мережі у форматі ASN.1 у вигляді текстових файлів, так званих MIB (Management Information Base – база інформації, що управляє). Наприклад, у разі інтелектуального концентратора з нього можна рахувати інформацію про кількість пакетів, переданих і отриманих кожним з портів, можна також включити і вимкнути кожен порт.
Для управління пристроєм мережі, контроллер цього пристрою повинен виконувати програму агента SNMP. Програма агента збирає дані про систему, в якій він запущений і управляє об'єктами даних системи.
Робоча станція, що управляє мережею (NMS – Network Management Station), – це один з комп'ютерів, підключених до мережі, на якому запущений спеціальний пакет прикладних програм, в зручному графічному вигляді що відображає стан мережевих пристроїв і що дозволяє управляти ними.
Протокол SNMP підтримує три типи команд:
Команда GET читає значення об'єктів даних пристрою (з MIB) в довільному порядку.
Команда GET NEXT читає наступне по порядку значення об'єкту даних пристрою.
Команда SET застосовується для змін (записи) значень об'єктів даних пристрою.
Команди і реакції протоколу SNMP передаються за допомогою модулів даних у складі дейтаграмм (PDU – Protocol Data Unit). Протокол передбачає також передачу інформації про тип кодування MIB, тому в різних пристроях MIB може мати різний формат. Існує ряд фірмових і стандартних форматів MIB для мережевих адаптерів (MIB-II), концентраторів, мостів і мережі в цілому (RMON MIB), підтримуваних SNMP.
Комутатори Ethernet і Fast Ethernet
Комутуючі концентратори (Switched Hubs) або, як їх ще називають, комутатори (Switches), перемикачі і свичи, можуть розглядатися, як простий і дуже швидкий міст. Вони дозволяють розділити єдину мережу на декілька сегментів для збільшення допустимого розміру мережі або з метою зниження навантаження (трафіку) в окремих частинах мережі.
Як вже наголошувалося, на відміну від мостів, що комутують концентратори не приймають пакети, що приходять, а тільки переправляють з однієї частини мережі в іншу ті пакети, які цього потребують. Вони в реальному темпі надходження бітів пакету розпізнають адресу приймача пакету і ухвалюють рішення про те, чи треба цей пакет переправляти, і, якщо треба, то кому. Ніякої обробки пакетів не проводиться, хоча і контролюється їх заголовок. Комутатори практично не уповільнюють обміну по мережі. Але вони не можуть перетворювати формат пакетів і протоколів обміну по мережі. Оскільки комутатори працюють з інформацією, що знаходиться усередині кадру, часто говорять, що вони ретранслюють кадри, а не пакети, як репитерные концентратори.
Колізії комутатором не ретранслюються, що вигідно відрізняє його від простішого репитерного концентратора. Можна сказати, що комутатори проводять глибше розділення мережі, чим концентратори. Вони розділяють на частини зону колізій (Collision Domain) мережі, тобто область мережі, на яку розповсюджуються колізії.
Логічна структура комутатора досить проста (мал. 13.6).
Вона включає так звану перехресну (комутаційну) матрицю (Crossbar Matrix), в усіх точках перетини якої можуть встановлюватися зв'язку на час передачі пакету. В результаті пакет, що поступає з будь-якого сегменту, може бути переданий в будь-який інший сегмент (мал. 13.6). У разі широкомовного пакету, адресованого всім абонентам, він передається у всі сегменти одночасно, окрім того сегменту, по якому він прийшов (мал. 13.7).
Окрім перехресної матриці комутатор включає пам'ять, в якій він формує таблицю MAC-адресов всіх комп'ютерів, підключених до кожного з його портів. Ця таблиця створюється на етапі ініціалізації мережі і потім періодично оновлюється для обліку змін конфігурації мережі. Саме на підставі аналізу цієї таблиці робиться вивід про те, які зв'язки треба замикати, куди відправляти пакет, що прийшов. Комутатор читає MAC-адреса відправника і одержувача в пакеті, що прийшов, і передає пакет в той сегмент, в який він адресований. Якщо пакет адресований абонентові з того ж сегменту, до якого належить відправник, то він не ретранслюється взагалі. Широкомовний пакет не передається в той сегмент, до якого приєднаний абонент відправник пакету. Адреса відправника пакету заноситься в таблицю адрес (якщо його там ще немає).
Комутатори випускаються на різне число портів. Найчастіше зустрічаються комутатори з 6, 8, 12, 16 і 24 портами. Слід зазначити, що мости, як правило, рідко підтримують більше 4 портів. Розрізняються комутатори з допустимою кількістю адрес на один порт. Цей показник визначає граничну складність сегментів, що підключаються до порту (кількість комп'ютерів в кожному сегменті). Деякі комутатори дозволяють розбивати порти на групи, що працюють незалежно один від одного, тобто один комутатор може працювати як два або три.
Мал. 13.6.  Логічна схема комутатора
Мал. 13.7.  Ретрансляція широкомовного пакету
Так само, як і концентратори, комутатори випускаються трьох видів залежно від складності, можливості нарощування кількості портів і вартості:
комутатори з фіксованим числом портів (зазвичай до 30);
модульні комутатори (з числом портів до 100);
стекові комутатори.
Комутатори характеризуються двома показниками продуктивності:
Максимальна швидкість ретрансляції пакетів вимірюється при передачі пакетів з одного порту в іншій, коли решта всіх портів відключена.
Сукупна швидкість ретрансляції пакетів вимірюється при активній роботі всіх наявних портів. Сукупна швидкість більше максимальною, але максимальна швидкість, як правило, не може бути забезпечена на всіх портах одночасно, хоча комутатори і здатні одночасно обробляти декілька пакетів (на відміну від моста).
Головне правило, якого треба дотримуватися при розбитті мережі на частини (сегменти) за допомогою комутатора, називається "Правило 80/20". Тільки при його виконанні комутатор працює ефективно. Згідно цьому правилу, необхідно, щоб не менше 80 відсотків всіх передач відбувалося в межах однієї частини (одного сегменту) мережі. І лише 20 відсотків всіх передач повинне відбуватися між разными частями (сегментами) мережі, проходити через комутатор. На практиці це зазвичай зводиться до того, щоб сервер і робочі станції (клієнти), що активно працюють з ним, розташовувалися на одному сегменті. Це ж правило 80/20 застосовно і до мостів.
Існує два класи комутаторів, що відрізняються рівнем інтелекту і способами комутації:
комутатори з крізним вирізуванням (Cut-Through);
комутатори з накопиченням і ретрансляцією (Store-and-Forward, SAF).
Комутатори Cut-Through
Комутатори Cut-Through– найпростіші і швидші, вони не проводять ніякого буферирования пакетів і ніякий їх селекції. Про них часто говорять, що вони проводять комутацію "на льоту" (on-the-fly).
Ці комутатори буферируют тільки головну частину пакету, щоб прочитати 6-байтову адресу приймача пакету і ухвалити рішення про комутацію, на яке у деяких комутаторів йде близько 10 бітових інтервалів. В результаті час очікування ретрансляції (затримка на комутаторі), що включає як час буферирования, так і час комутації, може складати близько 150 бітових інтервалів. Звичайно, це більше затримки репитерного концентратора, але значно менше затримки ретрансляції будь-якого моста.
Недолік даного типу комутатора полягає в тому, що він ретранслює будь-які пакети з нормальною головною частиною, у тому числі і свідомо помилкові пакети (наприклад, з неправильною контрольною сумою) і карликові пакети (завдовжки менше 512 бітових інтервалів). Помилки одного сегменту ретранслюються в інший сегмент, що призводить до зниження пропускної спроможності мережі в цілому.
Ще одна проблема полягає в тому, що комутатори даного типу часто перевантажуються і погано обробляють ситуацію перевантаження. Наприклад, з двох або більш за сегменти одночасно поступають пакети, адресовані одному і тому ж сегменту. Але комутатор не може одночасно передати декілька пакетів в один сегмент, тому частина пакетів пропадає. Разом з тим комутатор не може ретранслювати і пакети, що приходять з того ж порту, в який комутатор передає в даний момент.
Одне з удосконалень комутаторів Cut-Through отримало назву Interim Cut-Through Switching (ICS). Воно направлене на те, щоб уникнути ретрансляції карликових кадрів. Для цього на приймаючій стороні комутатора всі порти мають буферну пам'ять типу FIFO на 512 битий. Якщо пакет закінчується ранішим, ніж буфер заповниться, то вміст буфера автоматично відкидається. Проте решта всіх недоліків методу Cut-Through в даному випадку зберігається. Затримка ретрансляції комутаторів даного типу (ICS) збільшується приблизно на 400 бітових інтервалів в порівнянні із звичайним Cut-Through.
Комутатори Store-and-Forward
Комутатори Store-and-Forward (SAF) є найбільш дорогими, складними і досконалими пристроями даного типу. Вони вже набагато ближче до мостів і позбавлені перерахованих недоліків комутаторів Cut-Through. Головна їх відмінність полягає в повному буферировании у внутрішній буферній пам'яті FIFO всіх ретрансльованих пакетів. Розмір кожного буфера при цьому має бути не менше максимальної довжини пакету. Відповідно значно зростає і затримка комутації, вона складає не менше 12000 бітових інтервалів. Карликові пакети (менше 512 битий) і помилкові пакети (з неправильною контрольною сумою) таким комутатором фільтруються, не пересилаються. Перевантаження виникають набагато рідше, оскільки є можливість відкласти на якийсь час передачу пакету.
Буферна пам'ять (з організацією FIFO) може розміщуватися на приймаючій стороні всіх портів (накопичення перед комутацією – мал. 13.8), на стороні портів (накопичення перед ретрансляцією), що передає, а також може бути загальною для всіх портів, причому ці методи часто комбінуються для досягнення найбільшої гнучкості і збільшення продуктивності. Чим більше об'єм пам'яті, тим краще комутатор справляється з перевантаженням. Але із зростанням об'єму пам'яті підвищується і вартість устаткування. Росте і вимога до швидкодії комутатора. Іноді до складу комутатора включається і універсальний процесор, але частіше комутатори виконуються на спеціалізованих швидкодіючих мікросхемах, жорстко спеціалізованих саме на завданнях комутації пакетів.
Комутатори SAF на відміну від інших типів комутаторів можуть підтримувати одночасно різні швидкості передачі (10 Мбіт/с і 100 Мбіт/с). Повне буферирование пакету цілком дозволяє передавати його не з тією швидкістю, з якою він поступив. В результаті частина портів комутатора може працювати з мережею Ethernet, інша – з Fast Ethernet, причому деякі комутатори автоматично настроюють свої порти на швидкість передачі підключеного до порту сегменту. Комутатори SAF полегшують перехід з Ethernet на Fast Ethernet. Існують вже і комутатори, що підтримують обмін з Gigabit Ethernet на швидкості 1000 Мбіт/с. Але на відміну від мостів комутатори, як правило, не міняють формат пакетів, тому мережі з різними форматами пакетів не можна об'єднувати з їх допомогою.
Випускаються також так звані гібридні (або адаптивні) комутатори, які можуть автоматично перемикатися з режиму Cut-Through в режим SAF і навпаки. При малому навантаженні і низькому рівні помилок вони працюють як швидші комутатори Cut-Through, а при великому навантаженні і значній кількості помилок переходять в повільніший, але якісніший режим SAF.
Нарешті, ще одна важлива гідність комутаторів в порівнянні з репитерными концентраторами полягає в тому, що вони можуть підтримувати режим повнодуплексного зв'язку. Як вже наголошувалося, при цьому режимі спрощується обмін в мережі, а швидкість передачі в ідеалі подвоюється (20 Мбіт/с для Ethernet, 200 Мбіт/с для Fast Ethernet).
Достоїнства і недоліки повнодуплексного режиму наступні.
Мал. 13.8.  Буферна пам'ять в комутаторі
Сегменти на витій парі і на оптоволоконному кабелі у будь-якому випадку використовують дві лінії зв'язки, які передають інформацію в різні боки. (Це не відноситься до сегментів 100BASE-T4, що містить двонаправлені виті пари, що передають в обидві сторони по черзі). Але в стандартному напівдуплексному режимі інформація не передається по цих лініях зв'язку одночасно (це означає колізію, внаслідок чого передача припиняється).
Проте, якщо адаптер і комутатор, зв'язані цими ж двома лініями, підтримують повнодуплексний режим, то одночасна передача інформації можлива. Поза сумнівом, апаратура адаптера і комутатора повинна при цьому забезпечувати прийом пакету, що приходить з мережі, і передачу свого пакету одночасно.
Повнодуплексний режим в принципі виключає будь-яку можливість колізії і робить непотрібним складний алгоритм управління обміном CSMA/CD. Кожен з абонентів (адаптер і комутатор) може передавати в даному випадку у будь-який момент без очікування звільнення мережі. В результаті мережа нормально функціонує навіть при навантаженні, що наближається до 100% (у напівдуплексному режимі – не більше 30—40%). Цей режим зручний для високошвидкісних серверів і високопродуктивних робочих станцій.
Крім того, відмова від методу CSMA/CD автоматично знімає обмеження на розмір мережі, пов'язані з обмеженнями на подвійний час розповсюдження сигналу. Особливо це важливо для Fast Ethernet і Gigabit Ethernet. При повнодуплексному режимі обміну розмір будь-якої мережі обмежений тільки загасанням сигналу в середовищі передачі. Тому, наприклад, мережі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet можуть використовувати оптоволоконні сегменти завдовжки 2 кілометри або навіть більше. При стандартному напівдуплексному режимі і методі CSMA/CD це було б в принципі неможливо, оскільки подвійний час розповсюдження сигналу для Fast Ethernet не повинно перевищувати 5,12 мкс, а для Gigabit Ethernet – 0,512 мкс (а при переході на мінімальну довжину пакету в 512 байт – 4,096 мкс).
Таким чином, повнодуплексний режим можна розглядати як наближення до топології класичної (активною) зірки. Як і в активній зірці, тут не може бути конфліктів, але вимоги до центру (як по надійності, так і по швидкодії) надзвичайно великі. Як і при активній зірці, будувати мережі з великою кількістю абонентів скрутно, необхідно використовувати багато центрів (в даному випадку – комутаторів). Як і при активній зірці, вартість устаткування виявляється досить високою, оскільки окрім мережевих адаптерів і сполучних кабелів потрібні складні, швидкі і дорогі комутатори. Але, мабуть, все це неминуча плата за підвищення швидкості обміну. Строго кажучи, повнодуплексні мережі вже важко назвати класичними Ethernet і Fast Ethernet, оскільки в них вже нічого не залишається ні від топології шина, ні від методу CSMA/CD. Зберігається тільки формат пакету і (не завжди) метод кодування.
В даний час комутуючі концентратори (комутатори) виконують все більше функцій, що традиційно відносилися до мостів. В межах однієї мережі або однотипних мереж з однаковими форматами пакетів (Ethernet і Fast Ethernet) комутатори все більше витісняють мости, оскільки вони швидші і дешевші. На долю мостів залишається тільки з'єднання різнотипних мереж, що зустрічається не так вже і часто. Ця тенденція простежується і в інших областях електроніки: вузько спеціалізовані швидкі пристрої витісняють універсальні, повільніші.
Мости і маршрутизатори Ethernet і Fast Ethernet
Мости і маршрутизатори, строго кажучи, не зовсім правильно відносити до специфічного мережевого устаткування. Спочатку вони були універсальними комп'ютерами, що працюють в мережі і виконують специфічну функцію з'єднання два або більш за частини мережі. Правда, зараз вже існують мости і маршрутизатори, жорстко спеціалізовані на роботі в мережі. Зокрема, маршрутизатори випускаються рядом фірм у вигляді модулів, що встановлюються в концентратори на базі шасі. Їх вартість нижча, ніж маршрутизаторів на базі комп'ютерів, а швидкодія вища, оскільки вони вузько спеціалізовані.
Функції мостів
Мости до недавнього часу були основними пристроями, що застосовувалися для розбиття мережі на частини (тобто для сегментації мережі). Їх вартість менша, ніж маршрутизаторів, а швидкодія вища, до того ж вони, як і комутатори, прозорі для протоколів другого рівня моделі OSI. Абоненти мережі можуть не знати про наявність в мережі мостів, і всі їх пакети доходять до потрібного адресата по мережі без всяких проблем.
По функціях міст дуже близький до комутатора, але повільніше, ніж комутатор.
Міст зазвичай має від двох до чотирьох портів, причому кожен з них сполучений з одним з сегментів мережі. У разі, коли міст виконується на базі універсального комп'ютера, в цей комп'ютер просто встановлюється потрібне число мережевих адаптерів, і до кожного з адаптерів підключається сегмент мережі. Комутатор в цьому сенсі набагато зручніший, він має значно більше портів (не менше 8).
Як і у разі комутаторів, конфігурація мережі з мостами може бути задоволене складною (мал. 13.9), але в ній у жодному випадку не повинно бути замкнутих маршрутів (петель), тобто альтернативних шляхів доставки пакетів (мал. 13.10). Це пов'язано насамперед з тим, що мости, як і комутатори прозорі для широкомовних пакетів. Якщо в мережі є петлі, то в результаті багатократного проходження широкомовних пакетів по замкнутому маршруту виникають перевантаження мережі (так звані широкомовні шторми) і ряд інших проблем.
Мал. 13.9.  Мережа з мостами
Для того, щоб цього не відбувалося, в мостах передбачається так званий алгоритм остовного дерева (spanning tree), який дозволяє відключати порти, що беруть участь в створенні петель (наприклад, обидва порти моста 2 на мал. 13.10) в результаті діалогу (обміну пакетами, що управляють) між всіма мостами мережі. Завдяки цьому, можна спеціально дублювати з'єднання сегментів за допомогою мостів (створювати петлі) з тим, щоб при відмові однієї з ліній зв'язку автоматично відновлювати цілісність мережі по альтернативному маршруту.
Комутатори зазвичай не підтримують алгоритм остовного дерева за винятком найскладніших і дорожчих. Отже в цьому сенсі міст більш універсальний, ніж комутатор.
Традиційно мости підрозділяються на внутрішніх і зовнішніх.
Внутрішні мости виконуються на основі комп'ютера-сервера, в який встановлюють мережеві адаптери (зазвичай до чотирьох), підключені до різних сегментів мережі. Строго кажучи, саме ці мережеві адаптери і відповідні програмні засоби і називаються внутрішнім мостом.
Зовнішній міст є робочою станцією, в яку встановлено два мережеві адаптери. В цьому випадку, на відміну від внутрішнього моста, сегменти можуть бути тільки однотипними (наприклад, Ethernet—Ethernet).
Мал. 13.10.  Петливши в мережі з мостами
Зовнішній міст може бути виділеним (dedicated) або невиділеним (non-dedicated) залежно від того, чи виконує комп'ютер робочої станції ще які-небудь функції, окрім мережевих. Термін "зовнішній" уживається в цьому випадку по відношенню до сервера, як основного комп'ютера мережі. У будь-якій мережі може бути присутнім одночасно як зовнішній, так і внутрішній міст або декілька мостів.
Мости, як і комутатори, розділяють зону конфлікту (область колізії, Collision Domain), але не розділяють широкомовну область (Broadcast Domain), тобто ту частину мережі, в якій вільно проходять широкомовні пакети. В результаті розділення зони конфлікту навантаження на кожен сегмент зменшується, а обмеження на розмір мережі долається.
Одночасно міст може обробляти (ретранслювати) тільки один пакет, а не декілька, як комутатор. Річ у тому, що всі функції моста виконуються послідовно одним центральним процесором. Саме тому міст працює значно повільніше, ніж комутатор.
Як і в комутаторі, будь-який пакет, що приходить на один з портів моста, обробляється таким чином:
Міст виділяє MAC-адрес джерела (відправника) пакету і шукає його в таблиці адрес абонентів, що відноситься до даного порту. Якщо цієї адреси в таблиці немає, то він туди додається. Таким чином, автоматично формується таблиця адрес всіх абонентів кожного сегменту з підключених до портів моста.
Міст виділяє адреса приймача (одержувача) пакету і шукає його в таблицях адрес, що відносяться до всіх портів. Якщо пакет адресований в той же сегмент, з якого він прийшов, то він не ретранслюється (фільтрується). Якщо пакет широкомовний або багатопунктовий (груповий), то він ретранслюється у всі порти окрім того, що прийняв. Якщо пакет однопунктовый (адресований одному абонентові), то він ретранслюється тільки в той порт, до якого приєднаний сегмент з цим абонентом. Нарешті, якщо адреса приймача не виявлена ні в одній з таблиць адрес, то пакет посилається у всі порти, окрім того, що прийняв (як широкомовний).
Таблиці адрес абонентів мають обмежений розмір, тому вони формуються так, щоб мати можливість автоматичного оновлення їх вмісту. Адреси тих абонентів, які довго не присилають пакетів, через заданий час (за стандартом IEEE 802.1D воно рівне 5 хвилин) стираються з таблиці. Це гарантує, що адреса абонента, відключеного від мережі або перенесеного в інший сегмент, не займатиме зайвого місця в таблиці.
Оскільки міст, подібно до комутатора, аналізує інформацію усередині кадру (фізичні адреси, MAC-адреса), часто говорять, що він ретранслює кадри, а не пакети (на відміну від репітера або репитерного концентратора).
Як і у разі комутаторів, для ефективної роботи моста необхідно виконувати згадуване "правило 80/20", тобто більшість передач (не менше 80%) мають бути внутрішньосегментними, а не міжсегментними.
Подібно до комутаторів Store-and-Forward, мости можуть підтримувати обмін між сегментами з різною швидкістю передачі (Ethernet і Fast Ethernet), а також забезпечувати сполучення напівдуплексних і повнодуплексних сегментів. Повний прийом пакетів в буферну пам'ять моста і їх подальша передача легко вирішують такі проблеми.
Тобто мости і комутатори дуже близькі по своїх характеристиках.
Проте біля моста є велика перевага. Мости можуть не тільки сполучати однойменні сегменти, але також сполучати мережі Ethernet і Fast Ethernet з мережами будь-яких інших типів, наприклад, FDDI або Token-Ring, що не під силу більшості комутаторів. Тому мости, хоч і витісняються комутаторами, все-таки не зникнуть найближчим часом.
Функції маршрутизаторів
Витісняючи мости, комутатори сильно потіснили і маршрутизатори. Але маршрутизатори працюють на вищому, третьому рівні моделі OSI (мости і комутатори – на другому), вони мають справу з протоколами вищих рівнів. Тому ним, швидше за все, не загрожує повне зникнення.
Маршрутизатори, як і мости або комутатори ретранслюють пакети з однієї частини мережі в іншу (з одного сегменту в іншій). Спочатку маршрутизатор від моста відрізнявся тільки тим, що на комп'ютері, що сполучає дві або більш за частину мережі, було встановлено інше програмне забезпечення. Але між маршрутизатором і мостом існують і принципові відмінності:
Маршрутизатори працюють не з фізичними адресами пакетів (MAC-адресами), а з логічними мережевими адресами (IP-адресами або IPX-адресами).
Маршрутизатори ретранслюють не всю інформацію, що приходить, а тільки ту, яка адресована ним особисто, і відкидають (не ретранслюють) широкомовні пакети, розділяючи тим самим широкомовну область мережі (Broadcast Domain). Всі абоненти обов'язково повинні знати про присутність в мережі маршрутизатора. Вони не прозорі для абонентів на відміну від мостів і комутаторів.
Найголовніше – маршрутизатори підтримують мережі з множиною можливих маршрутів, шляхів передачі інформації, так звані комірчасті мережі (meshed networks). Приклад такої мережі показаний на мал. 13.11. Мости ж вимагають, щоб в мережі не було петель, щоб шлях розповсюдження інформації між двома будь-якими абонентами був єдиним.
Мал. 13.11.  Комірчаста мережа з маршрутизаторами
Маршрутизатори складніше за мости і комутатори і, отже, дорожче (наприклад, вартість комутації в Ethernet приблизно в 10 разів нижче за вартість маршрутизації). Маршрутизаторами складніше управляти, вони майже завжди значно повільніші за комутатори. Зате вони забезпечують найглибше розділення мережі на частини.
Якщо репитерные концентратори всього лише повторюють всі пакети (рівень 1 моделі OSI), що поступили на них, а комутатори і мости ретранслюють тільки міжсегментні і широкомовні пакети (рівень 2 моделі OSI), то маршрутизатори сполучають практично самостійні, не впливаючі один на одного мережі, зберігаючи при цьому можливість передачі інформації між ними (рівень 3 моделі OSI).
Розмір мережі з маршрутизаторами практично нічим не обмежений: ні допустимими розмірами зони конфліктів, ні допустимою кількістю широкомовних пакетів (які можуть просто не залишати місця для звичайних, однопунктовых пакетів), ні можливими для комутаторів і мостів різноманітними перевантаженнями. При цьому легко забезпечуються альтернативні, дублюючі шляхи розповсюдження інформації для збільшення надійності зв'язку.
Для ухвалення рішення про вибір маршруту кожен маршрутизатор формує в своїй пам'яті таблиці даних, які містять:
Номери всіх мереж, підключених до даного маршрутизатора;
Список всіх сусідніх маршрутизаторів;
Список MAC-адресов і IP (IPX) -адресов всіх абонентів мереж, підключених до маршрутизатора. Цей список автоматично оновлюється, як і у разі мостів і комутаторів.
Крім того, список всіх доступних маршрутизаторів має бути у кожного абонента мережі.
Саме маршрутизатори найчастіше використовуються для зв'язку локальних мереж з глобальними, зокрема, з Інтернет, яка може розглядатися як повністю маршрутизируемая мережа. Перетворити протоколи локальних мереж в протоколи глобальних мереж для маршрутизатора цілком під силу.
Маршрутизатори часто застосовуються для об'єднання опорною (стрижньовий) мережею типу FDDI безлічі локальних мереж (мал. 13.12) або для зв'язку локальних мереж різних типів. Перетворення формату пакетів, потрібне в даній ситуації, для маршрутизатора не представляє ніякої складності. Наприклад, великі пакети мережі FDDI можуть розбиватися (фрагментуватися) на декілька менших пакетів Ethernet.
Мал. 13.12.  Маршрутізіруємая мережа на основі FDDI
Маршрутизатори також легко перетворять швидкості передачі, зв'язуючи, наприклад, між собою мережі Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet. Не пропускаючи широкомовних пакетів, вони краще справляються з цим завданням, чим мости або комутатори, оскільки захищають повільні сегменти від перевантажень з боку швидких сегментів.
Маршрутизатори іноді об'єднують між собою. Безліч зв'язаних один з одним маршрутизаторів можуть утворювати так звана хмара (Cloud), що є, по суті, одним гігантським маршрутизатором. Таке з'єднання забезпечує виключно гнучкий і надійний зв'язок між всіма підключеними до нього локальними мережами (мал. 13.13).
Як вже наголошувалося, можна вважати, що репитерные концентратори працюють з пакетами, а мости і комутатори – з кадрами. Маршрутизатори обробляють адресну інформацію, що відноситься до структури дейтаграммы IP (IPX), яка вкладена в область даних кадру, у свою чергу вкладеного в пакет (мал. 13.14). Тому говорять, що вони працюють з дейтаграммами, або ретранслюють дейтаграммы. Маршрутизатор аналізує мережева IP-адрес дейтаграммы (див. мал. 6.9) або мережева IPX-адрес дейтаграммы (див. мал. 6.8). У обидва ці адреси входять номер мережі, і саме ці мережі сполучає маршрутизатор. Мережами в даному випадку називаються широкомовні області (Broadcast Domain).
Кожен абонент, перш ніж послати пакет, визначає, чи може він послати його безпосередньо одержувачеві або ж йому треба скористатися послугами маршрутизатора. Якщо номер власної мережі абонента, що передає, збігається з номером мережі абонента, якому повинен передаватися пакет, то пакет передається безпосередньо, без маршрутизації. Якщо ж адресат знаходиться в іншій мережі, то передавана дейтаграмма має бути відправлена маршрутизатору, який потім переправить її в потрібну мережу. При цьому виходить, що пакет в цілому адресований маршрутизатору (як одному з абонентів власної мережі), а укладена в нім дейтаграмма адресована абонентові з іншої мережі, якому вона, власне, і призначена.
Мал. 13.13.  Маршрутізіруємоє хмара
Мал. 13.14.  Вкладення дейтаграммы в кадр і пакет
Маршрутизатор аналізує IP (або IPX) адреси в дейтаграмме, що приходить у складі пакету, і перетворить пакет, що прийшов по одній з мереж, в пакет, призначений для іншої мережі. У полі адрес передаваного пакету він ставить MAC-адрес одержувача і свою MAC-адрес, як відправника пакету. У відповідь пакет так само повинен пройти через посередника – маршрутизатора.
Хороший маршрутизатор дуже дорогий і складний в налаштуванні і експлуатації. Тому використовувати його слід тільки в тих випадках, коли це дійсно необхідно, наприклад, коли застосування комутаторів і мостів не дозволяє подолати перегрузку сети.