Moduł 3 Urządzenia sieciowe 1. Karty sieciowe budowa i zasada działania 2. Elementy aktywne sieci lokalnej: hub, most, switch
1. Karty sieciowe budowa i zasada działania W kolejnym rozdziale naszego kursu skupimy się na urządzeniach sieciowych. Dzisiejsze sieci komputerowe wymagają kilku elementów aktywnych, z których pierwszym jest karta sieciowa. Większość współczesnych komputerów posiada wbudowaną kartę sieciową umożliwiającą komunikację w sieci Ethernet. W zależności od wersji karty, obsługuje ona transmisję z prędkością do 100Mb/s lub do 1Gb/s. Wygląd karty sieciowej prezentowany jest na zdjęciu. Rys. 3.1 Karta sieciowa z interfejsami BNC, AUI, RJ45 Do kursu dołączone są również krótkie filmiki, na których pokazane są elementy charakterystyczne karty sieciowej. W jaki sposób karta komunikuje się z siecią? Interfejs współczesnej karty jest najczęściej zakończony gniazdem RJ45. Zapewnia ono połączenie elektryczne z kablem typu skrętka, w którym przy pomocy dwóch lub czterech par odbywa się dwukierunkowa transmisja symetryczna. Co to oznacza? Dane wędrują w każdym kierunku, co najmniej jedną parą przewodów. Czy urządzenia sieciowe są wpięte bezpośrednio do naszej karty? Spójrzmy na uproszczony schemat karty sieciowej na rysunku 3.2. Zaraz za gniazdem RJ45 pojawiają się dwa niewielkie transformatory. Z fizyki wiemy, że transformator służy do podwyższania lub obniżania napięcia. A co to będzie za transformator, jeżeli dwa uzwojenia będą posiadały taką samą liczbę zwojów wykonanych z takiego samego drutu? Jest to transformator separujący. Rolą tego elementu będzie oddzielenie elektryczne dwóch obwodów prądu stałego. Zauważ, że żaden element z lewej części schematu nie łączy się z prawą (pokolorowaną) częścią schematu. Dokładnie tak samo zbudowana jest karta sieciowa. Mimo połączenia elektrycznego między kablem a kartą sieciową, obwód prądu stałego kończy się na transformatorach. 2
Dzięki takiej konstrukcji, układy karty sieciowej nie mają elektrycznie połączenia z żadnym z urządzeń sieciowych. Rys. 3.2 Uproszczony schemat blokowy karty sieciowej Stosując transformatory zapewniamy możliwość przesyłania sygnałów zmiennych, które przenoszone są do drugiego uzwojenia przez pole magnetyczne. W przypadku pojawienia się przepięcia w sieci komputerowej, np. w wyniku burzy, bardzo często to właśnie te niepozorne elementy ratują nasz komputer przed większymi uszkodzeniami, ulegając przepaleniu. Większość kart sieciowych i urządzeń sieciowych wyposażonych w interfejs RJ45 posiada sygnalizację połączenia oraz transmisji danych. W momencie przyłączenia sieci informowani jesteśmy o wykryciu sygnału wejściowego. Co jeżeli na karcie nie zaświeci się kontrolka mimo przypięcia sieci? Istnieje podejrzenie, że: sieć jest wykonana nieprawidłowo, jeden z dwóch interfejsów sieciowych jest uszkodzony. W jaki sposób możemy najprościej sprawdzić kartę sieciową od strony elektrycznej? Wiemy, że w momencie wykrycia sygnału przychodzącego nasza karta zasygnalizuje nam ten fakt odpowiednią diodą. A co jeżeli tym sygnałem byłby wyprodukowany przez nią sygnał wyjściowy? Wykonajmy najprostszy tester. Rys. 3.3 Tester kart sieciowej 3
Potrzebujemy kilkunastocentymetrowy odcinek kabla typu skrętka z prawidłowo zaciśniętym wtykiem modularnym 8P8C. Na luźnym końcu kabla łączymy odpowiednio kolorowe przewody tak, aby para przewodów doprowadzona do styków 1,2 połączona została ze stykami 3,6. Tak przygotowany kabel podłączamy do gniazda karty sieciowej. Jeżeli zapali się dioda sygnalizująca podłączenie sieci to znaczy, że sygnał, który wychodzi z naszej karty na stykach 1,2 został prawidłowo wykryty na stykach 3,6. Wiemy już jak podłączona jest sieć miedziana do karty sieciowej. A skąd nasza karta wie, że dane, które właśnie dotarły do jej wejścia są adresowane właśnie do niej? Tu pojawia się ważny mechanizm kontrolowania danych przychodzących. Każda karta sieciowa przed przetworzeniem przychodzącej ramki Ethernet sprawdza jej nagłówek. Jeżeli w polu adresata pojawi się jej własny MAC adres (adres fizyczny nadany przez producenta) lub MAC adres rozgłoszeniowy, zabiera się za przetwarzanie danych. Każdy inny adres MAC w nagłówku spowoduje odrzucenie takiej ramki. Niektóre karty pozwalają programowo wyłączyć ten mechanizm. Szczególnie przydatne jest to w momencie rozwiązywania problemów sieciowych. Przełączając w tzw. tryb monitorowania sprawiamy, że karta przetwarza wszystkie ramki niezależnie od ich adresata. A co z kartami, które nie są łączone do sieci skrętką? Możemy jeszcze czasami spotkać karty z interfejsem BNC lub AUI, takie jak pokazana na rysunku 3.1. Ich instalacja polega na przyłączeniu trójnika BNC lub odpowiednim przewodem (z wtykiem DB15) transceivera. Zachęcam do obejrzenia prezentacji z rozdziału pierwszego dotyczących sieci 10Base5 i 10Base2. Coraz częściej obserwować będziemy instalacje z wykorzystaniem kabli światłowodowych. Z powodu dużej różnorodności złącz optycznych, a także standardów kodowania sygnałów światłowodowych, karty sieciowe są wyposażane w złącze SFP. Jest to rodzaj gniazda przeznaczony do instalowania całego modułu optycznego, który będzie determinował rodzaj złącza, kodowania liniowego oraz zasięg naszego połączenia optycznego. Rys. 3.4 Karta sieciowa z interfejsem SFP Źródło: http://www.ajkomp.pl/images/2a369c495911d8919a3c272b75eb258c.jpg 4
2. Elementy aktywne sieci lokalnej: hub, most, switch Kolejnymi elementami aktywnymi naszej sieci będą urządzenia łączące niezbędne do zbudowania sieci w topologii gwiazdy. Każde połączenie w oparciu o kabel typu skrętka to relacja punkt-punkt. Jeżeli na jednym końcu wpinamy kartę sieciową, to na drugim musi pojawić się rozgałęźnik, który pozwoli przypiąć inne komputery lub urządzenia sieciowe. Najprostszym elementem łączącym, stosowanym w sieciach 10BaseT, był koncentrator (ang. hub). Jego rola ograniczała się do powielania otrzymywanych sygnałów i przekazywaniu na pozostałe porty. Na rysunku 3.5 widzimy hub przeznaczony do podłączenia 8 urządzeń oraz sieci koncentrycznej. Rys. 3.5 Hub z 8 portami RJ45 i portem BNC Źródło: http://images.geeksimages.com/imageshare/b/300x300/bnc-hub8ct-unit.jpg Sieci łączone hub-em logicznie zachowywały się jak topologia magistrali. Wspólne medium transmisyjne sprawiało, że przy rozbudowie tego typu sieci narastał problem z kolizjami. W celu ograniczenia przestrzeni, na której mogło dochodzić do kolizji, dzielono sieci na mniejsze łącząc urządzeniami typu most (ang. brige). Ograniczone w ten sposób domeny kolizyjne poprawiały efektywność swojego działania. Jak działał bridge? Narysujmy sobie prostą sieć. Rys. 3.6 Sieć 10BaseT z połączeniem przy pomocy bridge 5
Gdyby wszystkie komputery wpięte były do jednego hub a, nadawanie któregokolwiek z nich słyszane byłoby przez pozostałe komputery. W momencie wstawienia mostu (ang.bridge) sieć została podzielona na dwie domeny kolizyjne. Bridge na podstawie informacji przesyłanych w sieci buduje sobie bazę z danymi komputerów przypiętych po lewej i po prawej stronie. W momencie, kiedy komputer A wysyła ramkę Ethernet do komputera E, bridge przepuszcza to na drugą stronę. Jeżeli komputer A nawiązuje łączność z komputerem C, bridge dostaje również tą informację, ale nie przepuszcza jej do drugiej części sieci. Na podstawie tablicy CAM ocenia, że zarówno komputer A jak i C leżą po tej samej stronie i nie ma potrzeby przenoszenia tej informacji do drugiej domeny kolizyjnej. Ostatnim elementem łączącym do sieci lokalnej, jaki omówimy, będzie przełącznik (ang. switch). Rys. 3.7 Switch 8 portowy Źródło: http://p.alejka.pl/i2/p_new/49/27/switch-ethernet-8-portow-10-100-mbfs108_0_b.jpg Z wyglądu zbliżony do hub a, pod względem logicznym zachowuje się zupełnie inaczej. Podstawą do przekazywania informacji pomiędzy przyłączonymi komputerami są ich adresy fizyczne. Switch na podstawie przesyłanych informacji buduje sobie bazę w tzw. tablicy CAM, gdzie znajdują się adresy MAC z przypisanymi portami. Prześledźmy jak przełącznik wypełnia swoją tablicę CAM. Rys. 3.8 Budowanie tablicy CAM przez switch 6
W momencie włączenia switcha do prądu, nie posiada on żadnych informacji o przyłączonych komputerach. Rozważmy przypadek, że komputer A chce przesłać informację do komputera D. Wysłanie pierwszej ramki Ethernet, która dotrze do switch a, spowoduje powstanie pierwszego wpisu w tablicy CAM. Na podstawie nagłówka zostaje stworzone pierwsze powiązanie. Jeżeli w polu nadawcy MAC adres 0B:10:AC:DD:01:A3 pojawił się na porcie 1, to znaczy, że komputer o tym adresie jest przypięty do tego portu. Co dalej przełącznik zrobi z taką ramką? Ponieważ nie ma wiedzy gdzie jest przypięty komputer o MAC adresie 0B:10:AC:DD:01:43, wyśle tę ramkę do wszystkich. W efekcie na kartach sieciowych komputerów B, C i D pojawi się informacja adresowana tylko do D. Zgodnie z tym, co powiedzieliśmy o działaniu karty sieciowej, komputery B i C odrzucą informację nie adresowaną do nich. Odbiorca przetworzy zapytanie i odeśle w kierunku komputera A odpowiedź. W chwili, kiedy informacja z odpowiedzią dotrze do switcha, utworzony zostanie drugi wpis w tablicy CAM. Tym razem w polu nadawcy pojawił się MAC adres 0B:10:AC:DD:01:43, który zostanie powiązany z portem nr 3, na którym pojawiła się ta informacja. Dalej przełącznik prześle ją tylko na port 1, bo wie, że tam znajduje się komputer o MAC adresie wpisanym w polu adresata ramki Ethernet. Podobnie podczas transmisji z innymi komputerami, switch nauczy się ich MAC adresów. Czy do jednego portu może być przypisany więcej niż jeden MAC adres? Tak. Przykład znajduje się na rysunku 3.9 Rys. 3.9 Tablica CAM w przypadku połączenie 2 switchy Switch po lewej stronie, żeby komunikować się z komputerami B, C i D korzysta z portu 2. Niezależnie, do którego z nich kierowane są ramki danych, wysyła je na ten sam port, po którym odbywa się komunikacja z drugim przełącznikiem. Dopiero w tym urządzeniu dochodzi do podziału informacji odpowiednio na porty 1, 4, 3. Co się stanie, jeżeli tablica CAM ulegnie przepełnieniu? Przełącznik zacznie zachowywać się jak hub i dopóki moc obliczeniowa mu pozwoli, będzie powielał ramki i wysyłał do wszystkich. a. Łączymy sieci przy pomocy routera Atrakcyjność sieci wzrasta w momencie, kiedy istnieje możliwość łączenia się z innymi sieciami. Najbardziej pożądanym połączeniem jest oczywiście sieć Internet. W celu rozbudowania naszej sieci o możliwość komunikowania z innymi sieciami, najczęściej w oparciu o protokół IP, musimy wyposażyć się w router. I tu od razu ważna uwaga. Sprzęt, który kupujemy do naszych domowych sieci i małych biur to najczęściej kilka urządzeń w jednym. W uproszczeniu nazywamy to coś routerem, chociaż tak na- 7
prawdę jest to: router, switch, modem ADSL, access point WiFi, firewall, serwer DHCP, serwer wydruku itd.. Na zdjęciu poniżej jest jeden z najprostszych routerów domowych z wbudowanym modemem ADSL. Rys. 3.10 Router klasy SOHO Innym przykładem urządzenia, również o rozszerzonych możliwościach o dodatkowe funkcjonalności, będzie router modułowy klasy RouterBoard 493. Rys. 3.11 Router BOARD 493 z zainstalowaną kartą WiFi CM9 8
Jest to rozwiązanie dające dużo większe możliwości, nawet patrząc na liczbę dostępnych interfejsów RJ45. Prezentowana platforma może połączyć 9 niezależnych sieci LAN. Zadaniem routera jest odbieranie informacji z przyłączonej sieci i kierowanie ich do innych przyłączonych sieci. A co jeżeli sieć docelowa, jak te osiągalne w Internecie, jest gdzieś daleko? I tak nasz router przekazuje dane do sieci do niego przyłączonej. Tam znajduje się router, który przekaże nasze dane do kolejnej sieci itd. Spójrzmy jak to wygląda na prostym przykładzie. Rys. 3.12 Kolejne routery w drodze do sieci z hostem google.com Żeby przesłać dane z mojego komputera, przy którym siedzę, do komputera o adresie google.com, dane musiały pokonać 9 routerów. Za każdym razem były to routery przypięte do siebie bezpośrednio, czyli 1 z 2, 2 z 3 itd. Czy interfejsy, w jakie może być wyposażony router to tylko RJ45? Oczywiście nie. W sieciach rozległych stosuje się trochę inne technologie, dlatego też interfejsy często mają inne przepływności i inne styki. Na prezentowanym zdjęciu rysunek 3.10 pojawia się styk do sieci rozległej w standardzie ADSL. Ponieważ jest to technologia wykorzystująca linie telefoniczne, charakterystycznym stykiem będzie gniazdo telefoniczne RJ11. Inne rodzaje styków spotyka się w routerach obsługujących protokoły sieci rozległych takie jak FrameRelay czy ATM. Na kolejnym zdjęciu prezentowany jest router z interfejsem o przepływność T3/E3 dostarczanej przy pomocy okablowania koncentrycznego. Dwa złącza BNC przeznaczone są do transmisji full duplex, każde do obsługi jednego kierunku. Rys. 3.13 Router z interfejsem T3/E3 Źródło: http://img.chrosmack.com/images/cisco_3845_ftx1235a30n_back_with_nm- 1%20T3E3_Module_3912.jpg 9
Routery do zastosowań w sieciach domowych i małych firmach najczęściej są dostarczane jako gotowe produkty. Liczba interfejsów oraz funkcje dodatkowe są charakterystyczne dla danego modelu. W zależności od potrzeb podczas zakupu decydujemy o dostarczonych rozwiązaniach wybierając odpowiednią wersję produktu. Inaczej sytuacja wygląda w przypadku dużych routerów o budowie modułowej. Tego typu rozwiązania bardzo często dostarczają wszystkie komponenty w postaci kart rozszerzeń. Na podstawie zdefiniowanych potrzeb zestawiamy odpowiednie elementy tworząc router specjalnie do naszych potrzeb. Zaletą takiego rozwiązania jest również skalowalność. W przypadku rozszerzenia zakresu obsługiwanych sieci lub wzrostu zapotrzebowania na przepływności można dokupić kolejną kartę bez potrzeby wymiany całego urządzenia. Dobierając router do swoich potrzeb najczęściej zwracamy uwagę na interfejsy przyłączeniowe. Budując sieć dużych przepływności zwracajmy uwagę nie tylko na standard interfejsów, ale również na wydajność pakietową. Jest to parametr, który określa jaką ilość pakietów router jest w stanie przetworzyć w jednostce czasu. Dziś nawet małe sieci potrafią generować duży ruch, wymieniając olbrzymie ilości danych. Firmy, które np. zajmują się obróbką materiałów video, potrzebują często przesyłać efekty swoich prac. W takich przypadkach dobór optymalnego routera jest dużym wyzwaniem dla informatyka. b. Konwersja mediów transmisyjnych Czy eksploatowany sprzęt sieciowy należy wymienić na nowy w momencie pojawienia się nowego medium transmisyjnego? Zanim odpowiemy na to pytanie, spróbujmy rozważyć taki prosty przypadek. Dana jest sieć w firmie X składająca się z elementów jak na rysunku 3.14 Rys. 3.14 Sieć w firmie X do modernizacji Z powodu problemów ze stabilnością połączenia pomiędzy przełącznikami wynikającego z zakłóceń elektromagnetycznych, zdecydowano się na zamianę połączenia miedzianego na światłowodowe. Problem polega na tym, że przełączniki posiadają tylko styki elektryczne RJ45 w standardzie GigabitEthernet. W celu ograniczenia wydatków możemy zastosować media konwertery, które jak nazwa wskazuje zmienią nam rodzaj medium transmisyjnego. Włączenie takich dwóch urządzeń w sieć ograniczy nam wy- 10
datki związane z wymianą switchy. Korzystając nadal z prawidłowo działających urządzeń będziemy dodatkowo mogli ustabilizować ich pracę przez włączenie w tor światłowodu. Jak wyglądają takie urządzenia? Rys. 3.15 Media konwerter GigabitEthernet z wbudowanym interfejsem optycznym i złączami SC Źródło: http://www.tp-link.com.pl/resources/images/products/gallery/mc200cm-01.jpg) Na rysunku 3.15 widzimy przykład konwertera z wbudowanym interfejsem optycznym. Przy pomocy dwóch włókien światłowodu ze złączami SC możemy transmitować dane z szybkością 1Gb/s. Innym rozwiązaniem jest konwerter z portem SFP. Rys. 3.16 Media konwerter z portem SFP pod moduł optyczny Źródło: http://images.dipol.com.pl/pict/l1305+.jpg Decyzja o rodzaju modułu optycznego, jego złączach oraz zasięgu wpływa na parametry pracy toru optycznego. Port SFP sprawia, że nasz konwerter jest bardziej uniwersalny. To w dużej mierze od modułu optycznego zależeć będą parametry całego konwertera i zdolność do obsługi określonego toru optycznego. Konwersja odbywa się także w ramach tego samego medium, ale różnych protokołów i standardów styków. Na sieciach elektrycznych, w szczególności rozległych, często spotykamy się z różnymi standardami w punktach styków sieci. Przykładem może być do niedawna popularny 11
standard FrameRelay operujący na styku V.35. Przesłanie informacji z tej sieci przez telekomunikacyjne łącza szerokopasmowe wymagało zamiany standardu na G.703. Do tego celu stosowało się konwerter jak na rysunku 3.17. Rys. 3.17 Konwerter V.35 - G.703 Źródło: http://www.baudcom.com.cn/manages/uploadpic/product/_201212272034416693.jpg Te i inne rozwiązania pozwalające zamienić jeden standard w drugi, uelastyczniają możliwość łączenia różnych sieci. Zastosowanie prostego konwertera pozwala oszczędzić znaczne sumy konieczne na wymianę pracującego sprzętu z brakującym stykiem. c. Elementy sieci bezprzewodowych Ostatnie elementy, które omówimy w tym rozdziale będą służyły do budowy sieci bezprzewodowych. Wygoda korzystania z sieci bez kabli opanowała znaczną część użytkowników. Budowa większości sieci lokalnych wiąże się dzisiaj z uruchomieniem dodatkowo możliwości komunikacji bezprzewodowej. Ponieważ zagadnienia transmisji radiowej są dosyć rozległe i skomplikowane, więcej o sieciach bezprzewodowych powiemy później skupiając się w tej chwili tylko na urządzeniach niezbędnych do ich budowy. Lokalne sieci bezprzewodowe skupiają się wokół standardów opisanych w normie IEEE 802.11. W Polsce podobnie jak w innych krajach dopuszczalne jest używanie sieci opartych na tym standardzie na częstotliwościach w okolicach 2,4 GHz i 5 GHz. Do komunikacji niezbędne są bezprzewodowe karty sieciowe i urządzenia dostępowe nazywane Acces Point. Karta bezprzewodowa może przyjmować różny wygląd w zależności od wersji interfejsu, jakim będzie połączona z komputerem. Wersje do instalacji w komputerze stacjonarnym mogą wyglądać jak na rysunku 3.18. Po zainstalowaniu karty wewnątrz komputera po stronie zewnętrznej zostaje złącze antenowe. W przypadku instalacji wewnątrz budynku stosuje się najczęściej tzw. anteny palcowe wkręcane bezpośrednio w złącze karty. Jeżeli transmisja ma się odbywać na większe odległości, wtedy do karty przykręcany jest przewód antenowy zakończony na zewnątrz odpowiednią anteną. Inny wygląd będą miały karty przeznaczone do instalacji wewnątrz laptopów. Karty rozszerzeń w standardzie minipci lub minipci-express dysponują specjalnymi miniaturowymi złączami antenowymi, do których dołączane są anteny wewnętrzne. Przykładowy wygląd takich kart jest pokazany na rysunku 3.19. Inne interfejsy też posiadają rozwiązania dostępowe do sieci bezprzewodowych. Nie trudno znaleźć dzisiaj karty z popularnym interfejsem USB. Do laptopów, które nie posiadają wbudowanej sie- 12
ci WiFi możemy dołożyć kartę PCMCIA lub ExpressCard. Komunikacja bezprzewodowa może odbywać się w dwóch trybach. Pierwszy pomiędzy kartami, tzw. tryb ad-hoc, w którym użytkownicy tworzą sieć kratową (ang.mesh). Drugie rozwiązanie to tryb z wykorzystaniem punktu łączącego, czyli tzw. Access Pointa. Co to jest za urządzenie? Można w dużym uproszczeniu przyrównać go do switcha. Oczywiście świat sieci bezprzewodowych rządzi się swoimi prawami, dlatego AP posiada kilka funkcjonalności, których próżno szukać w przełączniku. Przykładem niech będzie szyfrowanie transmisji w celu ograniczenia do zaufanych użytkowników. Jak wygląda takie urządzenie dostępowe? Trudno dziś znaleźć klasycznego AccessPointa, ponieważ funkcjonalność ta dołączyła do naszych blackboxów, czyli routerów SOHO. Udało się jednak coś dla wytrwałych odszukać, więc spójrzcie na rysunek 3.20. Rys. 3.18 Karta bezprzewodowa 802.11 z interfejsem PCI Źródło: http://p.alejka.pl/i2/p_new/07/12/karta-sieciowa-pentagram-hornet-wi-fi-pci-802-11g-p-6121-l6_0_b.jpg Rys. 3.19 Karty w standardzie minipci i minipci-express Źródło: http://korpol.pl/galerie/t/tmp- 9220-modul-mini-pci_2280.jpg Źródło: http://korpol.pl/galerie/t/tmp-9220- modul-mini-pci_2280.jpg 13
Rys. 3.20 Access Point WiFi Źródło: http://image.ceneo.pl/data/products/7762293/8ee9eb1d-808e-4c6d-ba88- d9e042c3074f_product.jpg Znajomy widok, antenka, port zasilania i tylko jeden port Ethernet. Tak, to rozwiązanie służy poniekąd za konwerter mediów sieć elektryczna sieć radiowa, dlatego tylko jeden port do sieci miedzianej. W ten sposób omówiliśmy sobie najczęściej spotykane urządzenia w sieciach komputerowych. Oczywiście nie są to wszystkie możliwe niespodzianki, jakie Was czekają podczas eksploatacji różnych sieci. Niech na początek dociekliwi poszukają sprzętowych print serwerów USB to LAN. Bibliografia: 1. B. Halska, P. Bensel, Kwalifikacja E.13. Projektowanie lokalnych sieci komputerowych i administrowanie sieciami. Podręcznik do nauki zawodu technik informatyk. Część 1, Gliwice 2013, Wydawnictwo Helion. 2. Akademia sieci Cisco. CCNA Exploration. Semestr 1 Podstawy sieci. Warszawa 2011, Wydawnictwo Naukowe PWN. Netografia: 1. Dipol Sp.J. Poradnik Instalatora WLAN http://www.dipol.com.pl/poradnik_instalatora_wlan_bib86.htm 14