Амато В. - Основы организации сетей Cisco. Том 2 (2002)(ru)

Повторитель с несколькими портами называется также концентратором, или хабом (hub). В локальных сетях с общей передающей средой, в которых используются концентраторы, име- ются проблемы широковещания и коллизий, а общая ширина пропускания локальной сети со- ставляет 10 Мбит/с.

Повышение эффективности LAN

Эффективность LAN может быть повышена путем использования одного или двух из приве- денных ниже решений:

•использование дуплексной топологии Ethernet;

•сегментация LAN

Дуплексный Ethernet

Дуплексный Ethernet (full-duplex) позволяет одновременно отправлять пакет и при этом получать другой Для осуществления одновременной передачи и приема требуются две пары ка-

белей и коммутируемое соединение между всеми узлами Такое соединение рассматривается как непосредственное, типа "точка-точка" и практически гарантирует отсутствие коллизий По- скольку оба узла могут передавать и получать данные в одно и то же время, вопрос об использо- вании полосы пропускания не обсуждается Дуплексный Ethernet может использовать сущест- вующую общую среду до тех пор, пока она удовлетворяет минимальным стандартам Ethernet:

Для осуществления одновременной передачи и приема каждому узлу требуется назначенный только ему порт (port) Для создания соединений типа "точка-точка" с использованием дуплекс- ного метода могут использоваться стандарты lOBaseT, 100BaseT или 100Base FL Для обеспече-

ния всех возможностей дуплексного метода на обоих концах требуются сетевые адаптеры

(network interface card, NIC)

В этой конфигурации использование двух пар кабелей позволяет дуплексному Ethernet- коммутатору создать непосредственное соединение между передатчиком (ТХ) на одном конце цепи и приемником (RX) на другом конце При таком соединении двух станций образуется до- мен, свободный от коллизий, поскольку передача и прием данных происходят по отдельным, не

конкурирующим между собой каналам

Ethernet обычно использует только 50-60% максимально возможной полосы пропускания в 10 Мбит/с по причине латентности и коллизий Дуплексный Ethernet предоставляет возможность использовать полосу пропускания на 100% в обоих направлениях Таким образом потенциально обеспечивается пропускная способность в 20 Мбит/с, из которых 10 Мбит/с используются для передачи и 10 Мбит/с для приема

Сегментация в LAN

Сеть может быть подразделена на участки меньшего размера, которые называют сегментами (segment) Каждый сегмент использует метод доступа CSMA/CD и поддерживает поток дан- ных между пользователями этого сегмента На рис 2 4 приведен пример сегментированной Ethernet-сети В целом сеть состоит из 15 компьютеров (6 файл-серверов и 9 PC) Если разделить эту сеть на сегменты, то при коммуникации внутри сегмента на одни и те же 10 Мбит/с будет приходиться меньшее количество пользователей/устройств Как показано на рис 2 5, каждый

сегмент рассматривается как отдельный коллизионный домен (collision domain)

Разделив всю сеть на три сегмента, сетевой администратор может уменьшить вероятность

переполнения внутри каждого из них При передаче данных внутри сегмента все пять устройств делят между собой полосу пропускания сегмента шириной 10 Мбит/с В сегментированной ло- кальной сети Ethernet данные, прошедшие по сегменту, передаются в сетевую магистраль

(backbone) с помощью мостов (bridge), маршрутизаторов (router) или коммутаторов (switch)

Рис 25 Магистральная сеть представляет собой отдельный коллизионный домен и использует CSMA/CD для осуществления негарантированной доставки данных из одного сегмента в другой

Сегментация с использованием мостов

Локальная сеть Ethernet, использующая для сегментации мосты, обеспечивает большую шири- ну пропускания в расчете на одного пользователя, поскольку на один сегмент приходится меньше пользователей И наоборот, локальные сети, в которых мосты не используются, обеспечивают меньшую полосу пропускания, поскольку в несегментированной LAN оказывается больше пользо-

вателей Мосты "изучают" характер расположения сегментов сети путем построения адресных таблиц

(рис. 2.6), в которых содержатся адреса всех сетевых устройств и сегментов, необходимых для по- лучения доступа к данному устройству. Мосты являются устройствами 2-го уровня, которые на- правляют фреймы данных в соответствии с МАС-адресами фреймов (Media Access Control, MAC). Отметим, что мосты являются "прозрачными" для всех остальных устройств сети.

Рис. 2.6. Мост направляет дальше только фреймы, пункт назначения которых лежит вне

данного сегмента

Мосты увеличивают латентность сети на 10-30%. Это увеличение латентности связано с тем, что мосту при передаче данных требуется дополнительное время на принятие решения. Мост рас- сматривается как устройство с функциями хранения и дальнейшей отправки, поскольку он должен проанализировать поле адреса пункта назначения фрейма, а затем решить, на какой интерфейс (interface) направить данный фрейм. Для выполнения этих операций требуется некоторое время, что замедляет процесс передачи и увеличивает латентность.

Сегментация с использованием маршрутизаторов

Маршрутизаторы представляют собой более современные устройства, чем обычные мосты. Мост является пассивным элементом сети и действует на уровне канала связи. Маршрутизатор действует на сетевом уровне (network layer) и в своих решениях относительно направления дан- ных между сегментами опирается на адреса протокола сетевого уровня. Как показано на рис. 2.7, маршрутизаторы дают наивысший уровень сегментации, направляя данные на концентратор, к ко- торому подсоединены рабочие станции. Маршрутизатор принимает решение о выборе сегмента для передачи данных, анализируя адрес пункта назначения, содержащийся в пакете данных, и ис- пользуя таблицу маршрутизации (routing table) для выработки направляющих инструкций.

Для того, чтобы определить наилучший путь следования пакета к пункту назначения маршру- тизатору требуется изучить полученный пакет. Этот процесс требует времени. Протоколы, тре- бующие для каждого пакета подтверждения (acknowledgement) адресатом его получения (извест-

ные как протоколы, ориентированные на подтверждение, acknowledgement-oriented protocols),

имеют сниженную на 30—40% производительность.

Протоколы, требующие минимального подтверждения (протоколы скользящего окна, slidingwindow protocols), вызывают потерю пропускной способности на 20—30%. Это связано с умень- шением потока данных между отправителем и получателем (т.е. меньшего количества подтвер- ждений).

Рис. 2.7. Принцип сегментации с использованием маршрутизаторов

Сегментация с использованием коммутаторов

Использование коммутации (switching) в локальных сетях смягчает проблемы, связанные с не- достаточной шириной полосы пропускания и с возможностью сетевых заторов, которые могут воз- никать, например, между несколькими PC и удаленным файл-сервером. Как показано на рис. 2.8, коммутатор разделяет локальную сеть на сегменты, т.е. делит единый коллизионный домен на от- дельные домены, свободные от коллизий. Хотя LAN-коммутатор устраняет возможность коллизий между доменами, хосты, находящиеся внутри сегмента, по-прежнему остаются в одном коллизион- ном домене. Вследствие этого все узлы, подключенные к коммутатору, могут получить широкове- щательный сигнал всего от одного узла.

Технология коммутируемого Ethernet (Switched Ethernet) базируется на типовом Ethernet. При

ее использовании каждый узел непосредственно соединен с одним из портов коммутатора или с сегментом, который, в свою очередь, соединен с одним из портов коммутатора. Таким образом на коммутаторе создается соединение с полосой пропускания 10 Мбит/с между каждым узлом и соот- ветствующим сегментом. Компьютер, непосредственно соединенный с коммутатором, имеет соб- ственный коллизионный домен и полную полосу пропускания в 10 Мбит/с.

Рис. 2.8. LAN-KL i uymamop представляет собой высокоскоростной мост с несколькими пор- тами, каждый из которых предназначен для одного узла или сегмента LAN

Локальная сеть, использующая топологию (topology) коммутируемого Ethernet, ведет себя так, как если бы она имела только два узла — узел отправителя и узел получателя. Этим двум узлам предоставляется полоса пропускания в 10 Мбит/с. Вследствие этого практически вся полоса про- пускания может быть использована для передачи данных. За счет более эффективного использова- ния полосы пропускания коммутируемый Ethernet обеспечивает более высокую скорость передачи, чем обычный Ethernet. В коммутируемом Ethernet доступная ширина полосы пропускания может достигать величины, близкой к 100%.

Коммутация в сети Ethernet увеличивает доступную полосу пропускания путем создания выде- ленных сегментов (т.е. соединений типа "точка-точка") и объединения этих сегментов в виртуаль- ную сеть внутри коммутатора. Виртуальная сеть существует только тогда, когда двум узлам требу- ется обменяться информацией. Этим объясняется название виртуальный канал (virtual circuit) — он существует только при необходимости и создается внутри коммутатора.

Обзор применения коммутаторов и мостов

Коммутация представляет собой технологию, которая снижает вероятность переполнения в се- тях Ethernet, Token Ring и FDDI (распределенный интерфейс передачи данных по оптоволоконным каналам, Fiber Distributed Data Interface) за счет уменьшения потока данных и увеличения ширины полосы пропускания. Коммутаторы часто используются в качестве замены концентраторов и пред- назначены для работы с существующими кабельными инфраструктурами. Они могут быть уста- новлены без нарушения работы уже существующих сетей.

В настоящее время все виды коммутационного оборудования при обмене данными выполняют две основные операции.

• Коммутация фреймов данных. Она осуществляется при поступлении фрейма на входную

точку в передающей среде и заключается в передаче его на выходную точку

• Поддержка операций по коммутации. Выполняя эту операцию, коммутатор создает и поддерживает таблицу коммутации.

Термин мостовая технология (bridging) относится к технологии, в которой устройство, из- вестное как мост, соединяет два или более сегментов сети Ethernet. Мост передает дейтаграммы от источника в одном сегменте в пункт назначения в другом сегменте. Когда включается питание моста и начинается его функционирование, он исследует МАС-адреса поступающих дейтаграмм и создает таблицу известных пунктов назначения. Если мост обнаруживает, что пункт назначения дейтаграммы находится в том же самом сегменте, где и отправитель, то он отбрасывает эту дейта- грамму, поскольку в ее передаче нет необходимости.

Если мост обнаруживает, что получатель находится в другом сегменте, то он направляет дейта- грамму только в этот сегмент. Если мост не знает пункта назначения, то дейтаграмма рассылается во все сегменты, кроме сегмента отправителя (этот процесс называется лавинной передачей, flooding). Таким образом, первичное назначение моста состоит в ограничении движения потока данных определенными сегментами сети.

Как мосты, так и коммутаторы соединяют сегменты сети, используют МАС-адреса для опреде- ления сегмента, в который должна быть отправлена дейтаграмма, и уменьшают поток данных в се- ти. Преимущество коммутаторов состоит в том, что они работают значительно быстрее и могут выполнять дополнительные функции, такие как создание виртуальных сетей (virtual LAN, VLAN).

Латентность LAN-коммутаторов

Каждый коммутатор, используемый в локальной сети Ethernet, увеличивает ла-тентность сети. Однако правильный выбор метода коммутации позволяет нейтрализовать собственную латент- ность некоторых коммутаторов.

Коммутатор, находящийся между рабочей станцией и сервером, увеличивает время передачи на 21 микросекунду. Время передачи пакета размером 1000 байт составляет 800 микросекунд. Общее время передачи пакета с рабочей станции на сервер составляет 821 микросекунду (800+21=821). Рациональное использование коммутации выражается в том, что сразу считывается МАС-адрес пункта назначения и передача начинается до того, как весь пакет поступит на коммутатор. Это по- зволяет несколько скомпенсировать латентность коммутатора.

Коммутация 2-го и 3-го уровней

Существуют два метода коммутации фреймов данных — коммутация 2-го уровня и коммута- ция 3-го уровня. Коммутация состоит в получении приходящего фрейма на одном интерфейсе и отправке его через другой интерфейс. Для отправки пакета маршрутизаторы используют коммута- цию 3-го уровня, в то время как коммутаторы используют для этого коммутацию 2-го уровня.

Различие между коммутацией 2-го и 3-го уровней состоит в типе информации, содержащейся внутри фрейма и используемой для определения нужного выходного интерфейса. При коммутации 2-го уровня фреймы коммутируются на основе МАС-адресов, а при коммутации 3-го уровня фрей- мы коммутируются на основе информации сетевого уровня.

В отличие от коммутации 3-го уровня, коммутация 2-го уровня не использует содержащуюся в пакете информацию сетевого уровня, а использует МАС-адрес пункта назначения, содержащийся внутри фрейма. Если он известен, то информация посылается по МАС-адресу пункта назначения. Коммутация 2-го уровня создает и поддерживает таблицу коммутации, в которой фиксируются МАС-адреса каждого порта или интерфейса.

Если коммутатору 2-го уровня не известен МАС-адрес пункта назначения, то производится широковещательная рассылка фрейма по всем портам сети для выяснения этого адреса. Если в ре- зультате такой рассылки фрейм достигает пункта назначения, то соответствующее устройство от- сылает его обратно с указанием своего МАС-адреса, который добавляется коммутатором в его таб- лицу коммутации.

Адреса 2-го уровня задается производителем коммуникационного устройства. Эти уникальные адреса состоят из двух частей — кода производителя (manufacturing code, MFG) и уникального идентификатора. Каждому производителю его MFC-код назначается Институтом инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE). Уникальный идентификатор устройства задается производителем. Во всех сетях, кроме сетей системной сетевой архитектуры (Systems Network Architecture, SNA), пользователь не имеет или имеет мало возмож- ностей влиять на адресацию 2-го уровня, потому что адреса 2-го уровня для конкретного устрой-

ства являются фиксированными, в то время как адреса 3-го уровня могут быть изменены. Адреса 2- го уровня образуют плоское (с отсутствием иерархии) адресное пространство, в котором каждый адрес уникален.

Коммутация 3-го уровня выполняется на сетевом уровне. При этом анализируется содержащая- ся в пакете информация, после чего он направляется далее на основе адреса пункта назначения се- тевого уровня. Коммутация 3-го уровня может сочетаться с маршрутизацией.

В большинстве случаев адрес 3-го уровня определяется сетевым администратором. Такие про- токолы, как IP, IPX и AppleTalk используют адресацию 3-го уровня. Задавая адреса 3-го уровня, сетевой администратор создает локальные области, которым соответствует единый адресный блок (аналогичный почтовому адресу, состоящему из названия улицы, города, штата и страны). Каждой такой локальной области присваивается некоторый номер. Если пользователь переезжает в другое здание, то его конечные станции получают новые адреса 3-го уровня, но адреса 2-го уровня оста- ются теми же самыми.

Поскольку маршрутизаторы действуют на 3-м уровне эталонной модели OSI, они включены в иерархическую структуру адресации и сами создают ее. Следовательно, маршрутизированная сеть может связать логическую структуру адресации с физической инфраструктурой, например, по- средством создания TCP/IP-подсетей или IPX-сетей для каждого сегмента. По этой причине поток данных в коммутированной (т.е. плоской) сети принципиально отличается от потока данных в маршрутизированной (т.е. иерархической) сети. Сети с иерархической структурой позволяют более гибко организовать поток данных, потому что они могут воспользоваться иерархией сети для оп- ределения оптимального пути и разделения широковещательных доменов.

Смысл коммутации 2-го уровня и 3-го уровня

Возросшая мощность процессоров и высокие требования приложений типа клиент/сервер и мультимедийных приложений вызвали потребность в большей ширине полосы пропускания в тра- диционных средах совместного пользования. Это побуждает проектировщиков сетей к замене в монтажных шкафах концентраторов на коммутаторы.

Для удовлетворения потребности в большей ширине полосы пропускания в локальных сетях коммутаторы 2-го уровня используют микросегментацию (microsegmentation). Это отчасти решает проблему, однако в настоящее время сетевые проектировщики столкнулись с возросшими требо- ваниями к межсетевым коммуникациям.

Например, каждый раз, когда пользователь получает доступ к серверу и другим ресурсам, рас- положенным в различных подсетях, поток данных должен пройти через устройство 3-го уровня. Потенциально может образоваться затор, который угрожает нарушить работу сети. Для того чтобы избежать его возникновения, сетевой проектировщик может добавить дополнительные устройства 3-го уровня во всей сети, что снижает нагрузку на централизованные маршрутизаторы. Таким об- разом, коммутатор увеличивает ширину полосы пропускания, отделяя друг от друга коллизионные домены и избирательно направляя потоки данных на соответствующие сегменты сети.

Как LAN-коммутатор узнает адрес

Ethernet-коммутатор может узнать адрес каждого устройства в сети путем чтения адреса отпра- вителя в каждом переданном пакете и отмечая порт, по которому пакет пришел на коммутатор. После этого коммутатор добавляет эту информацию к своей рассылочной базе данных. Адреса изучаются динамически. Это означает, что после чтения нового адреса он запоминается и хранится

в памяти, адресуемой по содержимому (content-addressed memory, CAM). Если считан адрес отправителя, который отсутствует в САМ, то он запоминается и хранится для будущего употреб- ления.

При каждой записи адреса в САМ отмечается момент его получения. Это позволяет хранить

адреса в течение определенного периода времени. При каждом обращении к адресу или поиске его в САМ его временная метка обновляется. Адреса, к которым не было обращений в течение опреде- ленного периода времени, удаляются из памяти. Посредством удаления устаревших адресов САМ поддерживает точную и функционально эффективную рассылочную базу данных.

Преимущества коммутации

Коммутаторы имеют много достоинств. LAN-коммутатор позволяет многим пользователям па- раллельно обмениваться информацией путем использования виртуальных цепей и выделенных се- тевых сегментов в среде, свободной от коллизий. Таким способом достигается максимально воз- можная ширина полосы пропускания в общей передающей среде. Кроме того, переход к коммути- руемой LAN весьма эффективен в финансовом отношении, поскольку позволяет вновь использо- вать существующее оборудование и кабели. В заключение следует добавить, что возможности коммутатора в сочетании с программным обеспечением для конфигурирования LAN предоставля- ют сетевому администратору гибкие средства управления работой сети.

Симметричная и асимметричная коммутация

Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зре- ния ширины полосы пропускания для каждого его порта. Как показано на рис. 2.9, симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной по- лосы пропускания, например, в случаях когда все порты имеют ширину полосы пропускания 10 Мбит/с или 100 Мбит/с.

Как показано на рис. 2.10, обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различ- ной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент/сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одно- временно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединен сервер, с целью предотвращения затора на этом порте.