Кузьменко Н.Г. Коммутаторы и IP телефония

Подождите немного. Документ загружается.

− определение границ широковещательной и многоадресатной рассыл-

ки;

− управление маршрутизацией сетей VLAN;

− все переходы из одной среды передачи в другую;

− обеспечение безопасности.

В средах, не являющихся сетями кампусов, уровень распределения мо-

жет быть точкой перераспределения между доменами маршрутизации или

точкой демаркации между протоколами статической и динамической марш-

рутизации. Он может также быть точкой доступа с удалённых узлов к корпо-

ративной сети.

В целом уровень распределения можно охарактеризовать как уровень,

на котором обеспечиваются соединения пользователей в соответствии с при-

нятой в сети политикой.

2.4. Коммутаторы магистрального уровня

Поскольку магистральный уровень является центральной частью сети,

он должен быть спроектирован для быстрой и надежной работы. Использова-

ние на магистральном уровне списков доступа нежелательно, поскольку они

вносят дополнительную задержку. Более того, сам доступ конечных пользо-

вателей к магистральному уровню весьма нежелателен. Коммутаторы этого

уровня могут использовать ряд технологий 2-го уровня. В иерархической сети

данные конечных пользователей должны попадать на маршрутизаторы маги-

стрального уровня только после того, как они прошли уровни доступа и рас-

пределения, где к ним могут быть применены списки доступа. При проекти-

ровании сети в качестве магистрального уровня может быть использован уро-

вень маршрутизации (3-й уровень). Коммутаторы этого уровня должны при

необходимости обеспечивать эффективное выполнение функций 3-го уровня.

Поскольку маршрутизация на магистральном уровне осуществляется без ис-

пользования списков доступа, трансляции адресов и других операций с паке-

тами, может показаться, что для выполнения столь простой задачи достаточ-

но даже и маломощных коммутаторов. Однако верно как раз обратное – на

этом уровне используются самые мощные коммутаторы/маршрутизаторы, по-

скольку в них используются самые быстрые технологии коммутации.

Для работы на магистральном уровне фирма Cisco рекомендует исполь-

зовать следующие модели коммутаторов: Catalyst 6500, Catalyst 8500, IGX

8400 и Light stream.

Представленные на рынок корпорацией Cisco в качестве маршрутизато-

ров магистрального уровня для предприятий, маршрутизаторы моделей 7000,

7200 и 7500 обеспечивают максимально доступные скорости коммутации.

Маршрутизатор модели 12000 также является маршрутизатором магистраль-

ного уровня, однако он в первую очередь предназначен для удовлетворения

потребности в маршрутизации провайдеров служб Internet. В отличие от дру-

гих моделей маршрутизаторов, таких как Cisco 2500, 7000, 7200 и 7500,

маршрутизаторы модели 12000 имеют модульную структуру, поэтому при

необходимости к ним могут быть добавлены другие интерфейсные модули.

Большие шасси маршрутизаторов этой серии позволяют создать десятки ин-

терфейсов на различных модулях практически для любой среды передачи,

что делает эти маршрутизаторы масштабируемым и надёжным решением за-

дач магистрального уровня.

Одним из способов обеспечения надёжности, используемым в устрой-

ствах магистрального уровня, является использование избыточных каналов,

обычно к другим устройствам магистрального уровня. При наличии возмож-

ности эти избыточные каналы следует делать симметричными (т.е. с одинако-

вой пропускной способностью), с тем. чтобы можно было использовать рас-

пределение (балансирование) нагрузки.

Другим способом обеспечения надёжности является использование из-

быточных источников питания. Магистральные устройства обычно имеют

два или более "заменяемых на ходу" источника питания, которые могут быть

удалены или заменены индивидуально без выключения питания устройства.

Магистральные каналы оказываются самыми быстрыми, самыми

надёжными, но и самыми дорогостоящими выделенными соединениями в

распределённых сетях. Использование мощных устройств и каналов сетей

WAN может сделать магистральный уровень сети крайне дорогостоящим.

Для уменьшения расходов некоторые проектировщики сетей выбирают вари-

ант несимметричных каналов. Вместо избыточных каналов в качестве резерв-

ных могут быть использованы технологии коммутации пакетов или коммута-

ции по требованию, такие как Frame Ready или ISDN. Компромиссное реше-

ние, позволяющее сэкономить средства при использовании таких технологий

определяется, достигаемым уровнем производительности сети.

Магистральный уровень сети не должен реализовываться в сети WAN.

В некоторых случаях магистраль локальной сети также может быть причисле-

на к магистральному уровню. В сетях кампусов или в крупных сетях, охваты-

вающих комплекс офисов или смежных зданий, базовая магистраль может

проходить по локальной сети. В этом случае в качестве технологий базового

уровня типичным является использование Fast Ethernet и Gigabit Ethernet,

обычно на основе оптоволоконного кабеля. Промышленные коммутаторы, та-

кие как модели 4000, 5000 и 6000, принимают на себя основную нагрузку в

магистральных локальных сетях, поскольку они коммутируют пакеты на 2-м

уровне со значительно большей скоростью, чем маршрутизаторы коммутиру-

ют пакеты на 3-м уровне. На практике эти коммутаторы, являясь модульными

устройствами, могут быть оснащены модулями коммутации маршрутов RSM,

что добавляет к функциям основного шасси маршрутизацию на 3-м уровне.

2.5. Основные операции коммутатора

Коммутация представляет собой технологию, которая уменьшает веро-

ятность переполнения в сетях. Коммутаторы разрабатываются таким образом,

чтобы они могли быть установлены в существующие кабельные сетевые ин-

фраструктуры без нарушения сложившегося характера работы сети. В совре-

менных коммуникациях все коммутирующие устройства выполняют две

основные операции:

− Коммутация пакетов данных. Эта операция состоит в получении па-

кета из входной передающей среды и передаче его в выходную среду.

− Поддержка операций по коммутации. При своей работе коммутатор

строит и поддерживает таблицы коммутации.

Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых техноло-

гий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Мост передает паке-

ты из одного сегмента к получателям, находящимся в других сегментах.

Когда включается питание и начинается функционирование моста, он изучает

МАС адреса поступающих дейтаграмм и строит таблицу адресов известных

ему получателей. Если мосту известно, что пункт назначения пакета находит-

ся в том же сегменте где и его отправитель, то пакет отбрасывается, посколь-

ку в его передаче нет необходимости. Если мосту известно, что получатель

находится в другом сегменте, то он передаёт его только в этот сегмент. Если

же сегмент пункта назначения неизвестен, то мост передаёт пакет во все сег-

менты, кроме того, в котором находится отправитель этого пакета. Такая

передача называется лавинной рассылкой. Основным достоинством моста яв-

ляется ограничение перемещения потоков данных лишь некоторыми сетевы-

ми сегментами. Коммутаторы соединяют между собой сегменты сети, исполь-

зуют МАС адреса для определения сегмента, в который требуется передать

пакет, и уменьшают объём передаваемых данных. В современных сетях ком-

мутаторы выполняют большее количество функций, чем мосты, поскольку

они позволяют осуществлять большее количество соединений, работают с го-

раздо быстрее, чем мосты, а также поддерживают новые функции, такие как

виртуальные локальные сети (VLAN). В мостах коммутацию обычно осуще-

ствляет программное обеспечение, в то время как в коммутаторах коммута-

ция обычно выполняется аппаратно.

На рис. 2.2 показана сеть с тремя рабочими станциями, коммутатор и

адресная таблица этого коммутатора. Коммутатор имеет четыре порта (или

сетевых соединения). Станции A и C подсоединены к 3-му порту коммутато-

ра, а станция B к 4-му порту. Вероятнее всего, что в реальной сети станции A

и C будут подсоединены к концентратору, который будет подсоединён к 3-му

порту. Как показано на рис. 2.2, станции A требуется передать данные стан-

ции В.

Следует помнить о том, что при прохождении потоков данных по сети

коммутатор функционирует на 2-м уровне; это означает, что коммутатор про-

сматривает адрес МАС уровня. При передаче пакетов станцией A и получе-

нии их коммутатором, последний просматривает МАС адрес отправителя и

сохраняет его в адресной таблице. При прохождении данных через коммута-

тор в адресной таблице создается новая запись, в которую заносится адрес

станции-отправи-теля и порт коммутатора, к которому она подсоединена. По-

сле этого коммутатору известно, куда подсоединена станция A. После по-

ступления пакета данных на коммутатор он лавинным образом рассылается

на все порты, поскольку станция-получатель пока неизвестна.

Однако после создания соответствующей записи в адресной таблице по-

ступает ответ от станции B к станции A. Теперь коммутатору известно, что

станция B подсоединена к 4-му порту. Поступающие данные коммутатор те-

перь отправляет только на 3-й порт, согласно записи в таблице коммутации.

2.6. Задержка в коммутаторах

Каждый коммутатор увеличивает задержку в сети. Однако эта задержка

зависит от типа коммутатора и используемого метода коммутации. В совре-

менных коммутаторах используются следующие два режима:

1. Пересылка данных с промежуточным хранением заключается в том, что

коммутатор сначала целиком получает пакет, а затем в соответствии с та-

блицей коммутации пересылает этот пакет получателю. Такая процедура

вносит дополнительную задержку в процесс передачи пакета, однако в

ожидании полного получения пакета коммутатор может проверить его на

наличие в нём ошибок.

2. При использовании сквозной коммутации коммутатор считывает адрес по-

лучателя и сразу начинает его передачу получателю. Такой режим переда-

чи ещё называют – передачей на лету. Он обеспечивает минимальную за-

держку, однако возможности коррекции ошибок ограничены.

10 Мбит/с

Данные, передаваемые от A к B

10 Мбит/с

порт

узел

1 2 3 4

Рис. 2.2. Работа коммутатора и построение адресной таблицы

Метод сквозной коммутации имеет один существенный недостаток.

При возникновении коллизии каждый узел, обнаруживший коллизию, посы-

лает специальную jam-последовательность усиливающую коллизию. Комму-

татор, реализующий алгоритм коммутации на лету не в состоянии такую по-

следовательность отфильтровать. Он вынужден её передать. В связи с тем,

что длина такой последовательности менее 64 байт, то фильтрация её при

другом способе передачи не вызывает проблем.

Дня временного хранения пакетов и последующей их отправки по нуж-

ному адресу коммутатор использует буферное запоминающее устройство, ко-

торое может быть общим или индивидуальным для каждого порта.

При наличии индивидуальных запоминающих устройств для каждого

порта пакеты хранятся в очередях, количество которых соответствует количе-

ству выходных портов. Пакет передается на выходной порт только тогда,

когда все пакеты, находившиеся впереди него в очереди, были успешно пере-

даны.

При использовании обшей памяти, все пакеты хранятся в общем буфере

памяти, который используется всеми портами коммутатора. Количество памя-

ти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод

называется динамическим распределением буферной памяти. После этого па-

кеты, находящиеся в буфере динамически распределяются по выходным пор-

там. Это позволяет получить пакет с одного порта и отправить его на другой

порт, не создавая очередей.

Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отпра-

вить пакеты. Очистка этой карты происходит только после того, как пакет

успешно отправлен. Поскольку память буфера является общей, размер пакета

ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для кон-

кретного порта. Это означает, что крупные пакеты могут быть переданы с

меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации,

когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мбит/с должен отправлять

пакеты па порт 10 Мбит/с или порт с шириной полосы пропускания 100

Мбит/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мбит/с или 100 Мбит/с.

2.7. Дополнительные функции коммутаторов

Поскольку коммутатор представляет собой сложное вычислительное

устройство, имеющее несколько процессорных модулей, то естественно

целесообразно нагрузить его помимо выполнения основной функции

передачи кадров с порта на порт по алгоритму моста и некоторыми

дополнительными функциями, полезными при построении надежных и

гибких сетей. Ниже описываются наиболее распространенные

дополнительные функции коммутаторов, которые поддерживаются

большинством производителей коммуникационного оборудования.

Идентификация источника. Процессор порта коммутатора может за-

поминать MAC адрес подключённого к нему узла или адреса нескольких

узлов, если они подключены через повторитель (концентратор). Это позволя-

ет защитить сеть от несанкционированного подключения. Администратор

сети имеет возможность определять: время хранения MAC адреса, устанавли-

вать MAC адреса, изменять MAC адреса самостоятельно или динамически.

Подавление источника. Для временного хранения пакетов коммутатор

имеет буферное запоминающее устройство. Если выходной порт коммутатора

занят, а источник информации постоянного передаёт пакеты, то в

большинстве случаев даже очень большой объём буферной памяти не спасет

– она обязательно переполниться. В случае переполнения буфера коммутатор

не в состоянии запоминать поступающие пакеты, поэтому они будут утраче-

ны. Поскольку к одному порту коммутатора подключён только один узел, он

монопольно владеет каналом передачи информации и естественно никаких

коллизий не возникает. Для регулирования скорости поступления информа-

ции коммутатор (рис.2.3) нарушает стандартный режим передачи информа-

ции. Между пакетами стандартом оговаривается пауза 9,6 мкс (для 10 Мбит

Ethernet), при заполнении буфера коммутатор посылает узлу пакет через 9,5

мкс. Поскольку узел один, то он через стандартную паузу начинает передачу

очередного пакета и на линии происходит столкновение. После чего узел от-

ключается на случайное время. Если после коллизии узел опять начинает

передачу информации, то коммутатор во время передачи пакета узлом посы-

лает свой пакет, создавая коллизию. Таким простым способом коммутатор

может регулировать темп поступающей информации от узла.

Рис.2.3. Подавление источника

Трансляция протоколов канального уровня. Коммутаторы могут

выполнять трансляцию одного протокола канального уровня в другой,

например Ethernet в FDDI, Fast Ethernet в Token Ring и т. п. При этом они

Шина

Узел

Передача

Коллизия (jam)

Случайная пауза

Коммутатор

Передача

Передача Передача

9,6 мкс 9,5 мкс

Передача

Коллизия

работают по тем же алгоритмам, что и транслирующие мосты, то есть в

соответствии со спецификациями IEEE 802.1Н, определяющими правила

преобразования полей кадров разных протоколов.

Трансляцию протоколов локальных сетей облегчает тот факт, что

наиболее сложную работу, которую при объединении гетерогенных сетей

часто выполняют маршрутизаторы и шлюзы, а именно работу по трансляции

адресной информации, в данном случае выполнять не нужно. Все конечные

узлы локальных сетей имеют уникальные адреса одного и того же формата

независимо от поддерживаемого протокола. Поэтому адрес сетевого адаптера

Ethernet понятен сетевому адаптеру FDDI, и они могут использовать эти

адреса, в полях своих кадров не задумываясь о том, что узел, с которым они

взаимодействуют, принадлежит сети, работающей по другой технологии.

Поэтому при согласовании протоколов локальных сетей коммутаторы не

строят таблиц соответствия адресов узлов, а переносят адреса назначения и

источника из кадра одного протокола в кадр другого.

Фильтрация пакетов. Многие коммутаторы позволяют

администраторам задавать дополнительные условия фильтрации кадров

наряду со стандартными условиями их фильтрации в соответствии с

информацией адресной таблицы. Пользовательские фильтры предназначены

для создания дополнительных барьеров на пути кадров, которые

ограничивают доступ определённых групп пользователей к определённым

службам сети.

Наиболее простыми являются пользовательские фильтры на основе

физических адресов узлов. Поскольку эти адреса – это та информация, с

которой работает коммутатор, то он позволяет задавать такие фильтры в

удобной для администратора форме, возможно, проставляя некоторые

условия в дополнительном поле адресной таблицы, например, уничтожать

кадры с определённым адресом. При этом пользователю, работающему на

компьютере с данным адресом, полностью запрещается доступ к ресурсам

другого сегмента сети.

Часто администратору требуется задавать более тонкие условия

фильтрации, например, запретить некоторому пользователю, печатать свои

документы на определённом сервере печати NetWare чужого сегмента, а

остальные ресурсы этого сегмента сделать доступными. Для реализации

такого фильтра нужно запретить передачу кадров с определённым адресом, в

которых вложены пакеты IPX, в поле "номер сокета" которых будет указано

значение, соответствующее службе печати NetWare. Коммутаторы не

анализируют протоколы верхних уровней, такие как IPX, поэтому

администратору приходится для задания условий такой фильтрации вручную

определять поле, по значению которого нужно осуществлять фильтрацию, в

виде пары "смещение-размер" относительно начала поля данных кадра

канального уровня, а затем еще указать в шестнадцатеричном формате

значение этого поля для службы печати. Обычно условия фильтрации

записываются в виде булевых выражений, формируемых с помощью

логических операторов AND и OR.

Приоритетная обработка кадров. Построение сетей на основе

коммутаторов позволяет использовать приоритеты пакетов, причём делать

это независимо от технологии сети. Эта возможность является следствием

того, что коммутаторы буферизуют кадры перед их отправкой на другой

порт. Коммутатор обычно ведёт для каждого входного и выходного порта не

одну, а несколько очередей, причём каждая очередь имеет свой приоритет

обработки. При этом коммутатор может быть сконфигурирован так, чтобы

передавать один низкоприоритетный пакет на каждые 10

высокоприоритетных пакетов.

Поддержка приоритетной обработки может особенно пригодиться для

приложений, предъявляющих различные требования к допустимым

задержкам кадров и к пропускной способности сети для потока кадров,

например, IP-телефония, видео.

Приоритезация потока информации (трафика) коммутаторами сегодня

является одним из основных механизмов обеспечения качества

транспортного обслуживания в локальных сетях. Это, естественно, не

гарантированное качество обслуживания, а только механизм. К каким

уровням задержек приводит приписывание того или иного уровня приоритета

кадру, какую пропускную способность обеспечивает приоритет потоку

кадров – схема приоритезации не говорит. Выяснить последствия её

применения можно только путём проведения натурных экспериментов или же

с помощью имитационного моделирования. Ясно только одно – более

приоритетные кадры будут обрабатываться раньше менее приоритетных,

поэтому все показатели качества обслуживания у них будут выше, чем у

менее приоритетных. Остается вопрос – насколько? Гарантии качества

обслуживания дают другие схемы, которые основаны на предварительном

резервировании качества обслуживания. Например, такие схемы

используются в технологиях глобальных сетей Frame Ready и АТМ или в

протоколе RSVP для сетей ТСР/IP. Однако для коммутаторов такого рода

протоколов нет, так что гарантий качества обслуживания они пока дать не

могут.

Основным вопросом при приоритетной обработке кадров

коммутаторами является вопрос назначения кадру приоритета. Поскольку не

все протоколы канального уровня поддерживают поле приоритета кадра,

например, у кадров Ethernet оно отсутствует, то коммутатор должен

использовать какой-либо дополнительный механизм для связывания кадра с

его приоритетом. Наиболее распространенный способ – приписывание

приоритета портам коммутатора. При этом способе коммутатор помещает

кадр в очередь кадров соответствующего приоритета в зависимости от того,

через какой порт поступил кадр в коммутатор. Способ несложный, но

недостаточно гибкий – если к порту коммутатора подключён не отдельный

узел, а сегмент, то все узлы сегмента получают одинаковый приоритет.

Поддержка алгоритма покрывающего дерева Spanning Tree (STA).

Для нормальной работы коммутатора требуется отсутствие замкнутых

маршрутов в сети. Эти маршруты могут создаваться администратором

специально для образования резервных связей или же возникать случайным

образом, что вполне возможно, если сеть имеет многочисленные связи, а

кабельная система плохо структурирована или документирована. Алгоритм

покрывающего дерева позволяет коммутаторам автоматически определять

древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении

портов между собой.

Рассмотрим более подробно, почему коммутаторы не могут работать в

петлевых структурах на примере сети с мостами, изображенной на рис.2.4.

Два сегмента параллельно соединены двумя мостами, так что образовалась

активная петля. Пусть новая станция с адресом 10 впервые начинает работу в

данной сети. Обычно начало работы любой операционной системы

сопровождается рассылкой широковещательных кадров, в которых станция

заявляет о своём существовании и одновременно ищет серверы сети.

Рис. 2.4. Влияние петель на работу мостов

На этапе 1 станция посылает первый кадр с широковещательным

адресом назначения и адресом источника 10 в свой сегмент. Кадр попадает

как в мост 1, так и в мост 2. В обоих мостах новый адрес источника 10

заносится в адресную таблицу с пометкой о его принадлежности сегменту 1,

то есть создается новая запись вида:

Адрес Порт

10 1

Мост 1 Мост 2

Порт 1 Порт 1

Порт 2

Поскольку адрес назначения широковещательный, то каждый мост

должен передать кадр на сегмент 2. Эта передача происходит поочередно, в

соответствии с методом случайного доступа технологии Ethernet. Пусть

первым доступ к сегменту 2 получил мост 1 (этап 2 на рис.2.4.). При

появлении пакета на сегменте 2 мост 2 принимает его в свой буфер и

обрабатывает. Он видит, что адрес 10 уже есть в его адресной таблице, но

пришедший кадр является более свежим, и он утверждает, что адрес 10

принадлежит сегменту 2, а не 1. Поэтому мост 2 корректирует содержимое

таблицы и делает запись о том, что адрес 10 принадлежит сегменту 2. Теперь

адресная таблица моста 2 будет иметь уже другую запись о станции с адресом

10:

Адрес Порт

10 1

10 2

Аналогично поступает мост 1, когда мост 2 передает свою копию кадра

на сегмент 2. Результаты наличия петли перечислены ниже.

− "размножение" кадра, то есть появление нескольких его копий (в

данном случае – двух, но если бы сегменты были соединены тремя

мостами – то трёх и т.д.).

− бесконечная циркуляция обеих копий кадра по петле в

противоположных направлениях, а значит, засорение сети ненужной

информацией.

− постоянная перестройка мостами своих адресных таблиц, так как

кадр с адресом источника 10 будет появляться то на одном, то на

другом порту.

Чтобы исключить все эти нежелательные эффекты, мосты нужно,

применять так, чтобы между логическими сегментами не было петель, то есть

строить с помощью мостов только древовидные структуры, гарантирующие

наличие только одного пути между любыми двумя сегментами. Тогда кадры

от каждой станции будут поступать в мост всегда с одного и того же порта, и

мост сможет правильно решать задачу выбора рационального маршрута в

сети.

Ограничение топологии структурированной сети с древовидной

структурой вытекает из самого принципа построения адресной таблицы

мостом, а поэтому точно так же оно действует и на коммутаторы.

Коммутаторы находят покрывающее дерево адаптивно, с помощью

обмена служебными пакетами. Реализация в коммутаторе алгоритма STA

очень важна для работы в больших сетях, если коммутатор не поддерживает

этот алгоритм, то администратор должен самостоятельно определить, какие

порты нужно перевести в заблокированное состояние, чтобы исключить

петли. К тому же при отказе какого-либо кабеля, порта или коммутатора