Локальные сети на основе коммутаторов
На рисунке 2.3 показана зависимость задержек доступа к среде передачи данных в сети Ethernet от количества узлов сети. Экспоненциальный рост задержек при увеличении числа узлов очень характерен как для технологии Ethernet, так и для других технологий локальных сетей, основанных на разделении каналов во времени - Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
Рис. 2.3. Зависимость задержек доступа к среде передачи данных
сети Ethernet от числа узлов сети
До недавнего времени в локальных сетях редко использовались мультимедийные приложения, перекачивающие большие файлы данных, нередко состоящие из нескольких десятков мегабайт. Приложения же, работающие с алфавитно-цифровой информацией, не создавали значительного трафика. Поэтому долгое время для сегментов Ethernet было действительным эмпирическое правило - в разделяемом сегменте не должно быть больше 30 узлов. Теперь ситуация изменилась и нередко 3-4 компьютера полностью загружают сегмент Ethernet с его максимальной пропускной способностью в 10 Мб/с или же 14880 кадров в секунду.
Более универсальным критерием загруженности сегмента Ethernet по сравнению с общим количеством узлов является суммарная нагрузка на сегмент, создаваемая его узлами. Если каждый узел генерирует в среднем mi кадров в секунду для передачи по сети, то средняя суммарная нагрузка на сеть будет составлять Si mi кадров в секунду. Известно, что при отсутствии коллизий, то есть при самом благоприятном разбросе запросов на передачу кадров во времени, сегмент Ethernet может передать не больше 14880 кадров в секунду (для самых коротких по стандарту кадров в 64 байта). Поэтому, если принять эту величину за единицу, то отношение Si mi/14880 будет характеризовать степень использования канала, называемый также коэффициентом загрузки.
Зависимость времени ожидания доступа к сети от коэффициента загрузки гораздо меньше зависит от интенсивности трафика каждого узла, поэтому эту величину удобно использовать для оценки пропускной способности сети, состоящей из произвольного числа узлов. Имитационное моделирование сети Ethernet и исследование ее работы с помощью анализаторов протоколов показали, что при коэффициенте загрузки в районе 0.3 - 0.5 начинается быстрый рост числа коллизий и соответственно времени ожидания доступа. Поэтому во многих системах управления сетями пороговая граница для индикатора коэффициента загрузки по умолчанию устанавливается на величину 0.3.
Ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сегмента, чаще всего оказываются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой передачи электрических сигналов в кабелях.
Технология Ethernet была выбрана в качестве примера при демонстрации ограничений, присущих технологиям локальных сетей, так как в этой технологии ограничения проявляются наиболее ярко, а их причины достаточно очевидны. Однако подобные ограничения присущи и всем остальным технологиям локальных сетей, так как они опираются на использование среды передачи данных как одного разделяемого ресурса. Кольца Token Ring и FDDI также могут использоваться узлами сети только в режиме разделяемого ресурса. Отличие от канала Ethernet здесь состоит только в том, что маркерный метод доступа определяет детерминированную очередность предоставления доступа к кольцу, но по-прежнему при предоставлении доступа одного узла к кольцу все остальные узлы не могут передавать свои кадры и должны ждать, пока владеющий правом доступа узел не завершит свою передачу.
Как и в технологии Ethernet, в технологиях Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN также определены максимальные длины отдельных физических сегментов кабеля и ограничения на максимальный диаметр сети и максимальное количество в ней узлов. Эти ограничения несколько менее стеснительны, чем у технологии Ethernet, но также могут быть серьезным препятствием при создании крупной сети.
Особенно же быстро может проявиться ограничение, связанное с коэффициентом загрузки общей среды передачи данных. Хотя метод маркерного доступа, используемый в технологиях Token Ring и FDDI, или метод приоритетных требований технологии 100VG-AnyLAN позволяют работать с более загруженными средами, все равно отличия эти только количественные - резкий рост времени ожидания начинается в таких сетях при больших коэффициентах загрузки, где-то в районе 60% - 70%. Качественный характер нарастания времени ожидания доступа и в этих технологиях тот же, и он не может быть принципиально иным, когда общая среда передачи данных разделяется во времени между компьютерами сети.
Общее ограничение локальных сетей, построенных только с использованием повторителей и концентраторов, состоит в том, что общая производительность такой сети всегда фиксирована и равна максимальной производительности используемого протокола. И эту производительность можно повысить только перейдя к другой технологии, что связано с дорогостоящей заменой всего оборудования.
Рассмотренные ограничения являются платой за преимущества, которые дает использование разделяемых каналов в локальных сетях. Эти преимущества существенны, недаром технологии такого типа существуют уже около 20 лет.
К преимуществам нужно отнести в первую очередь:
простоту топологии сети; гарантию доставки кадра адресату при соблюдении ограничений стандарта и корректно работающей аппаратуре; простоту протоколов, обеспечившую низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов;Однако начавшийся процесс вытеснения повторителей и концентраторов коммутаторами говорит о том, что приоритеты изменились, и за повышение общей пропускной способности сети пользователи готовы пойти на издержки, связанные с приобретением коммутаторов вместо концентраторов.
Локальные мосты - предшественники коммутаторовДля преодоления ограничений технологий локальных сетей уже достаточно давно начали применять локальные мосты, функциональные предшественники коммутаторов.
Мост - это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (реже нескольких) локальных сетей посредством передачи кадров из одной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост, в отличие от повторителя, не старается поддержать побитовый синхронизм в обеих объединяемых сетях. Вместо этого он выступает по отношению к каждой из сетей как конечный узел. Он принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения кадра и только в том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда.
Для передачи кадра в другую сеть мост должен получить доступ к ее разделяемой среде передачи данных в соответствии с теми же правилами, что и обычный узел.
Таким образом мост, изолирует трафик одного сегмента от трафика другого сегмента, фильтруя кадры. Так как в каждый из сегментов теперь направляется трафик от меньшего числа узлов, то коэффициент загрузки сегментов уменьшается (рисунок 2.4).
Рис. 2.4. Локализация трафика при использовании моста
Мост не только снижает нагрузку в объединенной сети, но и уменьшает возможности несанкционированного доступа, так как пакеты, предназначенные для
циркуляции внутри одного сегмента, физически не появляются на других, что исключает их "прослуши-
вание" станциями других сегментов.
По своему принципу действия мосты подразделяются на два типа. Мосты первого типа выполняют так называемую маршрутизацию от источника (Source Routing), метод, разработанный фирмой IBM для своих сетей Token Ring. Этот метод требует, чтобы узел-отправитель пакета размещал в нем информацию о маршруте пакета. Другими словами, каждая станция должна выполнять функции по маршрутизации пакетов. Второй тип мостов осуществляет прозрачную для конечных станций передачу пакетов (Transparent Bridges). Именно этот тип мостов лег в основу современных коммутаторов, поэтому остановимся на нем подробнее.
Функции и алгоритмы прозрачных мостов
Прозрачные мосты являются наиболее распространенным типом мостов. Для прозрачных мостов сеть представляется наборами МАС-адресов устройств, используемых на канальном уровне, причем каждый набор связан с определенным портом моста.
Мосты используют эти адреса для принятия решения о продвижении кадра, когда кадр записывается во внутренний буфер моста из какого-либо его порта. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому - сетевому - уровню, и они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Таким образом, мосты являются совершенно прозрачными для протоколов, начиная с сетевого уровня и выше. Эта прозрачность позволяет мостам передавать пакеты различных протоколов высокого уровня, никоим образом не влияя на их содержимое.
Вследствие функциональной ограниченности мосты имеют достаточно простое устройство и представляют собой удобное и недорогое средство для построения интерсети.
Мосты обеспечивают возможность соединения двух или более сетей для образования единой логической сети. Исходные сети становятся сетевыми сегментами результирующей сети. Каждый такой сегмент остается доменом коллизий, то есть участком сети, в котором все узлы одновременно фиксируют и обрабатывают коллизию. Однако коллизии одного сегмента не приводят к возникновению коллизий в другом сегменте, так как мост не осуществляет побитовый синхронизм сегментов и ограничивает коллизии тем сегментом, в котором они возникают.
Мосты регенерируют пакеты, которые они передают с одного порта на другой (операция forwarding). Одним из преимуществ использования мостов является увеличение расстояния, покрываемого интерсетью, так как количество пересекаемых мостов не оказывает влияния на качество сигнала.
Рис. 2.5. Мост как коммуникационное устройство канального уровня
Прозрачные мосты имеют дело как с адресом источника, так и с адресом назначения, имеющимися в кадрах локальных сетей. Мост использует адрес источника для автоматического построения своей базы данных адресов устройств, называемой также таблицей адресов устройств. В этой таблице устанавливается принадлежность адреса узла какому-либо порту моста. Все операции, которые выполняет мост, связаны с этой базой данных. На рисунке 2.5 показан фрагмент сети, содержащий двухпортовый мост, и соответствующая этому фрагменту часть таблицы адресов устройств. Внутренняя структура моста показана на рисунке 2.6. Функции доступа к среде при приеме и передаче кадров выполняют микросхемы MAC.
Рис. 2.6. Состав и структура моста
Все порты моста работают в так называемом "неразборчивом" (promisquous) режиме захвата пакетов, то есть все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах и использует проходящие через него пакеты для изучения состава сети.
Когда мост получает кадр от какого-либо своего порта, то он (после буферизации) сравнивает адрес источника с элементами базы данных адресов. Если адрес отсутствует в базе, то он добавляется в нее. Если этот адрес уже имеется в базе, то возможны два варианта - либо адрес пришел с того же порта, который указан в таблице, либо он пришел с другого порта. В последнем случае строка таблицы, соответствующая обрабатываемому адресу, обновляется - номер порта заменяется на новое значение (очевидно, станцию с данным адресом переместили в другой сегмент сети). Таким способом мост "изучает" адреса устройств сети и их принадлежность портам и соответствующим сегментам сети. Из-за способности моста к "обучению" к сети могут добавляться новые устройства без необходимости реконфигурирования моста. Администратор может объявить часть адресов статическими и не участвующими в процессе обучения (при этом он их должен задать сам). В случае статического адреса приход пакета с данным адресом и значением порта, не совпадающим с хранящимся в базе, будет проигнорирован и база не обновится.
Кроме адреса источника мост просматривает и адрес назначения кадра, чтобы принять решение о его дальнейшем продвижении. Мост сравнивает адрес назначения кадра с адресами, хранящимися в его базе. Если адрес назначения принадлежит тому же сегменту, что и адрес источника, то мост "фильтрует" (filtering) пакет, то есть удаляет его из своего буфера и никуда не передает. Эта операция помогает предохранить сеть от засорения ненужным трафиком.
Если адрес назначения присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту по сравнению с сегментом адреса источника, то мост определяет, какой из его портов связан с этим адресом и "продвигает" (forwarding) кадр на соответствующий порт. Затем порт должен получить доступ к среде подключенного к нему сегмента и передать кадр узлам данного сегмента.
Если же адрес назначения отсутствует в базе или же это широковещательный адрес, то мост передает кадр на все порты, за исключением того порта, с которого он пришел. Такой процесс называется "затоплением" (flooding) сети. Затопление гарантирует, что пакет будет помещен на все сегменты сети и, следовательно, доставлен адресату или адресатам. Точно также мост поступает по отношению к кадрам с неизвестным адресом назначения, затопляя им сегменты сети. Очевидно, что некоторое время после инициализации мост выполняет только операцию затопления, так как он ничего не знает о принадлежности адресов сегментам сети.
Рисунок 2.5 иллюстрирует процессы обучения, фильтрации и продвижения. Предположим, что станции 1 и 2 являются новыми станциями на сегменте 1. Когда станция 1 впервые направляет кадр станции 2, то мост определяет, что адреса станции 1 нет в базе адресов и добавляет его туда. Затем, так как адреса станции 2 также нет в базе адресов, мост "затапливает" все сегменты (в данном случае это только один сегмент 2).
Когда станция 2 посылает ответный кадр, мост добавляет в свою базу и адрес 2. Затем он просматривает таблицу базы адресов и обнаруживает, что адрес 1 в ней имеется и относится к сегменту 1, которому принадлежит и адрес источника. Поэтому он фильтрует этот кадр, то есть удаляет его из буфера и никуда не передает.
Мост, работающий по описанному алгоритму, прозрачен не только для протоколов всех уровней, выше канального, но и для конечных узлов сети. Эта прозрачность состоит в том, что узлы не посылают мосту свои кадры специальным образом, указывая в них адрес порта моста. Даже при наличии моста в сети конечные узлы продолжают посылать кадры данных непосредственно другим узлам, указывая их адреса в качестве адресов назначения кадров. Поэтому порты мостов вообще не имеют МАС-адресов, работая в режиме "неразборчивого" захвата всех кадров. Такая прозрачность моста упрощает работу конечных узлов, и это свойство коренным образом отличает мост от маршрутизатора,