Fundamentalny Problem: Jak Połączyć Wiele Urządzeń?

Wyobraź sobie, że masz dwa komputery i chcesz, aby mogły się ze sobą komunikować. Rozwiązanie jest proste: możesz je połączyć bezpośrednio jednym kablem sieciowym. Jest to połączenie typu punkt-punkt. Ale co w sytuacji, gdy masz trzy, cztery lub dziesięć komputerów? Bezpośrednie łączenie każdego komputera z każdym innym doprowadziłoby do plątaniny kabli i byłoby całkowicie niepraktyczne.

To wyzwanie doprowadziło do rozwoju centralnych urządzeń sieciowych. Zamiast łączyć urządzenia ze sobą, wszystkie łączy się do jednego, centralnego punktu. We wczesnych dniach ewolucji Ethernetu od starej topologii magistrali do bardziej solidnej topologii gwiazdy, pierwszym i najprostszym z tych centralnych urządzeń był koncentrator, znany również jako hub. Zapewniał on prosty i tani sposób na budowę lokalnej sieci komputerowej (LAN).

Czym Jest Koncentrator Ethernet? „Głupi” Regenerator Warstwy 1

Hub to bardzo podstawowe urządzenie sieciowe, które działa na samym dole hierarchii sieciowej: w Warstwie 1, czyli Warstwie Fizycznej, modelu OSI. Jest to najważniejsza rzecz do zrozumienia na temat koncentratora, ponieważ dyktuje ona jego zachowanie i ograniczenia.

Ponieważ jest to urządzenie warstwy 1, hub nie ma pojęcia o „danych” w sensie, w jakim o nich myślimy. Nie rozumie on:

• Ramek ani Pakietów: Nie potrafi zidentyfikować początku ani końca ramki Ethernet.
• Adresów MAC: Nie potrafi odczytać źródłowego ani docelowego adresu MAC wewnątrz ramki.
• Adresów IP: Z pewnością nie ma wiedzy o adresach wyższych warstw, takich jak IP.

Jedyną funkcją huba jest działanie jako regenerator wieloportowy. Odbiera on sygnały elektryczne reprezentujące bity na jednym ze swoich portów, oczyszcza je i regeneruje do pierwotnej mocy, a następnie rozgłasza (powtarza) je na wszystkie pozostałe porty. Jest to w zasadzie elektroniczna komora echa dla sygnałów sieciowych.

Fizyczna Gwiazda, Logiczna Magistrala: Ważne Rozróżnienie

Przejście na sieci oparte na koncentratorach przyniosło powszechne zastosowanie topologii gwiazdy. W tym fizycznym układzie każde urządzenie ma swój własny, dedykowany kabel prowadzący do centralnego koncentratora. Było to ogromne ulepszenie w stosunku do starszej topologii magistrali (jak w 10Base-2), gdzie wszystkie urządzenia były połączone szeregowo na jednym kablu. W topologii gwiazdy przerwa w jednym kablu wpływa tylko na jedno urządzenie, a nie na całą sieć, co znacznie ułatwia diagnostykę.

Jednakże, w tym miejscu należy dokonać kluczowego rozróżnienia. Chociaż topologia fizyczna była gwiazdą, sposób działania koncentratora oznaczał, że topologia logiczna wciąż była magistralą. Ponieważ hub rozgłasza każdy sygnał na każdy port, wszystkie podłączone urządzenia efektywnie współdzielą ten sam kanał komunikacyjny. Z elektrycznego punktu widzenia wygląda to tak, jakby wszystkie wciąż były podłączone do tego jednego kabla magistrali. Każdy słyszy wszystko, i tylko jedno urządzenie może mówić w danym momencie. Ta logiczna struktura magistrali jest bezpośrednią przyczyną głównego ograniczenia huba: domeny kolizyjnej.

Domena Kolizyjna: Jeden Pokój do Rozmów

Domena kolizyjna to segment sieci, w którym wszystkie podłączone urządzenia współdzielą to samo medium, co stwarza sytuację, w której transmitowane przez nie sygnały mogą się ze sobą zderzyć, czyli „skolidować”. Najważniejszą cechą charakterystyczną koncentratora jest to, że tworzy on jedną, dużą domenę kolizyjną, która obejmuje wszystkie jego porty.

Konsekwencje Jednej Domeny Kolizyjnej

• Działanie w trybie Półdupleksu (Half-Duplex):Ponieważ wszystkie urządzenia współdzielą tę samą ścieżkę elektryczną, nie mogą jednocześnie wysyłać i odbierać danych. Komunikacja jest ograniczona do trybu półdupleksu. Urządzenie musi czekać, aż linia będzie wolna, zanim zacznie nadawać, i nie może odbierać podczas nadawania.
• Degradacja Wydajności:W miarę podłączania kolejnych urządzeń do huba (lub łączenia hubów kaskadowo), pojedyncza domena kolizyjna staje się coraz większa. Więcej urządzeń oznacza więcej ruchu i statystycznie wyższe prawdopodobieństwo kolizji. Każda kolizja zmusza zaangażowane urządzenia do zatrzymania się, odczekania losowego czasu i ponownej transmisji. Ten proces oczekiwania i retransmisji marnuje przepustowość i znacznie obniża ogólną efektywną przepustowość sieci. Im więcej urządzeń, tym wolniejsza staje się sieć dla wszystkich.
• Konieczność Stosowania CSMA/CD:W tym podatnym na kolizje środowisku protokół CSMA/CD jest niezbędny do zapewnienia zasad dostępu do medium i odzyskiwania sprawności po kolizjach. Sam hub nie implementuje CSMA/CD; jego fizyczne działanie tworzy warunki, w których urządzenia końcowe muszą używać CSMA/CD, aby móc funkcjonować.

Niewydajność i Problemy z Bezpieczeństwem Hubów

Natura huba polegająca na "rozgłaszaniu wszystkiego" prowadzi do istotnych problemów wykraczających poza same kolizje.

Marnotrawstwo Przepustowości

Wyobraźmy sobie 10-portowy hub w sieci 100 Mb/s. Całkowita teoretyczna przepustowość wynosi 100 Mb/s. Jednakże, ta przepustowość jest współdzielona przez wszystkie 10 portów. Jeśli Host A wysyła duży plik do Hosta B, a w tym samym czasie Host C wysyła plik do Hosta D, wszyscy konkurują o kawałek tych samych 100 Mb/s. Zachowanie rozgłoszeniowe huba oznacza, że każda ramka od każdego urządzenia jest wysyłana do każdego innego urządzenia, niepotrzebnie zużywając przepustowość na wszystkich łączach.

Brak Bezpieczeństwa

Krytyczną wadą koncentratorów jest całkowity brak izolacji ruchu. Ponieważ każda ramka jest wysyłana na każdy port, każde urządzenie podłączone do huba może zobaczyć cały ruch przechodzący przez niego, niezależnie od zamierzonego odbiorcy. Złośliwy użytkownik mógłby łatwo podłączyć komputer do huba, ustawić kartę sieciową w tryb promiscuousi użyć sniffera pakietów (np. Wireshark) do przechwycenia i inspekcji wszystkich danych przepływających w sieci. To sprawia, że huby są z natury niebezpieczne dla wszelkiej poufnej komunikacji.

Dziedzictwo i Zastąpienie przez Przełączniki

Mimo wszystkich swoich wad, koncentratory były ważnym krokiem w ewolucji Ethernetu. Uczyniły tworzenie sieci w topologii gwiazdy przystępnym cenowo i znacznie prostszym niż poprzedzające je systemy oparte na magistrali koncentrycznej.

Jednakże ich poważne ograniczenia pod względem wydajności, skalowalności i bezpieczeństwa sprawiły, że zostały one szybko unieważnione przez wynalezienie i powszechne wdrożenie przełącznika Ethernet (switcha). Przełącznik, działający w Warstwie 2 (Warstwie Łącza Danych), jest urządzeniem inteligentnym. Uczy się adresów MAC urządzeń podłączonych do każdego z jego portów i tworzy tablicę adresów MAC. Gdy ramka przybywa, przełącznik analizuje docelowy adres MAC i przesyła ramkę tylko do portu, w którym znajduje się urządzenie docelowe.

Ta prosta zmiana fundamentalnie rozwiązuje wszystkie problemy koncentratora: dzieli dużą, pojedynczą domenę kolizyjną na oddzielne mikro-domeny dla każdego portu, eliminuje kolizje (pozwalając na komunikację w pełnym dupleksie), zapewnia dedykowaną przepustowość dla każdego połączenia i gwarantuje bezpieczeństwo przez izolację ruchu. Dzisiaj koncentratory są uważane za całkowicie przestarzałe i można je znaleźć jedynie w starszych instalacjach lub w otoczeniu przypominającym muzeum.