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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

219

ку, вносимую приемником, блоком регенерации и передатчиком концентра-

тора (повторителя), находящегося между кабельными сегментами сети.

Для расширенных сетей, состоящих из нескольких кабельных сегмен-

тов, стандартом IEEE 802.3 установлено правило 5-4-3, в соответствии с ко-

торым в такой сети допускается не более 5 сегментов и использование не бо-

лее 4-х повторителей (концентраторов). Для надежного распознавания кол-

лизий в сетях Ethernet стандартом регламентируется время двойного оборота

PDV, которое не должно превышать 575 битовых интервалов. В процессе

прохождения кадра через несколько повторителей межкадровый интервал

может уменьшиться настолько, что сетевым адаптерам в последнем сегменте

не хватит времени на обработку предыдущего кадра, в результате чего он

может быть потерян. Номинальное значение межкадрового интервала, уста-

новленное IEEE 802.3, равно 9,6 мкс, что составляет 96 битовых интервалов

(см. рисунок 3.7). Стандартом допускается уменьшение этого интервала до

граничной величины, равной 47 битовых интервалов. Отсюда следует, что

допустимое суммарное время уменьшения IPG в сегментах сети может быть

не более 96-47 = 49 битовых интервалов.

В стандарте IEEE 802.3 приведены максимальные значения задержек

распространения сигналов и сокращения межкадрового интервала в пере-

дающем (прд) и промежуточном (промежуточ.) сегментах (таблица 3.3) для

сети Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с.

Таблица 3.3 – Типовые значения PDV и межпакетной паузы IPG

Базовая задержка сегмента

в битовых интервалах (б.и.)

Тип

сегмента

левого

промежу-

точного

правого среды

на 1 м

Уменьшение IPG

сегмента, б.и.

прд/промежуточ.

Макси-

мальная

длина

сегмента,

10BASE-5 11,8 46,5 169,5 0,0866 16 / 11 500

10BASE-2 11,8 46,5 169,5 0,1026 16 / 11 185

10BASE-Т 15,3 42,0 165,0 0,1130 10,5 / 8 100

10BASE-F 12,3 33,5 156,5 0,1000 10,5 / 8 2000

Левым по терминологии стандарта называется сегмент, в котором на-

чинается путь сигнала от компьютера-источника, а правым – самый удален-

ный конечный сегмент сети, в котором может возникнуть коллизия. Сегмен-

ты, располагаемые на пути сигнала между левым и правым сегментами от-

носят к промежуточным.

Особенностью таблицы является то, что в ней приведены значения уд-

военной удельной задержки среды, чем учитывается распространение сигна-

ла данных в прямом направлении и сигнала коллизии в обратном.

Компьютерные сети

220

Для расчета сегментов сетей Fast Ethernet комитет 802.3 также дает ис-

ходные данные для вычисления времени двойного оборота. Задержка сег-

мента определяется типом сетевого адаптера и типом и категорией соедини-

тельного кабеля (таблица 3.4). Все сегменты предполагаются однородными

без разделения на правый, левый и промежуточный.

Таблица 3.4 – Максимальные задержки в сегментах и адаптерах сети Fast

Ethernet на 100 Мбит/с

Удвоенная задержка

кабеля в б.и.

Тип кабеля

или адаптера

Максимальная

длина

сегмента, м

1 метр Максимальной

длины

Максимальная за-

держка адаптеров

при двойном

обороте, б.и.

UTP кат. 3 100 1,14 114

–

UTP кат. 4 100 1,14 114

–

UTP кат. 5 100 1,112 111,2

–

STP 100 1,112 111,2

–

Оптический 412 1,0 412

–

UTP кат. 3 100 1,14 114

–

Два адаптера

TX/FX

– – –

100

Два адаптера

– – –

138

Один TX/FX

и один T4

– – –

127

В связи с тем, что в задержки, вносимые сетевыми адаптерами, вклю-

чены преамбулы кадров, время двойного оборота при расчете конфигурации

следует сравнивать со временем передачи кадра минимальной длины без

преамбулы, т.е. с величиной 512 битовых интервалов. Если расчетное значе-

ние PDV оказывается меньше 512, то сеть будет функционировать коррект-

но. Комитет 802.3 рекомендует для устойчивой работы оставлять запас в 4

битовых интервалов, т.е. 516 б.и.

Увеличение количества компьютеров, подключаемых к одному сег-

менту сети Ethernet, привдит к возникновению коллизий и снижению ее ре-

зультирующей пропускной способности. Одним из способов повышения

производительности локальных сетей является их сегментация. Суть ее со-

стоит в том, что локальную сеть Ethernet разделяют на участки меньшего

размера, которые называют сегментами. Сегментация позволяет уменьшить

число пользователей на один сегмент, снизить объем широковещательного

трафика и тем самим повысить производительность сети в целом.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

221

Каждый сегмент большой сети Ethernet также использует метод дос-

тупа CSMA/CD, но функционирует как отдельная независимая подсеть. По

разделяемой среде сегмента циркулирует трафик компьютеров, подключен-

ных только к данной среде. Благодаря этому пропускная способность среды

делится между компьютерами, которые непосредственно соединены с ней.

Обычно в подсеть включают компьютеры, выполняющие однотипные задачи

(бухгалтерия, служба главного механика и т.п.), или входящие в одну адми-

нистративную единицу (отдел, лаборатория). Такую совокупность компью-

теров называют рабочей группой. Для разделения сегментов применяют

мосты, маршрутизаторы или сетевые коммутаторы. На рисунке 3.29 показа-

на структура сегментированной сети, реализованная различными сетевыми

устройствами.

Вся сеть состоит из трех сегментов. Они подключены к общей магист-

ральной среде, соединяющей все три подсети в одну сеть, через мост, маш-

рутизатор или коммутатор, которые передают кадры в магистральную ли-

нию только в случае, если адрес получателя находится за пределами соот-

ветствующего сегмента. Таким образом, трафик одного сегмента не загружа-

ет сегменты других подсетей.

3.6.2. Сегментация с помощью мостов и коммутаторов

Мост (Bridge), как и повторитель, может соединять сегменты или ком-

пьютерные сети рабочих групп. Однако в отличие от повторителя, мост так-

же служит для разбиения сети на отдельные сегменты – подсети, что позво-

ляет изолировать трафик или отдельные сетевые проблемы. Например, если

трафик одного-двух компьютеров или некоторого отдела "затопляет" сеть

пакетами, уменьшая ее производительность в целом, мост изолирует эти

компьютеры или отдел от другой части сети.

В связи с тем, что мост работает на канальном уровне модели ВОС

Рисунок 3.29 – Разделение локальной сети на сегменты

Компьютерные сети

222

(OSI), он анализирует только заголовок кадра, в котором указываются МАС-

адреса источника и отправителя. При соединении сегментов сети с помощью

моста осуществляется изоляция доменов коллизий, т.е. коллизии не распро-

страняются между смежными сегментами. Под доменом коллизий, как уже

упоминалось выше, понимают участок сети, в общем случае состоящий из

нескольких сегментов, в пределах которого распространяется коллизия. На

рисунке 3.30 показана локальная сеть, состоящая из четырех сегментов

Ethernet, объединенных с помощью трех мостов. Благодаря этому в сети об-

разуются четыре независимые домена коллизий (они на рисунке выделены

пунктирной линией). Мосты отфильтровывают (не пропускают в после-

дующие сегменты сети) кадры отправителя, если получатель находится в од-

ном сегменте с отправителем. Исключением являются широковещательные

кадры и кадры групповой рассылки. При получении кадра широковещатель-

ного сообщения мост передает его на все выходные порты, за исключением

того направления (сегмента) откуда поступило широковещательное сообще-

ние.

Локальная сеть Ethernet, применяющая для сегментации мосты, обес-

печивает большую пропускную способность в расчете на одного пользовате-

ля, поскольку к одному сегменту подключена только часть компьютеров

всей сети. Мосты увеличивают задержку в сети на 10–30%. Это связано с

дополнительными затратами времени на буферирование кадров, анализ ад-

ресов пунктов назначений и поиск в таблице номеров соответствующих ис-

ходящих портов.

Рисунок 3.30 – Границы распространения коллизий и широковещательных сообщений

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

223

Коммутатор (Switch) представляет собой мультипроцессорный мост,

способный независимо транслировать кадры между всеми парами своих

портов. Благодаря этому коммутаторы, разделяя локальную сеть на подсети,

делят единый коллизионный домен на отдельные поддомены, свободные от

коллизий. Коммутатор создает соединение между своими портами по прин-

ципу "точка-точка". Поэтому компьютеры, подключенные к этим портам,

имеют в своем распоряжении пропускную способность (10 или 100 Мбит/с),

которую способны обеспечить соответствующие порты коммутатора.

Большинство современных коммутаторов, независимо от производи-

теля, поддерживают несколько дополнительных возможностей, отвечающих

общепринятым стандартам. Среди них к самым распространенным и наибо-

лее используемым относятся следующие:

 реализация технологии виртуальных сетей – VLAN;

 поддержка протокола Spanning Tree IEEE 802.1d и Rapid Spanning

Tree IEEE 802.1w;

 объединение каналов Ethernet в единый магистральный поток;

 поддержка SNMP-управления потоком данных;

 обеспечение функции безопасности Port Security, или привязка

MAC-адреса к определенному порту и др.

3.6.3. Сегментация на основе маршрутизаторов

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 или части его пор-

тов, данные будут передаваться по другим маршрутизаторам. Используя

сведения о загруженности участков сети и о стоимости пути, маршрутизатор

выбирает оптимальный путь.

Маршрутизаторы работают на третьем уровне эталонной модели и ис-

полняют больше функций, по сравнению с мостами. Они, подобно мостам,

дают возможность расширить сеть и позволяют ограничивать домены колли-

зий. Кроме этого маршрутизаторы предотвращают распространение широ-

ковещательных сообщений в сети, что позволяет создавать отдельные широ-

ковещательные домены. Блокировка распространения широковещательных

сообщений маршрутизаторами определяет границы широковещательного

домена – области, за пределы которой не выходят широковещательные со-

общения, генерируемые компьютерами сети. На рисунке 3.31 изображена

сеть, построенная на основе маршрутизаторов, и показаны границы доменов

коллизий (штриховая линия) и широковещательных доменов (двойная ли-

Компьютерные сети

224

ния).

Разделение сегментов с помощью маршрутизаторов приводит к тому,

что в сети создается несколько широковещательных доменов, а каждый сег-

мент принадлежит отдельной подсети. В связи с этим принципы функциони-

рования рабочих станций в сети с маршрутизаторами отличаются от прин-

ципов работы в сетях, объединенных с помощью мостов. В сетях с мостами

и повторителями рабочие станции передают кадры так же, как если бы от-

правитель и получатель находились в одном домене коллизий.

Рассмотрим пример обмена кадрами в сети, состоящей из двух сегмен-

тов А и Б, разделенных маршрутизатором (рисунок 3.32). МАС- и IP-адреса

взаимодействующих станций и маршрутизатора указаны на рисунке.

На рисунке стрелками показана последовательность номеров кадров и

направление их перемещения.

Рисунок 3.31 – Разделение сети на домены посредством маршрутизаторов

Рисунок 3.32 – Схема обмена кадрами в сети с маршрутизатором

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

225

Пусть рабочей станции 1А сегмента А необходимо отправить пакет

станции 1Б сегмента Б. Причем, станции 1А известен лишь IP-адрес компь-

ютера 1Б. По таблице адресов станция 1А определяет, что получатель нахо-

дится в другой сети. В этом случае отправитель должен осуществлять обмен

через маршрутизатор.

Станции 1А известен только IP-адрес маршрутизатора. Для определе-

ния МАС-адреса маршрутизатора она отправляет широковещательный кадр

(номер1) с указанием IP-адреса маршрутизатора. На это маршрутизатор от-

вечает кадром (номер 2), в котором сообщает свой МАС-адрес. Станция 1А

отправляет на этот МАС-адрес маршрутизатора пакет с данными, указывая в

заголовке сетевого уровня IP-адрес компьютера получателя (таблица 3.5).

Таблица 3.5 – Изменения параметров кадров в процессе обмена по се-

тям, разделенных маршрутизатором

Заголовок

канального уровня

Заголовок

сетевого уровня

Пакет

МАС-адрес

получателя

МАС-адрес

отправителя

IP-адрес

отправителя

IP-адрес

получателя

1 – зпр FF–FF–FF–FF–FF–FF 00–60–4A–37–5E–17 172.12.1.1 172.12.1.2

2 – отв 00–60–4A–37–5E–17 00–0A–3E–56–4F–21 172.12.1.2 172.12.1.1

3 – дан 00–0A–3E–56–4F–21 00–60–4A–37–5E–17 172.12.1.1 10.0.0.1

4 – зпр FF–FF–FF–FF–FF–FF 00–0A–3E–56–4F–22 10.0.0.2 10.0.0.1

5 – отв 00–0A–3E–56–4F–22 00–60–4A–28–3B–66 10.0.0.1 10.0.0.2

6 – дан 00–60–4A–28–3B–66 00–0A–3E–56–4F–22 172.12.1.1 10.0.0.1

Если маршрутизатору не известен МАС-адрес станции-получателя, то

он путем посылки широковещательного кадра с IP-адресом компьютера 1Б

узнает его МАС-адрес (кадры 4 и 5) и затем отправляет по нему кадр данных

станции 1А, хранящийся у него в буфере (кадр 6). Как видно из таблицы 3.3

в процессе обмена через маршрутизатор изменяются только заголовки ка-

нального уровня, в то время как адреса сетевого уровня остаются неизмен-

ными. В таблице 3.3 отображены изменения параметров заголовков кадров в

процессе обмена пакетами между станциями 1А и 1Б сетевых сегментов А и

Б соответственно.

3.6.4. Виртуальные локальные сети

Виртуальной локальной сетью (Virtual LAN, VLAN) называется сово-

купность узлов некоторой компьютерной сети, трафик которой, в том числе

широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от трафи-

Компьютерные сети

226

ка других узлов этой сети. Это означает, что передача кадров между разны-

ми виртуальными сетями на основании МАС-адреса невозможна.

Основное назначение технологии VLAN – недопущение трафика из од-

ной сети в другую. Это делается либо с целью увеличения реальной пропу-

скной способности сегментов сети, или с целью защиты от несанкциониро-

ванного доступа. Виртуальные сети возможно создавать на основе коммута-

торов из групп пользователей, основываясь на их задачах, а не по физиче-

скому расположению в сети. VLAN могут быть построены на базе одного или

нескольких коммутаторов.

Виртуальные сети на основе одного коммутатора создаются в неболь-

ших организациях, в которых рабочие группы состоят из 2…6 компьютеров.

В таких сетях применяется механизм группирования портов коммутатора.

На рисунке 3.33 показано, как компьютерная сеть одной организации, со-

держащей два файл-сервера ФС и 8 рабочих станций, разделена на три вир-

туальные сети. При использовании механизма группировании портов каж-

дый порт программным образом назначается одной из виртуальных сетей.

Обмен данными в таком случае будет осуществляться только между указан-

ными портами. Порт можно приписать нескольким виртуальным сетям, од-

нако, в случае требований повышенной безопасности это действие исключа-

ется.

Достоинством VLAN на базе портов является высокий уровень управ-

ляемости и безопасности. К недостаткам такого вида сетей следует отнести

необходимость физического переключения устройств при изменении конфи-

гурации отдельных сетей. Другим способом создания виртуальных сетей на

Рисунок 3.33 – Виртуальные сети, построены на основе одного коммутатора

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

227

базе одного коммутатора является группирование МАС-адресов, при кото-

ром каждый физический адрес приписывается той или иной виртуальной се-

ти.

На рисунке 3.34 показана схема реализации двух виртуальных локаль-

ных сетей VLAN 1 и VLAN 2, созданных на основе двух коммутаторов. На

рисунке узлы, относящиеся к VLAN 1, заштрихованы.

При использовании механизма группирования портов между коммута-

торами должно быть установлено столько связей (выделено портов), сколько

виртуальных сетей они поддерживают. Это приводит к повышению расходов

кабелей на создание сетей. Группирование МАС-адресов по виртуальным

сетям избавляет от необходимости связывать коммутаторы посредством не-

скольких кабелей. В таком случае распределение кадров по сетям выполня-

ется коммутаторами на основе МАС-адресов, являющихся признаком при-

надлежности к конкретной виртуальной сети.

Способы создания VLAN во многом определяются возможностями

коммутаторов, с помощью которых строятся виртуальные сети. С каждым

годом эти возможности расширяются. В настоящее время существуют ком-

мутаторы и программные средства (например, коммутаторы и программа

конфигурации фирмы Xylan), которые позволяют создавать VLAN на сете-

вом уровне, на базе протоколов и на базе правил. Виртуальные ЛВС сете-

вого уровня дают возможность администратору связать трафик для того или

иного протокола в соответствующей виртуальной сети. Администратор мо-

жет самостоятельно выбрать поля в заголовках кадров, по которым будет

определяться принадлежность к виртуальной сети, и загрузить подготовлен-

ные правила во все коммутаторы сети.

Виртуальная локальная сеть на базе правил – наиболее мощная реали-

зация VLAN, позволяющая администратору использовать любые комбина-

ции критериев для создания виртуальных сетей. После того, как правила за-

гружены во все коммутаторы, они обеспечивают организацию VLAN на ос-

Рисунок 3.34 – Виртуальные сети на основе двух коммутаторов

Компьютерные сети

228

нове заданных администратором критериев. Поскольку в таких сетях кадры

постоянно анализируются коммутаторами на предмет соответствия задан-

ным критериям, принадлежность пользователей к виртуальным сетям может

меняться в зависимости от текущей деятельности пользователей.

Для упрощения управления обмена информацией в виртуальных сетях

Ethernet был разработан стандарт IEEE 802.1q. В соответствии с этим стан-

дартом к кадру Ethernet добавлены четыре байта. Эти 32 бита содержат ин-

формацию по принадлежности кадра Ethernet к конкретной VLAN и о его

приоритете. Очевидно, что изменение структуры кадра Ethernet влечет за со-

бой возникновение серьезных проблем, так как нарушается совместимость

со всеми традиционными устройствами Ethernet, ориентированными на ста-

рый формат кадра. Это связано с тем, что данные 802.1q размещаются перед

полем с информацией о длине полезной нагрузки (или типе протокола). Тра-

диционное сетевое устройство в процессе анализа заголовка не обнаружит

эту информацию на обычном месте. На его месте располагается "метка" вир-

туальной сети (рисунок 3.35). Новое поле состоит из так называемого тэга

протокольного идентификатора TPID (Tag Protocol Identifier) и тега управ-

ляющей информации TCI (Tag Control Information). Поле TPID имеет длину

два байта и содержит код 0х8100. Поскольку это число больше 1500, сетевые

карты Ethernet будут интерпретировать его как тип, а не как длину. Структу-

ра полей TCI изображена в нижней части рисунка.

Трехбитовое поле "Приоритет" позволяет выделять трафик реального

времени, трафик со средними требованиями и трафик, для которого время

доставки не критично. Это открывает возможность использования сети

Ethernet для задач управления и обеспечения качества обслуживания при

транспортировке мультимедийных данных. Однобитовое поле CFI

(Canonical Format Indicator) зарезервировано для обозначения кадров сетей

других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet. В

настоящее время его функцией (CFI=1) является указание того, что в поле

Рисунок 3.35

–

Формат кадра

Ehternet

с меткой

виртуальной сети