Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet

Современные коммутаторы Ethernet являются наследниками мостов локальных сетей, которые широко использовались в сетях Ethernet и Token Ring на разделяемой среде. Более того, коммутаторы Ethernet по-прежнему функционально очень близки к вышедшим из употребления мостам, так как базовый алгоритм работы коммутатора и моста является одним и тем же алгоритмом и определяется одним и тем же стандартом IEEE 802.1D. По традиции во всех новых стандартах IEEE, описывающих свойства коммутаторов, употребляется термин «коммутатор», а не «мост». Основное отличие коммутатора от моста состоит в большем количестве портов (мост, как правило, имел два порта, что и послужило поводом для его названия — мост между двумя сегментами) и более высокой производительности.

Коммутаторы являются сегодня основным типом коммуникационных устройств, применяемых для построения локальных сетей. Коммутаторы отличаются внутренней архитектурой и конструктивным исполнением.

Мост как предшественник и функциональный аналог коммутатора Логическая структуризация сетей и мосты

Мост локальной сети (LAN bridge), или просто мост, появился как средство построения крупных локальных сетей на разделяемой среде, так как в рамках того, что в стандартах сетей на разделяемой среде называется сетью, построить действительно крупную сеть практически невозможно, поскольку такая сеть подразумевает существование единой разделяемой среды.

В сети Ethernet требование использовать единую разделяемую среду приводит к нескольким очень жестким ограничениям:

□ общий диаметр сети не может быть больше 2500 м;

□ количество узлов не может превышать 1024 (для сетей Ethernet на коаксиале это огра­ничение еще жестче).

На практике из-за главной проблемы разделяемой среды — дефицита пропускной способности — количество узлов даже в сетях 10Base-T и 10Base-F никогда не приближается к 1024.

Процессы, происходящие в локальных сетях на разделяемой среде, качественно могут быть описаны моделями массового обслуживания, в частности моделью М/М/1, рассмотренной в главе 7. Разделяемая среда соответствует обслуживающему устройству этой модели, а кадры, генерируемые каждым компьютером сети, — заявкам на обслуживание. Очередь заявок в действительности распределяется по компьютерам сети, где кадры ожидают своей очереди на использование среды.

Хотя модель М/М/1 не может адекватно отразить многие особенности локальных сетей на разделяемой среде, например коллизии, возникающие в Ethernet, она хорошо иллюстрирует качественную картину зависимости задержек доступа к среде от коэффициента использования среды. На рис. 13.1 показаны зависимости этого типа, полученные для сетей Ethernet, Token Ring и FDDI путем имитационного моделирования.

Рис. 13.1. Задержки доступа к среде передачи данных для технологий Ethernet, Token Ring и FDDI

Как видно из рисунка, всем технологиям присуща качественно одинаковая картина экспоненциального роста величины задержек доступа при увеличении коэффициента использования сети. Однако их отличает порог, при котором наступает резкий перелом в поведении сети, когда почти прямолинейная зависимость переходит в крутую экспоненциальную. Для всего семейства технологий Ethernet — это 30-50 % (сказывается эффект коллизий), для технологии Token Ring — 60 %, а для технологии FDDI — 70-80 %.

Количество узлов, при которых коэффициент использования сети начинает приближаться к опасной границе, зависит от типа функционирующих в узлах приложений. Для сетей Ethernet со скоростью 10 Мбит/с считалось, что 30 узлов — это вполне приемлемое число для одного разделяемого сегмента, так что для построения крупной сети нужны были принципиально новые решения.

Ограничения, возникающие из-за использования единой разделяемой среды, можно преодолеть, выполнив логическую структуризацию сети, то есть сегментировав единую разделяемую среду на несколько и соединив полученные сегменты сети некоторым коммуникационным устройством, которое не передает данные побитно, как повторитель, а буферизует кадры и передает их затем в тот или иной сегмент (или сегменты) в зависимости от адреса назначения кадра (рис. 13.2). То есть такие сегменты работают в соответствии с обобщенным алгоритмом коммутации, рассмотренном в главе 2.

Нужно отличать логическую структуризацию от физической. Концентраторы стандарта 10Base-T позволяют построить сеть, состоящую из нескольких сегментов кабеля на витой паре, но это — физическая структуризация, так как логически все эти сегменты представляют собой единую разделяемую среду.

Рис. 13.2. Логическая структуризация сети

Мост долгое время был основным типом устройств, которые использовались для логической структуризации локальных сетей. Сейчас мосты заменили коммутаторы, но так как алгоритм их работы повторяет алгоритм работы моста, результаты их применения имеют ту же природу, они только усиливаются за счет гораздо более высокой производительности коммутаторов.

Помимо мостов/коммутаторов для структуризации локальных сетей можно использовать маршрутизаторы, но они являются более сложными и дорогими устройствами, к тому же всегда требующими ручного конфигурирования, поэтому их применение в локальных сетях ограничено.

Логическая структуризация локальной сети позволяет решить несколько задач, основные из которых — это повышение производительности, гибкости и безопасности, а также улучшение управляемости сети.

Для иллюстрации эффекта повышения производительности, который является главной целью логической структуризации, рассмотрим рис. 13.3.

Рис. 13.3. Изменение загрузки при делении сети на сегменты

На нем показаны два сегмента Ethernet, соединенные мостом. Внутри сегментов имеются повторители. До деления сети на сегменты весь трафик, генерируемый узлами сети, являлся общим (представим, что вместо моста был повторитель) и учитывался при определении коэффициента использования сети. Если обозначить среднюю интенсивность трафика, идущего от узла i к узлу j, через то суммарный трафик, который должна была передавать сеть до деления на сегменты, равен (считаем, что суммирование проводится по всем узлам).

После разделения сети на сегменты подсчитаем нагрузку отдельно для каждого сегмента. Например, нагрузка сегмента 51 стала равна , где — внутренний трафик сегмента S1, а — межсегментный трафик. Чтобы показать, что загрузка сегмента 51 стала меньше, чем загрузка исходной сети, заметим, что общую загрузку сети до разделения на сегменты можно представить в таком виде:

Значит, загрузка сегмента 51 после разделения стала равной , то есть стала меньше на величину внутреннего трафика сегмента 52. Аналогичные рассуждения можно повто­рить относительно сегмента 52. Следовательно, в соответствии с графиками, приведенными на рис. 13.1, задержки в сегментах уменьшились, а полезная пропускная способность, приходящаяся на один узел, увеличилась.

Ранее было отмечено, что деление сети на логические сегменты почти всегда снижает загрузку новых сегментов. Слово «почти» учитывает очень редкий случай, когда сеть разбита на сегменты так, что внутренний трафик каждого сегмента оказывается нулевым, то есть весь трафик является межсегментным. Для примера на рис. 13.3 это означало бы, что все компьютеры сегмента 51 обмениваются данными только с компьютерами сегмента 52, и наоборот.

На практике в сети всегда можно выделить группу компьютеров, которые принадлежат сотрудникам, решающим общую задачу. Это могут быть сотрудники одной рабочей группы, отдела, другого структурного подразделения предприятия. В большинстве случаев им нужен доступ к ресурсам сети их отдела и только изредка — доступ к удаленным ресурсам. В 80-е годы существовало эмпирическое правило, говорящее о том, что сеть можно раз­делить на сегменты так, что 80 % трафика составят обращения к локальным ресурсам и только 20 % — к удаленным. Сегодня такая закономерность не всегда соответствует действительности, она может трансформироваться в правило 50 на 50 % и даже 20 на 80 % (например, большая часть обращений направлена к ресурсам Интернета или к централи­зованным серверам предприятия). Тем не менее в любом случае внутрисегментный трафик существует. Если его нет, значит, сеть разбита на логические сегменты неверно.

При построении сети как совокупности сегментов каждый из них может быть адаптирован к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Это означает повышение гибкости сети. Процесс разбиения сети на логические сегменты можно рассматривать и в обратном направлении, как процесс создания большой сети из уже имеющихся небольших сетей.

Устанавливая различные логические фильтры на мостах/коммутаторах, можно контролировать доступ пользователей к ресурсам других сегментов, чего не позволяют делать повторители. Так достигается повышение безопасности данных.

Побочным эффектом снижения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью, то есть улучшение управляемости сети. Проблемы очень часто локализуются внутри сегмента. Сегменты образуют логические домены управления сетью.

Оба описываемых устройства продвигают кадры на основании одного и того же алгоритма, а именно алгоритма прозрачного моста, описанного в стандарте IEEE 802.ID.

Этот стандарт, разработанный задолго до появления первого коммутатора, описывал работу моста, поэтому совершенно естественно, что в его названии и содержании используется термин «мост». Некоторая путаница возникла, когда на свет появились первые модели коммутаторов — они выполняли тот же описанный в стандарте IEEE 802.1D алгоритм продвижения кадров, который с десяток лет был отработан мостами. И хотя мосты, для которых алгоритм был разработан, сегодня уже относятся к практически «вымершему» виду коммуникационных устройств, в стандартах, описы­вающих работу коммутатора, следуя традиции, используют термин «мост». Мы же не будем столь консервативными и при описании алгоритмов 802.1D в следующем разделе позволим себе иногда указывать термин «коммутатор», кроме тех случаев, когда речь пойдет об официальном названии стандарта или когда необходимо будет подчеркнуть разницу между двумя типами устройств.