Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

209

Мосты функционируют на канальном уровне и применяются для ре-

шения следующих задач в локальных сетях:

 увеличения максимального количества компьютеров в сети;

 разделения перегруженной сети на отдельные сегменты с уменьшен-

ным трафиком, в результате чего каждая подсеть работает более эффектив-

но;

 соединения разнородных физических сред (витая пара – коаксиальный

кабель).

Принципы работы моста. Мосты допускают использование в сети

всех протоколов сетевого уровня, не отличая при этом один протокол от

другого по той причине, что они работают на канальном уровне и им не дос-

тупна информация, содержащаяся на более высоких уровнях этой модели.

Мосты работают на подуровне управления доступом к среде. Поэтому в их

функции входит «прослушивание» всего трафика сегментов, подключенных

к их портам; проверка адресов источника и получателя каждого пакета; по-

строение таблицы адресации; передача пакетов.

Передача фреймов осуществляется следующим образом. Если получа-

тель не указан в таблице адресации, мост передает кадр во все сегменты

(волновая маршрутизация), а если адресат содержится в таблице, то мост пе-

редает кадр в указанный сегмент.

Работа моста основана на принципе, согласно которому каждый узел

сети имеет собственный МАС-адрес. Мост передает блоки, исходя из физи-

ческого адреса узла назначения. В начале работы таблица адресации моста

пуста и в ней находится только база данных пользователей сети. В процессе

прохождения кадров через узел адреса источников копируется в таблицу.

Таким образом, мост изучает расположение компьютеров в сегментах сети.

Принимая блок, мост ищет МАС-адрес источника в своей таблице ад-

ресации. В случае если адрес источника не найден, он добавляется в базу

данных таблицы. При наличии адреса получателя в таблице адресации, если

адресат располагается в одном сегменте с источником, то блок отбрасывает-

ся. Такая фильтрация уменьшает сетевой трафик и изолирует сегменты сети.

В противном случае мост передает кадр адресату через соответствующий

порт. В случае отсутствия адреса получателя в таблице, мост передает кадр

во все свои выходные порты, за исключением того номера порта, с которого

блок был принят.

Большая компьютерная сеть не ограничивается одним мостом. Если

между узлами имеется несколько путей, то определяется самый короткий из

них. Мост может работать как автономное устройство (внешний мост), так и

на сервере (внутренний), если сетевая ОС допускает установку на сервере

нескольких сетевых плат.

С электрической точки зрения мост представляет собой многопроцес-

Компьютерные сети

210

сорное коммуникационное устройство, блоки которого объединены внут-

ренней системной шиной (рисунок 3.26). Блоки МАС осуществляют доступ

к среде и выполняют функции портов моста. Они являются высокоскорост-

ными процессорами ввода/вывода. На схеме показано два порта. В общем

случае их может быть и больше.

Как и повторитель, мост не проводит никакой обработки кадра по из-

менению его содержания. Он осуществляет только регенерацию сигналов

данных и контроль кадров на наличие ошибок (собственно ошибок кадра и

выхода размера кадров за допустимые пределы). При обнаружении ошибок

кадр не транслируется в сегмент кабеля, к которому подключен адресат. Та-

кая функция моста защищает сегмент получателя от поврежденных кадров,

так как они требуют затрат ресурсов сегмента, а устройство-получатель в

любом случае отбросит поврежденный кадр.

3.5.3. Сетевые коммутаторы

Коммутатор (Switch) представляет собой мультипроцессорный мост,

способный независимо транслировать кадры между всеми парами своих

портов. Оба устройства, мост и коммутатор, передают кадры на основании

одного и того же алгоритма, называемого алгоритмом прозрачного моста,

изложенного в стандарте IEEE 802.1D. Понятие "прозрачный мост" означает,

что мосты и коммутаторы в процессе функционирования не учитывают су-

ществование в сети адаптеров, повторителей и концентраторов. С другой

стороны и перечисленные сетевые устройства "не замечают" присутствия в

сети мостов и коммутаторов. Отличие многопроцессорного коммутатора от

моста состоит в установке в коммутаторе коммутационной матрицы, связы-

Рисунок 3.26 – Структура сетевого моста с таблицей адресации

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

211

вающей между собой порты устройства. Существуют два способа передачи

кадров через коммутатор.

1. Запоминание кадра и последующая передача (Store-and-Forward).

При этом анализируется адрес источника и получателя, возможно использо-

вание фильтрации кадров по определенным признакам, а также контроль на-

личия ошибок. Недостаток такого способа – задержка кадров, которая растет

с увеличением их размеров, преимущество – высокая вероятность обнаруже-

ния ошибок.

2. Коммутация "на лету" (On The Fly). Данные передаются в выход-

ной порт после считывания адреса назначения, не дожидаясь окончания

приема всего кадра. При таком способе задержка кадров существенно мень-

ше, но практически исключена возможность контролировать ошибки. Сле-

дует заметить, что при передаче пакетов из низкоскоростного порта в высо-

коскоростной, например, из порта 10 Мбит/с в порт 100 Мбит/с, коммутацию

"на лету" использовать вообще невозможно, так как при организации соеди-

нения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Структурная схема коммутатора ЛКС изображена на рисунке 3.27.

Каждый из 8 портов обслуживается одним процессором ввода/вывода

(линейный процессор). Передатчик и приемник процессора работают неза-

висимо друг от друга и могут реализовать дуплексный режим обмена. Сис-

темный процессорный модуль поддерживает общую адресную таблицу ком-

мутатора и управляет коммутационной матрицей. Этот модуль работает в

многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров

Рисунок 3.27 – Структура сетевого коммутатора

Компьютерные сети

212

ввода/вывода. Коммутационная матрица функционирует по принципу ком-

мутации каналов, рассмотренном в первом разделе.

При поступлении кадра в какой-либо порт линейный процессор буфе-

ризирует несколько первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначе-

ния. После дешифрации адреса процессор принимает решение о передаче

пакета, не дожидаясь прихода последующих байтов кадра. Для этого он про-

сматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там

нужного адреса, обращается к системному процессорному модулю. Систем-

ный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает

линейному процессору найденную строку, которую тот буферизирует в сво-

ем кэше до следующего использования. Во время этих действий продолжа-

ется процесс буферизации поступающего кадра. Если кадр нужно отфильт-

ровать (не пропустить), процессор просто прекращает запись, очищает бу-

фер и ждет поступления нового кадра.

В случае необходимости передачи кадра в другой порт линейный про-

цессор пытается с помощью коммутационной матрицы соединиться с вы-

ходным портом назначения. Эта процедура возможна, если порт назначения

свободен. В случае занятости порта кадр буферизируется полностью, а про-

цессор ожидает освобождения требуемого выходного порта. Способ комму-

тации кадра "на лету" реализует конвейерную обработку кадров, что сущест-

венно повышает быстродействие коммутатора сети.

Несмотря на малую стоимость и высокую производительность, комму-

таторы на основе коммутационной матрицы слишком примитивны для эф-

фективной трансляции между низкоскоростными интерфейсами Ethernet или

Token Ring и высокоскоростными портами сетей ATM и FDDI.

Другим вариантом реализации сетевого коммутатора является исполь-

зование вместо коммутационной матрицы разделяемой системной памяти

(рисунок 3.28). Принцип соединения портов в таком коммутаторе аналоги-

чен принципу коммутации в системах с временным разделением каналов.

Прием запросов на установление соединения и управление буферами разде-

ляемой памяти осуществляет системный процессорный модуль.

В зависимости от соотношения скоростей ввода и вывода различают

коммутаторы с симметричной и асимметричной коммутацией. Все порты

симметричного коммутатора имеют одинаковую пропускную способность,

например 10 или 100 Мбит/с. В асимметричных коммутаторах данные могут

передаваться как между портами с равными скоростями передачи, так и с

разными (10/100 Мбит/с). В таких коммутаторах производится мультиплек-

сирование/демультиплексирование нескольких низкоскоростных потоков. В

случае необходимости передачи пакета, поступившего через порт с более

высокой скоростью на порт с меньшей пропускной способностью, например

100/10, производится буферизация поступившего пакета и последующая вы-

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

213

дача его с меньшей скоростью.

Высокая производительность коммутаторов и возможность параллель-

ной передачи кадров привели к тому, что они практически полностью вы-

теснили однопроцессорные мосты. Основным параметром коммутатора яв-

ляется его производительность. Для того чтобы охарактеризовать ее ис-

пользуются несколько параметров:

 скорость передачи между портами, измеряемая в пакетах/с;

 общая пропускная способность, характеризующая максимальную

суммарную скорость, с которой пакеты могут передаваться адресатам через

коммутатор;

 задержка – промежуток времени между получением пакета от от-

правителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относи-

тельно первого бита пакета.

В зависимости от вида решаемых задач коммутаторы подразделяют на

три класса: коммутаторы уровня доступа, коммутаторы для рабочих групп и

магистральные коммутаторы.

Уровень доступа является ближайшим к пользователю уровнем и

предоставляет ему доступ к ресурсам сети. Работающие на этом уровне ком-

мутаторы должны поддерживать подключение отдельных компьютеров к

объединенной сети.

Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают связь между груп-

пой компьютеров одной сети. Они являются точкой концентрации для не-

скольких коммутаторов уровня доступа и должны справляться с большими

Рисунок 3.28 – Сетевой коммутатор с разделяемой памятью

Компьютерные сети

214

объемами передаваемых данных. В зависимости от способа реализации, на

уровне доступа могут выполняться следующие функции:

 обеспечение маршрутизации, качества обслуживания и безопасности

сети;

 переход от одной технологии к другой (например, от 10BASE-T к

100BASE-TX или от 100BASE-TX к 1000BASE-T) и т.п.;

 объединение пропускных способностей низкоскоростных каналов дос-

тупа в высокоскоростные магистральные каналы.

Выпускаемые промышленностью современные коммутаторы для ра-

бочих групп представляют собой настраиваемые коммутаторы, которые

обеспечивают коммутируемые каналы 10/100 Мбит/с и 10/100/1000Мбит/с и

поддерживают до 24 пользователей и 2 порта Gigabit Ethernet для серверов.

Коммутаторы для рабочих групп позволяют полностью сохранить сетевую

инфраструктуру со стороны клиентов, включая программы, сетевые адапте-

ры, кабели.

Магистральные коммутаторы служат для передачи данных между

отдельными сегментами компьютерных сетей. Они выполняются преимуще-

ственно в виде модульных устройств и предназначены для работы в сетях

операторов связи. Основное их отличие – способность осуществлять комму-

тацию на сверхвысоких скоростях (до 10 Гбит/с). Магистральные коммута-

торы обычно имеют в своем составе от 8 до 16 портов со скоростью 10, 100

или 1000 Мбит/с, используемых для подключения сегментов рабочих групп,

и несколько магистральных портов со скоростью передачи до 10 Гбит/с.

Промышленностью выпускаются коммутаторы в исполнении для одной оп-

ределенной среды передачи с оптоволоконными портами 1000BASE-SX, так

и в универсальном исполнении с портами 100/1000BASE-T для медного ка-

беля и несколькими портами для оптоволоконных линий связи.

В последнее время появились комбинированные коммутаторы, спо-

собные кроме коммутации на канальном уровне выполнять функции мар-

шрутизаторов, а в ряде вариантов и функции транспортного уровня. Такие

устройства получили название соответственно "коммутаторы 3-го" или "4-

го уровня". Работа комбинированного коммутатора на втором, третьем или

четвертом уровне зависит от его настройки.

Коммутаторы 3-го уровня принимают решения на основе информа-

ции сетевого уровня, а не на основе МАС-адресов. Основная цель коммута-

ции такого типа – получить скорость коммутации 2-го уровня и масштаби-

руемость маршрутизации. Обработку пакетов коммутатор 3-го уровня вы-

полняет таким же образом, как и маршрутизатор:

 на основе информации 3-го уровня (сетевых адресов) определяет путь

к месту назначения пакета;

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

215

 проверяет целостность заголовка 3-уровня путем вычисления кон-

трольной суммы;

 контролирует время жизни пакета;

 обновляет статистику в Информационной базе управления MIB

(Management Information Base);

 обеспечивает необходимое качество сервиса (QoS) для мультимедий-

ных приложений, чувствительных к задержкам передачи.

Основное отличие между маршрутизаторами и коммутаторами третьего

уровня заключается в том, что в основе коммутации 3-го уровня лежит аппа-

ратная реализация. В маршрутизаторах общего назначения коммутация па-

кетов обычно выполняется программным образом. В связи с тем, что комму-

таторы 3-го уровня обычно быстрее и дешевле маршрутизаторов, то их ис-

пользование в локальных сетях предпочтительнее.

Под коммутацией 4-го уровня понимают возможность коммутатора

принимать решение о передаче пакета, основываясь не только на МАС- или

IP-адресах, но и на параметрах четвертого уровня, таких как номер порта

TCP/UDP. При выполнении функции 4-го уровня, коммутатор читает поля

TCP- и UDP-заголовка и определяют, какой тип информации передается в

этом пакете. Администратор сети также может запрограммировать коммута-

тор обрабатывать трафик в соответствии с приоритетом приложений. Эта

функция позволяет задавать качество сервиса для конечных пользователей.

При указании качества обслуживания коммутатор 4-го уровня будет выде-

лять, например, трафику видеоконференции, большую полосу пропускания

по сравнению с почтовым сообщением или пакетом FTP.

Для настройки коммутатора необходимо установить физическое со-

единение между коммутатором и рабочей станцией. Существуют два типа

кабельного соединения, используемых для управления коммутатором. Пер-

вый тип – через консольный порт (интерфейс RS-232C, если он имеется у

устройства), второй – через порт Ethernet (по протоколу Telnet или через

Web-интерфейс). Консольный порт используется для первоначальной кон-

фигурации коммутатора и обычно не требует настройки. Для того чтобы по-

лучить доступ к коммутатору через порт Ethernet, устройству необходимо

назначить IP-адрес.

3.5.4. Маршрутизаторы и шлюзы

Маршрутизаторы (Routers) работают на сетевом уровне. Это означа-

ет, что они могут переадресовывать и маршрутизировать пакеты через мно-

жество сетей, обмениваясь служебной информацией, зависящей от протоко-

ла между различными сетями. Электрическая схема маршрутизатора отлича-

Компьютерные сети

216

ется от схемы моста наличием не менее трех портов и алгоритмом перена-

правления кадров между портами. Маршрутизаторы могут также выполнять

функции мостов, в частности фильтровать и изолировать трафик, соеди-

нять сегменты сети. Однако маршрутизаторам доступен больший объем

управляющей информации, чем мостам, и они используют ее для оптимиза-

ции доставки пакетов.

Таблица маршрутизации, размещаемая в маршрутизаторе, содержит

сетевые адреса. Для каждого протокола, используемого в сети, строится

своя таблица, которая помогает маршрутизатору определить адреса назначе-

ния для поступающих данных. Она включает следующую информацию:

 все известные сетевые адреса;

 способы связи с другими сетями;

 возможные пути между маршрутизаторами;

 стоимость передачи данных по этим путям.

Маршрутизатор выбирает наилучший маршрут для пакетов, сравнивая

стоимость и доступность различных путей. Следует заметить, что таблица

маршрутизации существует и для мостов, однако она содержит адреса поду-

ровня управления доступом к среде, тогда как таблица маршрутизатора со-

держит номера сетей. Поэтому термин «таблица маршрутизации» для мостов

и маршрутизаторов имеет разный смысл. Маршрутизаторы взаимодействуют

только с другими маршрутизаторами, а не с рабочими станциями.

В связи с тем, что маршрутизаторы выполняют более сложную обра-

ботку пакета, они обладают меньшим быстродействием по сравнению с мос-

тами. Когда пакеты передаются от одного маршрутизатора к другому, адреса

источника и получателя канального уровня маршрутизатором отсекаются, а

затем создаются заново. Это позволяет передавать сообщения между разно-

типными сетями, например TCP/IP – Ethernet или TCP/IP –Token Ring.

Воспринимая только адресованные сетевые пакеты, маршрутизаторы

препятствуют проникновению в сеть некорректных пакетов. Они не пропус-

кают также широковещательные сообщения. Все это уменьшает межсетевой

трафик и повышает эффективность сетей.

Маршрутизаторы способны соединять сегменты с абсолютно разными

схемами упаковки данных в пакеты и доступа к среде, им часто доступны

несколько путей. При отказе одного из маршрутизаторов, данные будут пе-

редаваться по другим. Используя сведения о загруженности участков сети и

о стоимости пути, маршрутизатор выбирает оптимальный путь. Маршрути-

заторы подразделяются на два основных вида:

 статические, когда администратор вручную создает и конфигури-

рует таблицу маршрутизации, а также указывает каждый маршрут;

 динамические, в которых маршруты определяются автоматически

на основе анализа информации от соседних маршрутизаторов.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

217

Маршрутизаторы наилучшим образом подходят для соединения уда-

ленных сетей, так как передают по каналу связи только те данные, которые

предназначены для этих сетей.

Маршрутизаторы обладают собственной операционной системой.

Управлять ими можно путем задания инструкций в командной строке дан-

ной операционной системы с помощью любой терминальной программы че-

рез последовательный порт компьютера, связанного с консольным портом

маршрутизатора. Конфигурация маршритизатора возможна и дистанцион-

ным способом с помощью программы Telnet на IP-адрес любого из его ин-

терфейсов.

Мосты-маршрутизаторы (Brouters) соединили лучше свойства моста

и маршрутизатора. Для одних протоколов они могут действовать как мост, а

для других – как маршрутизатор.

С маршрутизаторами работают не все протоколы. Поэтому если есть

необходимость применить в сети маршрутизаторы, следует убедиться, что в

сети не используются немаршрутизируемые протоколы. К маршрутизируе-

мым протоколам относятся: IP, IPX XNS, DECnet; к немаршрутизируемым

– протокол NetBEUI.

Шлюзы (Gateways). Этим термином раньше называли маршрутизи-

рующее устройство. В настоящее время узлы, выполняющие эти функции,

называются маршрутизаторами. Под шлюзами (в узком смысле слова) пони-

мают устройства, обеспечивающие взаимодействие между сетями различно-

го типа, в частности, шлюзы связывают две системы, которые используют

разные коммуникационные протоколы, структуры и форматы данных, язы-

ки, архитектуры.

Шлюзы создаются для выполнения определенного типа задач, т.е. для

конкретного типа преобразования данных, например, шлюз Windows NT

Server to SNA Gateway. Шлюз принимает данные из одной среды, удаляет

старый протокольный стек и переупаковывает их в протокольный стек сис-

темы назначения. Некоторые шлюзы используют все семь уровней модели

ВОС, однако, чаще шлюзы выполняют преобразования на прикладном уров-

не. Обычно функции шлюзов в сети реализуют выделенные серверы.

Шлюзы осуществляют преобразования протоколов данных. Однако

они имеют некоторые ограничения, а именно:

 предназначены для выполнения одной конкретной задачи;

 часто работают с низкой производительностью;

 имеют достаточно высокую стоимость.

Таким образом, шлюзы следует использовать, если необходимо уста-

новить связь между различными сетями.

Компьютерные сети

218

3.6. Сегментация локальных компьютерных сетей

3.6.1. Домен коллизий и необходимость сегментации сетей

В сетях со случайным доступом типа CSMA/CD при попытке одно-

временного начала передачи данных двумя или несколькими рабочими стан-

циями возникают коллизии (см. пп. 3.1.2). В расширенных сетях Ethernet,

построенных на основе повторителей или концентраторов, сигналы колли-

зий проходят беспрепятственно через такие устройства и распространяются

на всю сеть. Участок сети, состоящий из нескольких сегментов, в пределах

которого распространяется коллизия, называется доменом коллизий. Для

исключения влияния скорости на расчет параметров домена коллизий его

размер целесообразно измерять не в единицах длины (м), а в бит-интервалах,

то есть, в интервалах времени, необходимого для передачи одного бита. Для

сети Fast Ethernet эта величина равна 10 нс, а для сети Ethernet - 100 нс. В пп.

3.1.2 показано, что минимальная длина кадра в сети CSMA/CD, измеряемая

числом битовых интервалов равняется 2Bd/ν, где В – скорость передачи сиг-

налов, d – диаметр сети и ν – скорость распространения сигналов в среде пе-

редачи. Время, затрачиваемое на распространения сигнала по сегменту в

прямом и обратном направлении, равное 2d/ν, называется временем двойно-

го оборота PDV (Path Delay Value).

Расчет домена коллизий сводится к определению времени двойного

оборота PDV и времени уменьшения межкадрового интервала IPG (Inter

Packet Gap). Сеть Ethernet будет устойчиво функционировать только в том

случае, если эти параметры не превышают допустимые значения для данной

скорости передачи. При расчете необходимо учитывать задержки распро-

странения сигналов, которые вносят повторители (концентраторы) и среда

распространения, а также уменьшение интервала времени межпакетной пау-

зы в процессе прохождения кадров через цепочку повторителей.

Время двойного оборота сети определяется по формуле

,)(







CSjCSj

TlTPDV

где T

– базовая задержка в i-м концентраторе (хабе) в бит-интервалах; l

CSj

– длина j-го сегмента кабеля в метрах; T

CSj

– удвоенный удельный интервал

задержки в j-м кабельном сегменте в бит-интервалах на метр; KH – макси-

мальное количество концентраторов в сети; KS – максимальное количество

кабельных сегментов в сети. Термин «базовая задержка» включает задерж-