Логическая структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов

Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, которые представляют самостоятельные разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает более высокой производительностью и надежностью. Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов и коммутаторов.

Эффективность разделяемой среды для небольшой сети проявляется в следующих свойствах:

• простой топологии сети, допускающей легкое наращивание числа узлов (в небольших пределах);

• отсутствие потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как новых кадр не передается в сеть, пока не принят предыдущий;

• простоте протоколов, обеспечившей низкую стоимость сетевых адаптеров.

Но всем технологиям присущ экспоненциальный рост величины задержек доступа при увеличении коэффициента использования сети (отношение трафика, который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной способности). При возрастании интенсивности генерируемого трафика сеть перестает передавать полезную пользовательскую информацию и работает на обработку коллизий.

Преимущества логической структуризации сети

Ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, можно преодолеть, разделив сеть на несколько разделяемых сред и соединив отдельные сегменты сети такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы.

Эти устройства передают кадры с одного своего порта на другой, анализируя адрес назначения, помещенный в этих кадрах (в отличие от концентраторов, которые повторяют кадры не всех своих портах, передавая из во все подсоединенные к ним сегменты, независимо от того, в каком из них находится станция назначения). Мосты и коммутаторы выполняют операцию передачи кадров на основе плоских адресов канального уровня, то есть МАС-адресов, а маршрутизаторы – на основе номера сети. При этом единая разделяемая среда делится на несколько разделяемых сред, каждая из которых присоединена к порту моста, коммутатора или маршрутизатора. Говорят, что при этом сеть делится на логические сегменты или подвергается логической структуризации.

В общем случае крупная сеть разрабатывается на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и маршрутизаторы присоединяются подсети.

Деление сети на логические сегменты повышает производительность сети за счет разгрузки сегментов.

Сегментация увеличивает гибкость сети – можно объединять в единую сеть сегменты, построенные по разным технологиям.

Подсети повышают безопасность данных. Устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах, можно контролировать доступ к ресурсам.

Подсети упрощают управление сетью.

Мосты и коммутаторы

Мосты (bridge) и коммутаторы (switch, switching hub) работают на основе протоколов канального уровня, маршрутизаторы – на основе протоколов сетевого уровня.

Мосты и коммутаторы продвигают кадры на основании одни и тех же алгоритмов – алгоритма прозрачного моста (transparent bridge) или алгоритма моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge).

Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор – параллельно. Для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в коммутатор ставится отдельный процессор, реализующий алгоритм моста. Производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем производительность мостов.

Алгоритм прозрачного моста

Прозрачный мост строит адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах. При этом адаптеры не предпринимают никаких специальных действий, чтобы кадр прошел через мост.

Пусть сеть состоит из двух сегментов, подключенных к портам 1 и 2 моста, в сегменте 1 находятся компьютеры с МАС-адресами 1 и 2, в сегменте 2 – 3 и 4.

Этапы построения адресной таблицы:

1. Каждый порт моста работает как конечный узел своего сегмента в неразборчивом режиме (promisquous). Он не имеет своего МАС-адреса, и все пакеты, поступающие на порт, запоминаются в буферной памяти.

2. В исходном состоянии мост ничего не знает о том, какие компьютеры подключены к какому порту. Поэтому он предает любой захваченный и буферизованный кадр на все свои порты кроме того, на который он пришел.

3. Одновременно с передачей кадра на все порты мост изучает адрес источника и заносит его в адресную таблицу, например, МАС-адрес 1 – порт 1.

4. По мере создания таблицы мост начинает ее использовать. При получении кадра он просматривает таблицу и посылает кадр на нужный порт, если только источник не находится в том же сегменте, что и приемник, иначе кадр просто удаляется из буфера.

5. Если порт назначения неизвестен, то мост передает кадр на все свои порты, кроме порта-источника.

6. Процесс обучения моста никогда не останавливается, так как конфигурация сегментов может меняться.

Входы адресной таблицы могут быть динамическими, создаваемыми в процессе самообучения моста, и статическими, создаваемыми вручную администратором сети. Динамические входы имеют срок жизни – по истечении определенного тайм-аута запись помечается как недействительная, если за это время мост не принял ни одного кадра с данными адресом в поле адреса источника. Статические записи не имеют срока жизни.

Кадры с широковещательными МАС-адресами передаются мостом на все его порты – затопление сети (flood). Если протокол верхнего уровня или сетевой адаптер начинают с высокой интенсивностью генерировать кадры с широковещательными адресами в течение длительного промежутка времени, то мост передает эти кадры во все сегменты, затапливая сеть ошибочным трафиком – широковещательный шторм (broadcast storm).

Общее описание работы коммутатора

Каждый порт коммутатора обслуживается специальным процессором. Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров. Системный модуль ведет общую адресную таблицу и обеспечивает управление коммутатором по какому-либо протоколу (SNMP). Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица.

1. При поступлении кадра в какой-либо порт его процессор буферизирует несколько первых байт кадра для определения адреса назначения.

2. Затем он просматривает собственный кэш адресной таблицы, и если там нужного адреса нет, то обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров.

3. Системный модуль просматривает общую адресную таблицу и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизирует в своем кэше для последующего использования.

4. Если кадр нужно передать дальше, а не отфильтровать, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь к порту назначения. Если порт занять, то кадр буферизируется. Когда порт освободится, в него направляются буферизованные байты кадра.

Коммутаторы обладают целым спектром дополнительных возможностей по обработке трафика, существует также несколько типов технических реализаций.

Ограничения использования мостов и коммутаторов:

• в топологии получившейся сети должны отсутствовать петли;

• сегменты не защищены от широковещательных штормов;

• сложно решается задача управления трафиком;

• негибкая одноуровневая система адресации – используется МАС-адрес, жестко связанный с адаптером.

• возможностью трансляции протоколов обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов.

Поэтому для построения больших неоднородных сетей необходимо привлекать средства более высокого по сравнению с физическим и канальным уровнем – сетевого уровня.