Ключові теми цього розділу:

• Розглянуті загальні функції еталонної моделі OSI і вирішувані нею проблеми;

• Описана характеристика фізичного рівня еталонної моделі OSI;

• Описана характеристики канальног рівня еталонної моделі OSI;

• Описана характеристика мережного рівня еталонної моделі OSI;

• Описана характеристика транспортного рівня еталонної моделі OSI;

• Розглянуті функції маршрутизатора в мережі;

• Описана робота різних протоколів.

Еталонна модель OSI і маршрутизація

Вступ

Комп’ютерна мережа являє собою складну систему, яка включає в себе багато чисельні середовища передачі інформації, протоколи передачі і двосторонні зв’язки з мережами, розташованими поза центральним вузлом зв’язку. Правильно спроектована і акуратно встановлена мережа дозволяє значно полегшити проблеми, що виникають при подальшому її розширенні. Проектування, установка і забезпечення роботи комп’ютерної мережі може виявитись нелегкою задачею. Навіть в невеликій мережі, яка складається лише з 50 машин, можуть виникнути серйозні проблеми, які призведуть до непередбачуваних наслідків. Великі мережі, що складаються із тисяч вузлів, можуть створити ще більш серйозніші проблеми. Незважаючи на значний прогрес в збільшенні потужності мережного обладнання і оптимізації процесів обміну даними, проектування і встановлення мережі надалі залишаються досить серйозними задачами.

В наступному розділі розглядається еталонна модель взаємодії відкритих систем OSI(Open System Interconnection, OSI), а також дається загальний опис процесу проектування мережі і методів маршрутизації. Використані згадувані вище моделі в якості загального еталона полегшує вирішення питань, пов’язаних з внесенням змін до мережі, а її ієрархічна структура дозволяє розподілити проектування мережі на проектування окремих її рівнів. Еталонна модель OSI є основою проектування і встановлення мереж, а її рівні виконують свої часткові задачі при здійсненні обміну даними. Рівні 1-4 є найважливішими для забезпечення роботи мережі. Ці чотири рівні виконують наступні фукції:

• Визначають тип і швидкість використовуваного передаваючого середовища;

• Визначають спосіб передачі даних;

• Визначають використовувані схеми адресації;

• Забезпечують надійність передачі даних по мережі і визначають спосіб керування потоком даних;

• Задають тип використовуваного протокола маршрутизації;

Багаторівнева модель мережі:

еталонна модель OSI

Для спрощення опису мережних операції моделі мереж використовують декілька рівнів.Розподіл операцій на декілька рівнів називається ”розшаруванням”(layering). Для того щоб зрозуміти важливість такого розшарування, розглянемо еталонну модель OSI, рівні якої використовуються для опису обміну даними між комп’ютерами і яка допомагає зрозуміти процес розшарування. Використання рівнів спрощує вирішення задач, які виникають при обміні даними між двома комп’ютерами. При цьому кожен рівень зосереджений на виконанні своїх специфічних функцій, що дозволяє розробнику мережі вибрати для кожного рівня оптимальний тип пристроїв і виконуваних функцій. В еталонній моделі OSI є сім рівнів, які мають фіксовані номери і виконують характерні для них функції.

Серед причин розподілу різних мережних функцій на рівні відмітимо наступні.

• Використання рівнів дозволяє розділити мережеві операції на блоки, що мають простішу структуру.

• Використання рівнів дозволяє використовувати стандартний інтерфейс для забезпечення сумісності в рамках концепції "plug and play".

• Використання рівнів дозволяє проектувальникові зосередити свою увагу на створенні окремих модулів, кожний з яких виконує деякий комплекс операцій.

• Використання різних рівнів дозволяє забезпечити структурну симетрію функцій, що виконуються окремими модулями, внаслідок чого ці модулі можуть працювати спільно.

• Використання рівнів дозволяє вносити зміни до окремих модулів, не зачіпаючи при цьому інші модулі, що прискорює модернізацію окремих частин мережі.

• Використання рівнів дозволяє підрозділити завдання проектування мережі на окремі, простіші операції.

Як показано на мал. 1.1, кожен рівень еталонної моделі OSI виконує особливі, характерні саме йому функції, які перераховані нижче.

• Рівень додатків (7-й рівень). Цей рівень використовується для забезпечення роботи додатків користувача. Наприклад, для текстового редактора на цьому рівні здійснюється передача файлів.

• Рівень представлення даних (6-й рівень). Цей рівень забезпечує представлення даних і їх форматування, а також визначає синтаксис передачі даних. У разі, коли цей синтаксис відповідає вимогам мережі, дані, використовувані додатком можуть бути отримані з мережі і передані в неї.

• Сеансовий рівень (5-й рівень). Цей рівень забезпечує сеанс обміну даними між додатками, а також управляє цим процесом.

• Транспортний рівень (4-й рівень). На цьому рівні відбувається формування сегментів даних і перетворення їх в потік даних. Цей рівень здатний гарантувати встановлення зв'язку і надійну передачу даних.

• Мережевий рівень (3-й рівень). На цьому рівні вибирається оптимальний спосіб передачі даних з однієї точки мережі в іншу. На цьому рівні працюють маршрутизатори. При цьому використовуються схеми логічної адресації, якими може управляти мережний адміністратор. Цей рівень використовує схему адресації протоколу IP, а також схеми адресації AppleTalk, DECNet, Vines і IPX.

• Рівень каналу зв'язку або канальний рівень (2-й рівень). На цьому рівні відбувається фізична передача даних. При цьому посилаються повідомлення про помилки аналізується топологія мережі і здійснюється управління потоком даних. На цьому рівні використовуються МАС-адреси, які також називаються адресами управління доступом до середовища або апаратними адресами (Media Access Control).

• Фізичний рівень (1-й рівень). На цьому рівні використовуються електричні механічні, процедурні і функціональні засоби для установки і підтримки фізичного зв'язку між різними пристроями мережі. При цьому використовуються такі фізичні передавальні середовища, як виті пари, коаксіальні і оптоволоконні кабелі.

Мал. 1.1. Еталонна модель OSI визначає функції різноманітних рівнів, які можуть бути використані виробниками мережевих пристроїв для полегшення процесу проектування і модернізації мереж

Обмін інформацією між пристроями одного рангу

Еталонна модель OSI описує процес проходження інформації від прикладної програми (такої, наприклад, як електронні таблиці) через передаюче середовище до іншої прикладної програми, що працює на іншому комп'ютері. У міру того як інформація проходить через різні рівні мережі, її вигляд все менш нагадує звичний для користувача і все більш перетворюється на послідовність нулів і одиниць, яка є первинною мовою комп'ютера.

Кожен рівень для здійснення обміну даними з відповідним рівнем іншої системи використовує власний протокол. При цьому інформація передається у вигляді модулів даних протоколу (protocol data units,PDU).

На мал. 1.2 приведений приклад зв'язку OSI -типу. На хості (host) А знаходиться інформація, яку потрібно передати на хост В. Додаток на хості А виконує обмін інформацією з рівнем додатку хоста В, який, у свою чергу, обмінюється інформацією з рівнем представлення даних того ж хоста і так далі, аж до досягнення фізичного рівня хоста А. Цей фізичний рівень відправляє і отримує інформацію через фізичне середовище, що передає. Після того, як дані пройшли по фізичних пристроях і отримані хостом В, вони проходять по рівнях хоста В у в зворотному порядку (спочатку фізичний рівень, потім рівень каналу зв'язку і т.д.), поки, зрештою, не поступлять на рівень додатку хоста В.

Мал. 1.2. При обміні інформацією між хостами використовуються протоколи відповідних рівнів; при цьому нижній рівень забезпечує можливість роботи вищестоящого рівня

Хоча кожен рівень хоста А обмінюється даними з прилеглими рівнями, він також виконує деякі первинні, властиві саме йому функції. Вони полягають в обміні даними з відповідним рівнем хоста В, тобто 1-й рівень хоста В виконує обмін даними з 1-м рівнем хоста А, 2-й рівень хоста В виконує обмін даними з 2-м рівнем хоста А і т.д.

Розшарування в еталонній моделі OSI не допускає безпосередньої комунікації між відповідними рівнями різних хостів. Тому для обміну даними з відповідним рівнем хоста В кожен рівень хоста А повинен користуватися послугами прилеглих до нього рівнів свого хоста. Припустимо, що 4-й рівень хоста А повинен здійснити обмін даними з 4-м рівнем хоста В. Для цього 4-й рівень хоста А повинен скористатися послугами 3-го рівня свого хоста. При такій взаємодії 4-й рівень називають користувачем служби (service user), а 3-й рівень — провайдером цієї служби (service provider). Служби 3-го рівня надаються 4-у рівню в точці доступу до служби (service access point, SAP), котра є тим місцем, в якому 4-й рівень може запитати служби 3-го рівня. Таким чином, як показано на мал. 1.2, ТСР-сегменти стають частиною пакетів (packet) мережевого рівня (званих також дейтаграмами (datagram), якими обмінюються між собою відповідні рівні мережі. У свою чергу ІР-пакети стають частиною фреймів каналу зв'язки, якими обмінюються безпосередньо сполучені між собою пристрої. В кінцевому підсумку ці фрейми перетворяться в послідовності бітів при остаточній передачі даних між пристроями по протоколу фізичного рівня.

Інкапсуляція даних

Яким чином 4-й рівень хоста В дізнається про наміри 4-го рівня хоста А? Персональні запити 4-го рівня зберігаються у вигляді інформації, що управляє, яка передається між відповідними рівнями у вигляді заголовка (header), який приєднується до передаваної прикладної інформації. Робота кожного рівня еталонної моделі OSI залежить від виконання своїх функцій ніжнім по відношенню до нього рівнем. Для виконання цих функцій нижній рівень використовує інкапсуляцію, при якій РDU верхнього рівня розміщується в полі даних, після чого додаються заголовки і трейлери (trailer), які потрібні цьому рівню для виконання його функцій.

Поняття даних і заголовка є відносними і залежать від того, на якому рівні відбувається аналіз блоку інформації. Наприклад, для 3-го рівня інформаційний блок складається із заголовка 3-го рівня і подальших даних. Проте самі дані 3-го рівня можуть включати заголовки 4-го, 5-го, 6-го і 7-го рівнів. Аналогічним чином заголовок 3-го рівня є звичайними даними для 2-го рівня. Ця структура показана на мал. 1.3. На закінчення відзначимо, що додавання кожним рівнем заголовка не є обов'язковим. Деякі рівні просто перетворять отримувані дані для того, щоб вони стали доступними прилеглим рівням.

Рис, 1.3. Завданням мережевого рівня є передача даних по мережі, з використанням інкапсуляції даних і заголовку

Наприклад, мережний рівень надає службу транспортному рівню, а транспортний рівень перетворить дані для мережного рівня, додаючи до них заголовок. Цей заголовок містить, необхідну для завершення передачі інформацію, таку як логічні адреси джерела й одержувача. Рівень каналу зв'язку, у свою чергу, надає службу мережному рівню, інкапсулюючи інформацію мережного рівня у фрейм. Заголовок фрейму містить інформацію, необхідну для виконання каналом зв'язку своїх функцій. Наприклад, заголовок фрейму містить фізичні адреси. Фізичний рівень також надає службу рівню каналу зв'язки, преутворюючи фрейм цього каналу в набір нулів і одиниць для наступної передачі через фізичне середовище (звичайно по дроту).

Припустимо, що хост А бажає відправити хосту В по електронній пошті наступне повідомлення:

The small gray cat ran up the wall to try to catch the red bird (Сіра кішечка підбігла до стіни щоб піймати червону пташку)

У процесі інкапсуляції даних, що дозволяє передати це повідомлення по електронній пошті, виконуються п'ять етапів перетворення.

Етап 1. Коли користувач посилає електронне повідомлення, буквенно-цифрові символи послідовно перетворяться в дані для передачі на 7, 6 і 5- м рівнях і після цього передаються в мережу.

Етап 2. Використовуючи сегменти свого формату, транспортний рівень упаковує дані для транспортування їх по мережі й забезпечує надійний зв'язок між двома хостами, що беруть участь у передачі й прийманні електронного повідомлення.

Етап 3. На 3-му рівні дані впаковуються в пакет (дейтаграмму) , що містить мережний заголовок, логічні адреси відправника й одержувача. Після цього мережні обладнання пересилають пакети по мережі, використовуючи обраний маршрутизатором шлях.

Етап 4. На 2-му рівні кожне мережне обладнання повинне вставити пакет у фрейм. Фрейм дозволяє здійснити з'єднання з наступним мережним обладнанням. Кожне обладнання на обраному мережному шляху вимагає створення фрейму для з'єднання з наступним обладнанням.

Етап 5. На 1-му рівні фрейм повинен бути перетворений у послідовність нулів і одиниць для проходження по передавальнім середовищу (звичайно по проведенню). Механізм синхронізації дозволяє розрізняти між собою ці біти в міру того як вони проходять через передавальне середовище. На різних ділянках мережного шляху тип передавального середовища може мінятися. Наприклад, електронне повідомлення може почати свій рух у локальній мережі, перетнути магістраль, вийти в розподілену мережу й досягтися пункту призначення в іншій віддаленій локальній мережі.

Фізичний рівень

У цей час у мережі Ethernet і мережі стандарту ІЕЕЕ 802.3 може використовуватися будь-який протокол локальної мережі (Local Access Network, LAN). При цьому термін Ethernet часто використовується для позначення будь-яких локальних мереж, що використовують множинний доступ з контролем несучої й виявленням колізій (carrier sense multiple access collision detect, CSMA/CD), які в цілому задовольняють специфікаціям Ethernet, включаючи стандарт ІЕЕЕ 802.3.

При розробці Ethernet ставилося завдання заповнення середнього діапазону між низькошвидкісними мережами великого розміру й спеціалізован, що звичайно працюють в одному приміщенні малими високошвидкісними мережами. Використання Ethernet ефективно в тих випадках, коли по каналу локального зв'язку необхідно забезпечити високошвидкісну нерегулярну передачу даних, обсяг яких іноді досягає великої величини.

Термін Ethernet ставиться до сімейства конкретних реалізацій локальних мереж, яке містить у собі три основні категорії.

• Мережі Ethernet і мережі стандарту IEEE 802.3.Lan-специфікації, що працюють зі швидкістю 10 Мбіт/з по коаксіальному кабелю.

• Мережі Ethernet 100 Мбіт/с. Окрема специфікація локальної мережі, також відома як швидкий Ethernet (Fast Ethernet), яка працює на крученому парі зі швидкістю 100 Мбіт/с.

• Мережі Ethernet 1000 Мбіт/с. Окрема Lan- Специфікація, також відома як гігабайтовий Ethernet (Gigabit-ethernet), що працює на оптоволоконному кабелі й на крученому парі зі швидкістю 1000 Мбіт/с.

Ethernet-Технологія збереглася дотепер і займає важливе місце серед інших завдяки її величезній гнучкості, а також простоті й легкості реалізації. Незважаючи на те, що в якості заміни пропонувалися й інші технології, мережні менеджери й нині часто вибирають Ethernet або його похідні як ефективний засіб вирішення проблем, що відповідає сучасним вимогам. Для подолання обмежень Ethernet винахідливі користувачі (і організації, що брати участь у розробці стандартів) постійно створюють усі нові й нові "надбудови" над стандартним Ethernet. Критики, можливо, скажуть, що Ethernet - технологія, не здатна до росту, однак лежача в її основі схема продовжує залишатися одним з основних засобів передачі інформації в сучасних додатках.

Фізичні з'єднання мереж Ethernet 802.3

Специфікації Ethernet і стандарти на кабелі ІЕЕЕ 802.3 визначають шинну топологію локальних мереж, що працюють зі швидкостями до 10 Мбіт/с.

На мал. 1.4 проілюстроване застосування трьох існуючі кабельні стандартів.

• Стандарт 10Base2, відомий як тонкий (thin) Ethernet. Цей стандарт дозволяє створювати сегменти довжиною до 185 метрів з передачею по коаксіальному кабелю.

• Стандарт 10baseS, відомий як товстий (thick) Ethernet. Цей стандарт дозволяє створювати сегменти довжиною до 500 метрів з передачею по коаксіальному кабелю.

• Стандарт 10baseL. Використовується для передачі Ethernet-фреймів по недорогій крученій парі.

Ethernet і стандарти на кабелі ІЕЕЕ 802.3 визначають мережу із шинною топологією й сполучним кабелем між кінцевими станціями й передавальним середовищем. Для Ethernet цей кабель називається кабелем трансівера (transceiver cable). Він з'єднує із трансівером обладнання, підключене до фізичного передавального середовища. У випадку конфігурації ІЕЕЕ 802.3 ситуація приблизно така ж, за винятком того, що з'єднуючий кабель називають інтерфейсом модуля, що підключається (attachment unit interface, AUI), а сам трансівер називають модулем підключення до передавального середовища (media attachment unit, MAU). В обох випадках кабель приєднує до плати інтерфейсу (або до ланцюга інтерфейсу) усередині кінцевої робочої станції.

Станції з'єднуються із сегментом мережі кабелем, що проходять від AUI на робочій станції до MAU, який безпосередньо приєднаний до коаксіального кабелю Ethernet. Оскільки стандарт 10baseТ надає доступ тільки до одній станції, станції, приєднані до Ethernet за допомогою 10baseТ, майже завжди підключені до концентратора або комутатора LAN.

Рівень каналу зв'язку

В еталонній моделі OSI доступ до передавального середовища здійснюється на рівні каналу зв'язку. Рівень каналу зв'язку або 2- й рівень, де використовується МАС-адреса, прилягає до фізичного рівня. Жодні дві МАС-адреси не можуть бути однаковими. Таким чином, мережевий адаптер (network interface card, NIC) є тем місцем, де обладнання приєднує до фізичного середовища й кожний NIC має свій унікальний МАС-адреса.

Перед випуском із заводу кожного NIC виробником йому призначається унікальний номер. Ця адреса запрограмована в мікросхемі, розташованої на NIC. Оскільки МАС-адреса є на кожному мережному адаптері, то при його заміні фізична адреса цього комп'ютера (робочої станції) міняється на МАС-адресу мережного адаптера.

Для запису МАС-адреси використовується шістнадцяткова система числення. Існують два формати МАС-адрес: 0000.Ocl2.3456 і 12-34- 56.

Пояснимо це на прикладі мотелю. Припустимо, що в номері 207 установлений замок; назвемо його замок А. Ключем А можна відкрити двері номера 207. Аналогічно, у номері 410 установлений замок F і його ключем F можна відкрити двері номера 410.

Припустимо, що замки Лепеха міняються місцями. Після цього ключ А відкриває двері номера 410, а ключ F відкриває двері номера 207.

Якщо випливати цієї аналогії, то мережні адаптери є замками. Якщо міняються місцями мережні адаптери, то відповідні ключі теж необхідно поміняти місцями. У цій ситуації ключі є MAC- адресами.

У випадку, якщо одне обладнання мережі Ethernet бажає переслати дані на інше обладнання, то мережний шлях до цього іншого обладнання може бути прокладений з використанням МАС-адреси останнього. Передані по мережі дані містять у собі МАС-адреса адресата. У процесі проходження їх по мережі мережний адаптер кожного обладнання перевіряє відповідність свого МАС-адреси фізичній адресі одержувача, яка втримується в кожному пакеті даних. Якщо такої відповідності немає, то NIC не реагує на цей пакет даних і він продовжує рухатися до іншої станції.

Однак якщо ці номери збігаються, то мережний адаптер робить копію цього пакета даних і направляє її в комп'ютер, де вона міститься на рівні каналу зв'язки. Навіть якщо така копія була зроблена, сам пакет продовжує рухатися по мережі, де інші мережні адаптери також можуть переглянути його й перевірити наявність описаного вище відповідності.

Інтерфейс мережі Ethernet/802.3

Ethernet і канал зв'язку 802.3 забезпечують транспортування даних по фізичному каналу,, що з'єднує два пристрої. Наприклад, як показано на рис. 1.5, у локальній мережі Ethernet три пристрої можуть бути безпосередньо приєднані один до іншого. На комп'ютері Macintosh ліворуч і на комп'ютері Intel у середині малюнка зазначені МАС-адреси, використовувані канальним рівнем. Маршрутизатор, розташований праворуч, також використовує МАС-адреси для кожного свого Lan- Інтерфейсу.

Мережний рівень

На мережному рівні еталонної моделі OSI використовуються кілька протоколів.

• Протокол IP забезпечує маршрутизацію дельтаграм із негарантованою доставкою (best-effort delivery) без установки логічного з'єднання (connectionless). Цей протокол не цікавиться змістом дельтаграм; він лише шукає найкращий спосіб направити дельтаграму до місця її призначення.

• Протокол керуючих повідомлень у мережі Internet (Internet Control Message Protocol, ICMP) забезпечує можливість керування й відправлення повідомлень.

• Протокол перетворення адрес (Address Resolution Protocol, ARP) визначає адреса рівня каналу зв'язки по відомому Гр- Адресі.

• Зворотний ARP (reverse ARP, RARP) визначає мережна адреса обладнання в ситуаціях, коли відома адреса канального рівня.

IP-Адресація й під мережі

У середовищі TCP/IP кінцеві станції мають можливість здійснювати зв'язок із серверами, хостами або іншими кінцевими станціями. Це відбувається тому, що кожний вузол, що використовує протокол TCP/IP, має унікальний 32- бітову логічну адресу, яку часто називають Ip- Адресою (IP address). Крім того, у середовищі TCP/IP кожна мережа має окрему унікальну адресу. Перед одержанням доступу до якого-небудь хосту цієї мережі необхідно вийти на цю адресу. Таким чином, кожна мережа має адресу й адреси хостів, що входять у цю мережу, містять у собі ця адреса мережі, однак при цьому кожний хост має також і своя індивідуальна адреса (мал. 1.6).

Рис. 1 б Кожна мережа має свою адресу й усі її хосты мають свої індивідуальні адреси

Мережі можуть бути розділені на сегменти - мережі меншого розміру, які називають підмережами (subnetwork). Таким чином, IР-адреса складається із трьох частин: адреса мережі, адреса підмережі й адреса хоста. Підмережі використовують унікальні адреси, що складаються із бітів поля хоста. Адреси обладнань який-небудь підмережі видні всім іншим обладнанням цієї ж мережі, але не видні зовнішнім мережам. Це досягається шляхом використання маски підмережі (subnet mask).

При створенні підмереж використання мережних адрес стає більш ефективним. Для світу, зовнішнього стосовно даної мережі, змін не відбувається, однак мережа здобуває додаткову структуру. На мал. 1.7, мережа 172.16.0.0 підрозділена на чотири підмережі: 172.16.1.0, 172.16.2.0, 172.16.3.0 И 172.16.4.0.

Рис. 1.7. Маршрутизатори визначають мережу- одержувач, використовуючи адресу підмережі й обмежуючи тим самим потік даних по інших сегментах мережі

Визначення шляху

Визначення шляху (path determination) являє собою процес, у якім визначається оптимальний напрямок, який потік даних повинен обрати в мережнім середовищі. Як показано на мал. 1.8, цей найкращий шлях вибирають маршрутизатори. Визначення шляху відбувається на 3- м (мережному) рівні. При оцінці якості шляхів по мережі служби маршрутизації використовують мережну топологічну інформацію. Ця інформація може бути задана мережним адміністратором або отримана шляхом вивчення динамічних процесів, що відбуваються в мережі.

Мережевий рівень забезпечує підключення до мережі та надає службу негарантованої доставки пакету з одного кінця в інший, тобто до свого користувача, транспортного рівня. Мережевий рівень при пересиланні пакета від мережі-джерела до мережі-одержувача маршрутизатор використовує дані, що містяться в таблиці маршрутизації. Після того як маршрутизатор вибрав шлях, він направляє пакет, отриманий на одному інтерфейсі, на інший інтерфейс відповідно до вибраного оптимальним шляхом.

Обмін інформацією про шляхи

Для того, щоб знайдений шлях дійсно виявився найефективнішим, в мережі має постійно бути присутньою інформація про доступні шляхах між маршрутизаторами. Як показано на рис. 1.9, кожна лінія між маршрутизаторами має свій номер, який маршрутизатори можуть використовувати як мережевого адреси. Ця адреса має містити інформацію, яку можна було б використовувати в процесі маршрутизації.

Мережева адреса пристрою містить дві частини: інформації про шлях та інформацію про хост. Що відноситься до шляху інформація описує шлях, обраний маршрутизатором в мережевому середовищі; частина, що відноситься до хосту, вказує на конкретний порт або пристрій у мережі. Маршрутизатор використовує мережеву адресу для визначення номера мережі відправника або одержувача. На рис. 1.10 показані три мережі, які виходять з маршрутизатора і три хоста, що мають загальний адреса мережі, рівний 1. У деяких протоколах мережевого рівня цей зв'язок встановлюється мережевим адміністратором згідно із заздалегідь складеним планом мережевий адресації. В інших протоколах такого типу призначення адрес є частково або повністю динамічним.

Сеть	Хост
1	1
	2
	3
2	1
3	1

Узгодженість адрес 3-го рівня в межах всієї, мережі збільшує ефективність використання смуги пропускання, запобігаючи непотрібним широкомовним повідомленням. Широкомовлення викликає значне збільшення потоку і втрату продуктивності усіма пристроями, яким не потрібно отримувати такі повідомлення. Використання узгодженої адресації "з кінця в кінець" для подання шляху між точками середовища дозволяє мережевому рівню знайти шлях до місця призначення без непродуктивного використання пристроїв та зв'язків мережі.

Протокол ICMP

ICMP-повідомлення передаються в ІР-дейтатаграммах і використовуються для передачі керуючих повідомлень і повідомлень про помилки. ICMP використовує такі стандартні повідомлення (наведена лише частина таких повідомлень).

• Destination unreachable (Пункт призначення недосяжний).

• Time exceeded (Перевищений час очікування).

• Parameter problem (Проблема з параметром).

• Source quench (Придушення джерела).

• Redirect (Перенаправити).

• Echo (Ехо-запит).

• Echo reply (Ехо-відповідь).

• Timestamp (Запит часу).

• Timestamp reply (Відповідь на запит про час).

• Information request (Інформаційний запит).

• Information reply (Відповідь на інформаційний запит).

• Address request (Запит про адресу).

• Address reply (Відповідь на запит про адресу).

Наприклад, на рис. 1.11 зображений маршрутизатор, який отримав пакет, який він не може доставити до пункту призначення. У такому випадку маршрутизатор посилає відправнику повідомлення ICMP "Host unreachable". Неможливість доставити повідомлення може пояснюватися тим, що маршрут до пункту призначення невідомий. На рис. 1.12 зображена інша ситуація, коли отриманий позитивна ехо-відповідь на команду ping.

Протокол ARP

Для здійснення комунікації в мережі Ethernet станція-джерело повинна знати ІР-й Мас-адреси станції-одержувача. Після того, як станція-відправник визначила ІР-адреса станції-одержувача, Internet-протокол джерела використовує таблицю ARP для знаходження відповідного МАС-адреси отримувача. Якщо Internet-протокол знаходить у своїй таблиці IP-адресу одержувача, який відповідає його МАС-адресою, то він пов'язує їх і використовує для інкапсуляції даних, після чого пакет пересилається через мережеве середовище і виходить станцією-адресатом.

Якщо МАС-адреса невідома, то станція-відправник повинна відправити ARP-запит. Для того, щоб визначити адресу пункту призначення дейтаграми, аналізується ARP-таблиця маршрутизатора. Якщо адреса в таблиці відсутній, то надсилається широкомовний запит про пошук станції призначення, який отримує кожна станція в мережі.

Термін локальний ARP (local ARP) використовується в тому випадку, коли хост запиту і хост пункту призначення знаходяться в одній і тій же підмережі або приєднані до загальної передавальної середовищі. У прикладі на рис. 1.13 перед відправкою повідомлення протоколу ARP запитується маска підмережі. Аналіз маски показує, що вузли знаходяться в одній і тій же підмережі.

Маршрутизація

Мережевий рівень повинен вступати у взаємні відносини з різними нижніми рівнями. Маршрутизатор повинен вміти обробляти пакети, інкапсулірованние у фрейми нижніх рівнів, не змінюючи адресації третього рівня для даного пакету. На рис. 1.14 зображений приклад такої маршрутизації від однієї LAN до іншої. У даному випадку потоку даних від хоста 4 Ethernet-мережі 1 потрібно знайти шлях до хосту 5 мережі 2.

Аналізуючи свої таблиці маршрутизації, маршрутизатор виявляє, що найкращим шляхом до мережі 2 є вихідний порт ТоО, який є інтерфейсом локальної мережі Token Ring. Хоча при перемиканні маршрутизатором потоку з Ethernet-протоколу в мережі 1 на Token Ring в мережі 2 організація фреймів нижніх рівнів змінюється, адресація 3-го рівня для відправника і одержувача залишається незмінною. На рис. 1.14 адресою одержувача залишається мережа 2, незважаючи на зміну інкапсуляції нижніх рівнів.

Операції маршрутизатора

Маршрутизатор зазвичай передає пакет від одного каналу зв'язку до іншого. При такій передачі перед маршрутизатором стоять два завдання: визначення шляху і комутація. На рис. 1.15 показано, як маршрутизатор використовує адресацію для виконання функцій визначення шляху і комутації.

Виконуючи функцію комутації маршрутизатор приймає пакет на одному інтерфейсі і направляє його на інший. При визначенні найкращого шляху маршрутизатор вибирає найбільш підходящий інтерфейс для відправки пакета. Вузлова частина адреси відноситься до конкретного порту на маршрутизаторі, який веде до наступного в даному напрямку маршрутизатора.

Коли додатком деякого хоста потрібно послати пакет у пункт призначення в іншій мережі, фрейм канального рівня приймається на одному з інтерфейсів маршрутизатора. На мережевому рівні досліджується заголовок фрейму для визначення мережі пункту призначення, а потім маршрутизатор звертається до таблиці маршрутизації, яка пов'язує мережі з вихідними інтерфейсами. Після читання адреси заголовок і трейлер пакету відкидаються, а сам пакет знову інкапсулюється в канальний фрейм для обраного інтерфейсу і ставиться в чергу (queue) для доставки до наступного переходу (hop).

Цей процес повторюється при кожній комутації з одного маршрутизатора на інший. На маршрутизаторі підключеному до мережі, в якій знаходиться хост призначення, пакет інкапсулюється в канальний фрейм типу LAN-одержувача і передається на хост пункту призначення.

Порівняння динамічної і статичної маршрутизації

Статична маршрутизація (static routing) виконується вручну. Її здійснює мережевий адміністратор, вносячи зміни в конфігурацію маршрутизатора. Адміністратор повинен змінювати цю інформацію про маршрути кожного разу, коли змінюється мережева топологія. Статична маршрутизація зменшує кількість переданої службової інформації, оскільки в цьому випадку не надсилається інформація про зміни в маршрутному розкладі (у разі використання протоколу RIP це потрібно робити кожні 30 секунд).

Динамічна маршрутизація (dynamic routing) виконується по-іншому. Після того, як мережевий адміністратор введе конфігураційні команди для початку динамічної маршрутизації, маршрутна обстановка змінюється автоматично при кожному отриманні з мережі інформацію про зміни в її топології. При цьому обмін інформацією між маршрутизаторами про зміни в топології мережі є частиною процесів зміни мережі.

Статична маршрутизація має кілька переваг. Вона дозволяє системного адміністратора вказати, яка службова інформація буде передаватися через мережу. З міркувань безпеки адміністратор може сховати деякі частини мережі. Динамічна маршрутизація має тенденцію до повної відкритості всієї інформації про мережу.

Крім того, у випадках, коли до мережі веде тільки один шлях, статичний маршрут може виявитися цілком достатнім. Такий тип мережі називається тупиковою мережею (stub network). Завдання статичної маршрутизації у тупиковій мережі дозволяє виключити пересилання службової інформації, яка проводиться при динамічної маршрутизації.

Приклад маршруту за замовчуванням

На мал. 1.16 показаний приклад маршруту за замовчуванням (default route), тобто маршруту, який використовується для того, щоб направити далі фрейми, для яких у маршрутній таблиці немає явної адреси наступного переходу. У цьому прикладі маршрутизатори компанії X знають топологію мережі своєї компанії, але не мають таких знань про інших мережах. Підтримка знань про всі мережі, доступні за допомогою Internet-середовища не потрібно й нерозумно, а найчастіше й просто неможливо.

У таблиці маршрутизації

нема інформації про мережу одержувача.

Спробуйте скористатися маршрутом

за замовчуванням маршрутизатора В

Рис. 1.16. Маршрути за замовчуванням можуть бути встановлені заданої мережним адміністратором статичною конфігурацією. Замість підтримки конкретної інформації про топологію мережі кожний маршрутизатор компанії X проінформований про маршрут за замовчуванням і може одержати доступ до будь-якого невідомого пункту призначення, направивши пакет в Internet

Маршрутизуємі протоколи й протоколи маршрутизації

Часто змішуються поняття маршрутизуємого (routed protocol) протоколу і протоколу маршрутизації (routing protocol).

Маршрутизуємий протокол - це будь-який мережний протокол, який у своїй адресі мережного рівня містить досить інформації для того, щоб направити пакет від хоста до хосту, опираючись на схему адресації. Маршрутизуємий протокол визначає формат і характер використання полів у середині пакета. При цьому пакет звичайно направляється оі однієї кінцевої системи до іншої. Прикладом маршрутного протоколу є ІР.

Протокол маршрутизації - це протокол, який підтримує маршрутизуємий протокол, надаючи йому механізми спільного використання інформації з маршрутизації. Повідомлення маршрутизирующих протоколів переміщаються між маршрутизаторами. Маршрутизирующий протокол дозволяє маршрутизаторам обмінюватися інформацією один з одним з метою підтримки таблиць маршрутизації й внесення в них змін. Прикладами протоколів маршрутизації типу ТСР/IР є протоколи: Routing Information Protocol (RIP), Interior Gateway Protocol (IGRP), Enhanced Inteior Gateway Routing Protocol (Enhanced IGRP) і Open Shortest Path First (OSPF).

Протоколи маршрутизації

Ефективність динамічної маршрутизації залежить від виконання маршрутизатором

двох своїх основних функцій.

• Підтримка таблиці маршрутизації.

• Своєчасний розподіл інформації про стан (топології) мережі між

іншими користувачами у формі повідомлень про зміну маршрутизації.

У процесі обміну інформацією про топологію мережі динамічна маршрутизація опирається на протокол маршрутизації, який, являє собою набір правил, використовуваних маршрутизатором при обміні інформацією із сусідніми маршрутизаторами. Наприклад, протокол маршрутизації описує:

• як розсилаються повідомлення про зміни в мережі;

• яка інформація про топологію мережі втримується в цих змінах;

• як часто розсилається інформація про стан мережі;

• як визначити місце розташування одержувачів повідомлень про зміни в мережі.

Зовнішні протоколи маршрутизації використовуються для обміну інформацією між автономними системами. Внутрішні протоколи маршрутизації використовуються усередині окремих автономних систем.

ІР-Протоколи маршрутизації

На мережному рівні ( 3- й рівень) еталонної моделі OSI маршрутизатор може використовувати протоколи маршрутизації для виконання маршрутизації з використанням спеціального маршрутизирующего протоколу. У якості прикладів ІР-Протоколів маршрутизації можна привести:

• RIР - дистанційно-векторний протокол маршрутизації;

• IGRР - дистанційно-векторний протокол маршрутизації, розроблений корпорацією Cisco;

• OSPF - протокол маршрутизації стану каналу;

• EIGRP - збалансований гібридний протокол маршрутизації.

Типи протоколів маршрутизації

Більшість протоколів маршрутизації можуть бути віднесено до одного із двох основних типів: дистанційно-векторні або протоколи каналу зв'язки. Дистанційно-векторний протокол маршрутизації (distance-vector routing protocol) визначає напрямок (вектор) і відстань для всіх зв'язків у мережі. Другий підхід, пов'язаний з використанням протоколу маршрутизації каналу зв'язки (link-state routing protocol), також називаного відкритим протоколом пошуку першого найкоротшого шляху (the shortest path first, SPF), щораз відтворює точну топологію всієї мережі (або, принаймні , того сегмента, у якім розташований маршрутизатор). Третій тип протоколу - збалансований гібридний (balanced-hybrid protocol), з'єднує в собі різні аспекти протоколу стану зв'язки й дистанційно-векторного.

Конвергенція

При динамічній маршрутизації вибір протоколу, використовуваного при визначенні найкращого шляху для потоку даних від конкретного джерела до конкретного одержувача, має принципове значення. Кожна зміна топології мережі, пов'язане з її ростом, зміною конфігурації або збоєм, повинне бути відбите у відповідних таблицях маршрутизації.

У кожний момент часу наявна в таблицях маршрутизації інформація повинна точно й послідовно відбивати нову топологію мережі. Така точна й послідовна відповідність називається конвергенцією (convergence).

У випадку, коли всі маршрутизатори мережі працюють із однією і тоюж інформацією про топологію мережі, говорять, що мережі конвергированы. Швидка конвергенція є досить бажаної, тому що вона зменшує період часу, за який інформація про стан мережі могла б застаріти і стати причиною неправильних або неефективних розв'язків.

Дистанційно-векторна маршрутизація

Дистанційно-векторні протоколи періодично розсилають копії таблиці маршрутизації від одного маршрутизатора до іншого. Кожний маршрутизатор одержує таблицю маршрутизації від свого безпосереднього сусіда (мал. 1.17). Наприклад, маршрутизатор В одержує інформацію від маршрутизатора А. Маршрутизатор В додає дистанційно-векторний номер (наприклад, число переходів), збільшує дистанційний вектор і передає таблицю маршрутизації іншому своєму сусідові, маршрутизатору С Такий же покроковий процес відбувається у всіх напрямках між маршрутизаторами-сусідами.

Рис 1. 17 Регулярний обмін інформацією між маршрутизаторами відображає зміни в те пологий мережі

У результаті цього процесу протокол накопичує дані про відстані в мережі що дозволяє йому підтримувати базу даних, що описують поточну топологію мережі Однак дистанційно-векторні протоколи не дозволяють маршрутизатору знати точну топологію мережі.

Маршрутизація стану каналу зв'язки

Другим основним типом протоколів, використовуваних для маршрутизації, є протокол стану каналу зв'язки. Протоколи стану каналу зв'язки підтримують комплексну базу даних, у якій утримується інформація про топологію мережі. У той час як дистанційно-векторний протокол не містить конкретної інформації про вилучені мережі й про вилучені маршрутизатори, протокол стану каналу зв'язку підтримує повну інформаційну картину топології мережі, включаючи інформацію про вилучені маршрутизатори і їх взаємозв'язках.

Маршрутизація стану каналу зв'язку використовує оголошення стану каналу зв'язки ( link-state advertisement, LSA), топологічні бази даних, SPF-Протокол, що результирующе SPF-Дерево, а також таблицю маршрутизації портів для кожної мережі. На основі концепції стану каналу зв'язки розроблювачами була створено OSPF-Маршрутизація.

Порівняння дистанційно-векторної маршрутизації і маршрутизації стану каналу зв'язку

Дистанційно-векторну маршрутизацію й маршрутизацію стану каналу зв'язку можна порівняти в декількох ключових аспектах.

• Дистанційно-векторна маршрутизація одержує всі топологічні дані з таблиць маршрутизації своїх сусідів. Маршрутизація стану каналу зв'язку одержує інформацію про топологію всієї мережі шляхом нагромадження всіх не обходжених LSA.

• При дистанційно-векторній маршрутизації найкращий шлях визначається шляхом збільшення деякого числового значення в міру переміщення таблиць від одного маршрутизатора до іншого. При маршрутизації стану каналу зв'язки кожний маршрутизатор сам окремо розраховує найкоротший шлях до місця призначення.

• У більшості протоколів дистанційно-векторної маршрутизації відображення змін топології відбувається періодично в міру надходження таблиць змін. Ці таблиці переміщаються від одного маршрутизатора до другого, що часто приводить до повільної конвергенції. У протоколах маршрутизації стану каналу зв'язки внесення змін викликається змінами в топології. Відносно невеликі LSA, передані всім іншим маршрутизаторам, звичайно приводять до зменшення часу конвергенції.

Конфігурування IР-Маршрутизації

Вибір IР у якості протоколу маршрутизації містить у собі установку глобальних параметрів. Ці глобальні параметри містять у собі протокол маршрутизації, наприклад, RIP або IGRP і призначення мережних IP- Номерів без вказівки значень для підмережі.

Конфігурування IР-Адрес

Для установки логічної мережної адреси інтерфейсу використовується команда ip address. Для вказівки формату масок мережі поточного сеансу використовується команда ip netmask-format. Формат маски можна задати у вигляді кількості бітів, займаного префіксом підмережі, у вигляді точковій десяткової формі запису, або у вигляді шістнадцяткового числа.

Конфігурування динамічної маршрутизації

Динамічної називається такий тип маршрутизації, при якому маршрутизатори періодично посилають один одному повідомлення про зміни в маршрутизації. При кожному одержанні такого повідомлення, що містить нову інформацію, маршрутизатор заново обчислює найкращий шлях і розсилає цю нову інформацію іншим маршрутизаторам. Використовуючи команди маршрутизації маршрутизатори можуть пристосуватися до мінливих умов у мережі.

З перерахованих нижче команд маршрутизатора починається процес настроювання системи маршрутизації.

Команда маршрутизатора	Опис
protocol	Визначає IР-Протокол маршрутизатора (це може бути RIP, IGRP, OSPF або EIGRP)
network	Додаткова команда пегмэгк network є обов'язковою при будь-якому типі маршрутизації
	Наведена нижче команда пеглуогк необхідна тому, що вона дозволяє визначити які інтерфейси будуть брати участь у відправленні й одержанні змін у маршрутизації.
Команда network	Опис
network номер мережі	Вказує безпосередньо подсоеди- ненную мережа

Протокол RIP

Основними характеристиками протокола RIP являються наступне:

• RIP уособлює собою дистанційно-векторної маршрутизації;

• В якості величини для вибору шляху використовується декілька переходів;

• Максимальна допустима кількість переходів рівна 15;

• По замовчуванню зміна передається в широкоповідомлювальний режим кожні 30сек.

Для вибору RIP в якості протокола маршрутизації використовується команда router пр. Команда network призначається маршрутизатору МАС-адрес, до якого цей маршрутизатор безумовно під’єднаний. Прцес маршрутизації повязує інтерфейс з відповідним адресом і розпочинає обробку пакетів вказаних мережах (рис.1.15).

• Router rip – вибирає RIP в якості протокола мршрутизації;

• Network 1.0.0.0 – задає безпосередньо підєднану мережу;

• Network 2.0.0.0 - задає безпосередньо підєднану мережу;

Після виконання цих команд інтерфейси підєднанні до мереж 1.0.0.0 і 2.0.0.0 будуть отримувати і приймати повідомлення про зміни протокола RIP.

Рис.1.18. Повідомлення про зміну маршрутизації дозволяє маршрутизатору дізнатись поточну топологію мережі

Транспортний рівень

При передачі сегментів даних транспортний рівень може забезпечити їх цілісність. Одним із методів здобути цього являється контроль потоку (flow control). Контроль потоку дозволяє уникнути ситуації, коли хост на одній із сторін з’єднання перевищує буфери хоста на другій стороні.

Таке переповнення рівня також позволяє користувачам запросити надійну транспортіровку даних між хостом і пунктом призначення. Для забезпечення надійного транспортування використовується орієнтована на з’єднанні зв’язок між системами, які обмінюються інформацією. Застосування надійного транспортування дозволяє наступне:

• Виконати сегментацію додатків верхнів рівнів.

• Встановити з’єднання.

• Передати дані.

• Забезпечити надійність транспортування шляхом застосування вікон.

• Використання механізмів підтвердження.

Сегментування додатків верхнього рівня

Однією з причин розділення на рівні мережевої моделі являється винакюча при цьому можливість спільного використання одного і того ж транспортного з’єднання, що представляється в пересилці одного сигмента в слід за другим. Це означає, що різні додатки можуть посилати сигменти даних по принципу: «перший прийшов – першим обробити» (first com, first-served). Такі сигменти можуть посилатись як в один пункт призначення, так і в декілька.

Встановлення з’єднання

Для встановлення з’єднання одного пристрою робить замовлення, який повинен бути прийнятий другим. Модулі програмного забезпечення в двох операційних системах обмінюються інформацією між собою, відправляючи повідомлення по мережі з цілю перевірки дозволу передачі і готовності обох сторін.

Після того як синхронізація буде повність завершена, встановлюється з’єднання і розпочинається передача даних. В процесі передачі оба пристроїв продовжують обмін інформацією, використовуючи програмне забезпечення протокола з цілю перевірки правельності отримання даних.

На рис.1.19 описано типічне з’єднання між передаючим і приймаючим пристроями. При першій зустрічі з людиною ми звичайно вітаємо його, пожимаючи руку. Факт рукопожимання розуміється обою стороною як признак дружнього розміщення. Приблизно так відбувається при встановленні з’єднанні двох систем. Перше рукопожимання або вітання потребує синхронізації. Друге і третє рукопожимання підтверджують запит першочергової синхронізації. А також синхронізують параметри з’єднання в протилежних напрямках. Кінцевим аспектом рукопожимання являється підтвердження, використовуючи для того, що зв’язок встановлений. Після встановлення зв’язку розпочинається процес передачі.

Рис.1.19. Для того щоб розпочалась передача даних, як передаюча так і приймаюча сторона, повині проінформувати свої ОС про те, що буде встановлений зв’язок

Передача даних

В процесі передачі даних перевантаження може виникнути по двум різних причинах. ПЕРША причина: високошвидкісний комп’ютер може генерувати більшу кількість даних, ніж спроміжна передавати мережа. ДРУГА причина: якщо декілька комп’ютерів одночасно розпочинають передавати дані в один і той же пункт призначення. При цьому в пункті призначення виникає переповнення, хотя жодний із передаючих джерел окремо визивають таку нагрузку не можливо.

Коли дейтаграмми потрапляють на обробку в хост або в шлюз, вони тимчасово зберігаються в пам’яті. Якщо потік даних продовжується, то пам’ять хоста або шлюза поступово переповнюється і поступаючі додаткові дейтаграмми приходиться відкидувати. В тиких ситуаціях, як показано на рис.1.20, сигнал діє подібно світлофору і повертається до відправника з пропозицією призупинити відправку даних. Коли приймач знову зможе приймати додаткові дані, він посилає транспортний сигнал готовності, який можна інтерпретувати як команду «Відправляйте!». Після отримання такого сигнала відправник може відновити передачу сигментів даних.

Рис.1.20. Для того щоб не допускати втрат даних транспортний рівень може відправити відправнику сигнал «Не готовий!»

Підвищення надійності передачі шляхомстворення вікон

В основній своїй формі орієнтована на надійність передачі потребує щоб пакети даних поступали приймачу в тому самому порядку, що і були передані. Збій в роботі протокола відбувається в тих випадках, коли пакети даних губляться, пошкоджуються, дублюються або получаються в зміненому порядку. Основним рішенням в цих ситуаціях являється організація підтвердження отримання кожного сигмента.

Однак, якщо відправнику приходиться очікувати підтвердження отримання попереднього сигмента перед відправкою наступного, то пропускна спроможність явно знижується. Оскільки між відправкою сигмента і підтвердженням його отримання утворюється деякий період часу. Його використовують для нової порції даних. Кількість пакетів, які відправляються можуть відправитись за цей період називається вікном (windiw).

Механізм створення вікон представляє собою спосіб управляти передаючою інформацією від одного хоста до другого. Деякі протоколи вимірюють цю інформацію в кількості пакетів; ТСР\ІР вимірюють її в байтах.

Способи підтвердженя

Надійна доставка гарантує, що потік даних, відправленої від одного пристроя до другого, проходить по каналу без дублювання або втрати даних.Позитивне підтвердження з повторною передачею являється одним із методів, гарантуючих надійну доставку даних. Позитивне підтвердження потребує обміна інформацією між відправником і приймачем, який заключається в підтверджені адресатом отримання даних. Відправник зберігає копію кожного відправленого пакета і очікує підтвердження про його отримання перед тим як відправити наступний. При відправці пакета включається таймер і якщо по закінченню часу таймера підтвердження не поступило, то виконуєься повторна відправка.

На рис.1.21 зображений відправник, посилаючий пакети 1, 2 і 3. Адресат підтверджує отримання пакетів, запрошує пакет 4. Після отримання підтвердження відправник посилає пакети 4, 5 і 6. Якщо пакет 5 не поступив в пункт призначення, то приймач відправляє повідомлення із запитом про повторну передачу пакета 5. Відправник повторно посилає пакет 5 і повинен чекати підтвердження його отримання перед тим як відправити пакет 7.

Рис.1.21. Метод позитивного підтвердження потребує, щоб приймач обмінювався ін-цією з джерелом шляхом відправки підтвердження при отримані даних.

Ключові теми цієї глави

• Розглядаються різні проблеми, виникаючих в локальних мережах, такі як:

  • Колізія;

  • Використання метода CSMA/CD;

  • Требування мультимедійних додатків до мережі;

  • Нормальна латентність;

  • Відстанні і повторення

  • Збиткове широкосповіщення;

• Описується дуплексна передача і стандарт Ethernet як два способи покращення показників LAN;

• Аналізується вплив сигментації з використанням мостів, маршрутизаторів і комутаторів на роботу локальної мережі;

• Описується процес комутації;

• Описується комутація в LAN і його перевагах;

• Описується протокол розподіленого звязуючого дерева;

• Опис переваг віртулної LAN.

Комутація в локальних мережах

Вступ

В теперішній час проектувальники мереж все частіше відказуються від використання мостів і концентраторів та і при створенні мереж в першу чергу використовують комутатори і маршрутизатори. В Розділі 1, «Еталонна модель OSI і маршрутизація», приведений огляд еталонної моделі OSI і процесу планування мережі, а також розглянуті потреби до мережі, зв’язані з використанням маршрутизації.

В цьому розділі обговорюються проблеми, які виникають в локальних мережах і можливі способи підвищення їх продуктивності. Далі пояснюється що таке переповнення LAN, описується його вплив на продуктивність LAN та розглядаються переваги сегментації мережі. Крім цього, описуються переваги та недоліки використання мостів, комутаторів та маршрутизаторів для сегментації LAN, а також розглядається дія комутації, маршрутизації і використання мостів на пропускну здатність локальних мереж. Під кінець описується Ethernet, Fast Ethernet, віртуальні мережі та розглядаються переваги та недоліки кожної з них.

Вимоги до мереж

Сучасні локальні мережі стають все більше перевантаженими і в них все частіше стається переповнення. Крім постійного рос ту числа користувачів є ще другі фактори, які в комплексі потребують розширення можливостей традиційних локальних мереж. Серед них можна виділити наступні:

• Центральні процеси (CPU), працюючі з вищими, чим раніше, швидкостями. В середині 80-х років робочою станцією, як правило, був персональний комп’ютер. В той час, більшість ПК могли виконувати 1 мільйон інструкцій в секунду (MIPS). В наш час типовим для робочих станцій є швидкість від 50 до 75 MIPS; При цьому значно збільшилась швидкість виконання операцій вводу/виводу (І/О). В результаті цих змін всього дві станції можуть вичерпати можливість локальної мережі.

• Більш швидкі операційні системи. Так як три найбільш поширені операційні системи(Windows, UNIX I Mac) є багатозадачними, користувачі можуть розпочати декілька мережевих операцій одночасно. Після появи OS Windows 95, яка розширила можливості ОС DOS/Windows і вже включала в себе багатозадачність, користувачі персональних комп’ютерів підвищили свої потреби до мережевих ресурсів.

• Додатки, які інтенсивно використовують мережу. Використання додатків типу клієнт/сервер, таких як World Wide Web, постійно росте. Додатки такого типу, дозволяють адміністратору централізувати обробку інформації, полегшуючи їх обробку та захист.

Додатки типу клієнт/сервер звільняють користувача від турботи за підтримку інформації і від розтрат на жорсткий диск достатнього розміру, для її збереження. Враховуючи вагомий фінансовий виграш, який дають додатки клієнт/сервер, в майбутньому слід очікувати ще більшого їх поширення.

Інтерфейс мереж типу Ethernet/802.3

Найбільше відомою, серед локальних мереж, є технологія Ethernet. Цей тип мережі використовується для обміну даними між мережевими пристроями,такими як комп’ютери, принтери та файлові сервери. Як показано на Мал. 2.1, в мережах Ethernet всі пристрої підєднані до одного і того ж передаючого середовища. В середовищі Ethernet використовується метод широкого транслювання фреймів даних, для передачі та прийому даних у всіх вузлах підключених до загального передаючого середовища.

На продуктивність роботи локальних мереж типу Ethernet/802.3 негативно впливають декілька факторів:

• Широкотранслюючий характер передачі фреймів даних.

• Метод множинного доступу з контролем виявлення колізій (CSMA/CD), який в кожний конкретний момент дозволяє передавати дані тільки одній станції.

• Можливість появи «пробки» в мережі у зв’язку з великими потребами до ширини пропускного коридору зі сторони мультимедійних додатків, таких як відео, аудіо та Internet.

• Латентність (затримка розповсюдження) фреймів під час проходження передаючого середовища 1-го рівня LAN і 1, 2, 3-го рівнів мережевих пристроїв.

• Збільшення відстані між пристроями мережі Ethernet/802.3 за рахунок застосування повторювачів на 1-му рівні.

Мал. 2.1 В мережах Ethernet використовується технологія спільного доступу до середовища для передачі даних між пристроями.

Мережа Ethernet, використовується CSMA/CD та загальне передаюче середовище, може підтримувати швидкість передачі до 100Мбіт/с. CSMA/CD являє собою метод доступу, при якому в кожний конкретний момент може передавати тільки одна станція. Ціллю Ethernet є забеспечення не гарантованої доставки та забеспечення всім пристроям, підключення до спільного середовища, рівного права на передачу. Як показано на Мал. 2.2, один з присутніх CSMA/CD проблем, є можливість появи колізій.

Мал. 2.2. CSMA/CD являє собою метод доступу, який в кожний конкретний момент дозволяє передавати дані лише одній станції, що зменшує можливість колізій.

Напівдуплексний Ethernet

Ethernet представляє собою напівдуплексну (half-duplex) технологію. Кожен хост Ethernet перед відправленням даних перевіряє мережу на передмет чи невідбувається в ній передача даних в даний момент; якщо йде передача, то відправка даних цього хоста відкладається. Але після цієї затримки два, або більше хостів можуть знову почати передачу одночасно, що приводить до колізії. Якщо відбувається колізія, то хост переходить в стан очікування і через деякий час знов намагається розпочати передачу. В міру того як до мережі підключаються нові хости, імовірність колізій зростає.

Можливості локальної мережі можуть бути вичерпані в наслідок того, що користувачі працюють з інтенсивно навантажуючим мережу програмним забезпеченням, таким як додатки клієнт/сервер, які звертаються до хостів частіше і на багато довший період часу, чим звичайні додатки. Фізичне зєднання, яке використовується пристроями мережі Ethernet, забезпечує створення декількох каналів, що дає можливість обміну інформацією між декількома пристроями.

Затор в мережі та ширина пропускної смуги

Технологічний процес приводить до все більшого збільшення швидкості і потужності персональних компютерів та робочих станцій. Застосування більш потужніх компютерів/робочих станцій та інтенсивно використовуваних мережу додатків, сприченило необхідність в збільшенні пропускної здатності мереж (які також називаються шириною пропускної смуги, bandwidth), більше чим 10Мбіт/с., яку надають мережі спільного використання Ethernet/802.3.

В сучасних мрежах значно зростає обєм передачі громіздких графічних файлів, відеофільмів та мультимедійних додатків, а також швидко зростає кількість користувачів. Всі ці фактори ще більше збільшують наванатаження на мережу Ethernet, швидкість якої складає 100Мбіт/с.

В міру того, як все більша кількість користувачів спільно використовують файли великого обєму та все частіше звертаються до файлового сервера, збільшується імовірність затору (congestion) в мережі. Це призводить до збільшення часу відповіді та передачі файлів, що робить роботу користувачів менш продуктивною. Для того, щоб зменшити імовірність затору, необхідно збільшити ширину пропускної смуги, або більш ефективно використовувати вже існуючу. Далі цьому розділі описуються методи пошуку вирішення таких проблем.

Латентність

Латентністю (latecy)(інколи її називають затримкою розповсюдження, propagation delay) називається час, який потрібний фрейму чи пакету даних для того, щоб дойти від джерела до пункту призначення в мережі. Оскільки мережа Ethernet використовує метод CSMA/CD для забезпечення негарантованої доставки, система повинна мати деяку латентність для виявлення колізій та обговорення прав на передачу по мережі.

Латентність залежить не тільки від відстані та кількості пристроїв. Наприклад, якщо дві робочі станції розділені трьома компютерами, то латентність системи стає меншою, чим у випадку розділення двома маршрутизаторами. Проміжні пристрої, такі, наприклад, як комутатори, значно збільшують ефективність роботи мережі.

Час передачі по мережі Ethernet

Часом передачі називається час, який потрібний фрейму чи пакету (дані розміщуються в пакети чи рейми) для переміщення від канального рівня (data link layer) до фізичного рівня (physical layer) тобто до фізичного кабеля мережі. У табл. 2.1, приведений час передачі для чотирьох пакетів різного розміру.

Табл. 2.1. Час передачі в Ethernet

Розмір пакету в байтах Час передачі в мікросекундах

64 51.2

512 410

1000 800

1518 1214

Кожному Ethernet-биту для передачі надається вікно в 100нс. Один байт рівний 8бітам, для передачі одного байту потребується, як мінімум 800нс. Фрейму розміром 64байта для передачі потребується 51200нс. чи 51.2мкс. Час передачі пакету розміром 1000байт від першої робочої станції до серверу, або на другу робочу станцію складає 800мкс. в наслідок латентності пристроїв мережі.

Розширення спільновикористовуваного передаючого середовища LAN шляхом використання повторювачів

Відстань на якій може працювати локальна мережа, обмежена в звязку з затуханням (attenuation) сигналу. Термін «затухання» означає, що сигнал ослаблюється (затухає) при проходженні по мережі. Затухання визначається опором кабелю, або другого передаючого середовища. Повторювачем в мережі Ethernet називається мережевий пристрій фізичного рівня, який підсилює сигнал. Використання Ethernet-повторювача дозволяє збільшувати робочу відстань LAN та збільшити кількість користувачів, як показано на рис.2.3. Однак використання повторювачів потребує також вирішення питання широкого транслювання, виникнення колізій, негативно впливає на ефективність LAN з передаючим середовищем в цілому.

Мал. 2.3. Ethernet-повторювач дозволяє вести тільки одну передачу в кожний конкретний момент; він зєднює всі вузли в один комунікаційний канал та передає одині і ті самі дані на всі порти наступного повторювача.

Повторювач з декількома портами також називається концентратором, або хабом (hub). В локальних мережах із спільним передаючим середовищем, в яких використовуються концентратори, є проблеми широкого транслювання та колізій, а сумаран ширина пропускної смуги складає 100Мбіт/с.

Підвищення ефективності LAN

Ефективність LAN може бути підвищена шляхом використання одного або двох з приведених нижче рішень:

• Використання дуплексної технології Ethernet;

• Сегментація LAN.

Дуплексний Ethernet

Дуплексний Ethernet (full-duplex) дозволяє одночасно відправляти і отримувати пакети. Для реалізації одночасної передачі та прийому, необхідно дві пари кабелів і комутоване зєднання між всіма вузлами. Таке зєднання розглядається як безпосереднє, типу «точка-точка» і практично гарантує відсутність колізій, так-як обидва вузли можуть передавати та приймати дані в один і той самий момент часу, питання про використання пропускної смуги не обговорюється. Дуплексний Ethernet може використовувати існуючу загальне середовище до того часу, поки вона задовільняє мінімальні стандарти Ethernet:

Стандарт Відстань

10BaseT/10BaseTX 100 метрів

10BaseFL 2 кілометра

Для реалізації одночасної передачі та прийому, кожному вузлу потребується назначений тільки йому порт. Для створення звязків типу «точка-точка» з використанням дуплексного метода, можуть використовуватися стандарти 10BaseT, 100BaseFL. Для забезпечення всіх можливостей дуплексного метода на обох кінцях, потребуються мережеві адаптери (network interface card, NIC).

В цій конфігурації використання двох пар кабелів, дозволяє дуплексному Ethernet-комутатору, реалізувати безпосереднє зєднання між передавачем (TX) на одному кінці ланцюга і приймачем (RX) на другому кінці. При такому зєднані двох станцій створюється домен, свобідний від колізій, осільки передача та прийом даних проходить по окремих, неконкуруючих між собою каналах.

Ethernet зазвичай використовує тільки 50-60% максимально можливої пропускної смуги в 100Мбіт/с. в звязку з латентністю та колізіями. Дуплексний Ethernet надає можливість використовувати полосу пропускання на 100% в обох напрямках. Таким чином потенціально забезпечується пропускна здатність в 200Мбіт/с., з яких 100Мбіт/с. використовується для передачі і 100Мбіт/с. для прийому.

Сегментація в LAN

Мережа може бути розділена на ділянки меншого розміру, які називають сегментами (segment). Кожен сегмент використовує метод доступу CSMA/CD та підтримує потік даних між користувачами цього сегмента. На Мал.2.4, приведений приклад сегментованої Ethernet мережі. Вцілому, мережа складається з 15-ти компютерів (6 файл-серверів і 9 PC). Якщо розділити цю мережу на сегменти, то при комунікації в середині сегменту, на одні і ті ж самі 100Мбіт/с., буде приходитися менша кількість користувачів/пристроїв. Як показано на Мал. 2.5, кожний сегмент розглядається як окремий колізійний домен (collision domain).

Поділивши всю мережу на три сегменти, мережевий адміністратор може зменшити можливість переповнення кожного з них. При передачі даних всередині сегменті всі п’ять пристроїв ділять поміж собою смугу пропускання сегмента шириною 10Мбіт/с. У сегментованій локальній мережі Ethernet дані, які пройшли по сегменту, передаються в мережеву магістраль (backbone) за допомогою мостів(bridge), маршрутизаторів (router) чи комутаторів(switch).

Сегментація з використанням мостів

Локальна мережа Ethernet, яка використовує для сегментації мости, забезпечує більшу пропускну спроможність в розрахунку на одного користувача оскільки на один сегмент припадає менше користувачів і навпаки, локальні мережі, в яких мости не використовуються, забезпечують меншу смугу пропускання, оскільки в не сегментованій LAN виявляється більше користувачів.

Мости «вивчають» характер розташування сегментів мережі шляхом побудови адресних таблиць(рис.2.6), в яких містяться адреси всіх мережевих пристроїв і сегментів, необхідних для отримання доступу до даного пристрою. Мости – пристрої 2-ого рівня які направляють фрейми даних у відповідності з МАС-адресами фреймів(Media Access Control, MAC). Зауважимо, що мости є «прозорими» для всі інших пристроїв в мережі.

Мости збільшують латентність мережі на 10-30%. Це збільшення латентності пов’язане з тим, що мосту при передачі даних потрібен додатковий час на прийняття рішення. Міст розглядається як пристрій з функціями зберігання і подальшої відправки, оскільки він повинен проаналізувати поле адреси призначення фрейму, а потім визначити на який інтерфейс(interface) направити даний фрейм. Для виконання цих операцій потрібен деякий час, що сповільнює процес передачі і збільшує латентність.

Сегментація з використанням маршрутизаторів

Маршрутизатори являють собою сучасніше обладнання, ніж звичайні мости. Міст є пасивним елементом мережі і діє на рівні каналу зв’язку. Маршрутизатор діє на мережевому рівні(network layer) і в своїх рішеннях стосовно направлення даних між сегментами опирається на адреси протоколу мережевого рівня. Як показано на рисю2.7, маршрутизатори дають найвищий рівень сегментації, направляючи дані на концентратор, до якого під’єднані робочі станції. Маршрутизатор приймає рішення про вибір сегменту для передачі даних, аналізуючи адресу пункту призначення, яка знаходиться в пакеті даних, і використовуючи таблицю маршрутизації(routing table) щоб виробити направляючу інструкцію.

Для того щоб визначити найкращий шлях передачі пакету до пункту призначення маршрутизатору необхідно ознайомитися з отриманим пакетом. Цей процес потребує часу. Протоколи, які для кожного пакету вимагають від адресата підтвердження(acknowledgement) про його отримання(відомі як протоколи орієнтовані на підтвердження, acknowledgement-oriented protocols), мають знижену на 30-40% продуктивність.

Протоколи, які вимагають мінімального підтвердження(протоколи ковзаючого вікна, sliding-window protocols), викликають втрату пропускної спроможності на 20-30%. Це пов’язано зі зменшенням потоку даних між відправником і отримувачем(тобто меншої кількості підтверджень).

Сегментація з використанням комутаторів

Використання комутації(switching) у локальних мережах пом’якшує проблеми, пов’язані з недостатньою шириною смуги пропускання і з можливістю мережевих заторів, які можуть виникати, наприклад, між кількома РС і віддаленим файл-сервером. Як показано на рис.2.8, комутатор розділяє локальну мережу на сегменти, тобто ділить єдиний колізійний домен на окремі домени, вільні від колізій. Хоча LAN- комутатор усуває можливість колізій між доменами, хости, які знаходяться всередині сегмента, як і раніше лишаються в одному колізійному домені. Як наслідок всі вузли, які під’єднані до комутатора, можуть отримати широкомовний канал лише від одного вузла.

Технологію комутованого Ethernet (Switched Ethernet) базується на типовому Ethernet. При її використанні кожен вузол безпосередньо з’єднаний з одним з портів комутатора або з сегментом, який, в свою чергу, з’єднаний з одним з портів комутатора. Таким чином на комутаторі створюється з’єднання з смугою пропускання 10Мбіт/с між кожним вузлом і відповідним сегментом. Комп’ютер, безпосередньо з’єднаний з комутатором, має власний колізійний домен і повну пропускну смугу 10Мбіт/с.

Локальна мережа, яка використовує топологію(topology) комутованого Ethernet, поводить себе так, ніби в ній є лише два вузли – вузол відправника і вузол отримувача. Цим двом вузлам надається пропускна смуга 10Мбіт/с. внаслідок цього майже вся смуга пропускання може бути використана для передачі даних. За рахунок ефективнішого використання смуги пропускання комутований Ethernet забезпечує вищу швидкість передачі, ніж звичайний Ethernet. У комутованому Ethernet доступна ширина смуги пропускання може досягати величини наближеної до 100%.

Комутація в мережі Ethernet збільшує доступну смугу пропускання шляхом створення виділених сегментів(тобто з’єднань типу «точка-точка» ) і об’єднання цих сегментів у віртуальну мережу в середині комутатора. Віртуальна мережа існує лише тоді, коли двом вузлам потрібно обмінятися інформацією. Цим пояснюється назва віртуальний канал(virtual circuit) – він існує лише при необхідності і створюється всередині комутатора.

Огляд застосування комутаторів і мостів

Комутація представляє собою технологію, яка знижує ймовірність переповнення в мережах Ethernet, Token Ring? FDDI(роз приділений інтерфейс передачі даних по оптоволоконних каналах, Fiber Distributed Data Interface) за рахунок зменшення потоку даних і збільшення ширини смуги пропускання. Комутатори часто використовуються в якості заміни концентраторів і призначаються для роботи з існуючими кабельними інфраструктурами. Вони можуть бути встановлені без порушення роботи уже існуючих мереж.

У даний час всі види комутаційного обладнання при обміні даними виконують дві основні операції.

• Комутація фреймів даних. Вона здійснюється при надходженні файлу на вхідну точку в передаючому середовищі і полягає в передачі його на вихідну точку.

Підтримка операцій комутації. Виконуючи цю операцію, комутатор створює і підтримує таблицю комутації.

Термін мостова технологія(bridging) стосується до технології, в якій пристрій, відомий як міст, з’єднує два чи більше сегментів мережі Ethernet. Міст передає дейтаграми від джерела в одному сегменті в пункт призначення в іншому сегменті. Коли вмикається живлення моста і починається його функціонування, він досліджує МАС-адреси отриманих дейтаграми і створює таблицю відомих пунктів призначення. Якщо міст виявляє, що пункт призначення дейтаграми знаходиться в тому ж сегменті, що й відправник, то він відкидає таку дейтаграми, оскільки в її передачі нема необхідності.

Якщо міст виявляє, що одержувач перебуває в іншому сегменті, то він направляє дейтаграмму тільки в цей сегмент. Якщо міст не знає пункту призначення, то дейтаграмма розсилається в усі сегменти, крім сегмента відправника (цей процес називається лавинною передачею, flooding). Таким чином, первинне призначення моста полягає в обмеженні руху потоку даних певними сегментами мережі.

Як мости, так і комутатори з'єднують сегменти мережі, використовують Мас-Адреси для визначення сегмента, у який повинна бути відправлена дейтаграмма, і зменшують потік даних у мережі. Перевага комутаторів полягає в тому, що вони працюють значно швидше й можуть виконувати додаткові функції, такі як створення віртуальних мереж (virtual LAN, VLAN).

Латентность Lan-Комутаторів

Кожний комутатор, використовуваний у локальній мережі Ethernet, збільшує ла-тентность мережі. Однак правильний вибір методу комутації дозволяє нейтралізувати власну латентность деяких комутаторів.

Комутатор, що перебуває між робочою станцією й сервером, збільшує час передачі на 21 мікросекунду. Час передачі пакета розміром 1000 байт становить 800 мікросекунд. Загальний час передачі пакета з робочої станції на сервер становить 821 мікросекунду (800+21=821). Раціональне використання комутації виражається в тому, що відразу зчитується Мас-Адреса пункту призначення й передача починається до того, як увесь пакет зробить на комутатор. Це дозволяє трохи компенсувати латентность комутатора.

Комутація 2-го й 3-го рівнів

Існують два методи комутації фреймів даних — комутація 2-го рівня й комутація 3-го рівня. Комутація полягає в одержанні прихожого фрейму на одному інтерфейсі й відправленню його через інший інтерфейс. Для відправлення пакета маршрутизатори використовують комутацію 3-го рівня, у той час як комутатори використовують для цього комутацію 2-го рівня.

Відмінність між комутацією 2-го й 3-го рівнів полягає в типі інформації, що втримується усередині фрейму й використовуваної для визначення потрібного вихідного інтерфейсу. При комутації 2-го рівня фрейми комутируються на основі Мас-Адрес, а при комутації 3-го рівня фрейми комутируються на основі інформації мережного рівня.

На відміну від комутації 3-го рівня, комутація 2-го рівня не використовує, що втримується в пакеті інформацію мережного рівня, а використовує Мас-Адреса пункту призначення, що втримується усередині фрейму. Якщо він відомий, то інформація посилає по Мас-Адресі пункту призначення. Комутація 2-го рівня створює й підтримує таблицю комутації, у якій фіксуються Мас-Адреси кожного порту або інтерфейсу. Якщо комутатору 2-го рівня не відомий Мас-Адреса пункту призначення, то проводиться широкомовне розсилання фрейму по всіх портах мережі для з'ясування цієї адреси. Якщо в результаті такого розсилання фрейм досягає пункту призначення, то відповідний пристрій відсилає його назад із вказівкою свого Мас-Адреси, яка додається комутатором у його таблицю комутації.

Адреси 2-го рівня задається виробником комунікаційного пристрою. Ці унікальні адреси складаються із двох частин — коду виробника (manufacturing code, MFG) і унікального ідентифікатора. Кожному виробникові його Mfc-Код призначається Інститутом інженерів по електротехніці й електроніці (Institute of Electrical and Electronic Engineers, ШЕЕ). Унікальний ідентифікатор пристрою задається виробником. У всіх мережах, крім мереж системної мережної архітектури (Systems Network Architecture, SNA), користувач не має або має мало можливостей впливати на адресацію 2-го рівня, тому що адреси 2-го рівня для конкретного пристрою є фіксованими, у той час як адреси 3-го рівня можуть бути змінені. Адреси 2-го рівня утворюють плоске (з відсутністю ієрархії) адресний простір, у якім кожна адреса унікальна.

Комутація 3-го рівня виконується на мережному рівні. При цьому аналізується інформація, що втримується в пакеті, після чого він направляється далі на основі адреси пункту призначення мережного рівня. Комутація 3-го рівня може сполучатися з маршрутизацією.

У більшості випадків адреса 3-го рівня визначається мережним адміністратором. Такі протоколи, як IP, IPX і Appletalk використовують адресацію 3-го рівня. Задаючи адреси 3-го рівня, мережний адміністратор створює локальні області, яким відповідає єдиний адресний блок (аналогічний поштовій адресі, що полягає з назви вулиці, міста, штату й країни). Кожної такої локальної області привласнюється деякий номер. Якщо користувач переїжджає в інший будинок, то його кінцеві станції одержують нові адреси 3-го рівня, але адреси 2-го рівня залишаються тими ж самими.

Оскільки маршрутизатори діють на 3-м рівні еталонної моделі OSI, вони включені в ієрархічну структуру адресації й самі створюють її. Отже, маршрутизированная мережа може зв'язати логічну структуру адресації з фізичною інфраструктурою, наприклад, за допомогою створення ТСР/ Гр-Подсетей або Грх-Мереж для кожного сегмента. Із цієї причини потік даних у коммутированной ( тобто плоскої) мережі принципово відрізняється від потоку даних у маршрутизированной ( тобто ієрархічної) мережі. Мережі з ієрархічною структурою дозволяють більш гнучко організувати потік даних, тому що вони можуть скористатися ієрархією мережі для визначення оптимального шляху й поділу широкомовних доменов.

Зміст комутації 2-го рівня й 3-го рівня

Зросла потужність процесорів і високі вимоги додатків типу клієнт/сервер і мультимедійних додатків викликали потреба в більшій ширині смуги пропущення в традиційних середовищах спільного користування. Це спонукує проектувальників мереж до заміни в монтажних шафах концентраторів на комутатори.

Для задоволення потреби в більшій ширині смуги пропущення в локальних мережах комутатори 2-го рівня використовують мікросегментацію (microsegmentation). Це почасти вирішує проблему, однак у цей час мережні проектувальники зіштовхнулися зі зрослими вимогами до межсетевым комунікаціям.

Наприклад, щораз, коли користувач одержує доступ до сервера й іншим ресурсам, розташованим у різних подсетях, потік даних повинен пройти через пристрій 3-го рівня. Потенційно може утворюватися затор, який загрожує порушити роботу мережі. Для того щоб уникнути його виникнення, мережний проектувальник може додати додаткові пристрої 3-го рівня у всій мережі, що знижує навантаження на централізовані маршрутизатори. Таким чином, комутатор збільшує ширину смуги пропущення, відокремлюючи друг від друга коллизионные домены й вибірково направляючи потоки даних на відповідні сегменти мережі.

Як Lan-Комутатор довідається адресу

Ethernet-Комутатор може довідатися адресу кожного пристрою в мережі шляхом читання адреси відправника в кожному переданому пакеті й відзначаючи порт, по якім пакет прийшов на комутатор. Після цього комутатор додає цю інформацію до своєї розсильної бази даних. Адреси вивчаються динамічно. Це означає, що після читання нової адреси він запам'ятовується й зберігається в пам'яті, адресуемой по вмісту (content-addressed memory, САМ). Якщо лічена адреса відправника, яка отсутствует у САМ, то він запам'ятовується й зберігається для майбутнього вживання.

При кожному записі адреси в САМ відзначається момент його одержання. Це дозволяє зберігати адреси протягом певного періоду часу. При кожнім звертанні до адреси або пошуку його в САМ його тимчасова мітка обновляється. Адреси, до яких не було звернень до плину певного періоду часу, віддаляються з пам'яті. За допомогою видалення застарілих адрес САМ підтримує точну й функціонально ефективну розсильну базу даних.

Переваги комутації

Комутатори мають багато гідностей. Lan-Комутатор дозволяє багатьом користувачам паралельно обмінюватися інформацією шляхом використання віртуальних ланцюгів і виділених мережних сегментів у середовищі, вільної від колізій. Таким способом досягається максимально можлива ширина смуги пропущення в загальнім передавальнім середовищі. Крім того, перехід до, що комутирується LAN досить ефективний у фінансовім відношенні, оскільки дозволяє знову використовувати існуюче встаткування й кабелі. На закінчення треба додати, що можливості комутатора в комбінації із програмним забезпеченням для конфігурування LAN надають мережному адміністраторові гнучкі засоби керування роботою мережі.

Симетрична й асиметрична комутація

Властивість симетрії при комутації дозволяє дати характеристику комутатора з погляду ширини смуги пропущення для кожного його порту. Як показано на мал. 2.9, симетричний комутатор забезпечує, що комутируються з'єднання між портами з однаковою шириною смуги пропущення, наприклад, у випадках коли всі порти мають ширину смуги пропущення 10 Мбит/з або 100 Мбит/с.

Як показано на мал. 2.10, забезпечує, що комутируються з'єднання між портами з різною шириною смуги пропущення, наприклад, у випадках комбінації портів із шириною смуги пропущення 10 Мбит/з і 100 Мбит/с.

Асиметрична комутація використовується у випадку наявності більших мережних потоків типу клієнт/сервер, коли численні користувачі обмінюються інформацією із сервером одночасно, що вимагає більшої ширини пропущення для того порту комутатора, до якого приєднаний сервер, з метою запобігання затору на цьому порту.

Рис. 2.9. Рівномірний розподіл потоку даних по всій мережі оптимізує роботу симетричного комутатора

Рис. 2 10 Асиметричний комутатор забезпечує, що комутируються з'єднання між портами із шириною пропущення 10 Мбит/з і 100 Мбит/з

Як буде описано в наступному розділі, для того щоб направити потік даних з порту 100 Мбит/з на порт 10 Мбит/з без небезпеки переповнення на останньому, асиметричний комутатор повинен мати буфер пам'яті.

Буфер пам'яті

Для тимчасового зберігання пакетів і наступного їхнього відправлення по потрібній адресі комутатор може використовувати буфер пам'яті (memory buffer). Так називається область пам'яті, у якій комутатор зберігає адреси пунктів призначення й передані дані. Буфер пам'яті може використовувати два методи зберігання й відправлення пакетів — буферизация по портах і буферизация із загальною пам'яттю.

При буферизации по портах пакети зберігаються в чергах (queue), які пов'язані з окремими вхідними портами. Пакет передається на вихідний порт тільки тоді, коли всі пакети, що перебували поперед нього в черзі, були успішно передані. При цьому можлива ситуація, коли один пакет затримує всю чергу через зайнятість порту його пункту призначення. Ця затримка може відбуватися навіть у тому випадку, коли інші пакети можуть бути передані на відкриті порти їх пунктів призначення.

При буферизации в загальній пам'яті всі пакети зберігаються в загальному буфері пам'яті, який використовується всіма портами комутатора. Кількість пам'яті, що приділяється порту, визначається необхідним йому кількістю. Такий метод називається динамічним розподілом буферної пам'яті. Після цього пакети, що перебувають у буфері динамічно розподіляються по вихідних портах. Це дозволяє одержати пакет на одному порту й відправити його з іншого порту, не встановлюючи його в чергу.

Комутатор підтримує карту портів, у які потрібно відправити пакети. Очищення цієї карти відбувається тільки після того, як пакет успішно відправлений. Оскільки пам'ять буфера є загальної, розмір пакета обмежується всім розміром буфера, а не часток, призначеної для конкретного порту. Це означає, що великі пакети можуть бути передані з меншими втратами, що особливо важливо при комутації 10/100, тобто коли порт із шириною смуги пропущення 100 Мбит/з повинен відправляти пакети на порт 10 Мбит/с.

Два методи комутації

Для відправлення фрейму через комутатор можуть бути використано два методи:

• Відправлення із проміжним зберіганням (store-and-forward). Пакет повинен бути отриманий повністю, перш ніж почнеться відправлення. При цьому зчитуються пекло реса пункту призначення й/або джерела й перед відправленням використовуються фільтри. При одержанні фрейму проявляється латентность мережі; ця латент-ность збільшується для більших фреймів, оскільки для того, щоб прочи тать увесь фрейм, потрібно більше часу. Імовірність виявлення помилок досить висока, оскільки під час очікування вступу всього фрейму є можливість пошуку помилок.

• Наскрізний метод (cut-through). Комутатор починає зчитувати адреса пункту на значення й відправляти фрейм ще до повного його одержання. Цей метод зменшує латентность передачі, але має невелику ймовірність определе ния помилок. Наскрізна комутація має дві форми.

• Комутація зі швидким відправленням (fast-forward switching) Комутація зі швидким відправленням забезпечує найменшу латентность, оскільки відправлення пакета починається відразу після одержання адреси пункту призначення. Оскільки при такому виді комутації відправлення починається ще до повного одержання пакета, можливі ситуації, коли пакет передається з помилками Хоча таке відбувається нечасто, а мережний адаптер пункту призначення звичайно відкидає пакети з помилками при одержанні, надмірний потік даних може виявитися в деяких ситуаціях неприйнятним. Для зменшення числа пакетів, відправлених з помилками, рекомендується використовувати метод комутації без фрагментації. У режимі швидкого відправлення латентность виміряється періодом часу від одержання першого біта до його відправлення, тобто за принципом "першим прийшов — першим пішов" (fust in, first out, FIFO).

• Комутація без фрагментації (fragment-free switching). При комутації без фрагментації отфильтровываются пакети, що потрапили в колізію, які становлять більшість помилок при передачі, і тільки після цього починається передача. У правильно працюючій мережі фрагменти, що потрапили в колізію повинні мати розмір менш 64 байт. Пакети розміром більш 64 байт є дійсними й звичайно ухвалюються без помилок. При комутації без фрагментації пакет повинен бути перевірений на ушкодження в результаті колізії до того, як він буде відправлений. При такому способі латентность також визначається принципом FIFO.

Латентность обох способів комутації визначається тем, коли комутатор починає відправлення фрейму. Чим швидше режим комутації, тем менше латентность комутатора. Для прискорення відправлення фрейму доводиться скорочувати час, що приділяється на перевірку помилок. При цьому якість перевірки знижується, що може привести до більшої кількості повторних передач.

Віртуальні мережі (VLAN)

Комутатор Ethernet фізично сегментує LAN на окремі колізійні домени. Проте кожен сегмент є частиною одного широкомовного домену. Всі сегменти коммутатора складають один широкомовний домен. Це означає, що вузол одного сегмента здатен встановити широкомовний режим на всіх вузлах всіх сегментів.

Віртуальна мережа (virtual LAN, VLAN) являє собою логічний об'єднання мережевих пристроїв або користувачів, не обмежена одним фізичним сегментом. Пристрої або користувачі VLAN можуть бути згруповані за виконуваних функцій, за належністю до однієї організації, за характером використовуваних додатків і т.д., незалежно від їх фізичного розташування у сегментах. VLAN створює єдиний широкомовні простір, не обмежений фізичним сегментом, і його можна розглядати як підмережа.

Створення VLAN виробляється в комутаторі за допомогою відповідного програмного забезпечення. VLAN НЕ стандартизовані та вимагають використання ліцензійного програмного забезпечення від виробника комутатора.

Протокол розподіленого сполучного дерева

Головною функцією протоколу розподіленого сполучного дерева (Spanning-Tree Protocol, STP) є створення дублюючих шляхів, в яких присутні мости чи комутатори, таким чином, щоб не проявлявся ефект латентності, пов'язаної з утворенням в мережі петель.

Мости і комутатори приймають рішення про відправку односпрямованим фреймів (unicast frame) на основі МАС-адреси пункту призначення, що міститься у фреймі. Якщо МАС-адреса невідомий, то пристрій розсилає фрейм з усіх портів, намагаючись досягти пункту призначення. Це робиться також для всіх широкомовних фреймів.

Алгоритм розподіленого сполучного дерева, реалізований у протоколі розподіленого сполучного дерева, запобігає виникненню петель методом розрахунку стійкої мережевої топології розподіленого сполучного дерева. Для створення нечутливою до помилок мережі необхідно, щоб між усіма вузлами мережі існував шлях без петель. Алгоритм розподілу сполучного дерева використовується для розрахунку такого шляху. Деревовидні фрейми, звані модулями даних мостового протоколу (bridge protocol data units, BPDU) відправляється і Отримуємо всіма комутаторами мережі через рівні проміжки часу і використовуються для ство рення топології розподіленого сполучного дерева.

Комутатор використовує протокол розподіленого сполучного дерева у всіх віртуальних мережах, заснованих на технологіях Ethernet і Fast Ethernet (швидкий Ethernet).Цей протокол виявляє і розриває петлі шляхом перекладу деяких сполук у режим пасивного сподівання, який змінюється активним у разі розриву активного з'єднання. У кожній сформованій віртуальній локальній мережі працює свій екземпляр протоколу розподіленого звязуючого дерева для того, щоб Ethernet-топології всій мережі відповідали виробничим промисловим стандартам.

Різні стану протоколу розподіленого сполучного дерева

Протокол розподіленого сполучного дерева визначає кілька станів віртуальної локальної мережі.

• Блокування - фрейми не відправляються, чути BPDU.

• Прослуховування - фрейми не відправляються, прослуховуються фрейми.

• Аналіз - фрейми не відправляються, вивчаються адреси.

• Відправлення - фрейми відправляються, вивчаються адреси.

• Відключений - фрейми не відправляються, BPDU не чути.

Для кожної VLAN стан задається початковій конфігурацією, а при подальшій роботі змінюється процедурами протоколу STP. Стан, витрати і пріоритети портів і віртуальних мереж можна визначити за допомогою команди show spantree.Після того як встановлено стану "з порту на VLAN" протокол STP визначає, відправляє чи порт фрейми або блокує їх.Можна встановити конфігурацію, за якої режим відправки протоколу STP встановлюється відразу після встановлення з'єднання, а не у звичайній послідовності: блокування, прослуховуванняі подальша відправка.Можливість швидкого перемикання станів від блокітора до відправки замість звичайної послідовності перехідних станів корисна в ситуаціях, коли потрібно безпосередній доступ до сервера.

Ключові теми цього розділу

• Пояснюється, що представляє собою віртуальна локальна мережа (virtual local access network, VLAN)

• Пояснюються причини появи віртуальних мереж і описуються їх гідності

• Описується роль, яку відіграють комутатори у створенні віртуальних мереж

• Описуються процеси фільтрації, ідентифікації фреймів і використання фреймових тегів у віртуальних мережах

• Описується спільне використання комутаторів і концентраторів

• Перераховуються і описуються три методи розробки, віртуальних мереж

Віртуальні локальні мережі

Введення

В "Розділі 2," Комутація в локальних мережах ", обговорювалися проблеми, які мможуть виникати в локальних мережах, і можливі способи підвищення ефективності та роботи були описані переваги та недоліки різних видів сегментації - з використанням мостів (bridges ),комутаторів (switches) і маршрутизаторів (routers), а також вплив коммутації, використання мостів і маршрутизації на пропускну здатність мережі. На закінчення були коротко описані гідності швидкого Ethernet і віртуальних локальних мереж (virtual local-area network,VLAN). Ця глава являє собою введення в теорію віртуальних локальних мереж та їх комутованих конфігурацій,в ній також порівнюються традиційні конфігурації локальних мереж з комутованими конфігураціями і обговорюються переваги використання комутованої архітектури в локальних мережах

Огляд віртуальних локальних мереж

Як показано на рис. 3. 1, віртуальна локальна мережа являє собою логічне об'єднання пристроїв або користувачів. Об'єднання їх у групу може проводитися за виконуваними функціями, використовуваних застосувань, по відділах і т.д., незалежно від їх фізичного розташування в сегментах (segment). Конфігурування віртуальної мережі проходить на комутаторі програмним шляхом. Віртуальні мережі не стандартизовані і вимагають використування програмного забезпечення від виробника коммутатора.

Існуючі конфігурації локальних мереж з-вместного використання

Конфігурація типової локальної мережі визначається фізичною інфраструктурою сполуки пристроїв, що утворюють мережу. Угрупування користувачів здійснюється виходячи з розташування їх комп'ютерів по відношенню до концентратора (hub), і грунтується на структурі кабелів, що ведуть до монтажної шафи. Маршрутизатор, що зв'язує між собою всі концентратори, зазвичай здійснює сегментацію мережі і діє як широкомовний брандмауер (broadcast firewall), у той час як сегменти, створені комутаторами, такою властивістю не володіють. Такий тип сегментації при угрупованню не враховує взаємозв'язку робочих груп та вимоги до ширини смуги пропускання. Внаслідок цього вони використовують один і той же сегмент і в рівній мірі претендують на одну й ту ж смугу пропускання, хоча вимоги до неї для різних груп і підрозділів можуть значно відрізнятися.

Сегментація з використанням архітектури коммутаторів

Локальні мережі все частіше підрозділяють на робочі групи, які, будучи з'єднані через загальні магістралі, утворюють топологію віртуальної локальної мережі.Віртуальна мережа логічних сегментує фізичну інфраструктуру мережі на окремі підмережі (в Ethernet вони називаються широкомовними доменами, broadcast domain). У створеному віртуальної мережі широкомовні фрейми комутуються тільки між портами (port) цієї мережі.

У первинних реалізаціях віртуальних мереж використовувалася розмітка портів, яка об'єднувала в широкомовний домен пристрої групи, що обираються за замовчуванням. Сучасні вимоги включають в себе необхідність розширення сфери дії віртуальної мережі на всю мережу.Такий підхід дозволяє об'єднати географічно розділених користувачів за допомогою створення віртуальної локальної мережі. Конфігурація віртуальної мережі здійснює швидше логічне, ніж фізичне об'єднання.

В даний час більшість встановлюються мереж забезпечують вельми обмежену логічну сегментацію. Як правило, користувачі групуються на основі підєднань до спільно використовуваних концентратором і на розподіл портів маршрутизатора між концентраторами.Така топологія забезпечує сегментацію тільки між концентратори, які зазвичай розташовані на різних поверхах, а не між користувачами, комп'ютери яких підключені до одного концентратора. Це накладає фізичні обмеження на мережу і на можливості угруповання користувачів.Деякі види мережевий архітектури надають можливість угрупування, проте їх можливості конфігурувати логічно визначені робочі групи обмежені.

Віртуальні мережі та фізичні границі

В локальних мережах , які містять комутуючі засоби, використання технології віртуальних мереж є дуже ефективним і вигідним способом об’єднання користувачів мережі у робочі групи незалежно від їх фізичного розташування. На рис. 3.2 проілюстровані відмінності сегментацією у віртуальній мережі і в звичайній локальній мережі. Головними з них є наступні.

• Віртуальні мережі працюють на 2-м і 3-м рівнях еталонної моделі OSI

• Обмін інформацією між віртуальними мережами забезпечується маршрутизацією 3-го рівня

• Віртуальна мережа надає засіб управління широкомовленням

• Включення користувачів в віртуальну мережу виконується мережевим адміністратором

• VLAN дозволяє підвищити степінь захисту мережі шляхом вводу мережевих вузлів , яким дозволено обмінюватись інформацією один з одним.

Використання технології віртуальних мереж дозволяє згрупувати порти комутатора і підєднані до них комп’ютери в логічно визначені робочі групи наступних типів.

• Співробітники одного відділу

• Група співробітників з зустрічними функціями

• Різні групи користувачів, які одночасно використовують прикладні програми або програмне забезпечення

Можна згрупувати порти і користувачів в робочу групу на одному комутаторі або на декількох з’єднаних між собою комутаторах. Групуючи порти і користувачів навколо декількох комутаторів, можна створити інфраструктуру мережі в одній будівлі, в декількох з’єднаних між собою будівлях або навіть великої області, як показано на рис. 3.3

рис.3.2 в комутуючій мережі створення віртуальної мережі забезпечує сегментацію і організаційну гнучкість

Транспортування інформації віртуальних мереж по корпоративній магістралі

Важливою особливістю архітектури віртуальних мереж є їх здатність передавати інформацію між взаємозв’язаними комутаторами і маршрутизаторами , підключеними до корпоративної магістралі. Таке транспортування робить можливим обмін інформацією в рамках всього підприємства. Завдяки транспортуванню зникають фізичні границі між користувачами, підвищується гнучкість конфігураційних рішень при переміщення користувачів в інше місце і стають доступними механізми, що забезпечують взаємозв’язану роботу компонентів магістральної системи.

Магістраль зазвичай слугує місцем збору потоків даних. Вона також передає кінцевому користувачу інформацію віртуальної мережі і виконує ідентифікацію комутаторів, маршрутизаторів і безпосередньо приєднаних до магістралі серверів. В магістралі зазвичай використовуються потужні широкосмугові канали, які забезпечують передачу потоків даних по всьому підприємству.

рис 3.3 використання віртуальних мереж дозволяє ліквідувати обмеження на обмін інформацією між робочими групами.

Маршрутизатори у віртуальних мережах

Роль маршрутизаторів у віртуальних мережах відрізняється від їх ролі в звичайних віртуальних мережах, полягаючи в створені брандмаєрів (firewall), в управлінні широкомовленням, а також в обробці і розподіленні інформації в маршрутах.

Маршрутизатори залишаються необхідними і в комутованих архітектурах, в яких створено конфігурацію віртуальної мережі, оскільки вони забезпечують обмін інформацією між логічно визначеними робочими групами. Маршрутизатори забезпечують пристроям віртуальної мережі доступ до ресурсів які спільно використовуються, таким як сервери і хости. Вони також забезпечують зв'язок з іншими частинами мережі, які логічно сегментовані на основі традиційного підходу, який базується на виділенні підмереж, або потребують доступ до віддалених серверів через канали розподілених мереж. Обмін інформацією на 3-му рівні, що виконується в комутаторі або забезпечується ззовні, є необхідним елементом будь-якої високопродуктивної комутаційної архітектури.

Зовнішні маршрутизатори можуть бути інтегровані з високою фінансовою ефективністю в комутовану архітектуру шляхом використання одного або декількох високошвидкісних магістральних з'єднань. Як правило, використовуються з'єднання FDDI, Fast Ethernet або ATM, які володіють наступними перевагами

• Збільшена пропускна здатність з'єднань між комутаторами і маршрутизаторами.

• Використання всіх фізичних портів маршрутизатора, потрібних для обміну інформацією міх VLAN.

• Архітектура віртуальної локальної мережі не тільки забезпечує логічну сегментацію, але і значно збільшує ефективність роботи мережі.

Конфігурація мережі що комутується

Проблеми, зв’язані з спільним використання локальних мереж і поява комутаторів спонукають до заміни традиційних конфігурацій локальних мереж, на конфігурації віртуальних мереж що комутуються. Ці комутовані конфігурації відрізняються від традиційних конфігурацій локальних мереж наступними особливостями

• Комутатори знищують фізичні обмеження, які виникають внаслідок спільного використання концентратора, оскільки вони логічно групують користувачів і порти всього підприємства. Замість концентраторів в монтажних шафах встановлюють комутатори. Вони не потребують змін в розміщенні кабелів (або потребують незначних) і можуть повністю замінити концентратор що спільно використовується з виділеними для кожного користувача портами.

• Комутатори можуть бути використані для створення віртуальних мереж здійснюючих сегментацію. В традиційних конфігураціях локальних мереж сегментація здійснюється маршрутизаторами.

Комутатори є основними компонентами, які забезпечують обмін даними у віртуальних мережах. Як показано на рис.3.4, в віртуальній мережі вони виконують життєво важливі функції, будучи для пристроїв кінцевої станції точкою входу в простір комутації, а також забезпечують обмін даними рамках всього підприємства.

Кожний комутатор володіє здатністю приймати рішення про фільтрацію і відправку фреймів (frame) на основі метрики віртуальної мережі, яка визначається мережевим адміністратором, а також здатністю передавати цю інформацію іншим комутаторам і маршрутизаторам мережі.

Найбільш узагальненим підходами до логічного групування користувачів в окремі віртуальні мережі є фільтрація фреймів і їх ідентифікація. Ці підходи характеризуються тим, що кожний фрейм досліджується при отриманні та відправці його комутатором. Основуючись на наборі правил, які визначає адміністратор, комутатори визначають, куди буде переданий фрейм, буде він фільтруватись чи передаватись широкомовно. Ці механізми контролю можуть застосовуватись адміністратором централізовано (з використанням програмного забезпечення для керування мережею) і легко реалізуються у всій мережі.

При фільтрації фреймів досліджується індивідуальна інформація кожного фрейму. Для кожного комутатора створюється таблиця фільтрації; це забезпечує високий рівень адміністративного контролю, оскільки стає можливим дослідження багатьох атрибутів одного фрейму. В залежності від типу комутатора в локальній мережі (LAN switch) групування може виконуватись на основі адресів управління доступом до передаючого простору (Media Access Control address) або на основі протоколу (protocol) мережевого рівня. Комутатор порівнює фрейми що фільтруються з фреймами таблиці фільтрації і на цій основі виконує належні дії.

Рис.3.4 комутатори можуть використовуватись для групування користувачів, портів чи логічних адрес в групи по зацікавленню.

Спочатку віртуальні мережі базувались на фільтрах, а групування користувачів на таблиці фільтрації. Розширення такої моделі було ускладненим, оскільки для кожного фрейму потрібно виконувати пошук в таблиці фільтрації.

При використанні тегів (tag) кожному фрейму назначається унікальний, визначений користувачем ідентифікатор. Такий метод був вибраний відділом стандартів Інституту інженерів по електротехніці і електроніці (IEEE) по причині що він допускає розширення мережі. Використання фреймових тегів отримує все більше визнання в якості стандартного механізму розподілення потоків; в порівнянні з фільтрацією фреймів він забезпечує великі можливості розширення (scalability)мережі в межах підприємства. Стандарт IEEE 802.Iq регламентує використання фреймових тегів в якості способу реалізації віртуальної мережі.

Використання фреймових тегів при проектуванні віртуальних мереж являє собою підхід, спеціально розроблений для комутуючих комунікацій. При використанні тегів в заголовок кожного фрейму при його відправці по мережевій магістралі вміщується унікальний ідентифікатор. Цей ідентифікатор зчитується і аналізується кожним комутатором перед його широкомовною передачею або відправкою його на інші комутатори, маршрутизатори або прилади кінцевих станцій. При виході фрейму з мережевої магістралі і перед відправкою на кінцеву станцію комутатор видаляє цей ідентифікатор з фрейму. Процес ідентифікації фреймів відбувається на 2-му рівні еталонної моделі OSI і не потребує великої обробки або обміну службовими повідомленнями.

Різноманітні варіанти реалізації віртуальних мереж

Віртуальна мережа являє собою комутуючу мережу, в якій виконано логічне сегментування по виконуючих функціях, використовуючи прикладних програм або по відношенню користувачів до певного відділу, в не залежності від фізичного розміщення, їх комп’ютерів. Кожен порт комутатора може бути включеним в віртуальну мережу. Всі порти, включені в одну віртуальну мережу приймають широкомовні повідомлення , в той час, як порти що включені в неї, цих повідомлень не приймають. Це підвищує ефективність мережі в цілому. В наступних розділах буде обговорюватись три способи реалізації віртуальних мереж,які можуть бути використані для включення портів комутаторів в віртуальну мережу: з центральним портом, статичний і динамічний.

Віртуальні мережі з центральним портом

В віртуальних мережах з центральним портом (port-centric VLAN) всі вузли віртуальної мережі підключені до одного інтерфейсу маршрутизатора. На рис.3.5 показано сімейство користувачів, віртуальної мережі, підключених до порту маршрутизатора. Таке підключення полегшує роботу адміністратора і підвищує ефективність роботи мережі оскільки:

• В віртуальній мережі легко виконуються адміністративні дії;

• Підвищується безпека при обміні інформацією між віртуальними мережами;

Статичні віртуальні мережі

Статична віртуальна мережа (static VLAN)являє собою сукупність портів комутатора, статично об’єднаних у віртуальну мережу. Ці порти підтримують назначену конфігурацію доти, поки вона не буде змінена адміністратором. Хоча для внесення змін статичні віртуальні мережі потребують втручання адміністратора, до їх переваг можна віднести високий рівень безпеки, легкість конфігурування і можливість безпосереднього нагляду за роботою мережі. Статичні віртуальні мережі ефективно працюють в ситуаціях коли необхідно контролювати переїзди користувачів і вносити відповідні зміни в конфігурацію.

Динамічні віртуальні мережі

Динамічні віртуальні мережі (dynamic VLAN) являють собою логічне об'єднання портів комутатора які можуть автоматично визначити свою локацію в віртуальній мережі. Функціонування динамічної віртуальної мережі ґрунтується на МАС-адресах адресах, на логічній адресації або на типі протоколу пакетів даних. При первіснім підключенні станції до невикористовуваного порту комутатора відповідний комутатор перевіряє Мас-Адреса в базі даних керування віртуальною мережею й динамічно встановлює відповідну конфігурацію на даному порту. Основними перевагами такого підходу є зменшення обсягу робіт у монтажній шафі при додаванні нового користувача або при переїзді вже існуючого й централізоване повідомлення всіх користувачів при додаванні в мережу неопізнаного користувача. Основна робота в цьому випадку полягає в установці бази даних у програмне забезпечення керування віртуальною мережею й у підтримки бази даних, що містить точну інформацію про всіх користувачів мережі.

Переваги віртуальних мереж

У якості переваг віртуальних мереж можна виділити наступні їхні особливості.

• Використання віртуальних мереж дозволяє значно заощаджувати засоби, затрачувані на розв'язок питань, пов'язаних з переїздом в інше місце, з появою нових користувачів і із внесенням змін у структуру мережі

• Віртуальні мережі дозволяють забезпечити контроль над широкомовленням.

• Вони дозволяють забезпечити захист інформації в робочих групах і у всій мережі.

• Віртуальна мережа дозволяє заощадити засоби за рахунок використання вже існуючих концентраторів.

Додавання нових користувачів, їх переїзд і зміна розташування

Сучасні компанії перебувають у стані безперервної реорганізації. У середньому 20- 40% працівників фізично міняють своє розташування щороку. Ці переїзди, додавання нових користувачів і зміни структури мережі являють собою страшний головний біль мережних менеджерів і викликають більшу частину витрат, пов'язаних з підтримкою роботи мережі Багато переїздів вимагають зміни прокладки кабелів і майже всі переїзди вимагають зміни адресації станцій і установки нової конфігурації маршрутизаторів і концентраторів

Віртуальні мережі являють собою ефективний механізм керування цими змінами й зменшення витрат, пов'язаних з установкою нової конфігурації концентраторів і маршрутизаторів Користувачі віртуальної локальної мережі можуть спільно використовувати той самий мережний адресний простір (т е. 1 Р-Підмережа) незалежно від їхнього фізичного розташування Якщо користувач віртуальної мережі переїжджає з одного місця в інше, залишаючись усередині тієї ж самої віртуальної мережі й залишаючись підключеним до того ж самого порту комутатора, то його мережна адреса не змінюється. Зміна положення користувача вимагає всього лише підключення його комп'ютера до одного з портів комутатора й включення цього порту в колишню віртуальну мережу, як показано на рис 3 6.

Рис 3.6. Комутатори, здатні створювати віртуальні мережі, значно спрощують вирішення проблем, пов'язаних зі зміною схеми прокладки кабелів, конфігурації мережі, з переїздом користувача в інше місце, а також завдань налагодження при повторнім приєднанні користувача до мережі

Віртуальні мережі мають значні переваги перед звичайними локальними мережами, оскільки вони вимагають менших змін при прокладці кабелів, при установці конфігурації мережі й зменшують час, необхідний для налагодження.

Конфігурація маршрутизаторів залишається при цьому незмінна; сам по собі переїзд користувача з одного місця в інше, якщо користувач залишається в тій ж самій віртуальній мережі, не вимагає зміни конфігурації маршрутизатора.

Керування широкомовленням

Потоки широкомовних повідомлень циркулюють у кожній мережі. Частота появи широкомовних повідомлень залежить від типу додатка, типу серверів, кількості логічних сегментів і характеру їх використання. Хоча багато додатків за останні роки були модифіковані таким чином, щоб зменшити число широкомовних повідомлень, що посилають ними, розроблювальні в цей час нові мультимедійні додатки інтенсивно використовують широкомовлення й множинну (групову) адресацію (multicast).

Для запобігання проблем, пов'язаних із широкомовленням, необхідно вживати превентивних заходів. Однієї з найбільш ефективних заходів є сегментування мережі за допомогою брандмауерів для того, щоб у максимальному ступені зменшити вплив проблем, що виникли в одному сегменті, на інші частини мережі. У цьому випадку, незважаючи на наявність проблем широкомовлення в одному із сегментів, інша частина мережі виявляється захищеної брандмауером, у якості якого звичайно використовується маршрутизатор. Сегментація за допомогою брандмауерів забезпечує надійність і мінімізує потік широкомовних службових повідомлень, забезпечуючи тим самим більшу пропускну здатність для потоків даних додатків. Якщо між комутаторами немає маршрутизаторів, то широкомовні повідомлення (передачі 2-го рівня) передаються на всі порти, що комутуються. Таку конфігурацію звичайно називають плоскою мережею (flat network); при цьому вся мережа являє собою один широкомовний домен. Переваги плоскої мережі полягають у невеликому часі очікування й високої продуктивності, а також у легкості адміністрування. Недоліком такої мережі є її підвищена чутливість до широкомовного потоку через комутатори, порти й магістральні канали.

Віртуальні мережі являють собою ефективний механізм розширення сфери дії брандмауерів (маршрутизаторів) на середовище комутації й захисту мережі від потенційно небезпечних проблем широкомовлення. Крім того, віртуальні мережі зберігають усі переваги, надавані комутацією.

Брандмауери створюються шляхом логічного об'єднання портів або користувачів в окремі групи віртуальної мережі як на окремих комутаторах, так і в групі з'єднаних комутаторів. Як показано на мал. 3.7, широкомовні повідомлення однієї віртуальної мережі не передаються за її межі й, навпаки, на прилягаючі порти не надходять широкомовні повідомлення від інших віртуальних мереж. Такий тип конфігурації суттєво зменшує загальний широкомовний потік, звільняє смугу пропущення для потоку даних користувачів і знижує загальну чутливість мережі до широкомовної лавини (broadcast storm)

Чим менше група віртуальної мережі, тем менше кількість користувачів, які одержують широкомовні повідомлення, розповсюджувані усередині якої-небудь групи. Угруповання користувачів віртуальної мережі може також виконуватися на основі типу використовуваних додатків або типу широкомовних повідомлень, що надходять від додатків. Можна помістити користувачів, що спільно використовують додатка з високою широкомовною активністю, в одну групу й розподілити додаток по всій мережі підприємства.

Рис 3.7. Обмежуючи кількість портів комутатора усередині віртуальної мережі й кількість користувачів, підключених до цих портів, можна легко управляти розміром широкомовного домена

Забезпечення більшої безпеки мережі

За останні роки сфера використання локальних мереж значно розширилася. По мережам часто передаються конфіденційні дані. Захист конфіденційної інформації вимагає обмеження доступу до мережі. Проблема, викликана спільним використанням локальних мереж, полягає в тому, що в таку мережу можна відносно легко проникнути Підключившись до активного порту, влізли без дозволу в мережу користувач одержує доступ до всіх даних, переданих по сегменту. При цьому чим більша група, тим більше потенційна загроза несанкціонованого доступу.

Одним з ефективних у фінансовому відношенні й легко адміністративно реалізованих методів підвищення безпеки є сегментація мережі на велику кількість широкомовних груп, як показано на мал. 3.8. Це дозволяє мережному адміністраторові:

• обмежити кількість користувачів у групі віртуальної мережі;

• заборонити іншим користувачам приєднання без попереднього одержання дозволу від додатка, що управляє віртуальною мережею;

• установити конфігурацію всіх невикористовуваних портів у прийнятий за замовчуванням стан низької активності VLAN.

Реалізувати сегментацію такого типу відносно просто. Порти комутатора групуються на основі типу додатків і пріоритетів доступу. Додатки й ресурси, доступ до яких обмежений, звичайно розміщаються в захищеній групі віртуальної мережі. Маршрутизатор обмежує доступ у цю групу відповідно до конфігурації комутаторів і маршрутизаторів. Обмеження доступу можуть ґрунтуватися на адресах станцій, типах додатків або типах протоколів.

Захищена віртуальна мережа

Рис 3.8. Віртуальні мережі дозволяють використовувати брандмауерів, обмежити доступ індивідуальних користувачів і повідомляють мережного менеджера про несанкціоноване вторгнення в мережу

Забезпечити більшу безпеку можна шляхом використання списків керування доступом (access control list, ACL), які описано в главі 6, "Списки керування доступом (ACL)" Вони особливо потрібні при обміні інформацією між окремими локальними мережами В захищеній віртуальній мережі маршрутизатор обмежує доступ до мережної інформації за допомогою завдання відповідної конфігурації комутаторів і маршрутизаторів. Обмеження доступу можуть ґрунтуватися на адресах станцій, типах додатків, типах протоколів або навіть на часі доби

Економія фінансових коштів за рахунок використання вже існуючих концентраторів

За останні кілька років мережні адміністратори встановили велику кількість концентраторів. Багато із цих обладнань заміняються нині новими. Оскільки мережні додатки вимагають усе більшої смуги пропускання й більшої ефективності безпосередньо на робочому місці, ці концентратори як і раніше виконують корисні функції в багатьох існуючих мережах. Мережні менеджери можуть заощадити кошти, приєднуючи вже існуючі концентратори до комутаторів

Як показано на рис 3 9, кожний сегмент концентратора, з'єднаний з комутатором, може бути призначений тільки одній групі віртуальної мережі. Якщо яку-небудь станцію необхідно перевести в іншу віртуальну мережу, то ця станція повинна бути заново приєднана до відповідного концентратора.

Взаємні зв'язки між комутаторами дозволяють виконувати обмін інформацією між комутуючими портами й автоматично визначати відповідні сегменти. Чим більше груп створюється на спільно використовуваному концентраторі, тим вище ступінь мікросегментації (microsegmentation) і тим більшою гнучкістю володіє віртуальна мережа при об'єднанні окремих користувачів у групи.

Шляхом приєднання концентраторів до комутаторів можна встановити конфігурацію, при якій концентратори є частиною архітектури віртуальної мережі. При цьому стає можливим спільне використання потоків даних і мережних ресурсів, безпосередньо приєднаних до комутуючих портів віртуальної мережі.

Рис, 3 9 З'єднання концентраторів і комутаторів надає можливість сегментації віртуальної мережі

Ключові теми цієї глави

• Пояснюються цілі проектування локальних мереж

• Описуються проблеми, що виникають при проектуванні локальних мереж

• Описується методологія проектування мереж

• Описано процес підбору і аналізу мережного обладнання

• Описано процес проектування першого рівня (передавальні середовища і топологія)

• Описано процес проектування другого рівня (комутація)

• Описано процес проектування третього рівня (маршрутизація)

• Описано документація для фізичної і логічної реалізації мереж

Проектування локальних мереж

Вступ

У розділі 3, "Віртуальні локальні мережі", описувалися локальні мережі (LAN, VLAN) і комутоване мережева взаємодія, порівнювалися традиційні локальні мережі загального доступу з комутованими мережами. У попередньому розділі також обговорювалися переваги використування архітектури комутованих віртуальних локальних мереж. Незважаючи на удосконалення в області ефективності обладнання та підвищення можливостей передавальних середовищ, процес проектування мереж стає все більш складним Намічається тенденція до користуванню більш складних середовищ, включаючи різні носії та міжмережеві з'єднання за межами керованої мережі, контрольованої однією організацією. У процесі проектування важливо постійно пам'ятати про сукупність цих чинників, оскільки ретельне проектування мережі може зменшити труднощі, пов'язані з ростом і розвитком мережного середовища

Ретельне проектування мережі є найважливішою передумовою її швидкої і стійкої роботи. Якщо при проектуванні мережі допущені помилки, то може виникнути безліч непередбачених проблем і можливість її зростання виявиться під загрозою Процес проектування вимагає глибокого аналізу конкретної ситуації. У цій главі наведено огляд процесу проектування локальних мереж. Крім того, в ній описуються цілі, проблеми та мето ¬ довгий проектування, а також процес розробки топології локальних мереж.

Вашингтонський проект: проектування мережі

Передбачається, що знання, отримані при читанні цієї книги будуть застосовуватися для проектуванні мережі учбового округу. Цей вигаданий навчальний округ розташований в місті Феніксі, штат Арізона В окрузі йде процес проектування і реалізація мережі, до якої увійдуть локальні мережі кожної школи та розподілена мережа, що забезпечує обмін даними між ними.

У цій главі починається процес проектування локальної мережі. Оскільки основні концепції та вимоги читача вже знайомі, їх можна застосувати на практиці. У процесі проектування необхідно забезпечити виконання наступних вимог.

• Передбачається, що мережа буде обслуговувати різні робочі групи - групи персоналу шкіл та групи учнів. Це логічне розділення стане основною ідеєю проекту і зажадає використання віртуальних локальних мереж. Такі мережі, наприклад, доведеться використовувати для того, щоб відокремити комп'ютери адміністраторів від студентських комп'ютерів.

• Частиною цього проекту є також забезпечення доступу до Internet з будь-якого комп'ютера шкільного округу.

• Необхідний ряд серверів для полегшення інтерактивної автоматизації всіх адміністративних та навчальних функцій.

• Оскільки дана реалізація мережі буде функціонувати як мінімум 7-10 років, необхідно взяти до уваги можливість 100% зростання локальних мереж.

• Смуга пропускання каналу до кожного хосту повинна становити не менше 1 Мбіт / с, а до кожного сервера не менше 100 Мбіт / с.

• Допускається використовувати в мережі тільки два маршрутизациї протоколу: ТСР/IР і Novell IРХ.

Цілі проекту локальної мережі

Проектування мережі може виявитися складним завданням. Проектування мережі включає в себе щось більше, ніж просто створення зв'язку між комп'ютерами. Для того, щоб мережа була керованою і розширюваної потрібно врахувати безліч особливостей. Щоб спланувати надійну і розширювану мережу, проектувальник повинен усвідомлювати, що кожний з основних компонентів мережі пред'являє до неї свої особливі вимоги. Навіть мережа, що містить усього 50 вузлів маршрутизації, може створити цілий комплекс проблем, які ведуть до непередбачуваним результатам. А спроба розробити і побудувати мережу, що включає тисячі вузлів, може викликати ще складніші проблеми.

Першим кроком у плануванні мережі є визначення та документування цілей проекта. Названі цілі є специфічними для кожної організації або конкретної ситуації. Однак наступні вимоги характерні для більшості проектів.

• Функціональність. Перш за все, мережа повинна працювати. Це означає, що вона повинна надати користувачам можливість задоволення їх виробничих ¬ них потреб. Мережа має забезпечити зв'язок користувачів один з одним і з додатками з відповідною вимогам швидкістю і надійністю.

• Розширюваність. Мережа має володіти здатністю до зростання. Це означає, що першочергово реалізована мережа повинна збільшуватися без будь-яких істотних змін загального пристрою.

• Адаптованість. Мережа має бути розроблена з урахуванням технологій майбутнього і не повинна включати елементи, які в подальшому обмежували б впровадження технологічних нововведень.

• Керованість. Мережа потрібно сконструювати так, щоб полегшити поточний контроль та управління для забезпечення стабільності її роботи.

Аспекти, зазначені вище, є специфічними для одних типів мереж і більш загальними для інших типів. У цій главі розповідається як врахувати ці вимоги в процесі проектування.

Компоненти мережевого проекту

З появою в останні роки високошвидкісних технологій, таких як АТМ (режим асинхронної передачі) і більш складних архітектур локальних мереж, що використовують комутацію та віртуальні локальні мережі, багато організацій стали оновлювати свої локальні мережі, планувати і впроваджувати нові.

Для конструювання локальних мереж під високошвидкісні технології та мультимедійне програми проектувальнику необхідно враховувати наступні найважливіші аспекти загального проектування мереж.

• Функції та розміщення серверів.

• Визначення колізій.

• Сегментація.

• Відповідність широкосмугових і широкомовних доменів. Ці питання обговорюються в наступних розділах.

Функції і розміщення серверів

Одним з ключових моментів успішного проектування є правильне розуміння функцій серверів і особливостей їх розміщення в мережі. Сервери надають доступ до фай ¬ лам, друк, зв'язок і служби додатків, таких як обробка текстів. Сервери частіше використовуються не в якості робочих станцій, а працюють під управлінням спеціалізованих операційних систем, таких як NetWare, Windows NT, UNIX і Linux. В даний час кожен сервер зазвичай виділяється для виконання однієї функції, наприклад, функції поштового або файлового сервера.

Сервери можна розділити на два окремих класу: сервери підприємства (enterprise servers) і сервери робочих груп (workgroup servers). Сервер підприємства підтримує всіх користувачів мережі, надаючи їм різні служби, такі як електронна пошта або служба доменних імен DNS, як показано на рис. 4.1. Оскільки сервери електронної пошти та виконують централізовані функції, вони можуть знадобитися кожному члену організації (наприклад, такий як Вашингтонський навчальний округ). З іншого боку, сервер робочої групи обслуговує певну групу користувачів і пропонує їм такі служби, як обробка текстів або спільний доступ до файлів, тобто функції, які можуть понад ¬ битися тільки деяким групам користувачів.

Сервери підприємства повинні розміщуватися в головній розподільчої станції (main distribution facility, MDF). У цьому випадку потік даних на сервери підприємства буде йти тільки до MDF, не проходячи через інші мережі. В ідеальному випадку сервери робочих груп слід розміщувати в проміжних розподільних станціях intermediate distribution facilities, IDF), по можливості ближче до користувачів, що використовують програми цих серверів. Для цього необхідно безпосередньо з'єднати сервери з MDF або IDF. Якщо розташувати сервери робочих груп близько до користувачів, то потік даних буде проходити за інфраструктурні мережі прямо до ГІР, не зачіпаючи інших користувачів у цьому сегменті. Усередині MDF і GIF комутатори другого рівня повинні мати для цих серверів ширину смуги пропускання не менше 100 Мбіт / с.

Вашингтонський проект: розміщення і функції серверів

Слід розділити файлові сервери проекту на сервери підприємства та сервери робочих груп, а потім розмістити їх у мережі згідно кількості акцій потоку даних користувачів і виконуваним функціям.

• Сервери DNS та електронної пошти. У кожній вузловій точці повинен знаходиться DNS -сервер, щоб підтримувати окремі школи, які обслуговуються з цієї точки. Кожна школа також повинна мати комп'ютер для DNS і служб електронної пошти (так званий локальний поштовий офіс), обслуговує всіх студентів та співробітників цієї школи.

• Адміністративний сервер. У кожній школі повинен бути адміністративний сервер для атестації та проведення іспитів учнів, контролю відвідуваності та виконання інших адміністративних функцій. Цей сервер повинен використовувати сімейство протоколів ТСР/ІР і бути доступним тільки для викладачів і співробітників школи.

• Бібліотечний сервер. В окрузі реалізуються автоматизована система бібліотечної інформації і пошукова система для інтерактивного навчання і для дослідницьких цілей. Цей сервер повинен використовувати ТСР/ІР як протокол третього і четвертого рівня еталонної моделі ОСІ Сервер призначений для всіх користувачів що знаходяться на території будь-якої школи округу.

• Сервер додатків. Всі ком’ютерні додатки, такі як тетстові редактори і електроні таблиці, повинні розташовуватись на центральному сервері кожної школи.

• Інші сервери. Будь-які інші сервери, встановлені в школах, повинні розглядатися як сервери відділів (робочих груп) і розташовуватись в залежності з потребами достопу до них групп користувачів. В якості прикладу можна привести сервер з навчальним додатком для певної школи.

Мережі intranet

Intranet являє собою одну з типових конфігурацій локальної мережі. Web- сервери в мережі intranet відрізняються від публічних web- серверів тим,що без відповідного дозволу і пароля одержати доступ до мережі intranetбудь-якої організації не можливо. Мережі intranet спроектовані таким чином, що доступ до них мають тільки користувачі , маючі право доступу до внутрішньої мережі організації. В середині intranet встановлюються web-сервери, а браузери використовуються в якості спільного засобу доступу до інформації, наприклад, до фінансових, графічним або текстовим даним, збережених на цих серверах.

Введення технології intranet являється лише одним з багатьох факторів, зумовлених використання додатків параметрами конфігурації і викликаючи потребу в збільшені смуги пропускання. Оскільки смуга пропускання мережної магістралі повинна бути розширена , мережним адміністраторам необхідно також розглянути можливість придбання потужних робочих станцій для більш швидкого доступу до intranet. Нові робочі станції і сервери повинні бути забезпечені мережними адаптерами 10-100 Мбіт/с для забезпечення більшої конфігураційної гнучкості , яка дозволяє мережним адміністраторам виділяти необхідну смугу пропускання окремим станціям.

Виявлення колізій

Для того щоб зменшити кількість колізій і конкуренцію за доступ до носіїв, в процесі проектування потрібно прийняти зважування рішень при виборі і розміщені мережних пристроїв. Під конкуренцією розуміють надмірне число колізій в мережах Ethernet, викликане з великою кількістю запитів багатьох пристроїв до ресурсів мережі. Число широкоінформаційних розсилань стає надвеликим, тоді надто багато клієнтів, звертаються до служб, коли надто багато серверних пакетів пропонують служби або відбуваються багаторазові обновлення таблиці маршрутизації (routing update), а також в випадку наявності великої кількості широкоінформаційних повідомлень протоколів, наприклад протокола перетворення адресів (ARP).

Вузол мережі Ethernet отримує доступ до середовища, конфігурація з іншими пристроями. У випадку збільшення кількості вузлів, підключених до спільного середовища виникає ситуація , коли ці вузли намагаються передати все більші і більші кількості повідомлень, і шанси одного вузла виграти цю бородьбу значно зменшуються, в результаті чого мережа «». Те що конкуренція як метод достопу, не допускає розширення і не дозволяє мережі збільшуватись, являється головним недостатком мереж Ethernet.

Як показано на мал. 4.2, кількість колізій росте з збільшенням потоку даних в мережі загальним доступом. І хоча колізії являються звичним явищем в мережах Ethernet, надмірне їх число зменшує доступну смугу пропускання (інколи досить вагомо). В більшості випадків фактична смуга зменшується приблизно на 35-40% порівняно з номінальною (10 Мбіт/с). це явище можна ліквідувати шляхом сегментації мережі з використанням мостів, комутаторів або маршрутизаторів.

Сегментація

Під сегментацією () розуміють процес одного колізійного домена на дав і більше, як показано на мал. 4.3. Мости і комутатори другого (канального) рівня можна використати для сегментації мережі логічною шинною топологією і для створення розділених колізійних доменів. В результаті збільшується доступна смуга пропускання для окремої станції. Вся мережа з шинною топологією як колись являю собою широкосповішувальний домен, оскільки мости і комутатори пересилають широкосповіщувальні пакети, хоча і не розповсюджують колізії (мал.4.3).

Всі широкоінформаційний і розсилки від будь-якого хоста будуть бачитися іншими хостами в цьомуж широкоінформаційний домені, що необхідно для забезпечення можливості установки з’єднання. Розширення широкополосного домена залежить від загального потоку даних, а розширення широкоінформаційний домена – від загального широкоінформаційний потоку. Важливо пам’ятати, що мости і комутатори пересилають широкоінформаційний (FF-FF-FF-FF) потік, в той час коли маршрутизатори цього не роблять.

Широкосмуговий і широкоінформаційний домени

Під широкосмуговим доменом розуміють всі пристрої, зв’язані з одним портом моста або комутатора. У випадку Ethernet-комутатора широкосмуговий домен називається також колізійним доменом. Комутатор може створювати по одному широкосмуговому домену на кожному порті. Як показано на мал. 4.4, всі робочі станції одного широкосмугового домена конкурують за смугу пропускання своєї локальної мережі. Весь потік даних з любого хоста широкосмугового домена можуть бачити інші хости. В колізійному домені мережі Ethernet, дві станції можуть почати передачу одночасно, що викликає колізію.

Методологія проектування мережі

Щоб локальна мережа була ефективною і задовольняла потреби користувачів, вона повинна бути спроектована і реалізована в результаті чіткого планування послідовних дій, включаючи наступне.

1. Збір вимог і очікування користувачів.

2. Аналіз зібраних вимог.

3. Проектування структури 1-го, 2-го і 3-го рівня локальної мережі (топології мережі).

4. Документування логічної і фізичної реалізації мережі.

Ці дії описані в приведених нище розділах.

Збір вимог

На першому етапі проектування мережі треба зібрати дані про структуру організації. Ця інформація повинна включати себе дані про історію і теперішнє стан організації, про плануючий ріст, про методи управління, офісних системах, а також думку членів персонала які будуть використовувати локальну мережу. Необхідно відповісти на наступні питання: хто буде користуватися локальною мережею? Який рівень його навичок, і як він відноситься до комп’ютерів і комп’ютерних додатків?

Відповіді на ці і подібні питання можуть вирішити вимоги до додаткового обладнання і кількості спеціалістів, необхідних для підтримки даної локальної мережі.

Вашингтонський проект: розуміння вимог замовника

Перше і головне необхідно зрозуміти замовника. У випадку проекта Вашинктонського навчального округу необхідно зустрітися з основними користувачами мережі, визначити їх географічне положення, використовувані в даний момент додаткиі плани на майбутнє, а також вирішити, хто може бути головним помічником при проектуванні марежі. Після завершення збору даних про організаційну структуру округу необхідно:

• Визначити як переміщується інформація в окрузі;

• З’ясувати, де зберігається вседоступні і хто їх використовує;

• З’ясувати, чи необхідний доступ до даних, які знаходяться за межами округу, наприклад, в Internet;

• Визначити проблеми і питання, вимагаючі рішення.

В ідеальному випадку процес збору інформації допомагає визначити і пояснити проблеми, які стоять перед проектувальником. Необхідно також визначити, чи існують в організації вже встановлені правила. Чи обов’язкові будь-які дані як критичні? Чи обов’язкові будь-які операції як критичні? (Критичні дані і операції розглядаються в якості ключових для бізнесу, а доступ до них являється критично важливими для виконання щоденних справ). Які протоколи можна використовувати в мережі? Чи існують обмеження на типи робочих станцій?

Далі потрібно визначити хто в даній організації володіє повноваженнями на встановлені адресації, зазначення імені, на встановлення конфігурації і планування топології. В деяких компаніях існує центральний департамент управління інформаційними системами (УІС) (Management Information Systems, MIS),який відповідає на рішення цих питання. В інших компаніях департамент УІС дуже малий і тому повноваження передаються відділам. При цьому також потрібно виділяти особливу увагу оцінці ресурсів підриємст і даних обмежень. Ресурси організації які можуть вплинути на реалізацію нової локальної мережі, розділяються на дві основні категорії: комп’ютерне програмне і апаратне забезпечення та людський ресурс. Потрібно документально зафіксувати існування програмного і апаратного забезпечення організації і те яке знадобиться в майбутньому. Яким способом в даний час ці ресурси зв’язані ким фінансовим ресурсом володіє організація? Відповіді на ці питання допоможуть оцінити затримки і розрахувати бюджет локальної мережі. Проектувальнику потрібно також впевнитись в правильному розумінні ним того, наскільки ефективні мережі вже існують на підприємстві.

Аналіз вимог

Наступний крок при конструюванні мережі – аналіз зібраних на попередньому етапі вимог

бований користувачів до майбутньої мережі. З часом користувачі мережі, як правило, підвищують свої вимоги. Наприклад, чим більше з'являється доступних голосових і відео-додатків, тим більшими стають вимоги до збільшення пропускної спроможності мережі.

Ще одним завданням цього етапу є оцінка вимог користувачів. Звичайно, мало придатна мережа, яка не здатна надати своїм користувачам необхідну і точну інформацію. Тому необхідно зробити відповідні дії для задоволення інформаційних вимог організації і її працівників.

Вашингтонський проект: доступність

З'ясуєте, що означає для замовника поняття доступності. У разі проекту Вашингтонского учбового округу необхідно провести детальний аналіз поточних завдань і тих, які з'являться надалі. Аналіз вимог, що пред'являються до мережі, включає аналіз виробничих і технічних цілей округу. Необхідно відповісти на наступні питання.

• Які застосування встановлюватимуться?

• До яких нових мереж буде потрібно доступ?

• У якому випадку проект можна буде вважати успішно реалізованим?

Доступність і потік даних в мережі

Корисність мережі визначається її доступністю. На доступність впливають багато чинників, включаючи наступні.

• Пропускна спроможність.

• Час відгуку.

• Доступ до ресурсів.

У кожного замовника є своє визначення доступності. Наприклад, може виникнути необхідність передавати голосові або відеодані по мережі. Проте подібні служби потребують смуги пропускання більшої, ніж наявна в мережі або магістралі. В цьому випадку доступність можна збільшити шляхом додавання ресурсів, але такий шлях значно збільшує вартість. В процесі мережевого проектування необхідно шукати способи забезпечення більшої доступності з найменшими витратами.

Вашингтонський проект: визначення мережевого навантаження

До розробки структури мережі і придбання устаткування необхідно визначити мережеве навантаження у Вашингтонському учбовому окрузі.

Крім того, при аналізі технічних вимог округу, слід оцінити потік даних, що викликається додатками, в розмірі і кількості пакетів (наприклад, в байтах в секунду, що дозволить оцінити час, необхідний для передачі цих файлів по мережі). Деякі види використання мережі можуть генерувати великий потік даних і, відповідно викликати перевантаження мережі в наступних пристроях та службах.

• Internet – доступ.

• Завантаження програмного забеспечення з віддаленого сайту .

• Передача зображень або відеоінформації.

• Доступ до центральної бази даних.

• Звернення до файлових серверів відділів.

Слід також оцінити навантаження на мережу при максимальній кількості одночасно працюючих користувачів і під час запуску регулярних мережевих служб, таких як резервне копіювання на файловому сервері.

Проектування мережевої топології

Наступний крок після визначення усіх вимог до мережі - ухвалення рішення по вибору задовольняючої потреби користувачів, топології локальної мережі. У цій книзі розглядаються зіркоподібна (star topology) і розширена зіркоподібна топології. Як випливає з мал. 4.5, зіркоподібна і розширена зіркоподібна топології використовують технологію мереж Ethernet 802.3 - метод множинного доступу з контролем тієї, що несе і виявленням колізій (CSMA/CD). У цій книзі розглядається зіркоподібна топологія CSMA/CD унаслідок її домінующого положення в індустрії .

Зіркоподібна топологія Розширена зіркоподібна топологія

Рис.4.5.Зіркоподібна і розширена зіркоподібна топології є найстабільнішимиі найрозповсюдженішими моделями мереж

Як показано на мал. 4.3, головні компоненти локальної мережі можуть бути розділені між трьома рівнями еталонної моделі OSI - мережевим, канальним і фізичним. Ці компоненти обговорюються в приведених нижче розділах.

Проектування топології фізичного рівня

У цьому розділі досліджується зіркоподібна і розширена зіркоподібна топологія.

Вашингтонський проект: швидкодія і розширення

Для проекту Вашингтонського учбового округу необхідно підібрати компоненти мережевого рівня з достатньою швидкодією і можливістю розширення. Як відомо, фізичний рівень визначає шлях, по якому дані передаються між вузлом-джерелом і вузлом-адресатом. Отже, тип передавального середовища та вибрана топологія допоможуть визначити, який об'єм даних і наскільки швидко зможе проходити по мережі.

Прокладення кабелів

Фізичні кабелі - один з найбільш важливих компонентів, вибираних при проєктуванні мережі. Рішення цієї задачі включає вибір типу використовуваного кабелю (зазвичай мідний або оптоволоконний) і його загальної структури. Кабельне середовище фізичного рівня включає такі типи, як неекранована вита пара п'ятої категорії (Category 5 unshielded twisted - pair, UTP) і оптоволоконний кабель (fiber - optic cable). При прокладенні ка-беля слід керуватися стандартом EIA/TIA 568 для розміщення і з'єднання провідних схем.

На додаток до обмежень на протяжність кабелю, необхідно ретельно оцінити сильні та слабкі сторони різних кабельних топологий, оскільки ефективність мережі передусім залежить від якості її основного кабелю. Велика частина проблем, що виникають в мережі, пов'язана з проблемами фізичного рівня. Якщо плануються які-небудь значні зміни в мережі, то слід зробити повний аналіз стану кабелю для визначення зон, в яких вимагається оновлення і заміна кабелю.

При проектуванні нової мережі або повторному прокладенні кабелю, необхідно враховувати, що високошвидкісні технології, такі як Fast Ethernet, ATM і Gigabit Ethernet повинні використовувати , як мінімум, оптоволоконний кабель як магістраль і вертикальних з’єднань і кабель п'ятої категорії UTP для горизонтальних з'єднань. Оновлення кабелю повинне мати пріоритет перед іншими необхідними змінами. Підприємство повинне забезпечити повну і безумовну відповідність цих систем строгим промисловим стандартам, таким як специфікації TIA/EIA 568.

Стандартом EIA/TIA 568 визначається, що кожен пристрій, підключений до мережі, повинен бути сполучено горизонтальним кабелем з центральною точкою, як показано на мал. 4.6. Ця вимога повинна виконуватися у тому випадку, коли усі станції, яким потрібний доступ в мережу, знаходяться в радіусі 100 метрів для кабелю п'ятої категорії UTP Ethernet, як вказується в стандарті Е1А/ IA 568. У таблиці. 4.1 перераховані типи кабелів і їх характеристики.