Кузьменко Н.Г. Коммутаторы и IP телефония

Подождите немного. Документ загружается.

Краевым портом называются порты, непосредственно подсоединенные

к конечным узлам. Они не могут создавать петель в сети, следовательно, мо-

гут стразу перейти в состояние пересылки, минуя состояния прослушивания и

изучения топологии. Краевой порт при включении или выключении не вызы-

вает изменений в топологии сети.

В современных сетях с коммутацией тип канала автоматически опреде-

ляется дуплексным режимом порта. Порт, работающий в дуплексном режиме,

является каналом типа "точка-точка ", в то время как порт, функционирую-

щий в полудуплексном режиме, по умолчанию рассматривается как совмест-

но используемый.

Для работы алгоритма связующего дерева протокола RSTP использует-

ся байт признаков сообщения BPDU, формат которого приведён на рис.5.8.

Помимо двух основных признаков – изменение топологии и подтверждение

изменения топологии, которые сигнализируют об изменении топологии и

подтверждении получения конфигурационного сообщения BPDU с установ-

ленным признаком изменения топологии, применяются ещё шесть признаков.

Признаки 1-6 сигнализируют о начале и об окончании процесса. А признаки

со 2 по 5 определяют тип и состояние порта, сгенерировавшего сообщение

BPDU.

5.6. Протокол MSTP

Протокол Per VLAN Spanning Tree (PVST) создаёт уникальное связую-

щее дерево для каждой виртуальной сети, что увеличивает количество вычис-

лений, производимых коммутатором при наличии большого количества вир-

102

Рис. 5.8. Формат байта признаков сообщения BPDU протокола RSTP

Подтверждение изменения

топологии

Соглашение

Пересылка

Прослушивание

Тип порта

Заявка

Изменение топологии

5 4 3 2 1 0

00 – не определён

01 - альтернативный/

резервный

10 - корневой

11 - назначенный

туальных сетей. Протокол множества связующих деревьев MSTP уменьшает

эту погрузку, позволяя использовать одно связующее дерево для нескольких

виртуальных сетей.

Главная цель протокола MSTP состоит в том, чтобы уменьшить общее

количество связующих деревьев, в соответствии с физической топологией

сети, и таким образом уменьшить нагрузку центрального процессора комму-

татора. Количество связующих деревьев уменьшается до числа доступных

связей (активных путей).

В примере, показанном на рис.5.9, протокол PVST+, мог бы создать до

4094 уникальных связующих деревьев, с собственными сообщениями BPDU,

для обмена информацией с целью выбора корневого коммутатора и назначен-

ных путей. Однако 1000 виртуальных сетей разделена на две группы по 500,

каждая из которых использует только одну связь, соответствующую одному

связующему дереву. В результате чего, каждый коммутатор должен поддер-

жать только два связующих дерева вместо 1000.

Алгоритм протокола MSTP обладает более быстрой сходимостью, по

сравнению: с протоколом PVST+ и совместим с ним протоколом STP; бы-

стрым протоколом связующего дерева RSTP и протоколом Cisco PVST+.

Протокол MSTP позволяет строить множество связующих деревьев,

группируя виртуальные сети по транковым каналам и связывая их со связую-

щим деревом. В каждом конкретном случае используется топология вирту-

альной сети независящая от топологии связующего дерева. Такая архитектура

позволяет использовать несколько активных путей для передачи данных, что

обеспечивает сбалансированность нагрузки линий связи.

Поскольку отказ связи в одной виртуальной сети не обязательно затра-

гивает другие виртуальные сети, то отказоустойчивость сети повышается. В

больших сетях можно более легко управлять сетью, используя избыточные

связи между виртуальными сетями.

Все коммутаторы должны быть сконфигурированы одинаково, что поз-

волит им участвовать в определённом наборе связующих деревьев - зоне.

В примере, приведённом на рис.5.10, протокол MSTP объединяет вир-

туальные сети в зоны, в которых виртуальные сети используют логические

103

Корень

дерева 1

Рис. 5.9. Протокол связующих деревьев MSTP

Корень

дерева 2

Удалённая связь

для дерева 2

Удалённая связь

для дерева 1

Дерево 1

содержит VLAN

с 1 по 500

Дерево 2

содержит VLAN

с 501 по 1000

связующие деревья. Проблема соответствия виртуальных сетей связующим

деревьям решается с помощью сообщений BPDU, в которых указывается

идентификатор виртуальной сети и идентификатор связующего дерева.

Чтобы обеспечить логическое соответствие виртуальной сети связую-

щему дереву, каждый коммутатор, поддерживающий протокол MSTP, работа-

ет с оригинальной информацией, содержащей:

− алфавитно-цифровое название области (зоны) действия MSTP разме-

ром в 32 байта;

− номер ревизии зоны в 2 байта, определяющий время создания наибо-

лее свежую информацию;

− таблицу, содержащую до 4096 записей о виртуальных сетях, в кото-

рой указано какому связующему дереву, соответствует данная вир-

туальная сеть.

Для определения точных границ зоны необходимо передать не только

название зоны и номер ревизии, но всю таблицу о виртуальных сетях. После

того, как коммутатор получает сообщение BPDU, он извлекает номер сети, и

просматривает свою таблицу виртуальных сетей. Если номера сетей не совпа-

дают, то отправивший сообщение коммутатор принадлежит другой зоне (ком-

мутаторы расположены в разных зонах), а порт, на который было получено

сообщение BPDU, расположен на границе зоны. На рис.5.10 коммутатор B1

принадлежит зоне A, тогда как коммутаторы B2 и B3 находятся внутри зоны

Как и в протоколе PVST, 12-ти разрядное поле в идентификаторе ком-

мутатора (см. рис.5.3) расширения используется и в протоколе MSTP, оно

определяет номер виртуальной сети.

Каждый коммутатор должен иметь уникальный идентификатор. В

PVST каждая виртуальная сеть связана с логическим портом коммутатора.

Поэтому, каждая виртуальная сеть должна иметь уникальный идентификатор

коммутатора. MAC адрес коммутатора не может быть использован для иден-

тификации виртуальных сетей, поскольку не позволяет идентифицировать бо-

лее одной виртуальной сети. Уникальность идентификатора виртуальной сети

104

MST

Зона A

MST

Зона B

Рис. 5.10. Зоны MST

обеспечивается 16 разрядным полем приоритета, которое в свою очередь со-

держит 12-ти разрядный адрес (номер) виртуальной сети и 4-х разрядный

приоритет. Коммутаторы фирмы Cisco сначала поддерживали до 1024 вирту-

альных сетей, последние модели коммутаторов поддерживают до 4000 вирту-

альных сетей.

Зона связующих деревьев MST всегда содержит одно внутреннее дере-

во IST и произвольное количество деревьев MSTP. Коммутатор, поддержива-

ющий MSTP, должен иметь возможность общения, по крайней мере, с одним

внутренним связующим деревом. Внутри зоны может работать протокол

RSTP автоматически по умолчанию, без любой дополнительной конфигура-

ции. Внутреннее связующее дерево взаимодействует с внешними по отноше-

нию к зоне устройствами. Внутри зоны связующие деревья MSTP обменива-

ются сообщениями BPDU, которые за зону не передаются. Взаимодействие с

внешними устройствами осуществляется только с помощью внутреннего свя-

зующего дерева IST, которое работает на всех коммутаторах зоны. В ре-

зультате чего вся зона, охватываемая внутренним связующим деревом,

рассматривается как один коммутатор и управляется единственным внутрен-

ним связующим деревом CST. Внутренне связующее дерево всегда имеет но-

мер 0, а остальные нумеруются произвольно с 2 до 15.

На рис.5.11 приведены две функционально эквивалентные диаграммы.

В этой сети следует заблокировать порты между коммутаторами М и B, и

один из портов внутри сети. Однако, из-за внутреннего связующего дерева

IST, вся область MST рассматривается как один коммутатор. В результате

чего следует заблокировать дополнительный порт на коммутаторе B и порт

на коммутаторе D.

105

Рис. 5.11. Организация зоны MST

5.7. Протокол агрегирования порта

Всё возрастающие требования пользователей к полосе пропускания и

надёжности линий связи между коммутаторами объясняются использованием

всё новых приложений, передающих большие объёмы информации. Исполь-

зование быстродействующих и Надежных каналов связи не всегда оправдано

из соображений высокой цены последнего, особенно в локальных сетях.

Поэтому естественным путём увеличения пропускной способности линии яв-

ляется совместное использование нескольких линий связи между коммутато-

рами. Однако для их использования они должны быть представлены сети как

единственный канал. Такое объединение возможно на логическом уровне, в

результате чего несколько физических связей между коммутаторами рассмат-

риваются как один канал большей производительности. Кроме повышения

производительности логический канал увеличивает надёжность связи, по-

скольку при отказе одной или даже нескольких физических линий логический

канал сохраняет работоспособность при одновременном уменьшении про-

пускной способности.

Для объединения физических линий связи в одни логический канал

фирма Cisco предложила метод получивший название EtherChannel. Первона-

чально этот метод был рассчитан для соединения коммутатора с коммутато-

ром и объединения линий связи Fast и Gigabit Ethernet в один логический ка-

нал, что оказалось более дешёвым решением, чем использование более ско-

ростных линий связи. В последствии этот метод был распространён на марш-

рутизаторы и серверы и позволят объединять в один логический канал 2, 4

или 8 линий (портов коммутатора, маршрутизатора, сервера). При использо-

вании линий работающих в дуплексном режиме пропускная способность ка-

нала увеличивается до 16 раз. Однако, если для линии, объединяющиеся в ка-

нал имеют разную производительность и режим работы (полудуплексный или

106

Рис. 5.12. Организация EtherChannel

дуплексный), то скорость линий в канале определяется минимальной скоростью

линии, а режим работы – полудуплексной линией.

Распределение нагрузки по линиям канала механизм EtherChannel само-

стоятельно не производит, политика распределения определяется админи-

стратором и используемой платформой. Привязка линий в канале может осу-

ществляться на основе MAC адреса, IP адреса или на основе протокола UDP,

использующего совместно IP+TCP пользовательские пакеты. На рис.12. пока-

зан пример создания такого канала.

Для реализации метода EtherChannel можно использовать оригиналь-

ный протокол фирмы Cisco – протокол агрегирования порта PAgP или прото-

кол управления агрегированием LACP, определённый стандартом IEEE

802.3ad. Оба протокола используют сообщения для формирования канала.

После того как канал организован, он может быть добавлен к связующему де-

реву в виде единственного порта коммутатора.

Проколы LACP и PAgP посылают каждые 30 секунд сообщения BDUP,

используя широковещательный MAC адрес 01-00-OC-CC-CC-CC с указанием

типа протокола (для протокола PAgP приоритет имеет значение 0104). Они

проверяют корректность конфигурирования порта и следят за изменениями и

отказами связей между двумя коммутаторами. Они гарантируют, что после

создания канала EtherChannel все порты будут одинаково сконфигурированы,

причём это делается принудительно. Любая модификация порта после созда-

ния канала изменит настройки всех других портов канала.

Проколы организации EtherChannel не могут формировать канал на

портах, которые настроены для динамических виртуальных сетей VLAN. Вир-

туальные сети должны быть статическими. Можно также настроить предель-

ные значения для широковещания в процентном выражении или в виде количе-

ства пакетов в секунду. Режим количества пакетов в секунду позволяет уничто-

жать однонаправленные пакеты, когда превышен установленный предел.

Контрольные вопросы

1. Поясните назначение протокола связующего дерева ?

2. Поясните отличия протокола связующего дерева от алгоритма его

реализующего ?

3. Поясните почему коммутаторы не могут работать в петлевых

структурах ?

4. Поясните назначение корневого коммутатора в алгоритме STP ?

5. Поясните назначение корневого порта на некорневых коммутаторах в

алгоритме STP ?

6. Поясните предназначение назначенного порта в алгоритме STP ?

7. Поясните состав сообщения BPDU ?

107

8. Каким определяется идентификатор коммутатора в протоколе STP ?

9. Поясните назначение таймеров в алгоритме STP ?

10. Поясните в каких единицах измеряется стоимость корневого пути ?

11. Поясните для каких целей используется стоимость корневого пути в

алгоритме STP ?

12. Поясните каким образом определяется корневой коммутатор в

алгоритме STP ?

13. Поясните каким образом определяется корневой порт в алгоритме

STP ?

14. Поясните каким образом назначенный порт в алгоритме STP ?

15. Перечислите состояния порта, которые он принимает в алгоритме STP ?

16. Поясните какие действия происходят со связующим деревом после

изменения топологии сети ?

17. Сколько времени необходимо для построения связующего дерева ?

18. Поясните каким образом можно сократить время, необходимое для

построения связующего дерева ?

19. Приведите отличия протокола RSTP от STP ?

20. За счёт чего протокол RSTP имеет меньшее время сходимости ?

21. Каким образом можно создать связующие деревья в виртуальных

сетяъ ?

22. Как в протоколе MSTP решается проблема соответствия виртуальных

сетей связующим деревьям ?

23. Поясните термин "зона действия MSTP" ?

24. Как можно увеличить производительность магистральной лини связи ?

25. В чём заключается действие протокола агрегирования порта ?

108

ГЛАВА 6. КОММУТАЦИЯ МЕЖДУ ВИРТУАЛЬНЫМИ

СЕТЯМИ

Коммутаторы для определения направления передачи пакета узлу, при-

надлежащему виртуальной сети используют информацию, находящуюся в за-

головке пакета. Эта адресная информация, получаемая из заголовков пакетов,

сохраняется в адресной таблице коммутатора, на основании которой комму-

татор определяет путь прохождения пакета. Поскольку по умолчанию вирту-

альные сети изолированы друг от друга, то коммутатор не может передавать

информацию между ними. Для передачи информации между виртуальными

сетями необходимо использовать 3 уровень модели OSI и соответственно спе-

циальное устройство, работающее на этом уровне – маршрутизатор.

Внешний маршрутизатор для маршрутизации виртуальных сетей

Если коммутатор поддерживает несколько виртуальных сетей, но не

имеет возможности работать на уровне 3 модели OSI, то он должен быть под-

ключён к маршрутизатору с помощью лини связи. Наиболее просто обеспе-

чить такую связь путём организации магистрали между коммутатором и

маршрутизатором для передачи информации между виртуальными сетями.

Эта магистраль должна иметь большую пропускную способность, чтобы ин-

формация между виртуальными сетями передавалась без задержек. Напри-

мер, если виртуальные сети организованы с использованием линий связи 10-

ти мегабитного Ethernet, то магистраль следует создавать на основе линии

Fast Ethernet. Для передачи пакетов между виртуальными сетями можно ис-

пользовать один из четырёх ранее описанных протоколов.

На рис.6.1. для связи клиентов, принадлежащих виртуальной сети

VLAN10, с сервером, находящимся в виртуальной сети VLAN20, необходима

маршрутизация между виртуальными сетями. Процесс передачи информации

между виртуальными сетями состоит из четырёх этапов:

1. Маршрутизатор принимает пакеты из виртуальной сети VLAN10 на

свой подинтерфейс, находящийся в этой виртуальной сети;

2. Маршрутизатор производит маршрутизацию (передачу из одной вирту-

альной сети в другую) информации, основанную на адресе сети назна-

чения;

3. Поскольку сетью назначения является виртуальная сеть, доступ к кото-

рой осуществляется через магистраль, маршрутизатор использует си-

стему адресации, основанную на МАС адресах;

4. Маршрутизатор передаёт пакеты на свой подинтерфейс, находящийся в

виртуальной сети VLAN20.

109

На схеме, приведённой на рис.6.1, маршрутизатор может получать паке-

ты из одной виртуальной сети и отправить их в другую. Чтобы выполнить

переадресацию маршрутизатор должен знать, как можно связаться со всеми

виртуальными сетями. Для этого маршрутизатор должен иметь отдельные ло-

гические связи (подинтерфейсы) с каждой виртуальной сетью, работающие

между коммутатором и маршрутизатором по одной физической магистрали.

В каждой строке таблицы маршрутизации содержится информация о

том, к какому подинтерфейсу подключена соответствующая виртуальная

сеть. Маршрутизатор строит таблицу маршрутизации на основе информации

протокола динамической маршрутизации.

Использование внешнего маршрутизатора имеет свои преимущества:

простота исполнения не требующая реализация функций маршрутизации на

коммутаторе. Однако применение внешнего маршрутизатора приводит к уве-

личению времени прохождения пакета за счёт затрат времени на определение

маршрута, а отказ последнего приводит к невозможности обмена информаци-

ей между виртуальными сетями. Кроме этого при интенсивном обмене ин-

формацией между виртуальными сетями и недостаточной пропускной

способностью магистрали могут возникнуть дополнительные задержки.

Коммутатор с маршрутизацией для маршрутизации виртуальных сетей

Традиционно, коммутатор принимает решения о передаче пакета, на

основе физической информации (физический адрес устройства) содержащей-

ся в заголовке пакета, тогда как маршрутизатор руководствуется логическими

адресами.

110

Магистраль

Маршрутизатор

VLAN10 VLAN20

10.1.1.2 10.2.2.2

Рис. 6.1. Коммутация VLAN на внешнем маршрутизаторе

Коммутатор с возможностью маршрутизации пакетов принято называть

коммутатором 3 уровня, поскольку в нём реализованы механизмы маршрути-

зации 3-го уровня модели OSI или многоуровневым коммутатором. В техни-

ческой литературе разных авторов и компаний используются оба определе-

ния. Поскольку многоуровневый

коммутатор производит коммута-

цию пакетов на разных уровнях мо-

дели OSI, то метод, используемый

для коммутации, принято называть

многоуровневой коммутацией MLS.

На рис.6.2. приведён пример

использования коммутатора 3-го

уровня. Узлы A и B объединены в

одну виртуальную сеть, поэтому

передача пакетов между ними будет

осуществляться на основе физиче-

ских (МАС) адресов, используемых

на 2-м уровне модели OSI, а переда-

ча пакетов между виртуальными се-

тями осуществляется с использова-

нием логических адресов, применя-

емых на 3-м уровне указанной моде-

ли. Многоуровневые коммутаторы

передают пакеты, со скоростью

передающей среды используя специальные встроенные в коммутатор аппа-

ратные средства ASIC, которые реализуют функции маршрутизации, выпол-

няемые ранее только маршрутизаторами. Для выбора направления передачи

кадра на обоих уровнях используются собственные таблицы соответствия,

только на уровне 3 они называются таблицами маршрутизации и хранятся па-

мяти TCAM, а на уровне 2 – таблицами коммутации, которые сохраняются в

памяти соединений CAM.

6.1. Компоненты MLS

Процесс коммутации (рис.6.3.) содержит три основных компонента:

− коммутатор, поддерживающий MLS (MLS-SE)

− внутренний процессор маршрутов в коммутаторе или внешний

маршрутизатор, поддерживающий многоуровневую коммутацию

MLS (MLS-RP).

111

VLAN10 VLAN20

SVI

10.1.1.1

SVI

10.2.2.1

10.1.1.2 10.1.1.3 10.2.2.2

Коммутатор 3 уровня

Рис. 6.2. Коммутация VLAN на

коммутаторе 3 уровня