20.3 Основные отличия хабов от коммутаторов
С концентраторами и общей шиной все понятно. Далее, коммутаторы – это еще одно устройство, которое позволяет соединять узлы в единую сеть.
Устройство канального уровня OSI 7, способное обрабатывать кадры Ethernet, – это традиционный коммутатор L2. Современный управляемый коммутатор можно сравнить с компьютером без видеокарты или монитора, то есть в нем уже есть логический и аппаратный компонент. Однако этот процессор ограничен решением конкретных задач, таких как проблема переключения между двумя устройствами. Использовать систему могут только российские пользователи Интернета, имеющие доступ к сети Wi-Fi в США или одной из других стран, включенных в список разрешенных.
Что такое концентраторы и как устроены коммутаторы Cisco L2 У нас также есть неуправляемые коммутаторы, что важно отметить.
Перед концентратором давайте посмотрим, что предлагает коммутатор. Для этого будет собрана аналогичная схема, но вместо концентратора будет использоваться коммутатор (рис. 1.207). Я не инструктирую вас, как настраивать концентраторы. В сетевом журнале есть статья о соединении двух компьютеров в сеть.
Ссылки не мгновенно становятся зелеными, когда к коммутатору подключаются другие устройства, что является первым отличием. Это означает, что хотя передача данных с использованием протокола SIP-TLP или PCI Data Programming (“Сеть”) технически возможна, она не всегда возможна из-за временных и пространственных ограничений устройств Cisco Electronics (CISCO). Коммутаторы позволяют быстро переключаться между различными типами портов по мере их использования устройством и могут работать на скорости до 120 Мб/с без потери мощности.
Проверьте, что произойдет, когда мы будем пинговать третий узел с первого узла. Однако давайте сначала посмотрим на таблицу в интерфейсе командной строки коммутатора и проверим, есть ли соответствие между портами компьютера и mac-адресами устройств, прежде чем мы начнем моделирование.
Команда “show mac address-table”, которая позволяет нам просматривать эту таблицу с помощью команд ShootingMac, может быть использована для того, чтобы увидеть, что в настоящее время эта таблица пуста. Следите за тем, как изменяется таблица.
Два Ethernet-кадра, один из которых содержит ARP-запрос, были получены первым узлом.
Нам будет любопытно посмотреть, что изменится, когда коммутатор отправит первый ARP-запрос. Речь идет о “встроенном” доступе к данным для устройств из одного источника: от USB до Fast HDMI; они не будут передавать друг другу информацию о расстоянии без перенаправления со спутника, если кадр широковещательный (коммутатор увидит его по macadress назначения). Коммутатор отправит его на все устройства и сделает их доступными для просмотра через Интернет или с помощью VLAN.
Теперь коммутатор имеет первую запись в таблице, где указан адрес ноутбука. Давайте понаблюдаем, что произойдет после этого. График 1.20.11
Третий узел знает, что он единственный, кто может ответить на этот ARP-запрос, потому что это ARP-запрос для него. Как ARP-ответ третьего узла передается на коммутатор? Рассмотрим, как этот сигнал от третьего узла повлиял на таблицу mac-адресов коммутатора. График 1.20.12
Теперь наш коммутатор знает, что первый узел расположен за первым портом.
Кроме того, записи в таблице mac-адресов не могут оставаться там бесконечно долго, если узел замолчит или если в течение длительного периода времени не будет активности (период хранения записей на управляемых коммутаторах может быть изменен). Посмотрите, что коммутатор делает с полученным ответом ARP.
Поскольку коммутатор уже имеет запись в таблице mac-адресов, ARP-ответ будет отправлен только первому узлу. Все просто: mac-адрес назначения был напечатан на кадре Ethernet, содержащем изображение первого узла; все очень удобно! Запрос был извлечен из буфера первым узлом после того, как он обработал и получил ARP-ответ. Коммутатор не обратит внимания на пропуск “ICMP”; он будет перенаправлен третьему узлу. Коммутатор будет вести себя специфически, т.е. он сможет передавать только кадры “ICMP” между первым или третьим узлом; каналы ко второму или четвертому узлу (если они заняты) будут свободны. Вы можете проверить это самостоятельно.
Теперь обратимся к другому сценарию: на компьютере имеется ARP-таблица, содержащая данные о соответствии между IP- и mac-адресами. Узлы из одной подсети могут общаться друг с другом с помощью этой таблицы, не засоряя среду передачи данных и не идя против правил среды для пользователей Интернета. После того как третий узел установит связь со вторым узлом, arptable будет выглядеть так, как показано ниже (рисунок).
Аналогичная информация хранится в записи первого узла, но она относится к третьему узлу.
Повторяем теперь первый и второй узлы. Поскольку они уже знают информацию друг о друге из ARP, они не будут делать запросы на обмен информацией через Интернет.
На коммутатор поступил кадр, содержащий протокол ICMP; Cisco Packet Tracer отображает типы кадров и пакетов.
Коммутатор не может транслировать, но он может отлично передавать: 00D0.58B4.6F34 Хост с таким адресом получит этот mac-адрес. в данном случае три порта.
Теперь вы можете увидеть запись для первого узла в мак таблице переключателей.
Что отличает концентраторы от коммутаторов с точки зрения функциональности? Коммутаторы – это устройства канального уровня, в то время как концентраторы – устройства физического уровня.
Коммутаторы имеют таблицу ARP, которую они используют для идентификации устройства, находящегося за каждым портом. Однако L2 не имеет такой таблицы и не требует ее.
Еще одним преимуществом коммутатора является возможность работы в режимах полного дуплекса и полудуплекса. Переключение гигабитных портов на 100 Мбит/с или 10 Мбит/с не влияет на порты 100 Мбит/с.
Современные коммутаторы используют полудуплексный режим только при общении с устаревшим оборудованием. При работе с переключением частоты между двумя парами медно-волоконных линий или когда попытка передать данные по одной из них становится невозможной, бывает полезно попробовать переключить порты обратно на устройства с полной скоростью 10 Мбит/с (для передачи данных по сети). После полного устранения поломки стоит попробовать “настроить” устройство с частично сломанным кабелем, если это не помогает.
Поскольку узел может работать в полнодуплексном режиме, узлы могут одновременно передавать и принимать данные. Именно поэтому я упомянул режимы портов коммутатора.
В сетях на базе коммутаторов эти две функции, по сути, устраняют область коллизий. Практически, поскольку в результате различных сбоев возможна рассинхронизация режимов порта коммутатора и устройства.
Современные коммутаторы имеют доступ к широкому спектру технологий, которые повышают безопасность и надежность передачи данных в компьютерных сетях. Мы не будем обсуждать их сразу, потому что у нас еще много других тем, но уже сейчас можно понять, почему в настоящее время коммутаторы вытеснили хабы со всех сторон.
20.2 Хабы и Ethernet с общей шиной
Мы должны определить модель OSI на физическом уровне. Концентраторы и сетевые концентраторы – это одно и то же; эти устройства имеют очень базовую логику и даже не знают, как использовать кадры Ethernet; вместо этого они рассматривают все данные как серию битов.
Данные поступают в концентратор через один порт и распределяются по всем остальным портам. Используйте программу Cisco Packet Tracer и составьте цепь, как показано на следующей схеме.
Давайте запустим вибрацию от первого узла к третьему (обратите внимание на последний октет IP-адреса), используя фильтры, которые я оставил только для ICMP-пакетов.
Первый узел выдает ICMP-пакет, который затем пересылается на кабельный концентратор.
Сетевой концентратор получил ICMP-запрос от Узла, но не имел представления о том, что такое кадры и пакеты; для него они были просто серией логических нулей и единиц, или электрических сигналов, и ничего более.
Концентратор просто копирует данные, которые были отправлены на порт бит за битом. Однако третий узел знает, что запрос является ICMP-запросом.
Чтобы отправить ICMP-ответ на концентратор, он генерирует его, упаковывает в Ethernet-кадр и делает это. Концентратор не знает о местоположении хоста в момент отправки запроса.
И снова концентратор копирует последовательность битов или отправляет ее на все порты, как и должен делать любой типичный концентратор.
Концентраторы имеют ряд недостатков. Первым и наиболее очевидным недостатком является безопасность, поскольку данные отправляются на все порты хаба. Второй недостаток – неэффективное использование ресурсов сети и ее узлов: каналы забиваются бессмысленным трафиком, а узлы вынуждены обрабатывать бесполезные данные.
Отсутствие избыточности – третий недостаток. Поскольку вы не можете соединить концентраторы в кольцо (вот публикация о физической и логической топологии компьютерной сети), нет защиты от обрыва кабеля или других повреждений сети.
Широковещательный шторм очень быстро захватывает контроль над компьютерной сетью с концентраторами.
Ваша сеть находится в домене коллизий, если она полностью состоит из концентраторов.
Обычная топология шины, основанная на коаксиальном кабеле Ethernet, имеет все недостатки компьютерной сети.
Как вы, возможно, помните, для заделки концов коаксиальных кабелей Ethernet используются специальные пассивные устройства. При отсутствии терминаторов в сети с общей шиной всегда будут возникать коллизии, поскольку сигнал будет просто отражаться или частично возвращаться в сеть, вызывая столкновение с полезными данными [1].
В этом случае неполноценный кабель получается даже в том случае, если общая шина повреждена от узла к узлу или нарушена связь.
20.4 Коммутаторы коммутируют, а маршрутизаторы маршрутизируют
Когда сетевые инженеры проходят собеседование, часто задается вопрос о различии между коммутатором и маршрутизатором. Конечно, можно отшутиться и сказать, что коммутаторы прокладывают маршруты. Поэтому, если нужен лаконичный и прямой ответ, то коммутатор или маршрутизатор используются для соединения сетей или для объединения компьютеров в одну сеть.
На самом деле коммутаторы L2 не знают, как работать с IP-адресами. Им достаточно mac-адресов для соединения узлов в одной подсети, чтобы решить эту проблему.
Как связать две подсети? Получите неэффективную сеть, перенастроив узлы так, чтобы они находились в одной подсети.
Схема, с которой мы будем работать, показана на рисунке 1.20.17; она включает две подсети, обычно называемые левой и правой, и маршрутизатор посередине. Ссылки на рисунке подсвечены зеленым, поскольку все уже настроено; однако при построении схемы они изначально будут красными, поскольку порты маршрутизатора по умолчанию отключены и должны быть включены.
Также обратите внимание, что каждый узел маршрутизатора подписан, как и все настройки устройств и mac-адреса.
Операционная система Cisco не будет работать, если вы решите присвоить первому и второму портам маршрутизатора IP-адрес из одной подсети.
Я рассмотрю список команд и их порядок в последующих параграфах, чтобы вы могли лучше управлять своим маршрутизатором.
- Enable – войти в привилегированный режим.
- Configure terminal – войти в режим конфигурации.
- Interface gi0/0 – войти в режим конфигурации порта gi0/0.
- No shutdown – включить порт gi0/0.
- Ip адрес 192.168.1.1 255.255.255.0 – установите ip адрес и маску на порту gi0/0.
- Gi0/1 – переход к конфигурации порта gi0/1.
- No shutdown – включить порт gi0/1.
- Ip адрес 45.10.10.1 255.255.255.0 – установите ip адрес и маску на порту gi0/1.
- End – выход из режима конфигурации.
- Write – сохранить конфигурацию.
После перезагрузки устройства, если настройки не были сохранены, устройство вернется к заводским настройкам по умолчанию. Обратите внимание, что узлы теперь имеют шлюз по умолчанию. На маршрутизаторах, которые находятся в одной подсети с ними, в качестве шлюза установлен IP-адрес их интерфейса. Это 192.168.1.1 (45.10.101.1) для левой и правой сторон.
Если узел находится не в вашей подсети, пришлите мне адрес, используя шлюз по умолчанию, или, скорее, IP-адрес узла. В потоке, где мы научились пользоваться маршрутизатором и увидели компьютерную таблицу маршрутизации.
Поскольку ни один IP-пакет еще не был отправлен через наш маршрутизатор, таблица в настоящее время содержит только информацию о его интерфейсах. Но по мере того, как узлы будут общаться с нашим серверным устройством, она будет заполняться и никогда не изменится! Проведите небольшой пинг и посмотрите, что произойдет. С 192.168.1.2 до 45.10.10.2 мы будем пинговать.
Узел, делающий запрос, в данный момент не знает о структуре сети.
За исключением маршрутизатора, все узлы сняли и захватили этот кадр. Нам также необходимо понять, что находится в этом кадре, чтобы понять, почему маршрутизатор решил его обработать. На рисунке 1.20.18 изображены два кадра: справа, выделенный желтым цветом, – это ответ узла на запрос, который был создан маршрутизатором; слева – ответ (имена серверов), который был отправлен узлом по адресу узла связи.
Но нас интересует Dest, поэтому обратите внимание на желтую рамку. Наш узел имеет адрес маршрутизатора 45.10.10.2, который мы использовали в качестве IP (Destination IP).
В прошлом, когда мы пытались пропинговать узел из другой подсети без использования маршрутизатора, мы пренебрегали установкой IP-адреса шлюза по умолчанию, в результате чего наш узел использовал ноль (0.0.0) в качестве адреса назначения. Это происходило потому, что узел либо уже использовался кем-то другим, либо сеть была отключена NATICS, что предотвращало доступ от поставщика услуг по кабелю на стороне клиента с использованием COM/GSM+2.0 API, а также предотвращало перехват трафика между двумя доступами.
Также обратите внимание, что узел отправил запрос на арфу своему шлюзу, а не узлу с адресом 45.10.10.2.
Важно отметить, что если на узле прописан шлюз, это не означает, что можно добраться до любой подсети. Однако мы обсудим это позже, когда будем обсуждать маршрутизацию (мы сделали это в статье).
Ответ arp справа нас не интересует, поскольку маршрутизатор просто предоставляет узлу его macadress-адрес. После возвращения этого кадра наш хост-сервер отправит запрос на 192.168.1.2, после чего мы сможем просмотреть содержимое. Но сначала давайте посмотрим на ARP-таблицу нашего маршрутизатора.
С добавлением еще одной записи маршрутизатор теперь знает mac-адрес узла 192.168.1.2, но не может определить, что этот узел хочет связаться с узлом 45.10.10.2. Вместо этого он узнает эту информацию после получения пакета ICMP-запроса от узлов левой подсети, предполагая, что список контактов пользователя на сайте Яндекса содержит полный или частичный адрес. Давайте теперь посмотрим на это. График 1.20.21
На изображении показан ICMP-запрос, который был отправлен узлу 45.10.10.2 узлом 192.168.1.2. Как мы видим, IP-пакет уже используется для передачи: в левой части In Layers есть записи о том, что нужно сделать при отправке сообщения с помощью API или SIP (POI) или запроса через сеть Lightning Pictures. Одних только Ethernet-кадров недостаточно для соединения двух подсетей; требуются дополнительные детали.
Содержимое кадра никого не волнует, пока данные остаются внутри подсети.
В этом случае маршрутизатор распознает узел 45.10.10.2 как получателя.
Первый ICMP-запрос от узла-отправителя должен быть отброшен маршрутизаторами, а для запроса должен быть сгенерирован arp. Вы можете проверить ARP-таблицу маршрутизатора, чтобы убедиться, что он не знает mac-адрес получателя.
Поскольку IP 45.10.10.2 и mac-адрес не совпадают, появляется сообщение Incomplete. Нет смысла наблюдать, как маршрутизатор отправляет ARP-запрос, потому что этот процесс идентичен процессу узла. Вместо этого давайте сосредоточимся на том, что таблица ARP изменилась после того, как маршрутизатор получил ответ от узла 45.10.10.2, как показано на рисунке 1.20.22.
Когда вы используете инструмент Ping, а точнее, когда хост посылает ICMP-запрос или запрос командной строки: Тайм-аут запроса и будет сгенерирована новая команда пользователя.
Давайте понаблюдаем, что происходит, когда маршрутизатор получает второй ICMP-запрос. Для наглядности нам пришлось немного увеличить диаграмму (см. Рисунок 1.20.24).
Нас интересуют данные, отображаемые в окне посередине: в разделе In Layers отображаются данные, поступившие на интерфейс маршрутизатора Gi0/0, который обращен к хосту 192.168.1.2; в разделе Out Layers отображаются данные, которые маршрутизатор изменил перед отправкой на хост 45.10.10.2.
I P-адрес источника на входе, который произвел вывод, – 192.168.1.2, а адрес назначения – 45.10.10.2. Второй уровень – это место, где маршрутизатор выполняет свои самые интригующие действия. В данном случае mac-адрес отправителя – 192.168.1.2 (0005.5e5b.1ce6), а mac-адрес получателя – интерфейс маршрутизатора gi0/0 (0010.1111.1701), поэтому давайте рассмотрим второй уровень в разделе “Слои”.
Этот узел и интерфейс маршрутизатора находятся в одном канальном окружении, поэтому это имеет смысл.
Маршрутизатор собирает кадр Ethernet из той же серии, что и серию битов, когда получает запрос ICMP.
Самая интригующая особенность раздела Out Layers заключается в следующем. Чтобы прочитать IP-пакеты ранее, маршрутизатор должен был удалить Ethernet-заголовок. Теперь, когда вам нужны mac-адреса для передачи данных в подсети, вы должны вернуть Ethernet-заголовок и отобразить узел в правильном канальном окружении.
Маршрутизаторы должны не только передавать данные; они также должны помочь узлу 45.10.10.2 понять, куда отправлять свои ответы.
Маршрутизатор начал с замены mac-адреса 192.168.1.2 на свой собственный. mac-адрес назначения был изменен маршрутизатором в процессе создания нового кадра Ethernet.
Таким образом, маршрутизатор используется для перенаправления mac-адресов при обмене данными между различными канальными средами. Присутствуют два узла, но они находятся в разных канальных средах и не могут общаться друг с другом напрямую. Однако, поскольку маршрутизатор присутствует во всех подсетях одновременно, эти узлы могут понять, как подключиться и взаимодействовать с ним.
И оказывается, что mac-адреса используются до тех пор, пока данные путешествуют от первого узла до маршрутизатора.
Второй узел получил ICMP-запрос, и здесь история повторяется. Он указывает 192.168.1.2 в качестве IP-адреса получателя, поэтому ответ предназначен для этого конкретного узла; однако этот узел находится в среде другого канала (который можно достичь через маршрутизатор), поэтому mac-адрес, который использует отправитель, это не просто его собственный номер телефона и пароль: это будет его обычный индекс домена “196.1”, а также имя пользователя и пароль адреса WinRAR или COMMAN.
Mac-адрес этого ответа изменится на 192.168.1.3 и amr-адрес назначения, когда он дойдет до маршрутизатора. Изучив их соответствующие таблицы arp, вы можете убедиться, что узлы 192.168.1.2 и 45.10.10.2 совершенно не знают друг о друге. Сначала рассмотрим таблицу arp первого узла.
Кроме того, он отображает результат ping, который был потерян во время первоначального запроса.
В его arp есть информация только о маршрутизаторе и интерфейсе gi0/1; у него нет информации о 192.168.1.2. Маршрутизатор изменил макадреса на свои собственные при передаче данных от одного узла к другому, поэтому, хотя они и общались, они не создали arp-записи друг для друга.
Давайте подведем промежуточный итог обсуждения дорожных препятствий, убрав из плана все лишнее.
Мы присвоили ему адрес 192.168.10.1, чтобы сделать его первым портом маршрутизатора. Сервер подключен ко второму порту маршрутизатора, который настроен со следующими параметрами: IP-адрес 9:10.10.0 (с масками) или “Спутник”. Кроме того, у нас есть компьютер B, которому мы назначили IP-адрес 10.10.10.2 с маской 255.25 5+ и шлюзом по умолчанию 11.09.110.1. План, изображенный на рисунке 1.11.18, показан на рисунке 1.20.28.
В данном случае порт 2 находится в другом канальном окружении, чем компьютер A и порт 1 маршрутизатора. Мы пропустим arp-запросы и другие службы и вместо этого рассмотрим, что происходит с данными после того, как они попадают на компьютер B.
В результате, когда мы ввели команду ping 10.10.10.2 в командной строке компьютера A, произошло четыре события:
- Он сформировал ICMP-запрос.
- Он упаковал этот запрос в IP-пакет с адресом назначения 10.10.10.2 и своим IP-адресом в качестве источника.
- Компьютер A не совсем глуп; он понимает, что IP-адрес 10.10.10.2 находится в другой подсети, поэтому он не сможет связаться с ним, даже если знает его mac-адрес, но у компьютера A есть шлюз по умолчанию, который может знать, как связаться с нужным узлом, поэтому наш компьютер помещает созданный ранее IP-пакет в кадр Ethernet, в котором он указал mac-адрес первого порта маршрутизатора в качестве mac-адреса назначения, а свой собственный mac-адрес указал в качестве mac-адреса источника.
- На четвертом этапе компьютер разбивает полученную конструкцию на последовательность нулей и единиц (в битах) и отправляет эту последовательность по кабелю, соединяющему его с маршрутизатором.
На рисунке 1.20.29 показано каждое из этих действий. Компьютер A взаимодействует внутри среды канала передачи данных с помощью mac-адресов, а между различными средами канала передачи данных он взаимодействует с помощью IP-адресов.
Когда маршрутизатор получает последующий набор битов, узел A выполняет следующую короткую последовательность:
- Он получает битовую строку и формирует из нее кадр Ethernet.
- Когда кадр сформирован, маршрутизатор видит, что mac-адрес получателя является его mac-адресом, что означает, что он должен заглянуть в кадр, чтобы понять, что с ним делать, поэтому он удаляет Ethernet-заголовок.
- Удалив Ethernet-заголовок, маршрутизатор проверяет заголовок IP-пакета и видит, что IP-адрес источника принадлежит компьютеру A, а IP-адрес назначения принадлежит компьютеру B. Маршрутизатор понимает, что IP-пакет не предназначен для него и что маршрутизатор должен переслать его. Из IP-адреса назначения маршрутизатор понимает, что эти данные должны быть отправлены на другой порт.
- Не забывайте, что в этот момент маршрутизатор удалил заголовок Ethernet, который создал компьютер A, и чтобы отправить данные в среду канала, где находится компьютер B, вы должны указать mac-адреса и таким образом восстановить заголовок кадра Ethernet. Но здесь маршрутизатор идет по легкому пути: в поле source mac address он заменяет mac-адрес компьютера A на mac-адрес второго порта, а в поле destination mac address меняет его на mac-адрес компьютера B. Маршрутизатор понимает, что в среде канала передачи данных связь осуществляется через mac-адреса, и компьютер B просто отбросит полученные данные, если останутся старые mac-адреса.
- Полученная схема заземляется в битовую строку и передается на провод, подключенный к другому порту.
На рисунке 1.20.30 показаны эти действия.
Затем последовательность битов попадет в компьютер B, который выполнит несколько простых задач:
- Сначала компьютер B объединяет полученные биты в кадр Ethernet, зная по mac-адресу получателя, что этот кадр Ethernet принадлежит ему.
- Если кадр принадлежит ему, нам нужно удалить заголовок канального уровня и посмотреть, что находится внутри.
- В кадре Ethernet после IP-адреса источника на узле B, которому он должен соответствовать, и после IP-адреса назначения на этом узле находится IP-пакет, который принадлежит ему.
- Это означает, что необходимо распаковать IP-пакет, удалив заголовок сетевого уровня, и маршрутизатор видит ICMP-запрос, предназначенный для него (здесь стоит отметить, что каждый компьютер имеет политики безопасности и правила, по которым узлы определяют, кто должен отвечать на ICMP-запросы, а кто нет). Предположим, что узел B решил ответить на запрос ICMP.
Действия, изображенные на рисунке 2, показаны на рисунке 1.20.31.
Узел B должен будет регенерировать данные, чтобы ответить, и все шаги будут повторяться:
- Хост B генерирует ответ ICMP.
- Затем он помещает его в IP-пакет, IP-адрес назначения он берет из полученных ранее данных, а в качестве IP-адреса источника указывает свой собственный.
- Узел B знает из IP-адреса назначения, что компьютер A находится в другой подсети, что означает, что данные должны быть отправлены на шлюз по умолчанию, поэтому, когда IP-пакет упаковывается в кадр Ethernet, mac-адрес назначения будет mac-адресом второго порта маршрутизатора, а источник будет mac-адресом компьютера B.
- Эта конструкция преобразуется в битовый поток и отправляется по проводу.
Серия событий, изображенных на рисунке 2, показана на рисунке 1.20.32. То, что следует далее, очевидно; маршрутизатор получает ответ, содержащий данные, и выполняет операцию мак-подмены.
В нашем случае соответствующая информация была сначала помещена в IP-пакет, а затем в ICMP-пакет.
