Что такое USB-концентратор: виды и особенности. Что такое Концентратор

Сетевой концентратор или хаб (жарг. от англ. hub - центр деятельности) - сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети . Устройства подключаются при помощи витой пары , коаксиального кабеля или оптоволокна . Термин концентратор (хаб) применим также к другим технологиям передачи данных : USB , FireWire и пр.

В настоящее время хабы почти не выпускаются - им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключённое устройство в отдельный сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно называют «интеллектуальными концентраторами».

Принцип работы

Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI , повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключённые к концентратору устройства находятся в одном домене коллизий . Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса , все подключённые устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.

Многие модели концентраторов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключённых устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре, гораздо стабильнее в работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть изолировано концентратором от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может изолировать лишь весь сегмент.

В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы - устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие производительность сети путём логического выделения каждого подключённого устройства в отдельный сегмент, домен коллизии.

[Править] Упрощённое описание принципа работы

Хаб работает по следующему принципу: копирует все полученные пакеты во все порты. При этом может возникнуть проблема, при которой по двум и более портам приходят пакеты в одно и то же время. Другая проблема - безопасность - все пакеты доходят до всех компьютеров сети, поэтому существует возможность несанкционированного доступа к информации. И, наконец, ещё одной проблемой является то, что копирование пакетов повышает нагрузку на сеть, причём весьма существенно - весь трафик сегмента сети поступает к каждому из компьютеров и тем самым загружает сеть.

[Править] Характеристики сетевых концентраторов

Количество портов - разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются концентраторы с 4, 5, 6, 8, 12, 16, 24 и 48 портами (наиболее популярны с 4, 8 и 16). Концентраторы с большим количеством портов значительно дороже. Однако концентраторы можно соединять каскадно друг к другу, наращивая количество портов сегмента сети. В некоторых для этого предусмотрены специальные порты.

Скорость передачи данных - измеряется в Мбит/с, выпускаются концентраторы со скоростью 10, 100 и 1000. Кроме того, в основном распространены концентраторы с возможностью изменения скорости, обозначаются как 10/100/1000 Мбит/с. Скорость может переключаться как автоматически, так и с помощью перемычек или переключателей. Обычно, если хотя бы одно устройство присоединено к концентратору на скорости нижнего диапазона, он будет передавать данные на все порты с этой скоростью.

Тип сетевого носителя - обычно это витая пара или оптоволокно , но существуют концентраторы и для других носителей, а также смешанные, например для витой пары и коаксиального кабеля .

Тип питания - концентраторы без внешнего питания называются «пассивными», с внешним питанием - «активными». Пассивные сетевые концентраторы до сих пор нередко применяются для построения малых сетей в условиях частого отключения электричества (при условии наличия у всех рабочих станций автономного питания - например, если они являются портативными компьютерами).

Предназначенное для объединения устройств сети в сегменты. Основной принцип его работы заключается в трансляции пакетов, поступающих на один из его портов на все другие порты. Таким образом, пакет, поступивший в сеть, будет отправлен всем остальным устройствам сети, т.е. будет осуществляться широковещательная передача. Концентратор работает на модели взаимодействия открытых систем (). Концентратор используется в различных технологиях: , xDSL, Token Ring, но наибольшее распространение он нашел в технологии .

Концентратор можно рассматривать как с несколькими выходами. В отличие от он не анализирует содержимое пакетов или их заголовки, а просто копирует их. Hub не позволяет увеличить число устройств в одном сегменте или разгрузить его, уменьшив число коллизий. Основная его задача – это подключение новых устройств к сети и организация ее топологии. Кроме того, hub может быть использован для организации резервных каналов.

Пример работы сети с концентратором

Главным достоинством концентратора является простота реализации и, соответственно, невысокая стоимость. Однако из-за того, что он просто копирует пакеты во все свои порты, то в сети увеличивается вероятность возникновения коллизий. Это может привести к снижению скорости передачи и времени доставки пакетов. Именно поэтому вместо концентраторов обычно стараются применять , которые передают пакеты только к тому порту, к которому подключен компьютер получатель.

В зависимости от выполняемых задач можно встретить различные по емкости концентраторы от 4 до 64 портов. Однако это не предел. Они могут объединяться в более емкие устройства. Максимально возможное число работающих в спаренном режиме устройств ограничивается лишь характеристиками используемой технологии (для – 1024 портов в одном сегменте). Концентраторы отличаются также по типу используемых проводников (витая пара, коаксиальный кабель) и используемой среде передачи (электрический или ).

Концентратор - центральный узел обмена информацией между несколькими конечными станциями сети. Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются.

Коммутатор - осуществляет передачу пакетов между всеми парами портов по алгоритму моста. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю. Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI.

Принцип работы коммутатора: Коммутатор хранит в памяти таблицу, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя ещё не известен, то кадр будет продублирован на все интерфейсы. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется

Режимы коммутации .

Существует три способа коммутации. Каждый из них - это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

С промежуточным хранением. Коммутатор читает всю информацию во фрейме, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него фрейм.

Сквозной. Коммутатор считывает во фрейме только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.

Бесфрагментный или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий.

Особенности технической реализации коммутаторов.

коммутационная матрица ; Основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов. Входные блоки процессоров портов на основании просмотра адресной таблицы коммутатора определяют по адресу назначения номер выходного порта. Эту информацию они добавляют к байтам исходного кадра в виде специального ярлыка - тэга (tag).

разделяемая память; Входные блоки процессоров портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с переключаемым выходом этой памяти. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходных портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных кадра в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит также поочередное подключение выхода разделяемой памяти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.

общая шина. Коммутаторы с общей шиной используют для связи процессоров портов высокоскоростную шину, используемую в режиме разделения времени. Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тэг, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту. Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет.

Конструктивное исполнение коммутаторов.

автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;

модульные коммутаторы на основе шасси;

коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.

Управляемые коммутаторы Ethernet . Управление коммутаторами производится на основе протоколов SNMP (Simple Network Management Protocol) и RMON (Remote Monitoring). Протокол SNMP входит в стек протоколов TCP/IP и широко используется для получения от коммутатора информации о его статусе, производительности и других характеристиках, которые хранятся в базе данных коммутатора. Протокол RMON определяет возможность удаленного мониторинга и управления коммутатором.

RMON позволяет управлять и следить за состоянием коммутатора с удаленного компьютера с возможностью передачи требуемых данных по сети. Кроме того, в протокол RMON были добавлены дополнительные счетчики об ошибках, более гибкие средства анализа статистики, средства фильтрации и т.д.

Управляемые коммутаторы обладают также дополнительными функциями, важнейшими из которых являются: 1. фильтрация трафика; 2. приоритетная обработка кадров; 3. поддержка протокола Spanning Tree Protocol (STP); 4. поддержка транкового объединения портов; 5. поддержка виртуальных сетей VLAN.

Фильтрация трафика позволяет создавать пользовательские фильтры, которые ограничивают доступ заданных заранее групп пользователей к определенным службам сети. Фактически фильтрация трафика - это сервис, повышающий уровень сетевой безопасности.

Приоритетная обработка кадров подразумевает возможность обрабатывать входящие кадры не на основе принципа First Input First Output (FIFO), когда каждый кадр обрабатывается в соответствии с очередью его поступления, а в соответствии с указанным приоритетом.

Поддержка протокола Spanning Tree Protocol, то есть алгоритма покрывающего дерева, определяет корректную работу коммутатора в случае, когда между конечными узлами сети существует несколько логических или физических маршрутов, в состав которых входят коммутаторы. Такие дублирующие пути могут возникнуть случайно, при ошибках в монтаже сети, или могут прокладываться специально для повышения отказоустойчивости сети. Суть алгоритма состоит в определении оптимального маршрута и блокировке или резервировании всех остальных

Поддержка транкового объединения портов позволяет создавать высокоскоростные каналы связи, объединяя несколько физических каналов в один логический, что можно использовать для связи коммутаторов друг с другом или коммутатора с сервером.

Поддержка виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет с помощью коммутатора создавать изолированные друг от друга локальные сети.

Spanning Tree .

Протокол покрывающего дерева.

Поддерживающие алгоритм STA мосты и коммутаторы автоматически создают активную древовидную конфигурацию связей (то есть связную конфигурацию без петель), находя ее адаптивно с помощью обмена служебными пакетами.

В сети определяется корневой мост (root bridge), от которого строится дерево. Для каждого моста определяется корневой порт (root port) - это порт, который имеет кратчайшее из всех портов данного моста расстояние до корневого моста (точнее, до любого из портов корневого моста).

Расстояние до корня (root path cost) определяется как суммарное условное время на передачу данных от порта данного моста до порта корневого моста. Условное время сегмента (designated cost) рассчитывается как время, затрачиваемое на передачу одного бита информации в 10-наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам, а для сегмента Token Ring 16 Мб/с - 6.25.

Для каждого логического сегмента сети выбирается так называемый назначенный мост (designated bridge), один из портов которого будет принимать пакеты от сегмента и передавать их в направлении корневого моста через корневой порт данного моста, а также принимать пакеты для данного сегмента, пришедшие на корневой порт со стороны корневого моста. Такой порт называется назначенным портом (designated port). Назначенный порт сегмента имеет наименьшее расстояние до корневого моста, среди всех портов, подключенных к данному сегменту. Назначенный порт у сегмента может быть только один. У корневого моста все порты являются назначенными, а их расстояние до корня полагается равным нулю. Корневого порта у корневого моста нет.

Для того, чтобы мосты могли идентифицировать себя и своих ближних и дальних соседей по сети, каждой мост, поддерживающий STA, имеет уникальный идентификатор. Этот идентификатор состоит из двух частей. Младшую часть составляет MAC-адрес моста, имеющий длину 6 байтов. Старшая часть, имеющая длину 2 байта, является приоритетом данного моста, и его может изменять администратор сети по своему усмотрению.

Идентификатор моста играет определяющую роль при выборе корневого моста. Приоритет имеет преимущественное значение в этом выборе - корневым выбирается мост, имеющий наименьшее значение идентификатора, а так как поле приоритета находится в старших разрядах, то его значение подавляет значение MAC-адреса. Если же администратор назначил всем мостам равный приоритет (то есть не захотел влиять на выбор корневого моста), то корневым будет выбран мост с наименьшим значением MAC-адреса.

Порты внутри каждого моста также имеют свои идентификаторы. Идентификатор порта состоит из 2 байтов, первый из которых (старший) может изменяться администратором и является приоритетом порта, а второй представляет собой порядковый номер порта для данного моста (номера портов начинаются с единицы). Идентификатор порта используется при выборе корневого и назначенного порта моста - если несколько портов имеют одинаковое расстояние до корня, то выбирается тот порт, идентификатор которого меньше. Аналогично случаю с идентификатором моста, приоритет порта может быть задан администратором для того, чтобы данный порт получил преимущество перед другими.

VLAN . Виртуальной сетью (Virtual LAN, VLAN) называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного. Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания независимых сетей, которые затем должны связываться с помощью протоколов сетевого уровня

Типы виртуальных сетей

Существует несколько основных способов построения виртуальных сетей:

Группировка портов.

Группировка МАС-адресов.

Использование меток в дополнительном поле кадра - частные протоколы и спецификации IEEE 802.1 Q.

VLAN на основе группировки портов .

Устройства связываются в виртуальные сети на основе портов коммутатора, к которым они физически подключены. То есть каждой порт коммутатора включается в одну или более виртуальных сетей. К достоинствам данного типа виртуальных сетей можно отнести высокий уровень безопасности и простоту в настройке. К недостаткам можно отнести статичность данного типа виртуальных сетей. То есть при подключении компьютера к другому порту коммутатора необходимо каждый раз изменять настройки VLAN.

VLAN на основе группировки МАС-адресов.

Данный тип виртуальных сетей группирует устройства на основе их MAC-адресов. Для получения доступа в виртуальную сеть, устройство должно иметь MAC-адрес, который содержится в списке адресов данной виртуальной сети. Помимо прочего, отличительной особенностью данного типа виртуальных сетей является то, что они ограничивают только широковещательный трафик. Отсюда вытекает их название – широковещательные домены на базе MAC-адресов. Теоретически один MAC-адрес может являться членом нескольких широковещательных доменов, на практике данная возможность определяется функциональностью конкретной модели коммутатора.

Широковещательные домены на базе MAC-адресов позволяют физически перемещать станцию, позволяя, тем не менее, оставаться ей в одном и том же широковещательном домене без каких-либо изменений в настройках конфигурации.

VLAN на базе маркированных кадров (IEEE 802.1Q).

В отличие от двух предыдущих типов виртуальных сетей VLAN на основе маркированных кадров могут быть реализованы на двух и более коммутаторах. В заголовок каждого кадра Ethernet вставляется маркер, который идентифицирует членство компьютера в определенной VLAN.

Маркеры с номером VLAN в виртуальных сетях 802.1Q могут быть добавлены:

явно, если сетевые карты поддерживают стандарт IEEE 802.1Q, и на этих картах включены соответствующие опции, то исходящие кадры Ethernet от этих карт будут содержать маркеры идентификации;

неявно, если сетевые адаптеры, подключенные к этой сети, не поддерживают стандарт IEEE 802.1Q, то добавление маркеров выполняется на коммутаторе на основе группировки по портам.

Офис даже самой маленькой компании сегодня невозможно представить без локальной сети, а это значит, что в распределительном шкафу каждого офиса расположилось главное сетевое устройство – концентратор (Hub) или коммутатор (Switch).

Принципы работы концентратора и коммутатора значительно отличаются, и выбор в пользу того или другого может существенно повлиять на производительность сети.

Как ведет себя концентратор?

Логика работы концентратора заключается в следующем: когда концентратор получает электрический сигнал, он передает его на все порты, кроме того, с которого сигнал был получен. Это значит, что фрейм с данными, полученный от одного компьютера, будет разослан на все остальные компьютеры, подключенные к сети.

Очевидно, что в локальной сети с концентратором каждый компьютер получает много фреймов, но только некоторые из них предназначаются именно ему. Плата интерфейса сети каждого компьютера должна получить все фреймы и обработать каждый из них: прочесть в заголовке фрейма адрес получателя, сравнить его с собственным МАС-адресом. Если адреса не совпадают, сетевая плата игнорирует фрейм. При совпадении же адресов считается, что фрейм попал по назначению и обрабатывается дальше. Т.е. компьютер получил информацию, предназначенную именно для него.

Что происходит в сети по вине концентратора?

1. Увеличивается трафик.
2. Происходит много аварийных ситуаций с фреймами.

Это значит, что производительность сети уменьшается, а процент потерь данных при прохождении по сети увеличивается.

Можно ли избежать потери данных?

Можно, если концентратор заменить коммутатором. Коммутатор получает фрейм с данными, считывает с его заголовка МАС-адрес получателя и отправляет этот фрейм только на тот порт, который и ведет к получателю. Это устройство принимает интеллектуальное решение! С виду – та же витая пара для передачи данных и еще одна – для получения, те же сетевые устройства, зато результат разный. В сети – порядок и спокойствие, нету избытка фреймов, бесполезно движущихся в направлении адаптеров, которые наверняка их отвергнут.

Случаются, конечно, ситуации, когда на коммутатор поступает одновременно несколько фреймов для одного получателя. В этом случае коммутатор тоже ведет себя как разумное устройство: один фрейм он отправляет получателю сразу, а остальные помещает в буфер, откуда они будут уходить по назначению по очереди, через определенный промежуток времени. Таким образом коммутатор предотвращает возникновение аварийных ситуаций, а следовательно, и потерю данных в сети.

А если и случается потеря данных – то только из-за естественных помех.

Значит, коммутатор лучше?

Коммутатор, конечно выигрывает в сравнении с концентратором. И если ваша сеть достаточно велика, разумнее будет приобрести именно его.

Однако в небольшой сети, в несколько компьютеров, разницу в работе концентратора или коммутатора вы скорее всего не почувствуете. Зато почувствуете разницу в цене, поэтому для небольшой сети вполне оправдано приобретение концентратора.

Технология USB, которая изобреталась для соединения компьютерного и телекоммуникационного устройств, сейчас является основным средством для подключения многих гаджетов. Их количество просто удивляет – это клавиатуры, мыши, модемы, кулеры, внешние жесткие диски, принтеры, флешки, даже кофеварки и лампы. И поскольку все эти устройства нужно подключать к компьютеру, то в настоящее время банально не хватает USB-портов.

Решить данную проблему можно двумя способами. Самый простой способ – это подключать только те устройства, которые нужны в данный момент, а неиспользующиеся устройства отсоединять, освобождая тем самым USB-порты. А второй способ – это приобрести оригинальное приспособление, именуемого USB-концентратоом (USB-хаб).

USB-хаб представляет собой небольшое устройство, в котором есть несколько USB-портов. Оно подсоединяется к одному из USB-портов компьютера (занимая тем, самым всего, один USB разъем), и дает возможность использовать несколько USB-устройств. Таким образом, USB-концентратор увеличивает количество USB разъемов на компьютере, снижает их износ, а также облегчает процесс использования многочисленных устройств.

Виды USB-концентраторов

Существует четыре вида USB-концентраторов. Первый – это карта USB PCI, которая подсоединяется в слот PCI на материнской плате. Для этого придется открывать системный блок, и если вы не разбираетесь в этом, то лучше этот вид USB-хаба не использовать.

Второй вид – это не питаемый USB-концентратор. Это простое устройство подсоединяется к одному из внешних USB-портов компьютера. После этого к нему можно будет подключать любые другие устройства. Такие USB-концентраторы очень компактны и отлично подходят как для компьютеров, так и для ноутбуков. Но у них есть небольшой минус. Некоторые USB-устройства (принтер, цифровая камера, сканер и т.д.) нуждаются в электропитании, и данный вид концентратора не сможет обеспечить их нужным количеством электроэнергии, особенно если подключить сразу несколько устройств.

Третий вид – питаемый USB-концентратор. Он также очень компактный и подключается к внешнему USB-разъему компьютера. Кроме того, такой USB-концентратор можно подключить напрямую в розетку. Это дает возможность подсоединять к нему любые виды USB-устройств.

И четвертый вид – это компьютерная карта USB. Если в работе используется ноутбук, а также нужно постоянно перемещаться с ним, то отличной альтернативой USB-хабу будет именно такая карта USB. Она подключается к USB-разъему на боковой стороне ноутбука и дает возможность подключить еще два дополнительных устройства.