Кузьменко Н.Г. Коммутаторы и IP телефония

Подождите немного. Документ загружается.

Постоянный рост количества передаваемой информации в сетях приво-

дит к необходимости поиска всё новых более скоростных технологий переда-

чи информации. Этому способствует широкое распространение средств

предоставления и обработки мультимедийной информации (например, циф-

ровое кабельное телевидение, видео конференции). Логично было бы предпо-

ложить, что следующий стандарт будет иметь скорость передачи в 10 раз

выше предыдущего – 100 Гбит/с. Наиболее подходящей средой для передачи

информации со скоростями свыше 10 Гбит/с, обладающей необходимой по-

мехозащищённостью и дальностью передачи является оптическое волокно.

Однако на пути использования оптического волокна при таких скоростях

необходимо решить много сложных задач.

Во-первых, передатчик информации – лазерный источник света. Чем

чаще "моргает" (включается-выключается) лазер, тем больше данных можно

передать по оптоволокну. Однако технологические трудности производства

лазеров ограничивают предельную скорость, с которой лазер может вклю-

чаться и выключаться, генерируя настолько мощный квант света, чтобы его

мощность на другом конце кабеля была достаточной для принимающей аппа-

ратуры на уровне нескольких десятков гигагерц. По этой причине в настоя-

щее время невозможно достичь скорости в 100 Гбит/с используя одни лазер-

ный источник.

Один из способов увеличения количества передаваемой информации за-

ключается в частотном уплотнении, особенность которого состоит в передаче

нескольких длин волн в одном кабеле. Для реализации такого метода необхо-

димо иметь несколько лазеров с разными частотами генерации света, образу-

ющих несколько информационных каналов, и систему оптического сведения

лучей лазеров в один кабель. Например, компания Alcatel для увеличения

пропускной способности кабеля использует 365 оптических каналов с шагом

в 10 нм со скоростью 10 Гбит/с каждый, обеспечивая их передачу на расстоя-

ние 6800 км. Эта технология, предназначена для подводных кабельных си-

стем, способна обеспечивать пропускную способность, достаточную для

передачи 47 млн. телефонных разговоров.

Как только сигналы достигают оконечного устройства, они должны

быть разделены и отправлены получателям. Самый простой способ – напра-

вить одни и те же сигналы всем приёмникам. Однако каждый фотоприёмник

должен воспринимать свет только определённой длины волны и игнориро-

вать все остальные. Такие узкополосные приёмники стоят очень дорого.

Поэтому чаще всего используют широкополосные приёмники, а селекцию

длин волн осуществляют оптическими методами.

Один из способов выделения желаемой длины волны основан на ис-

пользовании брэгговской решетки. Её можно представить в виде набора кана-

вок, вытравленных поперек сердцевины оптоволокна. Если канавки располо-

жены на определенном расстоянии друг от друга, то свет с некоторой длиной

волны будет отражаться от такой решетки в обратном направлении. Затем ре-

шетка из косых "зарубок" отражает этот свет под углом, выводя его из волок-

на и направляя на приёмник. Используя эту технологию, можно разделить все

длины волн и направить их на соответствующие приемники.

Во-вторых, конечная задача любой оптической системы связи – это до-

ставка световых импульсов из точки A в точку B, расположенных на требуе-

мом расстоянии. Интенсивность света в кабеле ослабевает и для передачи ин-

формации на большие расстояния необходимо его усиливать (регенериро-

вать).

Возможно два способа регенерации оптического сигнала. Первый рабо-

тает по схеме оптика–электроника–оптика, а второй, использует оптические

усилители. Системы первого вида принимают оптический сигнал, преобразу-

ют его в электрический, а затем электрические сигналы очищают от шума,

усиливают и преобразуют обратно в оптический.

Оптические усилители усиливают сигнал без преобразования его в

электрический. Наибольшее распространение получили усилители на волокне

легированном редкоземельным элементом, легированном эрбием, празеодим

или иттербий. В таком усилителе на участке легированном редкоземельным

элементом полезный сигнал смешивается с излучением лазера накачки, рабо-

тающего на длине волны 980 или 1480 нм. Лазер накачки возбуждает атомы

редкоземельного элемента, и, когда на них падает свет полезного сигнала,

часть энергии возбуждения передается этому сигналу, усиливая его.

Такие усилители позволяют значительно снизить потребность в допол-

нительном оборудовании и не добавляют заметной задержки в проходящий

сигнал. Однако вместе с полезным сигналом усиливают и шум в оптическом

сигнале, что на больших расстояниях может привести к серьезным искажени-

ям.

В-третьих, для оптических сетей с такой скоростью передачи целесооб-

разно использовать чисто оптические системы коммутации – коммутаторы,

что позволит не только увеличить пропускную способность коммутатора, но

и значительно снизить уровень оптического шума. Компания Opthos уже раз-

работала опытные образцы оптических коммутаторов, к сожалению они пока

крайне дороги.

Все перечисленные трудности пока не преодолены, поэтому в настоя-

щее время завершена разработка только промежуточного стандарта OC-768,

который позволяет увеличить пропускную способность линий связи до 40

Гбит/c.

Контрольные вопросы

1. Что такое МАС адрес ?

2. Какой метод доступа к передающей среде используется в технологии

Ethernet ?

3. Дайте определение конфликтной ситуации в Ethernet.

4. Что такое пауза и как она вычисляется в методе доступа CSMA/CD ?

5. Каким образом разрешаются конфликты в технологии Ethernet ?

6. Поясните понятие "время двойного оборота".

7. Какова производительность сети Ethernet при передаче пакетов

минимальной длины ?

8. Какова производительность сети Ethernet при передаче пакетов

максимальной длины ?

9. Назовите основные характеристики технологии Fast Ethernet ?

10. Назовите достоинства и недостатки коаксиального кабеля.

11. Назовите достоинства и недостатки витой паря.

12. Назовите достоинства и недостатки оптического кабеля.

13. Перечислите основные характеристики кабеля на основе витой пары

известных Вам категорий.

14. В чем заключается отличие одномодового оптического кабеля от

многомодового ?

15. Какие типы кабельных линий в знаете ?

16. Объясните, почему произошёл переход на витую пару ?

17. Объясните каким образом удалось увеличить диаметр сети Gigabit

Ethernet до 200 метров ?

18. Объясните каким образом удалось предать 1000 Мбит в секунду по ви-

той паре 5 категории ?

19. Каково назначение концентратора ?

20. Назовите основные и дополнительные функции концентраторов ?

21. Какие способы повышения производительности сети Вам известны ?

22. Определите назначение моста ?

23. Объясните почему мосты нельзя использовать в петлевых структурах ?

24. Что такое мультимост ?

25. Назовите отличия Fast Ethernet от Ethernet ?

26. Какие методы кодирования используются в Gigabit Ethernet ?

27. Какой метод кодирования принят в 10Gigabit Ethernet ?

28. В каких случаях целесообразно применять технологию 10Gigabit Ether-

net ?

29. Какие проблемы необходимо решить для реализации Ethernet со скоро-

стью более 10Gigabit ?

30. За счет чего можно увеличить диаметр сети ?

ГЛАВА 2. ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ

Для классификации компьютерных сетей используются различные

признаки, но чаще всего сети делят на типы по территориальному признаку,

то есть по величине территории, которую покрывает сеть и количеству

предоставляемых услуг.

Обычно к локальным сетям – Local Area Networks (LAN) – относят сети

компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе

не более 1-2 км). Локальные сети возникли в связи с появлением персональных

машин и позволили нескольким пользователям, расположенным относительно

недалеко друг от друга, обмениваться файлами и сообщениями, а также об-

ращаться к общим ресурсам, таким как файловые серверы и принтеры. В об-

щем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему,

принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных

сетях имеется возможность использования относительно недорогих высоко-

качественных линий связи, которые, используя простые методы передачи

данных, позволяют достичь высоких скоростей обмена данными, порядка 100

Мбит/с и более. Поскольку локальная сеть объединяет небольшое количество

компьютеров, то спектр услуг, предоставляемых такими сетями, не отличают-

ся широким разнообразием.

Глобальные сети – Wide Area Networks (WAN) – объединяют между

собой локальные сети, для обеспечения связи между пользователями,

расположенными далеко друг от друга, которые могут находиться в

различных городах и даже странах. Так как прокладка высококачественных

линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, то на этапе

становления глобальных сетей часто использовали уже существующие линии

связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например,

телефонные и телеграфные каналы общего назначения. Из-за низких

скоростей таких линий связи набор предоставляемых услуг обычно

ограничивался передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в

фоновом режиме, с использованием электронной почты. С ростом количества

и качества предоставляемых услуг в глобальных сетях начинают

использовать самые быстродействующие каналы связи. Высокая стоимость

таких каналов связи с лихвой компенсируется огромной пропускной

способностью, достигающей в сегодняшний день: 10, 40, 1000 и более Гбит/с.

Городские сети (или сети мегаполисов) – Metropolitan Area Networks

(MAN) появились сравнительно недавно. Они выросли из кампусных сетей,

которые охватывают пространство одного или нескольких близко

расположенных зданий, принадлежащих одной организации. В настоящее

время термины кампус и городская сеть являются синонимами. Городские

сети предназначены для обслуживания территории крупного города –

мегаполиса. В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для

разделения ресурсов на коротких расстояниях и широковещательных

передач, а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях, с

не ограниченной скоростью и богатейшим набором услуг, сети мегаполисов

занимают некоторое промежуточное положение. Для их организации

используют оптоволоконные линии связи с пропускной способностью от 1-10

Гбит/с и более. Они предназначены для связи локальных сетей в масштабах

города и соединения локальных сетей с глобальными. Эти сети

первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они

поддерживают и такие услуги, как видеоконференции, передачу голоса,

музыки и многоканальное цифровое телевидение.

Прежде чем приступить к рассмотрению особенностей построения

сетей следует остановиться на толковании некоторых основополагающих

определений:

− Сегмент сети – в сетях использующих топологию общей шины,

сегментом сети принято называть группу узлов подключенных к одному

отрезку кабеля, ограниченному с двух сторон заглушками, при этом кабель

может быть цельным или состоящим из нескольких кусков. В сетях

использующих топологию звезды – сегментом принято называть группу

узлов подключенных к одному центральному устройству (концентратору,

коммутатору, маршрутизатору).

− Домен коллизий – фрагмент сети, в котором возникают коллизии при ис-

пользовании технологии Ethernet. Домен коллизии составляют узлы, под-

ключённые к общей шине. При использовании коммутаторов каждый порт

на коммутаторе представляет собой домен коллизий. При наиболее опти-

мальной конфигурации коммутатора одному порту коммутатора соответ-

ствует только один узел, таким образом, домен коллизий состоит всего

лишь из двух узлов, а именно порт коммутатора и сетевой интерфейс узла.

− Широковещательный домен - составляют все узлы, которые находятся в

одном сегменте разделённой сети специальными устройствами. Если ника-

кое устройство не разделяет сеть, то в сети имеется только один широкове-

щательный домен. Механизм виртуальных сетей позволяют коммутатору

разделить сегмент сети на несколько широковещательных доменов.

2.1. Иерархическая модель сети

Иерархический подход к проектированию сети состоит в разделении до-

статочно сложной задачи проектирования на ряд меньших и легче решаемых

задач. Каждый уровень возникающей структуры решает свой собственный на-

бор задач, что позволяет оптимизировать, используемое аппаратное и про-

граммное обеспечение для решения конкретных, присущих этому уровню

задач. Устройства самого нижнего уровня предназначены для приёма данных

и передачи их в сеть для последующей обработки на более высоких уровнях.

Для решения задачи проектирования сетей принят трёхуровневый подход. В

этой трёхуровневой модели все сетевые устройства и соединения между ними

группируются и подразделяются на три уровня: базовый (магистральный) уро-

вень, уровень распределения и уровень доступа, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Иерархическая модель сети

Уровень Доступа. На уровне доступа происходит передача данных в сеть

и осуществляется входной контроль, Через этот уровень конечные пользовате-

ли получают доступ к сети. Коммутатор уровня доступа соединяет физиче-

ский канал от интерфейса конечного пользователя до устройств, расположен-

ных на уровне распределения. Выступая в качестве "парадной двери" уровень

доступа использует списки доступа, которые предназначены для предотвраще-

ния доступа к сети несанкционированных пользователей. На этом уровне при-

нимаются решения политик безопасности. Уровень доступа также предостав-

ляет доступ к узлам удалённых сетей.

Уровень распределения определяет границы сети и обеспечивает ма-

нипуляцию пакетами в сети. Он расположен между уровнем доступа и маги-

стральным уровнем. Его назначение состоит в отделении процессов маги-

стрального уровня от остальной части сети. В частности, он должен создать

границу входа в сеть путём использования списков доступа, определения ши-

роковещательных доменов, безопасности, управления размерами таблиц

маршрутизации, обобщение (агрегацию) адресов сети, распределения стати-

ческих маршрутов, перераспределения динамических маршрутов, соединений

с удалёнными площадками и перераспределения потока информации между

доменами. Таким образом, этот уровень определяет политику доступа к

сети. Различные политики могут быть использованы для обеспечения без-

Коммутаторы

уровня

доступа

Коммутаторы

магистрального

уровня

Коммутаторы

уровня

распределения

опасности сети и для экономии ресурсов путём предотвращения передачи

нежелательных данных.

Если в сети используются два или более протокола маршрутизации, та-

кие, например, как протокол маршрутной информации RIP и протокол марш-

рутизации внутреннего шлюза IGRP, то обмен информацией между доменами

с различными протоколами и её перераспределение также выполняются на

этом уровне.

Магистральный уровень предназначен для создания оптимизированной

и надёжной транспортной структуры для передачи данных с большими скоро-

стями. Иными словами, базовый уровень должен передавать данные максималь-

но быстро, а само устройство должно быть очень надёжным и содержать самые

быстрые процессоры в сети. Устройства этого уровня не должны быть загруже-

ны выполнением таких операций, как проверка списков доступа, шифрование

данных, трансляция адресов и других функций, которые препятствуют коммута-

ции пакетов с максимально возможной скоростью.

Устройства магистрального уровня должны иметь доступ к любому

узлу сети. Это не подразумевает, что они должны иметь физическую связь не-

посредственно с каждым узлом, но все устройства должны быть достижимы в

таблице маршрутизации. С целью сокращения размеров таблицы маршрути-

зации устройств магистрального уровня, целесообразно использовать техно-

логию суммирования маршрутов сети.

Коммутаторы являются стандартными устройствами для современных

технологий локальных сетей Ethernet, использующих звездообразную тополо-

гию. Коммутаторы обеспечивают выделенные виртуальные каналы типа "точ-

ка-точка" между каждыми двумя подсоединёнными сетевыми устройствами,

поэтому при одновременной передаче коллизий не происходит. Коммутаторы

могут работать в дуплексном режиме; это означает, что они могут одновре-

менно получать данные и отправлять их.

На каждом уровне требуется свой тип коммутатора, который наилучшим

образом решает задачи данного уровня. Функции и технические характеристи-

ки каждого коммутатора зависят от того, для какого уровня предназначен этот

коммутатор. Правильный выбор наилучшего для данного уровня коммутато-

ра обеспечивает максимальную эффективность работы сети для ее пользова-

телей. Это не означает, что обязательно следует использовать устройства на

всех трёх уровнях.

Часто ошибочно полагают, что три рассматриваемых уровня (базовый,

распределения и доступа) должны быть явно выражены конкретными физи-

ческими устройствами, однако это не является обязательным. На самом деле

эти три уровня определяются для успешного проектирования сети и чёткого

определения функций, которые должна выполнять сеть. Конкретный способ

реализации этих уровней зависит от потребностей проектируемой сети. Од-

нако важно помнить, что для того, чтоб сеть оптимально функционировала и

сохраняла масштабируемость по мере её роста, в процессе её проектирования

должен быть соблюден иерархический принцип.

Иерархическая модель подразумевает избыточность, которая предот-

вращает воздействие отказа в одной части сети на всю сеть.

2.2. Коммутаторы уровня доступа

Уровень доступа выполняет следующие функции:

− предоставление совместно используемой полосы пропускания;

− предоставление коммутируемой полосы пропускания;

− фильтрация на МАС уровне;

− микросегментация.

Как показано на рис.1, коммутаторы уровня доступа функционируют на 2-

м уровне эталонной модели OSI и, в частности, предоставляют службу виртуаль-

ных локальных сетей (VLAN). Главной целью коммутатора уровня доступа яв-

ляется соединение конечных пользователей с сетью. Коммутатор уровня доступа

должен выполнять эту функцию с минимальными затратами и максимальной

плотностью портов.

Фильтрация на МАС уровне позволяет коммутаторам направлять пакеты

непосредственно на порт коммутатора, соединённый с требуемым устройством-

получателем. Коммутатор создаёт небольшие сегменты, называемые микросег-

ментами. Эти коллизионные домены могут включать в себя всего лишь два

устройства (т.е. устройство-получатель и соединённый с ним порт коммутатора).

Если две или более рабочих станций или два сервер непосредственно

подсоединены к портам коммутатора, то вся полоса пропускания соединения с

коммутатором предоставляется компьютерам, осуществляющим соединение.

Если два или более компьютера подсоединены к концентратору, то каждому

компьютеру предоставляется полоса пропускания, равная общей полосе про-

пускания, поделённой на количество подсоединённых к концентратору

компьютеров. Концентратор может быть подсоединён к порту коммутатора. В

этом случае полоса пропускания используется совместно всеми устройствами,

подсоединёнными к порту коммутатора через концентратор.

Трёхуровневую модель впервые предложила фирма Cisco, для уровня до-

ступа она рекомендует использовать следующие модели коммутаторов серии

Catalyst: 1900, 2820, 2950, 4000 и 5000.

Модели 1900 и 2820 являются эффективными устройствами доступа в

небольших или средних сетях кампусов. Использование модели Catalyst 2950

целесообразно для обеспечения доступа серверов и пользователей, которым

требуется широкая полоса пропускания. Это становится возможным благодаря

наличию у этой модели портов Fast Ethernet. Модели коммутаторов Catalyst

4000 и 5000 имеют порты Gigabit Ethernet и являются эффективным и устрой-

ствами доступа для большого количества пользователей в крупных кампусных

сетях.

В сетях большего размера, чем сети кампусов, на уровне доступа удалён-

ные узлы получают доступ к корпоративной сети с помощью технологий рас-

пределенных сетей, таких как Frame Ready, ISDN, абонентские цифровые ка-

налы (xDSL) или по выделенным линиям.

2.3. Коммутаторы уровня распределения

Уровень распределения расположен между уровнем доступа и базовым

уровнем и предназначен для определения и отделения базового уровня. Его

функция состоит в задании границ, в которых может происходить какая-либо

обработка пакетов. На этом уровне происходит сегментация сети на отдель-

ные широковещательные домены. Здесь же с помощью списков доступа может

определяться политика и производиться фильтрация пакетов. Этот уровень

обеспечивает изоляцию основной части сети от проблем, которые могут возни-

кать в рабочих группах, с тем, чтобы они не затрагивали базовый уровень. Ком-

мутаторы этого уровня могут работать на 2-м и 3-м уровнях эталонной модели

OSI. По этой причине коммутаторы этого уровня часто называют многоуров-

невыми коммутаторами. Они соединяют в одном устройстве функции марш-

рутизатора и коммутатора, однако предназначены для коммутации потоков

данных с большей скоростью, чем это делает обычный маршрутизатор. Если

в таких многоуровневых коммутаторах отсутствует встроенный маршрутизи-

рующий модуль, то для выполнения функций 3-го уровня используется внеш-

ний маршрутизатор.

Для работы на уровне распределения фирма Cisco рекомендует следую-

щие типы коммутаторов серии Catalyst: 2926G, семейство 5000 и семейство

6000.

Устройствам уровня распределения требуется меньшее количество ин-

терфейсов и меньшая скорость коммутации, чем коммутаторам базового

уровня, поскольку им приходится обрабатывать меньшие объёмы данных.

Тем не менее, молниеносная скорость на магистральном уровне становится

бесполезной, если низкая скорость уровня распределения не позволяет поль-

зователям получать быстрый доступ к нему.

Уровень распределения отделяет друг от друга уровень доступа и базо-

вый уровень и помогает четко очертить их соответствующие функции. В сре-

де кампуса уровень распределения может выполнять несколько функций в

частности:

− агрегирование адресов или зон;

− управление доступом на уровне отдела или рабочей группы;