4. Методы доступа и их использование в сетевых архитектурах. Коммутируемые сети.(мы не делали лабы по этой главе)

Методы управления доступом к среде передачи

В некоторых сетевых топологиях множество узлов использует общее средство подключения. Такие сети называются сетями с множественным доступом. Примерами таких сетей являются локальные сети Ethernet и беспроводные локальные сети (WLAN). В любой момент может возникнуть ситуация, когда несколько устройств пытается отправить или получить данные, используя одно и то же средство подключения.

В некоторых сетях с множественным доступом необходимы правила регулирования доступа устройств к общей физической среде. Существует два основных метода управления доступом к общей среде.

• Конкурентный доступ: все узлы, работающие в полудуплексном режиме, соревнуются за использование среды, но осуществлять передачу в каждый момент времени может лишь одно устройство. Однако существует специальный протокол, определяющий, что должно происходить в случае одновременной передачи обоими устройствами. Примерами такого типа управления доступом являются локальные сети Ethernet с концентраторами и беспроводные локальные сети (WLAN). На рисунке 1 показан конкурентный доступ.

• Управляемый доступ: каждому узлу отводится собственное время для использования среды. Такие детерминистические типы сетей являются неэффективными из-за того, что устройство должно дожидаться своей очереди для доступа к среде. Примерами такого типа управления доступом являются устаревшие сети Token Ring. На рисунке 2 показан управляемый доступ

Конкурентный доступ — CSMA/CD

Примерами сетей с конкурентным доступом являются беспроводные локальные сети (WLAN), локальные сети Ethernet с концентраторами и устаревшие сети Ethernet с шинной топологией. Все эти сети работают в полудуплексном режиме. При этом необходим специальный протокол, определяющий, когда устройство может осуществлять передачу, и что происходит в случае одновременной передачи несколькими устройствами.

В полудуплексных сетях Ethernet используется протокол множественного доступа с прослушиванием несущей и обнаружением столкновений (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection; CSMA/CD). На рисунке 1 показана сеть Ethernet с концентратором. Протокол CSMA работает по следующему алгоритму:

1. В PC1 имеется кадр Ethernet, который нужно передать в PC3.

2. Сетевая плата PC1 должна определить, осуществляет ли кто-либо передачу по среде. Если она не обнаруживает сигнал несущей, другими словами, не принимает данные от другого устройства, то делает вывод о том, что сеть свободна для передачи.

3. Сетевая плата PC1 передает кадр Ethernet, как показано на рисунке 1.

4. Концентратор Ethernet принимает кадр. Концентратор Ethernet также называют многопортовым ретранслятором. Он осуществляет регенерацию всех битов, принятых на входящем порте, и их рассылку через все остальные порты, как показано на рисунке 2.

5. Если другое устройство, например PC2, хочет осуществить передачу, но в данный момент принимает кадр, оно должно дождаться освобождения канала.

6. Кадр будет доставлен всем устройствам, подключенным к концентратору. Но поскольку в кадре указан адрес целевого канала данных, относящегося к PC3, то только это устройство будет принимать и сохранять весь кадр. Сетевые платы всех остальных устройств игнорируют кадр, как показано на рисунке 3.

Если два устройства выполняют передачу одновременно, возникает конфликт. Оба устройства обнаружат конфликт в сети. Это называется обнаружением конфликтов (CD). Сетевая плата распознает этот конфликт, сравнивая отправленные данные с принятыми или определяя превышение нормальной амплитуды сигнала в среде передачи данных. Данные, передаваемые обоими устройствами, будут повреждены, из-за чего потребуется их повторная отправка.

Конкурентный доступ — CSMA/CA

Другим видом доступа CSMA, используемым в беспроводных локальных сетях IEEE 802.11, является множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием столкновений (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance; CSMA/CA). При доступе CMSA/CA для контроля освобождения среды используется метод, аналогичный CSMA/CD. В CMSA/CA также используются дополнительные процедуры. CMSA/CA не обнаруживает конфликты, а старается избежать их, ожидая своей очереди для передачи. Каждое передающее устройство включает в передаваемую информацию сведения о времени, необходимом ему для передачи. Все остальные беспроводные устройства принимают эту информацию и знают, как долго среда передачи данных будет занята (см. рисунок).

После передачи беспроводным устройством кадра 802.11 приемник возвращает подтверждение, информируя отправителя о доставке кадра.

Независимо от вида сети (будь то локальная сеть Ethernet с концентраторами или беспроводная локальная сеть), системы с конкурентным доступом плохо масштабируются при интенсивном использовании средства подключения. Следует отметить, что в локальных сетях Ethernet с коммутаторами конкурентный доступ не используется, поскольку коммутатор и сетевая плата узла работают в полнодуплексном режиме.

Коммутируемые сети

Коммутируемая локальная сеть обеспечивает большую гибкость, оптимизированное управление трафиком и следующие дополнительные функции:

• Качество обслуживания

• Дополнительная безопасность

• Поддержка беспроводных сетей и подключения

• Поддержка таких новых технологий, как IP-телефония и мобильные сервисы

Я не знаю, нужно ли рассказывать про это:

Коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward)

Коммутация с промежуточным хранением характеризуется двумя основными признаками, которые отличают ее от сквозной коммутации: выявлением ошибок и автоматической буферизацией.

Выявление ошибок

Коммутатор с промежуточным хранением выявляет ошибки во входящем кадре. После получения всего кадра на входном порте, как показано на рисунке, коммутатор сравнивает значение FCS (frame-check-sequence) в последнем поле датаграммы с собственными вычислениями FCS. FCS — это процесс выявления ошибок, который позволяет убедиться в том, что кадр свободен от физических и канальных ошибок. Коммутатор пересылает кадр, если не выявил в нем ошибок. В противном случае кадр отбрасывается.

Автоматическая буферизация

Процесс буферизации на входном порте, используемый коммутаторами с промежуточным хранением, обеспечивает гибкость для поддержки любых скоростей Ethernet. Например, обработка входящего кадра, передаваемого в порт Ethernet 100 Мбит/с и предназначенного для отправки в интерфейс 1 Гбит/с, потребует использования коммутации с промежуточным хранением. С любым несоответствием в скорости между входным и выходным портами коммутатор сохраняет весь кадр в буфере, проверяет FCS, пересылает его в буфер выходного порта и затем отправляет его.

Коммутация с промежуточным хранением или, используя иной термин, коммутация в режиме «store-and-forward», является основным методом коммутации локальной сети Cisco.

Коммутатор с промежуточным хранением отбрасывает кадры, которые не прошли проверку FCS, и, таким образом, не пересылает недопустимые кадры. И наоборот, в режиме сквозной коммутации возможна пересылка недопустимых кадров, поскольку проверка FCS не выполняется.

Сквозная коммутация (Cut-Through)

Преимущество сквозной коммутации заключается в способности коммутатора начать пересылку кадра раньше, чем при коммутации с промежуточным хранением. Сквозная коммутация характеризуется двумя основными признаками: быстрой пересылкой кадра и бесфрагментным режимом.

Быстрая пересылка кадра

Как показано на рисунке, коммутатор со сквозной коммутацией может принимать решение о пересылке сразу после нахождения МАС-адреса назначения кадра в своей таблице МАС-адресов. Коммутатору не нужно ждать остальной части кадра, поступающей через входной порт, прежде чем принять решение о пересылке.

С учетом современных контроллеров и ASIC MAC, коммутатор со сквозной коммутацией способен быстро принимать решение о том, нужно ли ему проверять большую часть заголовков кадра в целях дополнительной фильтрации. Например, коммутатор может проанализировать первые 14 байт (поля MAC-адреса источника, МАС-адреса назначения и EtherType) и изучить дополнительные 40 байт, чтобы выполнить усложненные функции по отношению к уровням 3 и 4 протокола IPv4.

Сквозная коммутация не отбрасывает большинство недопустимых кадров. Кадры с ошибками пересылаются другим сегментам сети. В случае высокого коэффициента ошибок (недопустимых кадров) в сети сквозная коммутация может негативно сказаться на полосе пропускания, наполняя ее поврежденными и недопустимыми кадрами.

Бесфрагментный режим коммутации

Бесфрагментный режим коммутации — это модифицированная форма сквозной коммутации, при которой коммутатор задерживает пересылку пакета на время коллизионного интервала (64 байт). Это означает, что каждый кадр будет ограничен полем данных для предотвращения фрагментации. В бесфрагментном режиме коммутации ошибки выявляются лучше, чем в режиме сквозной коммутации, при этом задержка при передаче почти не увеличивается.

Благодаря небольшой задержке сквозная коммутация больше подходит для ресурсоемких приложений, выполняющих высокопроизводительные вычисления (HPC), для которых задержка между процессами должна составлять не более 10 микросекунд.