Конспект лекции 11. Сетевые устройства.
Любое устройство, которое способно получать доступ к сети называют сетевым.
Выделяют две группы устройств:
- Пользовательские — это те устройства, с которыми пользователь непосредственно взаимодействует. Попробуйте самостоятельно привести пример таких устройств.
- Сетевые — это те, которые отвечают за инфраструктуру сети. Эти устройства будут рассматриваться в данном конспекте.
Для того, чтобы было удобнее ориентироваться в устройствах, их можно рассматривать, группируя по уровням модели OSI, т.к. такие устройства решают задачи этих уровней.
Устройства физического уровня
Сетевая карта
Сетевая карта — это устройство, позволяющее получать сетевые сигналы и отправлять их.
Можно сказать, что это интерфейс взаимодействия с сетью. Так как большинство устройств являются модульными (состоят из нескольких модулей, например компьютер или телефон), то сетевые карты подключаются к слотам на материнской плате. Для работы в сети каждый хост должен быть оснащён платой сетевого интерфейса (Network Interface Card — NIC), также называемой сетевым адаптером. Как правило, такие устройства могут функционировать и без компьютерной сети. Каждый адаптер NIC имеет уникальный код, называемый MAC-адресом.
сетевая карта ПК.
WIFI-адаптер
WIFI-адаптер — это устройство (по функциям похоже на сетевую карту), необходимое хосту для получения доступа к беспроводной сети.
Повторитель
Повторитель — это устройство, которое способно усиливать и заново формировать форму входящего аналогового сигнала сети на расстояние другого сегмента (т.е. повторять). Это особенно полезно для длинных линий связи, т.к. при передаче сигнал имеет свойство затухать. Когда сигналы покидают передающую станцию, они являются чёткими и легко распознаваемыми. Однако чем больше длина кабеля, тем более слабым и менее различимым становится сигнал по мере прохождения по сетевой передающей среде. Целью использования повторителя является регенерация и ресинхронизация сетевых сигналов на битовом уровне, что позволяет передавать их по среде на большее расстояние.
повторитель.
Концентратор
Концентратор (Hub) – это центральное устройства кабельной системы или сети физической топологии «звезда», которые при получении пакета на один из своих портов пересылает его на все остальные. В результате получается сеть с логической структурой общей шины. Различают концентраторы активные и пассивные. Активные концентраторы усиливают полученные сигналы и передают их. Пассивные концентраторы пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его.
Он просто принимает электронные сигналы одного порта и воспроизводит (или ретранслирует) то же сообщение для всех остальных портов. Концентраторы и повторители имеют похожие характеристики, поэтому концентраторы часто называют многопортовыми повторителями (multiport repeater).
концентратор. 
соединение концентратора с устройствами.
Терминатор
Терминаторы — это резисторы номиналом 50 Ом, которые производят затухание сигнала на концах сегмента сети. Чаще всего используется для топологий типа «шина».
терминатор. 
соединение терминатора с шиной.
Устройства канального уровня
Сетевой мост
Сетевой мост (bridge) — это устройство, используемое для объединения сегментов сети. Чаще всего он соединяется с «главным» устройством сегмента сети (т.е. тот, который коммутирует в себе все устройства сегмента сети).
При получении из сети кадра (пакета) мост проверяет в его заголовке MAC-адрес и, если он принадлежит данной подсети, передаёт (транслирует) кадр дальше в тот сегмент, которому предназначался данный кадр. Если кадр не принадлежит данной подсети, мост ничего не делает.
Мосты «изучают» характер расположения сегментов сети путём построения адресных таблиц вида «Интерфейс:MAC-адрес», в которых содержатся адреса всех сетевых устройств и сегментов, необходимых для получения доступа к данному устройству. Если порт пункта назначения в данный момент занят, то мост может временно сохранить фрейм до освобождения порта.
мост, соединяющий сегменты сети.
Коммутатор
Коммутатор — это устройство, предназначенное для объединения нескольких сетевых устройств. Он имеет несколько портов (от 1 до более 100), каждый из них сопоставляется с конкретным устройством. В отличие от концентратора, коммутатор в состоянии передать сообщение конкретному узлу. Когда узел отправляет сообщение другому узлу через коммутатор, тот принимает и декодирует кадры и считывает физический (MAC) адрес сообщения. Для того, чтобы передать кадры, коммутаторы используют таблицу MAC-адресации, вкоторой номер порта сопоставляется с MAC-адресом.
Для каждого нового соединения между узлами создается новый канал. Такие отдельные каналы позволяют устанавливать несколько соединений одновременно без возникновения коллизий.
Коммутаторы используются так же для микросегментации (это архитектура, при которой на каждый коммутатор приходится один сервер, который непосредственно управляет всеми остальными подключёнными к коммутатору устройствами).
Следует также учесть, что существуют коммутаторы, которые способны решать часть задач третьего уровня модели OSI. Такие коммутаторы ещё называют коммутаторами 2+ уровня.
мост, соединяющий сегменты сети.
Точка доступа WIFI
Точка доступа WIFI — это устройство, которое даёт доступ к беспроводной локальной сети другим хостам. Важно заметить, что это только точка доступа! Она не управляет сетью (В отличие от WIFI-роутера)
Устройства сетевого уровня
Маршрутизатор
Маршрутизатор — это устройство, которое решает задачу маршрутизации. Если коммутаторы направляют сообщения конкретному устройству сразу на порт, то маршрутизатор соединяет несколько подсетей. Работу маршрутизатора можно отдалённо представить как работу почтальона.
В домашних условиях используют именно маршрутизатор. Коммутаторы же чаще всего ставят на предприятиях, там где нужно подключить сразу большое количество сетевых устройств и компьютеров. Также коммутатор не работает с интернетом – именно поэтому его нет смысла устанавливать дома. Аналогично на предприятиях устанавливают и роутеры, которые помогают распределять трафик между несколькими сетями.
В крупных сетях маршрутизаторы являются главными устройствами, регулирующими перемещение по сети потоков данных. В принципе маршрутизаторы позволяют обмениваться информацией любым типам компьютеров.
маршрутизатор. 
соединение маршрутизатора в сети.
WIFI-роутер
WIFI-роутер — это роутер, который имеет точку доступа WIFI. Помимо возможности проводного доступа, он так же предоставляет доступ к беспроводной среде технологии WIFI.
отличие wifi-роутера от wifi точки доступа (точка доступа имеет только один разъём, который необходим для подключения к сети).
Устройства 4-5 уровня
Межсетевой экран
Межсетевые экраны (firewall, брандмауэры) — это сетевые устройства, реализующие контроль за поступающей в локальную сеть и выходящей из нее информацией и обеспечивающие защиту локальной сети посредством фильтрации информации. Большинство межсетевых экранов построено на классических моделях разграничения доступа, согласно которым субъекту (пользователю, программе, процессу или сетевому пакету) разрешается или запрещается доступ к какому-либо объекту (файлу или узлу сети) при предъявлении некоторого уникального, присущего только этому субъекту, элемента. В большинстве случаев этим элементом является пароль. В других случаях таким уникальным элементом является микропроцессорные карточки, биометрические характеристики пользователя и т. п. Для сетевого пакета таким элементом являются адреса или флаги, находящиеся в заголовке пакета, а также некоторые другие параметры.
Таким образом, межсетевой экран — это программный и/или аппаратный барьер между двумя сетями, позволяющий устанавливать только авторизованные межсетевые соединения. Обычно межсетевые экраны защищают соединяемую с Internet корпоративную сеть от проникновения извне и исключает возможность доступа к конфиденциальной информации.
аппаратный межсетевой экран.
Шлюзы (Gateway) — программно-аппаратные комплексы, соединяющие разнородные сети или сетевые устройства. Шлюзы позволяет решать проблемы различия протоколов или систем адресации. Они действует на сеансовом, представительском и прикладном уровнях модели OSI.
Сетевой шлюз конвертирует протоколы одного типа физической среды в протоколы другой физической среды (сети). Например, при соединении локального компьютера с сетью Интернет обычно используется сетевой шлюз.
Маршрутизатор (он же — роутер) является одним из примеров аппаратных сетевых шлюзов.Сетевые шлюзы могут быть аппаратным решением, программным обеспечением или тем и другим вместе, но обычно это программное обеспечение, установленное на роутер или компьютер.
сетевой шлюз.
Как работает сетевой мост и чем его можно заменить
Что такое мост в сети, как работает сетевой мост, чем отличается мост от коммутаторов и ретрансляторов, как использовать сетевой мост во время работы в Docker — ответы на все эти вопросы вы найдете в статье.
Чем может быть полезен сетевой мост? Его использование оправдано, когда необходимо расширить LAN или сделать работу с контейнизированными приложениями более удобной. Для этого понадобится специальное устройство и немного времени на настройку.
Что такое сетевой мост?
Сетевой мост, или по-английски network bridge, используется для объединения двух локальных сетей в одну или для разделение одной сети на два сегмента.
По-другому, сетевой мост — это устройство, или аппаратный и программный комплекс, объединяющий сегменты сети. Мост можно рассматривать как устройство с функциями хранения и дальнейшей отправки.
Варианты использования сетевого моста
Предположим, вы используете два типа соединения: проводное, через сетевую карту Ethernet, и беспроводное, через WiFi (WiFi мост). Первый вариант дает вам более стабильное подключение, а второй — позволяет подключить сразу несколько устройств, объединив их в одну сеть. Так вот, с помощью сетевого моста эти два соединения можно объединить и, как бонус, повысить стабильность.
Создание моста также придется кстати, когда у вас однопортовый модем и несколько компьютеров. В таком случае основной компьютер будет выполнять роль хостовой машины, к которой будут подключены остальные ПК.
Другим кейсом использования сетевых мостов является необходимость расширить охват нескольких локальных сетей. Например, если внедряется новый отдел в организации.
Сетевой мост можно также использовать для разделения одной сети на два сегмента. Например, когда необходимо снизить нагрузку на локальную сеть, перераспределив трафик между подключенными к ней устройствами.
Виртуальный сетевой мост также может быть использован в целях безопасности. Мост можно настроить таким образом, чтобы в случае сбоя трафик был перенаправлен с основного сервера в резервный.
Как работает сетевой мост?
Мост работает на уровне канала передачи данных (уровень 2) модели OSI. Устройство, используемое в качестве моста, проверяет входящий трафик, а затем пересылает его в нужный пункт назначения либо отбрасывает.
- Мост получает все пакеты данных или кадры из локальных сетей.
- Мост создает таблицу MAC-адресов для определения, из какой сети отправлены данные и в какую их надо направить. Таким образом он начинает прослушивать передаваемые данные внутри обеих сетей.
- Мост считывает отправку и отбрасывает все пакеты из локальной сети №1, отправленные компьютеру в локальной сети №1. А данные из локальной сети №1, отправленные компьютеру в локальной сети №2, повторно передаются в локальную сеть №2.
- Пакеты данных из локальной сети №2 обрабатываются таким же способом.
Если рассматривать процесс более детально на уровне таблицы адресов, то работу моста можно описать следующим образом. Мостовое устройство анализирует 48-битовое поле адреса пункта назначения пакета данных, затем сравнивает этот адрес с базой переадресаций. Если адрес не совпадает ни с одной записью в таблице, то сетевой мост передает пакет данных в следующий сегмент. Данные будут передаваться до тех пор, пока не достигнут указанного в пункте назначения адреса.
Данные в сетевом мосту
Поскольку сетевые мосты работают на канальном уровне, они передают данные в виде кадров данных (фреймы). При получении кадра данных мост обращается к базе переадресаций (таблица адресов), чтобы принять решение о передаче фрейма.
Типы сетевых мостов
Традиционно можно выделить:
- Прозрачные мосты
Самостоятельно создают таблицу адресов и впоследствии обновляют ее.
- Простые мосты
Такой мост соединяет два сегмента сети, и анализирует, стоит ли пересылать данные из одной сети (сегмента) в другую. Работает прозрачно.
- Многопортовый мост
Многопортовый мост соединяет несколько сетей, обрабатывает фреймы и принимает решение, куда конкретно пересылать трафик. Работает прозрачно.
- Транслирующие мосты
Мост объединяет сети с различными протоколами канального и физического уровней.
- Инкапсулирующие мосты
Данный тип мостов объединяют локальные сети с едиными протоколами канального и физического уровня посредством сетей с другими протоколами.
Беспроводные мосты
Мостовые устройства поддерживают разные типы подключений, что также позволяет выделить разные типы беспроводных сетевых мостов:
- Беспроводные мосты могут соединять беспроводные точки доступа WiFi.
- Мост WiFi — Ethernet позволяет подключить клиентов Ethernet к локальной сети WiFi.
- Bluetooth — WiFi Мост поддерживает соединения с мобильными устройствами Bluetooth.
Режим моста — это функция, которую сегодня поддерживают большинство маршрутизаторов (роутеров). С помощью беспроводного сигнала две сети можно объединить в одну.
Например, это удобно, когда одна локальная сеть имеет доступ в интернет, а вторая — нет; тогда с помощью беспроводного моста можно объединить обе сети тем самым дав доступ к Интернету. Чтобы создать единую локальную сеть, потребуются два маршрутизатора WiFi на каждую сеть. В качестве маршрутизатора рекомендуется использовать SOHO роутеры, которые помимо беспроводного подключения имеют также разъемы для подключения кабелей Ethernet.
Всё, что необходимо знать для настройки первого роутера — это идентификатор SSID (имя беспроводного сигнала) и пароль. Для второго роутера необходимо настроить режим моста (Wireless Bridge Mode) и ввести данные от первого роутера, чтобы к нему подключится. После этого вы получите единую сеть, где все устройства второй сети будут иметь доступ к серверу и модему первой сети.
Сетевые мосты vs. Ретрансляторы vs. Коммутаторы и роутеры
Ретрансляторы используются в основном для увеличения физического расстояния, которое преодолевает сигнал. То есть ретранслятор не объединяет сети и никак не фильтрует передаваемый трафик, в отличие от сетевых мостов, которые принимают решение передать или отбросить пакет данных.
Маршрутизаторы (роутеры) могут выполнять некоторые функции моста: анализ, фильтрацию и пересылку пакетов данных. Однако, в отличие от мостов, роутеры способны анализировать большой сетевой трафик, адаптироваться к изменениям сети, изолировать и защищать фрагменты сети от несанкционированного доступа и др.
Коммутаторы выполняют те же функции, что и сетевой мост. Они имеют больше возможностей за счет нескольких аппаратных портов, так как мост предлагает лишь два порта (один для входящего и второй для исходящего трафика). Коммутаторы сегодня используются чаще, чем сетевые мосты.
Различия сетевого моста по-умолчанию и моста, определенного пользователем
Работая в Docker и контейнирезируя приложения, пользователям доступно несколько режимов сети, включая сетевой мост. В Docker эта сеть носит название “bridge” для всех контейнеров для общения в пределах одного хоста, в случае отсутствия других описанных сетей.
Стоит отметить, что данная сеть (установленная по-умолчанию) не рекомендуется к использованию, и наилучшим вариантом будет настроить сеть самостоятельно. Вот, в чем основные преимущества пользовательского моста перед дефолтным:
- Наилучшая изоляция контейнеризированных приложений, которые открывают порты друг другу, а не в публичную сеть.
- Контейнеры в сети моста по-умолчанию могут обращаться к друг другу только по IP-адресам пока не указан параметр —link. Если сетевой мост настроен пользователем, к контейнеру можно обращаться по его имени или заданному alias.
- С пользовательскими мостами контейнеры можно подключать или отключать от сетей, вносить изменения в параметры в любой момент. Если же контейнеризация используется с мостами по-умолчанию, необходимо остановить контейнер и создать его заново уже с новыми сетевыми параметрами.
- Пользовательские мосты можно изменять и настраивать. Управлять такими мостами можно через docker network create или в файле Docker Compose во время его работы.
Раньше единственным способом обмена переменными среды между двумя контейнерами было их связывание с помощью —link. Это возможно во время работы с мостами по-умолчанию. Однако на сегодняшний день и этот способ устарел.
Сетевой мост
Мост, сетевой мост, бридж (англ. bridge ) — сетевое устройство 2 уровня модели OSI, предназначенное для объединения сегментов (подсети) компьютерной сети разных топологий и архитектур.
Содержание
Различия между коммутаторами и мостами
В общем случае коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают трафик, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему для коммутации пакетов). В настоящее время мосты практически не используются (так как для работы требуют производительный процессор), за исключением ситуаций, когда связываются сегменты сети с разной организацией первого уровня, например, между xDSL соединениями, оптикой, Ethernet’ом. В случае SOHO-оборудования, режим прозрачной коммутации часто называют «мостовым режимом» (bridging).
Функциональные возможности
- ограничение домена коллизий
- задержку фреймов, адресованных узлу в сегменте отправителя
- ограничение перехода из домена в домен ошибочных фреймов:
-
(фреймов меньшей длины, чем допускается по стандарту (64 байта))
- фреймов с ошибками в CRC
- фреймов с признаком «коллизия» (размером больше, чем разрешено стандартом)
Мосты «изучают» характер расположения сегментов сети путем построения адресных таблиц вида «Интерфейс:MAC-адрес», в которых содержатся адреса всех сетевых устройств и сегментов, необходимых для получения доступа к данному устройству.
Мосты увеличивают латентность сети на 10-30 %. Это увеличение латентности связано с тем, что мосту при передаче данных требуется дополнительное время на принятие решения.
Мост рассматривается как устройство с функциями хранения и дальнейшей отправки, поскольку он должен проанализировать поле адреса пункта назначения фрейма и вычислить контрольную сумму CRC в поле контрольной последовательности фрейма перед отправкой фрейма на все порты.
Если порт пункта назначения в данный момент занят, то мост может временно сохранить фрейм до освобождения порта.
Для выполнения этих операций требуется некоторое время, что замедляет процесс передачи и увеличивает латентность.
Дополнительная функциональность
- Обнаружение (и подавление) петель (широковещательный шторм)
- поддержку протокола Spanning tree (остовное дерево) для разрыва петель и обеспечения резервирования каналов.
Программная реализация
Режим бриджинга присутствует в некоторых видах высокоуровневого сетевого оборудования и операционных систем, где используется для «логического объединения» нескольких портов в единое целое (с точки зрения вышестоящих протоколов), превращая указанные порты в виртуальный коммутатор. В Windows XP/2003 этот режим называется «подключения типа мост». В операционной системе Linux при объединении интерфейсов в мост создаётся новый интерфейс brN (N — порядковый номер, начиная с нуля — br0), при этом исходные интерфейсы находятся в состоянии down (с точки зрения ОС). Для создания мостов используется пакет bridge-utils, входящий в большинство дистрибутивов Linux [1] .
Что такое сетевой мост и стоит ли его использовать?
Главная мысль: сетевой мост — это аппаратное устройство, которое может расширять локальную сеть, соединяя несколько сетей или позволяя подключаться к одной сети большему количеству устройств, чем это обычно возможно. Он также может разделить сеть пополам, чтобы упростить управление сетевым трафиком и помочь предотвратить любые коллизии («столкновения») информации, которые могут вызвать сбои в работе сети.
Если вы искали способы модернизировать свою локальную сеть (LAN), вы, вероятно, слышали разговоры о сетевых мостах. Так что же делают сетевые мосты и стоит ли их использовать?
Что такое сетевой мост?
Сетевые мосты — это устройства, которые позволяют нескольким локальным сетям взаимодействовать друг с другом, расширяя их охват за пределы одной сети. Они проверяют входящий трафик от сетевых устройств, таких как компьютеры, телефоны, принтеры и маршрутизаторы, а затем решают, следует ли пересылать этот трафик или отбрасывать его.
Согласно сетевой модели OSI, каждая сеть состоит из семи уровней для передачи информации, от физического до прикладного. Сетевые мосты находятся на втором, канальном, уровне модели OSI.
Что помогает мосту решить, куда направить входящий трафик, так это информация, передаваемая каждым устройством, пытающимся отправлять и получать данные в сети. Она может включать в себя протокол, который устройство использует для подключения, а также Media Access Control (MAC) этого устройства, также называемый аппаратным или физическим адресом.
Основная цель сетевого моста — предоставить большему количеству устройств доступ к сети без возникновения так называемого «домена коллизий». Домены коллизии — это когда два или более устройств в одной сети пытаются передать данные в одно и то же время, вызывая проблемы.
Если сеть слишком велика, можно использовать сетевой мост, чтобы разделить её на более мелкие сети. Если, например, к одной сети подключено 30 устройств, мост может уменьшить вероятность коллизии, разделив её на две сети по 15 устройств в каждой.
Когда устройство впервые передаёт данные в сеть, его MAC-адрес добавляется в таблицу переадресации, чтобы сетевой мост мог ссылаться на неё позже. После добавления MAC-адреса каждого устройства в таблицу сетевой мост может эффективно маршрутизировать трафик.
Нужен ли мне сетевой мост?
Большинству людей, вероятно, не нужно использовать сетевой мост. Обычно им не нужно подключать чрезмерное количество устройств к своей сети и им не нужна физическая зона покрытия, превышающая их дом.
Если у вас есть много устройств, которым необходимо подключиться к вашей беспроводной локальной сети, например, в большом офисе с несколькими компьютерами/маршрутизаторами и т. д., или вам необходимо подключить несколько локальных сетей, вам может пригодиться сетевой мост. Если ваша сеть особенно велика, лучшим вариантом может быть сетевой коммутатор.
Типы сетевых мостов
Сетевой мост может поддерживать несколько типов подключения в зависимости от используемого протокола. Существуют мосты Wi-Fi-Ethernet, мосты Wi-Fi-Bluetooth и мосты Wi-Fi-Wi-Fi. Каждый из них может быть использован для определённой цели. Например:
- Мосты Wi-Fi-Wi-Fi можно использовать для настройки точек беспроводного доступа, например, в местной кофейне.
- Мосты Bluetooth-Wi-Fi используются для подключения мобильных устройств с помощью Bluetooth дома или в офисе.
- Мосты Ethernet-Wi-Fi позволяют устройствам Ethernet получать доступ к беспроводной сети и особенно полезны для старых устройств, у которых нет возможности подключения к Wi-Fi.
Сетевые мосты и другие сетевые устройства
В дополнение к сетевым мостам для построения локальной сети можно использовать несколько других устройств. Некоторые из них выполняют схожие функции, но ни один из них не является полностью одинаковым.
Повторители, например, немного похожи на мосты, но их единственная функция — расширить зону покрытия локальной сети за счёт перенаправления трафика. Они не могут маршрутизировать трафик или разделять сеть. Некоторые сетевые мосты также могут действовать как повторители.
Свичи, коммутаторы (switch) выполняют почти ту же функцию, что и мост, с некоторыми вариациями. У них больше физических портов, чем у моста, обычно четыре или более, поэтому коммутаторы иногда называют многопортовыми мостами. Они используют ASICS (Application Specific Integrated Circuits) для маршрутизации трафика, в то время как мост использует программное обеспечение. Коммутаторы могут маршрутизировать трафик тремя способами:
- store and forward
- cut-through
- fragment-free
Мосты просто используют store and forward.
Маршрутизаторы более «интеллектуальны», чем сетевой мост, поскольку они могут динамически маршрутизировать трафик. Их можно настроить для фильтрации определённых пакетов данных для большей безопасности сети. Маршрутизаторы в сочетании со шлюзами работают как «магистраль» Интернета и, таким образом, могут работать с несколькими структурами сетевой адресации и размерами пакетов данных. У них также есть «режим моста», который вы можете использовать при нестабильном соединении.