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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

229

данных содержится кадр 802.5. Поле "Идентификатор VLAN" длиной 12

бит определяет, какой виртуальной сети принадлежит кадр.

12-битовое поле позволяет коммутаторам разных производителей соз-

давать до 4096 общих виртуальных сетей. Длина модифицированного кадра

Ethernet увеличивается на 4 байта, так как, помимо двух байтов собственно

тега, добавляются еще два байта. Чтобы не нарушить стандартную макси-

мальную длину кадра при использовании заголовка 802.1p/q поле данных

уменьшают на два байта.

3.6.5. Алгоритм покрывающего дерева

В сетях Ethernet коммутаторы поддерживают только древовидные свя-

зи т.е. которые не содержат петель. При построении или модернизации сег-

ментированной сети с большим количеством мостов и/или коммутаторов в

результате ошибок монтажа или попыток резервирования соединений воз-

можно образование дополнительных связей между сегментами, когда от од-

ного сегмента к другому пакет может попасть более чем одним путем (рису-

нок 3.36). Это приведет к циркуляции пакетов в замкнутых петлях и пере-

грузке сети. Кроме того, каждый посланный пакет, поступающий через раз-

ные порты, мосты/коммутаторы принимают за два различных пакета и по-

стоянно обновляют свои таблицы. В приведенном примере проблема может

быть решена удалением моста 1 и разрывом связи, помеченной знаком “X”.

Для автоматического решения проблемы зацикливания пакетов был

предложен так называемый "алгоритм покрывающего дерева". Алгоритм по-

крывающего дерева STA (Spanning Tree Algotithm) обеспечивает построение

древовидной топологии связей сети с единственным путем минимальной

стоимости от каждого коммутатора и от каждого сегмента до некоторого

выделенного корневого коммутатора – корня дерева. Реализация алгоритма

Рисунок 3.36

–

Пример иллюстрации наличия петель в сети

Компьютерные сети

230

осуществляется на основе протокола STP (Spanning Tree Protocol), в резуль-

тате действия которого мост или коммутатор самостоятельно обнаруживает

лишние связи и автоматически блокирует ряд соединений, приведших к об-

разованию петель. В случае возникновения аварийных ситуаций и недоступ-

ности основного пути, заблокированные соединения могут быть вновь от-

крыты. Этим обеспечивается высокая надежность сети. STP входит в состав

протокола мостов и коммутаторов IEEE 802.1d.

При использовании протокола STP при начальной конфигурации каж-

дой линии связи присваивается определенный вес (чем выше приоритет, тем

меньше вес). Мосты и коммутаторы периодически рассылают специальные

сообщения – протокольные блоки данных моста BPDU (Bridge Protocol

Data Unit), которые содержат коды уникальных идентификаторов, присво-

енных им при изготовлении. Мост или коммутатор с наименьшим значением

такого кода становится корневым ("корень дерева"). Затем выявляется наи-

кратчайшее расстояние от корневого моста/коммутатора до любого другого

моста в сети. В основу алгоритма STA положена теорема из теории графов,

которая утверждает, что структура любого связного графа, содержащего

петли, может быть изменена путем удаления ребер таким образом, что он

сохранит прежнюю связность, и при этом не будет иметь петель. Граф,

описывающий дерево наикратчайших связей, и является "покрывающим де-

ревом". Такое дерево включает все узлы сети, но необязательно все мосты

или коммутаторы. Алгоритм STA функционирует постоянно, отслеживая все

топологические изменения. Реализация алгоритма в компьютерной сети

возможна только при условии поддержки его всеми коммутатора-

ми/мостами.

Мосты и коммутаторы, поддерживающие алгоритм STA, автоматиче-

ски создают активную древовидную конфигурацию связей, то есть связную

конфигурацию без петель. Древовидная структура сети строится на основа-

нии информации, полученной в результате обмена служебными пакетами, и

адаптивно перестраивается при возникновении изменений в сети. В после-

дующем при описании протокола мы будем для упрощения связывать его с

сетевыми коммутаторами, подразумевая, что это относится и к мостам.

Сообщения протокольного блока данных BPDU размещаются в ин-

формационном поле блоков данных канального уровня – кадров Ethernet или

Token Ring. Формат BPDU включает различные идентификаторы.

1. "Идентификатор протокола" (Protocol identifier) – два байта.

2. "Версия протокола" (Version) длиной 1 байт.

3. "Тип сообщения" (Message type) размером 1 байт. Сообщение может

быть конфигурационным (0х00) и извещающим о смене топологии (0х80).

4. "Флаги" (Flags) – 1 байт. Используются только два бита этого поля.

Первый из них, TC-бит, сигнализирует о смене топологии (Topology

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

231

Change), а восьмой, TCA-бит, подтверждает изменение конфигурации

(Topology Change Acknowledgment).

5. "Идентификатор корневого коммутатора " (Root ID) состоит из 8

байтов. Первые два байта отображают приоритет данного устройства, кото-

рый устанавливается системным администратором. Последующие 6 байтов

представляют собой МАС- адрес блока управления корневого моста.

6. "Стоимость пути до корня" (Root path cost). Поле длиной 4 байта

отображает суммарную стоимость кратчайшего пути от коммутатора–

источника сообщения до корневого моста;

7. "Идентификатор моста/коммутатора" (Bridge ID) – 8 байтов. Содер-

жит идентификатор моста, являющегося источником данного сообщения.

8. "Идентификатор порта" (Port ID) указывает порт, через который бы-

ло передано данное сообщение. Длина его составляет 2 байта, старший из

которых может изменяться администратором и является приоритетом порта,

а второй представляет собой порядковый номер порта для данного коммута-

тора (номера портов начинаются с единицы).

9. "Возраст сообщения" (Message age). Поле занимает 2 байта и пред-

назначено для указания времени существования сообщения об изменении

топологии в сети. Каждый коммутатор при прохождении через него сообще-

ния модифицирует содержимое этого поля путем добавления значения за-

держки, соответствующей данному каналу;

10. "Максимальный возраст сообщения" (Maximum age) – время, по ис-

течении которого сообщение BPDU игнорируется коммутатором;

11. "Интервал Hello" (Hello time) – промежуток времени между отправ-

кой конфигурационных сообщений корневым коммутатором (1…4 с);

12. "Задержка перехода" (Forward delay). Значение этого поля определя-

ет величину интервала времени, который должен предшествовать переходу

коммутатора в новое состояние при изменении топологии системы. Эта за-

держка предназначена для исключения возникновения циклических маршру-

тов во время переходных процессов в сети. Три последних поля BPDU-блока

занимают по 2 байта каждый.

В начале работы администратор указывает корневой коммутатор пу-

тем задания ему нулевого (самого высокого) уровня приоритета, т.е. значе-

ние двух старших байт его идентификатора равно нулю. Приоритет других

коммутаторов должен быть отличным от нуля. В этом случае, не зависимо от

значения МАС-адресов коммутаторов сети, корневой будет всегда иметь

минимальное значение идентификатора. Кроме этого администратор должен

задать стоимость портов каждого из коммутаторов. Стоимость порта (Port

Cost) определяется как условное время передачи бита через данный порт. На

практике стоимость порта часто вычисляют по формуле:

Стоимость порта = 1000 / (скорость передачи порта, Мбит/с).

Компьютерные сети

232

Например, стоимость порта 10Base-T=100; 100Base-TX =10; Token

Ring –250 или 63, канала Т1 = 651 и т.д. Значения другого варианта задания

стоимостей, регламентированные стандартом IEEE 802.1d, приведены в таб-

лице 3.6.

Таблица 3.6 – Стоимость порта в зависимости от скорости передачи

Скорость передачи,

Мбит/с

4 10 16 45 100 155 622 1000

10000

Стоимость порта 250 100 62 39 19 14 6 4 2

Построение сети без петель по протоколу STP осуществляется сле-

дующим образом. Каждый из сетевых коммутаторов путем выдачи на все

свои порты BPDU-блоков анонсируют себя в качестве корневого, помещая

свой идентификатор в полях "Идентификатор корневого коммутатора" и

"Идентификатор коммутатора". Создание древовидной структуры проиллю-

стрируем на примере сети, изображенной на рисунке 3.37.

Она состоит из семи сегментов локальных сетей LAN, объединяемых в

единую сеть посредством шести коммутаторов Sw 1…6. Скорости передачи

Рисунок 3.37 – Пример построения покрывающего дерева

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

233

данных в сегментах LAN1, 2, 5 и 7 составляет 100 Мбит/с, а в остальных –1

Гбит/с. Построение дерева начинается с корневого коммутатора. В соответ-

ствии с алгоритмом STA в качестве корневого назначается коммутатор, об-

ладающий минимальным значением идентификатора. В данном примере это

коммутатор с идентификатором Bridge ID=01.

Затем для каждого сетевого коммутатора из всех портов данного ком-

мутатора определяется корневой порт (root port), т.е. такой порт, путь от ко-

торого до любого из портов корневого моста имеет минимальную стои-

мость. Для этого корневой коммутатор рассылает BPDU-блоки на все свои

выходные порты. В поле "Стоимость пути до корня" вначале устанавливает-

ся нулевое значение. Следующие коммутаторы прибавляют к этому полю

стоимость своих портов и отправляют блоки далее смежным узлам. Это дает

возможность каждому коммутатору определить свой корневой порт, через

который можно попасть в корневой коммутатор с минимальной стоимостью.

Как только коммутатор получает BPDU-блок, содержащий идентификатор

корневого коммутатора со значением меньше его собственного, он перестает

генерировать свои собственные кадры BPDU, а начинает ретранслировать

только кадры нового претендента на статус корневого коммутатора.

В процессе ретрансляции кадров каждый коммутатор увеличивает ука-

занную в пришедшем блоке BPDU стоимость пути до корня дерева на вели-

чину стоимости сегмента (Segment cost), через который поступил данный

блок. Тем самим в кадре BPDU, по мере прохождения через коммутаторы,

аккумулируется стоимость пути до корневого узла. В течение этой процеду-

ры каждый коммутатор для каждого из своих портов запоминает параметры

путей минимальной стоимости до корня, содержащиеся во всех принятых

этим портом кадрах BPDU. Так стоимости маршрутов от коммутатора Sw 06

до корневого коммутатора Sw 01 через Port 6.1 и коммутатор Sw 04 состав-

ляет 19+4=23 единицы; через Port 6.1 и Sw 03 – 38; через Port 6.2 и Sw 03 –

23; и, наконец, через Port 6.3 и Sw 05 – 8. Затем эти коммутаторы выделяют

из всех своих портов тот, который имеет минимальную стоимость до корне-

вого коммутатора и назначает его своим корневым портом. Для коммута-

тора Sw 06 корневым портом назначается Port 6.3. Аналогичным образом

находятся корневые порты остальных коммутаторов сети. На рисунке 3.34

они выделены утолщенной линией.

На следующем этапе функционирования алгоритма для каждого логи-

ческого сегмента сети из всех портов всех коммутаторов, подсоединенных к

данному сегменту, выбирается порт, через который будут передаваться паке-

ты от этого сегмента в направлении корня через корневой порт одного из

коммутаторов. Для этого сначала из рассмотрения исключаются корневые

порты коммутаторов, подключенных к данному сегменту. Затем из всех ос-

тавшихся портов выбирается порт с минимальной стоимостью пути до кор-

Компьютерные сети

234

ня. Этот порт называется "назначенный порт" (designated port), а коммута-

тор, которому он принадлежит, получил название назначенный коммута-

тор (designated switch). Если в данном коммутаторе имеется несколько пор-

тов с одинаковой стоимостью, то назначенным определяется порт, имеющий

минимальный идентификатор.

Все остальные порты, кроме корневых и назначенных, отключаются и

переводятся в резервное состояние, то есть такое, при котором они не пере-

дают обычные кадры данных. На рисунке 3.34 назначенные порты соедине-

ны с сегментами LAN утолщенными линиями, а отключенные связи помече-

ны знаком Х. При таком выборе активных портов в сети исключаются петли

и оставшиеся связи образуют покрывающее дерево. Обратите внимание, что

у сегмента может быть только один назначенный порт. У корневого комму-

татора все порты являются назначенными, а их стоимости до корня полага-

ются равными нулю. Корневой порт у корневого коммутатора отсутствует.

В процессе нормальной работы корневой коммутатор продолжает ге-

нерировать служебные пакеты BPDU, а остальные коммутаторы принимают

их своими корневыми портами и ретранслируют через назначенные порты.

Если по истечении максимального времени жизни сообщения (по умолча-

нию — 20 с) корневой порт любого коммутатора сети не получит служебный

пакет BPDU, то он инициализирует новую процедуру построения покры-

вающего дерева.

Алгоритм STA включает кроме процедуры инициализации активной

конфигурации и процедуру изменения конфигурации при отказах элементов

сети.

Развитием стандарта 802.1d STP стал стандарт IEEE 802.1w — прото-

кол Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). Он был разработан для преодоле-

ния отдельных ограничений STP, которые мешали внедрению ряда новых

функций коммутаторов, в частности, функций 3-го уровня, всё больше и

больше применяемых в коммутаторах Ethernet. Процесс вычисления свя-

зующего дерева у обоих протоколов одинаков. Однако при работе RSTP,

порт может перейти в состояние передачи значительно быстрее, так как он

не зависит от настройки таймеров. Порты больше не должны ждать стабили-

зации топологии, чтобы перейти в режим продвижения.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

235

3.7. Архитектура беспроводных сетей

3.7.1. Целесообразность и особенность применения беспроводных сетей

В практической деятельности встречаются ситуации, в которой прин-

ципиально невозможна прокладка кабеля. Это, как правило, старинные зда-

ния либо очень дорогие интерьеры, где стоимость прокладки кабельной сети

непомерно высока, или важна скорость установки и запуска сети (временные

сети на выставках, семинарах и т.п.). В такой ситуации проблема решается

путем развертывания беспроводной локальной компьютерной сети WLAN

(Wireless Local Area Network).

Беспроводные решения широко применяются также в корпоративных

компьютерных сетях для объединения удаленных локальных сетей в случае

отсутствия между ними проводных или волоконно-оптических каналов или

необходимости их резервирования. В зависимости от требований к беспро-

водной сети она строится либо на беспроводных сетевых адаптерах с ис-

пользованием точки доступа в качестве базовой станции, что обеспечивает

минимальную стоимость, либо на беспроводных маршрутизаторах, приме-

нение которых позволяет достичь максимальной производительности. В за-

висимости от технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:

локальные; расширенные локальные и мобильные (на основе переносных

компьютеров).

Основные различия между этими типами сетей – параметры передачи.

Локальные и расширенные локальные вычислительные сети используют пе-

редатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функ-

ционирует сеть. Для переносных компьютеров в качестве среды передачи

сигналов применяются радиоканалы операторов связи (UkrStar, UMC) либо

местные телефонные компании и их общедоступные службы.

Типичная беспроводная локальная сеть выглядит и функционирует

практически так же, как обычная, за исключением среды передачи. В ее со-

став входит два типа оборудования: компьютеры, укомплектованные бес-

проводными сетевыми картами, и базовая станция, называемая точкой дос-

тупа (access point), которая может выполнять роль моста между беспровод-

ной и проводной сетями.

Точка доступа содержит радиотрансивер (приемопередатчик), интер-

фейс проводной сети, а также встроенный микрокомпьютер и программное

обеспечение для обработки данных. Базовая станция определяет не только

радиус действия и скорость передачи данных, но и решает задачи управле-

ния сетью и обеспечения ее безопасности. Многие точки доступа оснащают-

ся двумя антеннами, причем в каждый момент времени работает антенна с

Компьютерные сети

236

лучшим качеством принимаемого сигнала. Переключение антенн повышает

качество связи, которое ощущается уже на удалении в несколько метров.

Соответственно увеличивается скорость передачи по сравнению с одноан-

тенными точками доступа. Базовые станции оснащаются последовательным

USB интерфейсом. Это позволяет непосредственно подключать их к консоли

управления. Программное обеспечение точек доступа поддерживает прото-

колы НТТР и Telnet, что обеспечивает удобное администрирование радиосе-

ти через Internet и интерфейс браузера. При этом обязательно применяются

специальные протоколы защиты удаленного управления. Для упрощения

монтажа сети многие точки доступа не требуют дополнительной подводки

электропитания. Его они получают через кабель, посредством которого точ-

ки доступа связаны с компьютерной сетью.

Сеть на беспроводных адаптерах позволяет подключать по радио к

точке доступа базовой станции как отдельные компьютеры, так и проводные

сети, при назначении одного из компьютеров такой сети сервером радиодос-

тупа и оснащении его проводным и беспроводным сетевыми адаптерами.

Более эффективные сети получаются при использовании оборудования, спе-

циально созданного для этих целей – беспроводных маршрутизаторов. Такие

устройства могут использоваться как для создания каналов "точка-точка",

так и для развертывания масштабных сетей сложной топологии с возможно-

стью многократной ретрансляции сигналов.

Совместимость беспроводных компьютерных сетей обеспечивается

международными стандартами IEEE 802.11a/b/g/n, которые регламентируют

способы и скорости передачи, способы модуляции и используемые частот-

ные диапазоны.

3.7.2. Способы построения WLAN

В зависимости от количества компьютеров в сети и расстояния между

ними, беспроводные сети могут быть созданы двумя различными способами:

1) сеть без базовой станции (режим Ad Нос);

2) сеть с точкой доступа (Infrastructure Network).

В режиме Ad HOC (рисунок 3.38) без базовой станции, который назы-

вают также IBSS (Independent Basic Service Set) или режимом «точка-точка»,

компьютеры непосредственно взаимодействуют друг с другом, пока они на-

ходятся в пределах устойчивой радиосвязи.

Для этого режима нужен минимум оборудования: каждый компьютер

должен быть оснащен только беспроводным адаптером. При такой конфигу-

рации не требуется создания сетевой инфраструктуры. Основными недос-

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

237

татками режима Ad Hoc являются ограниченный диапазон действия возмож-

ной сети и невозможность подключения к внешней сети (например, к Интер-

нету).

На практике рекомендуется использовать его при наличии в сети 3…4-

х компьютеров и расстояния между ними не более 30 м. При втором способе

построения – Infrastructure Network, компьютеры взаимодействуют друг с

другом не напрямую, а через точку доступа AP (Access Point), которая вы-

полняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично

тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). Рассматривают

два режима взаимодействия с точками доступа: BSS (Basic Service Set) и ESS

(Extended Service Set). В режиме BSS все станции связываются между собой

только через точку доступа, которая может выполнять также роль моста к

внешней сети (рисунок 3.39). Как видно из рисунка, расстояние между ком-

пьютерными станциями увеличивается, как минимум, вдвое. Одна точка

доступа обеспечивает обслуживание от 15 до 250 абонентов в зависимости

от конфигурации сети и технологии доступа. Увеличить емкость сети можно

просто, добавив новые точки доступа, при этом не только расширяется зона

обслуживания, но и снижается вероятность перегрузки.

В расширенном режиме ESS существует инфраструктура нескольких

базовых сетей BSS, причем сами точки доступа взаимодействуют друг с дру-

гом через некоторую систему, называемую системой распространения (DS,

Distribution System), позволяющую передавать трафик от одной BSS к другой

(рисунок 3.40). Связь базовых сетей с DS осуществляется посредством точек

доступа. Между собой точки доступа соединяются с помощью сегментов ка-

Рисунок 3.38 – Беспроводная сеть без базовой станции, режим Ad HOC

Компьютерные сети

238

бельной сети, либо радиомостов, т.е. система распространения представляет

собой либо совокупность устройств АР либо сегмент локальной сети.

Кроме двух различных режимов функционирования беспроводных се-

тей на МАС-уровне определяются правила коллективного доступа к среде.

Существуют жесткие правила, регламентирующие коллективный дос-

туп к среде передачи сигналов. Это вызвано тем, что при одновременной пе-

редаче сигналов в эфир двух и более станций одновременно выделить от-

дельные пакеты весьма затруднительно, а в ряде случаев и невозможно.

В беспроводных сетях при организации доступа используется два спо-

Рисунок 3.39 – Беспроводная сеть с точкой доступа – Infrastructure Network

Рисунок 3.40 – Объединение беспроводных сетей