Архитектура коммутируемого Ethernet

Коммутатор представляет собой многопортовый мост, поэтому как и мост, он принимает поступающие пакеты, временно сохраняет их и затем передает на другой порт в соответствии с адресом получателя данного пакета. Коммутаторы можно использовать для соединения различных локальных сетей, для сегментации локальной сети, и для преодоления ограничений на диаметр сегмента. Последнее применение особенно важно для сетей FastEthernet, где диаметр сегмента не может превышать 205 м. для кабеля витой пары.

Коммутаторы используют концепцию «виртуального соединения» для организации временного соединения между отправителем и получателем. После передачи пакета виртуальное соединение разрывается. Коммутатор ведет таблицу, где запоминает, какие станции (MAC адреса) подключены к какому физическому порту. В коммутаторе передача данных между непересекающимися портами может происходить одновременно.

Архитектура коммутатора может определяться четырьмя основными факторами – типом портов, размерами буфера, механизмом продвижения пакетов и внутренней шиной.

Порты могут быть 10 и 100 мбит/с (а сейчас и 1Gb) и работать в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Механизм продвижения пакетов может быть одним из трех: коммутация с промежуточной буферизацией, сквозная коммутация и гибридная коммутация. В первом случае пакет полностью сохраняется в буфере, прежде чем быть переданным далее, поэтому данных метод вносит наибольшую задержку, но и не позволяет ошибочным пакетам выходить за пределы сегмента. Во втором случае, считав адрес получателя, коммутатор сразу же передает кадр дальше. Как нетрудно понять, он обладает прямо противоположными достоинствами и недостатками – малой задержкой и отсутствием адекватной проверки кадров. В третьем случае коммутатор считывает первый байты пакета, прежде чем передать его дальше. Т.о. он действует как коммутатор с промежуточной буферизацией по отношению к коротким кадрам и как коммутатор со сквозной коммутацией по отношению к длинным кадрам.

Полнодуплексный Ethernet. Каждая станция может одновременно либо прием либо передачу для Ethernet с разделяемой средой передачи. Четырехпарная проводка открыла принципиальную возможность для передачи и приема по отдельным путям. В случае, когда к каждому порту коммутатора подключен только один узел, конкуренция за доступ к среде передачи отсутствует, поэтому никаких коллизий быть не может, соответственно схемы множественного доступа больше не нужны.

Коммутация стала столь популярной благодаря способности увеличить доступную каждому узлу реальную пропускную способность. В результате без изменения базовой технологии и существенной перестройки топологии сети компании смогли расчистить заторы трафика и расширить узкие места. Кроме того она позволяет увеличить протяженность сети. Особенно это обстоятельство ценно в случае с FaseEthernet – например постредством установки моста между двумя концентраторами, расстояние между конечными станциями может быть увеличено до 400 метров.

Виртуальные локальные сети (vlan)

Логическая (виртуальная) локальная сеть, представляет собой группу хостов с общим набором требований, которые взаимодействуют так, как если бы они были подключены к широковещательному домену, независимо от их физического местонахождения. VLAN имеет те же свойства, что и физическая локальная сеть, но позволяет конечным станциям группироваться вместе, даже если они не находятся в одной физической сети.

Способы создания VLAN:

• По порту (802,1Q) порту коммутатора вручную назначается одна VLAN. В случае, если одному порту должны соответствовать несколько VLAN, то этот порт должен быть членом транка. Плохо работает в сетях с несколькими коммутаторами.

• По MAC адресу. Членство в VLANе основывается на MAC-адресе рабочей станции. В таком случае свитч имеет таблицу MAC всех устройств вместе с VLANами, к которым он принадлежит. Надо делать на каждом коммутаторе вручную, к тому же отсутствует возможность задания приоритетов

• По протоколу. Данные 3-4 уровня в заголовке пакета используются, чтобы определить членство в VLANe. Например IP машины могут быть переведены в первую VLAN, а AppleTalk машины – во вторую. Основной недостаток в том, что он нарушает независимость уровней, поэтому например переход с IPv4 на IPv6 приведет к нарушению работоспособности сети.

• Методом аутентификации. Устройства могут быть автоматически перемещены в VLAN основываясь на данных аутентификации пользователя или устройства при использовании протокола 802,1x.

Преимущества:

• Облегчается перемещение, добавление устройств и изменение их соединений друг с другом.

• Достигается большая степень административного контроля вследствие наличия устройства, осуществляющего между сетями VLAN маршрутизацию на 3-м уровне.

• Уменьшается потребление полосы пропускания по сравнению с ситуацией одного широковещательного домена.

• Сокращается непроизводственное использование CPU за счет сокращения пересылки широковещательных сообщений.

• Предотвращение широковещательных штормов и предотвращение потерь.

Размножение широковещательных сообщений активным сетевым оборудованием приводит к экспоненциальному росту их числа и парализует работу сети.

100VG-AnyLAN

Архитектура была разработана в 90-е гг. компаниями AT&T и Hewlett-Packard для объединения сетей Ethernet и Token Ring и последующей миграции к единой сети.

В 1995 г. Эта архитектура получила статус стандарта IEEE 802.12

Она имеет следующие параметры:

• Топология «звезда»

• Метод доступа – по приоритету запроса

• Скорость – до 100 мбит/с

• Среда передачи – витая пара категорий 3,4 или 5(используются все 4 пары)

• Максимальная длина сегмента (для оборудования HP) – 225 метров.

В соответствии со спецификацией, концентратор 100VG-AnyLAN можно настроить на поддержку как кадров Ethernet, так и Token Ring. Интересной особенностью этих сетей является используемый в них метод доступа по приоритету запроса, при котором концентраторы управляют доступом к кабелю, опрашивая каждый узел в сети и выявляя запросы на передачу. При одновременных запросах предпочтение отдается узлу, имеющему больший приоритет. Это позволяет без задержек передавать в сети 100VG-AnyLAN мультимедийные данные.

Из-за сложности и, как следствие, довольно высокой стоимости оборудования эта архитектура так и не получила широкого распространения, проиграв гораздо более дешевой, надежной и совместимой архитектуре Fast Ethernet. В настоящее время она почти не применяется.

Fast Ethernet

Данная архитектура стандарта IEEE 802.3u, определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медленного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100 мбит/с. Новая спецификация является наследницей стандарта IEEE 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.

Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются:

• увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;

• сохранение метода случайного доступа Ethernet;

• сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволили осуществить постепенный переход от сетей 10base-T - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует конкретного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети. Официальный стандарт 100base-T установил три различные спецификации для физического уровня для поддержки следующих типов кабельных систем:

• 100base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Cat5, или экранированной витой паре STP Type 1

• 100base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Cat3,4,5

• 100base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

Кабели UTP

При обмене данными между двумя устройствами приемник одного из устройств должен быть соединен с передатчиком другого и наоборот. Перекрутка пар (cross-over) обычно реализуется внутри одного из устройств при разводке кабеля в разъеме. Некоторые порты концентраторов и коммутаторов поддерживают возможность смены типа разводки проводников в разъеме (MDI-X или Normal). Сетевые адаптеры компьютеров обычно не позволяют менять тип разводки порта и обозначаются как устройства с портом MDI или Uplink. Выбор типа кабеля описан в разделе Инсталляция.

На рисунках C-1 и C-2 показаны варианты соединения портов прямым и перекрученным (cross-over) кабелем.