Как устроена сеть, которую можно менять без отключения связи
В здании работает видеонаблюдение, сотрудники проводят видеозвонки, а посетители подключаются к Wi-Fi. Все эти устройства обмениваются данными, хотя пользуются сетью по-разному. Если оборудования становится больше, прежних подключений и скорости может уже не хватать. Тогда инженеру предстоит расширить сеть и сохранить работу сервисов во время изменений. Для этого нужно понимать путь каждого потока данных: от камеры или компьютера до коммутатора, а затем — к другим участкам сети.
Такие задачи решают и в офисном здании, и у оператора связи, обслуживающего целый город. Как появились локальные сети, что делает коммутатор и чему учатся специалисты, которые отвечают за связь, рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Сначала схема, затем кабели
Проектирование сети начинается с людей и устройств, которым она нужна. Сотрудник должен открывать рабочие сервисы, посетитель — пользоваться гостевым интернетом, камера — передавать изображение, а администратор — видеть, всё ли оборудование работает. Инженер выясняет, сколько будет подключений и как может вырасти их число. Затем определяет, где потребуется высокая скорость, каким устройствам нужно питание и что должно произойти, если одна из линий перестанет работать. Лишь после этого можно выбирать оборудование и места для его установки.
На схеме инженер отмечает соединения между устройствами, а затем рассчитывает количество портов — разъёмов, к которым подключаются кабели или оптические линии. Но готовой схемы недостаточно. Коммутаторы нужно настроить: определить, какие устройства смогут обмениваться данными, как пойдут потоки между участками сети и откуда администратор узнает о неисправности. При запуске проверяют не только наличие связи, но и работу сервисов под нагрузкой. Такая подготовка позволяет позже добавить новые камеры или заменить оборудование, понимая, какие соединения затронут изменения.
От общего кабеля к коммутатору
История Ethernet началась в 1970-х годах в исследовательском центре Xerox PARC. Его сотрудники разрабатывали компьютеры, которым требовалось обмениваться файлами и пользоваться общими устройствами, в том числе принтерами. Роберт Меткалф предложил способ соединить их в локальную сеть, а Дэвид Боггс участвовал в создании работающей системы. В 1973 году появилась концепция Ethernet — технологии, на которой впоследствии стали строить множество локальных сетей. Она решала практическую задачу: как передавать сообщения между компьютерами, находящимися рядом, без отдельной линии для каждой пары машин.
В раннем Ethernet компьютеры пользовались общей средой передачи. Сообщение поступало ко всем устройствам, подключённым к кабелю, но принимал его нужный адресат. Если два компьютера начинали передачу одновременно, сообщения мешали друг другу, и попытку приходилось повторять. Для небольшой сети такая организация подходила, но с ростом числа устройств общий кабель становился неудобным. Чем активнее компьютеры обменивались данными, тем важнее было распределять потоки и уменьшать число ситуаций, в которых передачи сталкиваются.
В 1980-х локальные сети всё чаще появлялись в организациях, а Ethernet конкурировал с другими способами соединения компьютеров. Менялось и оборудование: вместо одного общего кабеля стали применять отдельные соединения от устройств к центральному узлу. Развитие коммутаторов позволило направлять данные туда, где находится получатель. Сообщение уже не требовалось всякий раз передавать всем подключённым компьютерам. Эта перемена стала основой для сетей, в которых одновременно работают десятки и сотни устройств.
Позднее выросли скорости передачи, а наряду с медными кабелями всё шире стали использовать оптические линии. Локальная сеть перестала обслуживать только компьютеры и принтеры: к ней подключили телефоны, точки Wi-Fi, камеры и другое оборудование. Вместе с этим изменилась работа инженера. Ему понадобилось разделять потоки, рассчитывать нагрузку и заранее продумывать действия при отказе линии. Современный коммутатор выполняет часть этих задач автоматически, но правила его работы задаёт человек.
Как сообщение находит нужный порт
У подключённого к Ethernet устройства есть аппаратный адрес — MAC-адрес. Данные внутри локальной сети передаются небольшими частями, которые называют кадрами; в каждом указаны адреса отправителя и получателя. Когда кадр приходит на коммутатор, тот запоминает, с какого порта виден отправитель. Так постепенно складывается таблица адресов: коммутатор узнаёт, куда передавать следующие кадры для знакомого ему устройства. Если адрес получателя пока неизвестен, кадр может быть отправлен через другие подходящие порты в пределах того же сегмента сети.
Работа коммутатора отличается от маршрутизации. Коммутатор направляет кадры между устройствами внутри локальной сети, опираясь на MAC-адреса. Маршрутизатор соединяет разные сети и помогает данным двигаться дальше — например, из сети здания к ресурсам оператора связи. Для этого используются IP-адреса, с которыми знакомы многие пользователи компьютеров. В крупной инфраструктуре некоторые устройства совмещают функции коммутации и маршрутизации, но инженеру всё равно нужно понимать, где заканчивается один участок сети и начинается другой.
Обычно ближе всего к пользователям находятся коммутаторы доступа: к ним подключают рабочие места, камеры и точки Wi-Fi. Потоки с нескольких таких устройств собираются на следующем участке — уровне агрегации. Здесь требуются более скоростные соединения, поскольку по ним идёт суммарный трафик множества пользователей. Далее данные могут передаваться в другие сети через оборудование с функциями маршрутизации. Конкретная схема зависит от здания, числа устройств и требований к связи: небольшому офису и региональному оператору нужны сети разного масштаба.
Одна инфраструктура, разные задачи
Рабочим компьютерам, гостевому Wi-Fi и камерам не всегда следует находиться в одном логическом сегменте сети. Для разделения применяют VLAN — виртуальные локальные сети. Физически устройства могут подключаться к одним и тем же коммутаторам, но настройки определяют, какие из них относятся к каждому сегменту. Например, посетителю можно предоставить доступ в интернет, не включая его устройство в сеть внутренних рабочих мест. Если обмен между сегментами необходим, инженер задаёт для него маршруты и правила доступа, а затем проверяет их действие.
Некоторым устройствам вместе с данными требуется питание. Технология PoE позволяет передавать электричество по Ethernet-кабелю, к которому подключена, например, камера или точка Wi-Fi. Это удобно, когда рядом с устройством нет розетки, но питание всё равно нужно рассчитать. У коммутатора есть общий запас мощности, а у каждого порта и подключённого устройства — свои возможности и потребности. Инженер проверяет, хватит ли мощности всем камерам одновременно и останется ли запас при добавлении новых. Иначе устройство может перестать работать даже при исправной передаче данных по кабелю.
Ещё одна задача — сохранить связь при неисправности. Узлы можно соединить дополнительными линиями, чтобы у данных оставался другой путь. Но если просто подключить резервные кабели без настройки, кадры способны начать ходить по замкнутому кругу и мешать работе сети. Инженеры используют механизмы предотвращения таких петель и, когда это подходит проекту, объединяют несколько линий для совместной работы. После настройки они проверяют, что произойдёт при отключении одного соединения и как быстро связь восстановится по оставшемуся пути.
Узнать о проблеме помогают показатели работы оборудования и журналы событий. По ним можно увидеть, когда пропал сигнал на порту, изменилось состояние соединения или возникла ошибка. Поэтому проверка сети не сводится к вопросу, открывается ли страница на одном компьютере. Инженеру важно узнать, как одновременно работают видеозвонок, камеры и другие сервисы, что происходит при росте нагрузки и где искать причину сбоя. Эти наблюдения показывают и то, какие участки сети вскоре потребуют расширения.
Обновить сеть, пока ею пользуются
С такой задачей столкнулся региональный оператор связи «Ярнет», работающий в Ярославле и Ярославской области. Число подключений росло, развивались услуги видеонаблюдения, а на отдельных участках стало не хватать портов и пропускной способности. Для подключения новых камер требовались и коммутаторы с поддержкой PoE. Остановить действующую сеть на время полной замены оборудования было бы неудобно для абонентов. Поэтому инженерам предстояло расширять её по частям, сохраняя работу уже подключённых сервисов.
На уровне доступа оператор установил несколько моделей коммутаторов российского производства. Среди них были устройства с PoE для подключения камер и точек беспроводного доступа. Для более нагруженных участков агрегации выбрали модель с 48 интерфейсами со скоростью до 10 Гбит/с и шестью интерфейсами со скоростью до 100 Гбит/с. Быстрые соединения позволяют собирать потоки с нижестоящих узлов и передавать их дальше. При выборе оборудования инженеры также учитывали совместимость с действующей сетью, где уже работали устройства разных производителей.
Модернизацию начали с узлов, на которых требовались новые подключения с PoE. После установки коммутаторов инженеры переносили на них нагрузку и проверяли, продолжают ли работать сервисы. Одновременно обновляли участки агрегации: новые устройства вводили по мере готовности отдельных узлов. Специалисты «Ярнета» самостоятельно выполнили настройку по технической документации, а после каждого этапа проверяли стабильность сети и совместимость оборудования. Основные работы заняли около двух месяцев и, по сообщению оператора, прошли без простоев для абонентов. К моменту завершения этих этапов в сети работали 14 новых коммутаторов агрегации.
Технический директор «Ярнета» Денис Токарев описал главный критерий такой работы: «Для нас главное — качество связи, которой абоненты пользуются каждый день». Его слова объясняют, почему при модернизации недостаточно установить более производительный коммутатор. Нужно перенести на него подключения, убедиться в работе услуг и иметь возможность разобраться со сбоем, если он возникнет. Для абонента результат заметен по привычным действиям: открывается страница, работает камера, не прерывается разговор.
Инженер ищет причину сбоя
Работу сетевого инженера удобно изучать на лабораторном стенде. На нём можно соединить несколько устройств, назначить им адреса и настроить обмен данными. Затем — специально отключить кабель, изменить настройки VLAN или питание учебной камеры и попытаться найти неисправность. Индикаторы, журналы событий и проверочные команды помогают последовательно исключать возможные причины. Такой опыт показывает, что одинаковый для пользователя симптом — «нет связи» — может возникнуть на разных участках сети.
В действующей сети к диагностике добавляется ответственность за изменения. Перед перенастройкой инженер сохраняет прежнюю конфигурацию, готовит план проверки и продумывает, как вернуться к рабочему состоянию, если что-то пойдёт не так. При запуске он проверяет кабели и оптические линии, адреса устройств, настройки портов, доступность сервисов и сообщения об ошибках. Ему нужно читать документацию оборудования и понимать, как поведут себя устройства разных производителей в одной сети. Работа с командной строкой здесь служит способом точно задать настройки и увидеть состояние оборудования.
Инженер также получает сведения от других специалистов. Администратор рассказывает, какие сервисы нужны сотрудникам, монтажник — где проходят линии, специалист по информационной безопасности — кому разрешён доступ к разным сегментам. Дежурная смена помогает выбрать время для переключения работающего узла. Из этих требований складывается порядок действий: что подключить первым, что проверить после изменения и кого предупредить о результате. Во время модернизации «Ярнета» такой порядок позволил обновлять сеть отдельными участками, не останавливая её целиком.
Где освоить сетевые технологии
Первую небольшую сеть можно собрать ещё во время учёбы в школе. Несколько компьютеров и сетевых устройств помогут разобраться, чем отличается IP-адрес от MAC-адреса, как сообщение проходит через коммутатор и когда ему нужен маршрутизатор. Для начала полезны информатика и математика; английский пригодится при чтении технической документации. На учебном стенде можно повторять настройку и разбирать ошибки, не затрагивая связь реальных пользователей. Особенно полезно после каждого опыта проверять своё предположение: изменится ли путь данных, если отключить линию или перенести устройство в другой сегмент?
В колледжах и университетах к профессии ведут программы по инфокоммуникационным технологиям, сетям связи, информационной безопасности и системному администрированию. В учебных лабораториях студенты настраивают коммутаторы и маршрутизаторы, соединяют их в сеть и наблюдают, как оборудование выполняет заданные правила. Например, в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций имени профессора М. А. Бонч-Бруевича для этого используют стенды с маршрутизаторами и коммутаторами российского производства. Практика позволяет перейти от схемы в учебнике к вопросам, с которыми инженер сталкивается на работе: почему устройство оказалось не в том сегменте, куда пропал доступ и что изменится после настройки порта.
Тем, кто уже знаком с основами передачи данных, подходят практические курсы по сетевому администрированию. На них изучают первоначальную настройку оборудования, VLAN, диагностику, защиту от петель, мониторинг и сохранение конфигурации. Такие занятия проводят образовательные организации и учебные центры; программы различаются по уровню подготовки и используемому оборудованию. Перед выбором курса полезно посмотреть, сколько времени отведено лабораторным работам. Именно там можно научиться замечать последствия своей настройки и исправлять ошибку, а не только запоминать названия команд.
После обучения навыки продолжают развиваться на работающей сети. Молодому специалисту поручают следить за её состоянием, документировать изменения, искать причины неисправностей и готовить настройки к проверке старшим инженером. Со временем задач становится больше: нужно рассчитать расширение сети, согласовать переключение оборудования и провести его так, чтобы пользователи сохранили доступ к своим сервисам. Начать можно с маленького учебного стенда и одного сообщения между двумя компьютерами. Проследив его путь, легче понять, что предстоит делать инженеру, когда через его сеть проходят уже тысячи таких сообщений.
Источник: пресс-служба МАИ