LAN
ITpedia
Spis treści |
Podstawowe informacje o LAN
Powszechnie używany skrót LAN (Local Area Network) oznacza lokalną sieć komputerową, obejmującą swoim zasięgiem stosunkowo mały obszar geograficzny i łączącą ze sobą stacje sieciowe (stacje robocze, komputery personalne, komputery sieciowe, serwery, drukarki i inne urządzenia). LAN umożliwiają współdzielony dostęp wielu użytkowników do tych samych urządzeń i aplikacji, wymianę plików między użytkownikami oraz komunikację między użytkownikami za pośrednictwem poczty elektronicznej i innych aplikacji.
Obecnie są stosowane trzy podstawowe technologie sieci LAN:
- Ethernet/IEEE 802.3,
- Token Ring/IEEE 802.5,
- FDDI (Fiber Distributed Data Interface).
Sieci LAN powinny spełniać trzy istotne wymagania: możliwie dużej przepływności (szybkości), skalowalności i wysokiej niezawodności.
Metody dostępu do medium transmisyjnego Dowolna stacja może rozpocząć transmisję w sieci tylko wtedy, gdy medium (np. miedziany 4-parowy kabel sieciowy) nie jest zajęte przez inną transmisję. Mechanizm kontrolujący stan medium i uruchamiania transmisji nazywamy metodą dostępu do medium.
Protokoły LAN używają jednej z dwóch metod dostępu do medium:
- CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detect) -wielodostęp z rozpoznaniem stanu kanału i wykrywaniem kolizji,
- Token Passing (Token Passing) - wielodostęp z przekazywaniem uprawnień.
W metodzie dostępu CSMA/CD stacje sieciowe konkurują między sobą o dostęp do medium. Przykładami technologii używających metody dostępu CSMA/CD są: Ethernet, IEEE 802.3 i 100Base-T.
W metodzie dostępu Token Passing stacje sieciowe uzyskują dostęp do medium w zależności od tego, gdzie aktualnie znajduje się token (specjalna ramka sterująca). Przykładami technologii sieciowych, w których stosuje się metodę dostępu Token Passing, są Token Ring (IEEE 802.5) i FDDI.
Sposoby transmisji i adresowania w LAN
Wyróżnia się trzy sposoby transmisji i adresowania w LAN:
- Transmisja pojedyncza Unicast,
- Transmisja grupowa Multicast,
- Transmisja rozgłoszeniowa Broadcast.
W transmisji Unicast pojedynczy pakiet jest wysyłany przez stację nadawczą do stacji odbiorczej. Przedtem jednak stacja nadawcza adresuje pakiet używając adresu stacji odbiorczej. Po zaadresowaniu pakiet jest wysyłany do sieci, w której "przepływa" do stacji odbiorczej.
W transmisji Multicast pojedynczy pakiet danych jest kopiowany i wysyłany do grupy stacji sieciowych (określonej przez adres multicast). Przedtem jednak stacja nadawcza adresuje pakiet używając adresu multicast. Po zaadresowaniu pakiet jest wysyłany do sieci, gdzie jest kopiowany; każda kopia pakietu jest wysyłana do wszystkich stacji należących do grupy adresów multicast.
W transmisji Broadcast pojedynczy pakiet jest kopiowany i wysyłany do wszystkich stacji sieciowych. W tym typie transmisji stacja nadawcza adresuje pakiet używając adresu broadcast. Następnie pakiet jest wysyłany do sieci, gdzie jest kopiowany; kopie są wysyłane do wszystkich stacji sieciowych .
Topologie sieci LAN
Topologia LAN określa sposób wzajemnego połączenia stacji w sieci. Wyróżnia się cztery najczęściej stosowane topologie LAN:
- Szynowa (Bus),
- Pierścieniowa (Ring),
- Gwiaździsta (Star),
- Drzewiasta (Tree).
Wymienione topologie są strukturami logicznymi i technicznie nie muszą być w taki sposób zorganizowane. Na przykład logicznie rozumiane topologie szynowa i pierścieniowa są zorganizowane jako gwiazda fizyczna.
W topologii szynowej pakiet wysyłany przez dowolną stację sieciową dociera, za pośrednictwem medium, do wszystkich stacji sieciowych. W sieciach Ethernet/IEEE 802.3, włącznie z 100Base-T, jest stosowana topologia szynowa.
Topologia pierścieniowa jest strukturą, w której stacje sieciowe są podłączone do okablowania tworzącego pierścień. Topologię pierścienia stosuje się w technologiach Token Ring/IEEE 802.5 i FDDI.
W topologii gwiaździstej kable sieciowe są połączone w jednym wspólnym punkcie, w którym znajdują się hub lub przełącznik.
Topologia drzewiasta jest strukturą podobną do topologii szynowej, z tą różnicą, że są tu możliwe gałęzie z wieloma węzłami.
Urządzenia aktywne LAN
Sieci LAN buduje się z biernych i aktywnych urządzeń sieciowych. Bierne urządzenia sieciowe to komponenty systemów okablowania strukturalnego.
Do aktywnych urządzeń sieci LAN należą:
- Regeneratory (Repeaters),
- Huby,
- Mosty,
- Przełączniki LAN,
- Rozszerzacze LAN.
Regenerator (koncentrator) jest urządzeniem pracującym w warstwie fizycznej modelu OSI, stosowanym do łączenia segmentów kabla sieciowego. Łączący wiele kabli regenerator logicznie jest traktowany jak jeden kabel sieciowy. Po prostu regenerator, odbierając sygnały z jednego segmentu sieci, wzmacnia je, poprawia ich parametry czasowe i przesyła do innego segmentu. W rezultacie zabiegi te regenerują (stąd nazwa) sygnały zniekształcone długimi kablami i dużą liczbą podłączonych urządzeń. Liczby regeneratorów i segmentów są ograniczone.
Hub jest urządzeniem pracującym również w warstwie fizycznej. Jest czasami określany jak wieloportowy regenerator. Hub służy do tworzenia fizycznej gwiazdy przy istnieniu logicznej szyny lub pierścienia.
Rozszerzacz LAN to wielowarstwowy przełącznik zdalnego dostępu, podłączony do głównego routera. Rozszerzacze LAN przesyłają ruch z wszystkich standardowych protokołów warstwy sieciowej (np. IP, IPX, AppleTalk) i filtrują go zależnie od adresów MAC lub typu protokołu warstwy Sieciowej modelu OSI (warstwa 3). Rozszerzacze LAN dobrze spełniają funkcję skalowania sieci, ponieważ główny router odfiltrowuje niepożądane pakiety typu broadcast i multicast. Rozszerzacze LAN nie zapewniają ani segmentowania, ani nie służą do budowy zapór ogniowych.
Przełączanie LAN
Z przełączaniem LAN związane jest pojęcie mikrosegmentacji, którą należy rozumieć jako zmniejszanie liczby użytkowników w segmencie (w granicznym przypadku do jednego użytkownika). Mikrosegmentacja pozwala więc budować prywatne albo inaczej mówiąc dedykowane segmenty z jednym użytkownikiem mającym dostęp do pełnego pasma, o które już nie musi konkurować z innymi użytkownikami. Pozytywnym rezultatem takiego podejścia jest brak kolizji w sieciach z przełącznikami. W tym miejscu uwaga: przełącznik LAN transportuje ramki według adresu warstwy 2 (Łącza danych) lub w pewnych sytuacjach według adresu warstwy 3 (Sieciowej); w tym ostatnim przypadku przełącznik jest nazywany wielowarstwowym przełącznikiem LAN (multi-layer LAN switch). Przełącznik LAN jest także nazywany przełącznikiem ramek, ponieważ transportuje ramki w warstwie 2, a przełącznik ATM operuje na komórkach. Najpopularniejszymi obecnie przełącznikami LAN są przełączniki Ethernet, coraz częściej jednak stosowane są przełączniki Token Ring i FDDI.
Przełącznik LAN (LAN switch) jest urządzeniem sieciowym zapewniającym, w porównaniu z mostem tradycyjnym, większą gęstość ruchu przypadającą na port, przy niższym jego koszcie. Dlatego w sieciach z przełącznikami LAN można ustanawiać mniej użytkowników w segmencie, zwiększając w ten sposób przeciętne pasmo przypadające na jednego użytkownika.
Jak działa przełącznik LAN?
Funkcjonalnie przełączniki LAN są podobne do przezroczystych mostów. Podobieństwo dotyczy funkcji, takich jak: uczenie się topologii sieci, transport informacji i jej filtracja. Przełączniki LAN umożliwiają ponadto realizację wielu nowych i unikatowych funkcji, do których zaliczamy: dedykowana komunikacja między urządzeniami, zwielokrotniona i równoczesna konwersacja, komunikacja w pełnym dupleksie i dostosowanie się do szybkości pracy mediów.
| Wzmianka historyczna |
|
Pierwsze przełączniki LAN opracowano na początku lat 90. Działały one w warstwie 2 i pozwalały rozwiązywać problemy szerokości pasma w sieci. Ostatnio przełączniki LAN ewoluują w kierunku wielowarstwowych urządzeń, obsługujących protokoły związane z szerokopasmowymi aplikacjami (wcześniej rolę tę pełniły routery). Dzisiejsze przełączniki LAN często zastępują huby (dotychczas instalowane w lokalnych punktach dystrybucyjnych), ponieważ aplikacje użytkowników wymagają coraz szerszego pasma. |
Dedykowana i wolna od kolizji komunikacja między urządzeniami sieciowymi zwiększa przepustowość transmisji zbiorów. Zwielokrotniona i równoczesna konwersacja może być realizowana przez przełączanie wielu pakietów w tym samym czasie, zwiększając przepustowość sieci. Komunikacja w pełnym dupleksie podwaja przepustowość, a przy dostosowywaniu się do szybkości pracy medium przełącznik może pośredniczyć między segmentami pracującymi z szybkościami 10 i 100 Mb/s, przydzielając pasmo stosownie do potrzeb.
Transport w przełączaniu LAN
Przełączniki LAN można charakteryzować według realizowanej przez nie metody transportu (forwarding method). W metodzie przełączania zapamiętaj i transportuj (store-and-forward) przeprowadza się sprawdzanie błędów, ramki z błędami są pomijane. W metodzie przełączania, zwanej przecinaniem (cut-through), opóźnienie jest redukowane przez eliminację sprawdzania błędów.
W przełączaniu zapamiętaj i transportuj przełącznik LAN kopiuje całą ramkę do własnych buforów i wylicza CRC (Cyclic Redundancy Check). Ramka jest pomijana, jeśli zawiera błąd CRC; przyjmuje długość runt (mniej niż 64 bajty włączając CRC) lub długość giant (więcej niż 1518 bajtów łącznie z CRC). Jeśli natomiast ramka nie zawiera żadnych błędów, to przełącznik LAN wyszukuje adres stacji odbiorczej w swojej tabeli oraz określa interfejs wyjściowy, przez który ramka zostanie przesłana do stacji odbiorczej.
W przełączaniu typu przecinanie przełącznik LAN kopiuje do wewnętrznych buforów tylko adres stacji odbiorczej (6 pierwszych bitów następujących po preambule). Następnie poszukuje w swojej tablicy przełączania adresu stacji odbiorczej w celu kreślenia interfejsu wyjściowego, przez który następnie wysyła ramkę do stacji odbiorczej.
Należy podkreślić, że zastosowanie przełącznika LAN nie wymaga żadnych zmian w istniejących hubach, kartach sieciowych czy okablowaniu.
Niektóre przełączniki mogą być konfigurowane tak, aby funkcjonować według mechanizmu przecinania w odniesieniu do oddzielnego portu i działać w tym trybie, aż do momentu osiągnięcia progu błędu zdefiniowanego przez użytkownika, po czym automatycznie przechodzą do pracy w trybie zapamiętaj i transportuj. W sytuacji gdy częstotliwość błędów znajdzie się poniżej progu, port ponownie w sposób automatyczny powróci do trybu przecinania.
Przełącznik z mechanizmem przecinania wprowadza mniejsze opóźnienie, ponieważ rozpoczyna przesyłanie ramki już w momencie odczytania adresu stacji odbiorczej i po określeniu interfejsu wyjściowego.
Szerokość pasma w przełączaniu LAN
Przełączniki LAN można także scharakteryzować według proporcji między szerokościami pasma przydzielonymi poszczególnym portom. Symetryczne przełączanie umożliwia dystrybucję takiej samej szerokości pasma nawet dla każdego portu, podczas gdy przełączanie asymetryczne przydziela nierówne porcje pasma różnym grupom portów.
Asymetryczny przełącznik LAN zapewnia połączenia przełączane pomiędzy portami o różnej szerokości pasma, np. dla portów 10Base-T i 100Base-T. Ten rodzaj przełączania jest często nazywany przełączaniem 10/100 (10/100 Switching).
Ostatnio w związku z rozwojem Gigabit Ethernetu pojawiają się grupy przełączników pozwalające zrealizować przełączanie 10/100/1000. Typowym przykładem takiego rozwiązania jest rodzina przełączników firmy 3Com pod nazwą SuperStack II Switches 10/100/1000.
W celu zapewnienia właściwego przepływu danych między aplikacjami sieciowymi administrator sieci musi ocenić niezbędny poziom pasma dla połączeń między różnymi urządzeniami sieciowymi. Jest to ważne w momencie decydowania o tym, czy przełączanie ma być symetryczne czy asymetryczne.
Przełącznik LAN a model OSI
Przełączniki LAN dzieli się również w zależności od warstwy modelu OSI, na której realizują swoje podstawowe funkcje, to znaczy filtrują, transportują lub przełączają ramki. Wyróżnia się trzy kategorie przełączników: działające w warstwie 2, w warstwach 2 i 3 oraz wielowarstwowe.
Przełącznik LAN warstwy 2 pod względem zasady działania jest podobny do wieloportowego mostu, mając jednak znacznie większą przepustowość i wiele dodatkowych cech, takich jak na przykład pełny dupleks. Przełącznik LAN warstwy 2 realizuje przełączanie i filtrację przy użyciu adresu MAC. Podobnie jak w przypadku mostów przełącznik LAN warstwy 2 jest całkowicie przezroczysty dla protokołów sieciowych i programów użytkowych.
Przełącznik LAN warstw 2 i 3 może podejmować decyzje o przełączaniu na podstawie większej liczby informacji niż przełącznik LAN warstwy 2. Taki przełącznik może mieć wbudowane pewne funkcje sterujące ruchem, charakterystyczne dla warstwy 3, takie jak: zarządzanie broadcastami i multicastami, fragmentacja IP, bezpieczeństwo (przez listę dostępu).
Przełącznik wielowarstwowy (multi-layer switch) podejmuje decyzje o przełączaniu i filtrowaniu na podstawie adresów warstw 2 i 3 modelu OSI. Przełącznik ten dynamicznie decyduje o tym, czy przełączać (warstwa 2), czy trasować (warstwa 3) napływający ruch ramek. Przełącznik wielowarstwowy przełącza wewnątrz grupy roboczej, a trasuje między różnymi grupami.
