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

10 Мбит/с

Рис. 2 10 Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с шириной пропускания 10 Мбит/с и 100 Мбит/с

Как будет описано в следующем разделе, для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мбит/с на порт 10 Мбит/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.

Буфер памяти

Для временного хранения пакетов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буфер памяти (memory buffer). Так называется область памяти, в которой коммутатор хранит адреса пунктов назначения и передаваемые данные. Буфер памяти может ис- пользовать два метода хранения и отправки пакетов — буферизация по портам и буферизация с общей памятью.

При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с от- дельными входными портами. Пакет передается на выходной порт только тогда, когда все пакеты, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, ко- гда один пакет задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задерж- ка может происходить даже в том случае, когда остальные пакеты могут быть переданы на откры-

тые порты их пунктов назначения.

При буферизации в общей памяти все пакеты хранятся в общем буфере памяти, который ис- пользуется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется тре- буемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого пакеты, находящиеся в буфере динамически распределяются по выходным портам. Это позволяет получить пакет на одном порте и отправить его с другого порта, не устанав- ливая его в очередь.

Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить пакеты. Очистка этой карты происходит только после того, как пакет успешно отправлен. Поскольку память буфера яв- ляется общей, размер пакета ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные пакеты могут быть переданы с меньшими поте- рями, что особенно важно при коммутации 10/100, т.е. когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мбит/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мбит/с.

Два метода коммутации

Для отправки фрейма через коммутатор могут быть использованы два метода:

• Отправка с промежуточным хранением (store-and-forward). Пакет должен быть

имеется возможность поиска ошибок.

• Сквозной метод (cut-through). Коммутатор начинает считывать адрес пункта на

•Коммутация с быстрой отправкой (fast-forward switching) Коммутация с быстрой отправ-

кой обеспечивает наименьшую латентность, поскольку отправка пакета начинается сразу после получения адреса пункта назначения. Поскольку при таком виде коммутации отправка начинается еще до полного получения пакета, возможны ситуации, когда пакет передается с ошибками Хотя такое происходит нечасто, а сетевой адаптер пункта назначения обычно отбрасывает пакеты с ошибками при получении, чрезмерный поток данных может оказаться в некоторых ситуациях не- приемлемым. Для уменьшения числа пакетов, отправленных с ошибками, рекомендуется исполь- зовать метод коммутации без фрагментации. В режиме быстрой отправки латентность измеряется периодом времени от получения первого бита до его отправки, т.е. по принципу "первым пришел

—первым ушел" (fust in, first out, FIFO).

•Коммутация без фрагментации (fragment-free switching). При коммутации без фрагмента-

ции отфильтровываются пакеты, попавшие в коллизию, которые составляют большинство ошибок при передаче, и только после этого начинается передача. В правильно работаюшей сети фрагмен- ты, попавшие в коллизию должны иметь размер менее 64 байт. Пакеты размером более 64 байт яв- ляются действительными и обычно принимаются без ошибок. При коммутации без фрагментации пакет должен быть проверен на повреждение в результате коллизии до того, как он будет отправ- лен. При таком способе латентность также определяется принципом FIFO.

Латентность обоих способов коммутации определяется тем, когда коммутатор начинает от- правку фрейма. Чем быстрее режим коммутации, тем меньше латентность коммутатора. Для уско- рения отправки фрейма приходится сокращать время, отводимое на проверку ошибок. При этом качество проверки снижается, что может привести к большему количеству повторных передач.

Виртуальные сети (VLAN)

Коммутатор Ethernet физически сегментирует LAN на отдельные коллизионные домены. Одна- ко каждый сегмент является частью одного широковещательного домена. Все сегменты коммута- тора составляют один широковещательный домен. Это означает, что узел одного сегмента спосо- бен установить широковещательный режим на всех узлах всех сегментов.

Виртуальная сеть (virtual LAN, VLAN) представляет собой логическое объединение сетевых устройств или пользователей, не ограниченное одним физическим сегментом. Устройства или пользователи VLAN могут быть сгруппированы по выполняемым функциям, по принадлежности к одной организации, по характеру используемых приложений и т.д., независимо от их физического расположения в сегментах. VLAN создает единое широковещательное пространство, не ограни- ченное физическим сегментом, и его можно рассматривать как подсеть.

Создание VLAN производится в коммутаторе с помощью соответствующего программного обеспечения. VLAN не стандартизованы и требуют использования лицензионного программного обеспечения от производителя коммутатора.

Протокол распределенного связующего дерева

Главной функцией протокола распределенного связующего дерева (Spanning-Tree Protocol, STP) является создание дублирующих путей, в которых присутствуют мосты или коммутаторы, таким образом, чтобы не проявлялся эффект латентности, связанной с образованием в сети петель.

Мосты и коммутаторы принимают решения об отправке однонаправленных фреймов (unicast frame) на основе МАС-адреса пункта назначения, содержащегося во фрейме. Если МАС-адрес не- известен, то устройство рассылает фрейм со всех портов, пытаясь достичь пункта назначения. Это делается также для всех широковещательных фреймов.

Алгоритм распределенного связующего дерева, реализованный в протоколе распределенного связующего дерева, предотвращает возникновение петель методом расчета устойчивой сетевой то- пологии распределенного связующего дерева. Для создания нечувствительной к ошибкам сети не- обходимо, чтобы между всеми узлами сети существовал путь без петель. Алгоритм распределенно- го связующего дерева используется для расчета такого пути. Древовидные фреймы, называемые

модулями данных мостового протокола (bridge protocol data units, BPDU) отправляются и по-

лучаются всеми коммутаторами сети через равные промежутки времени и используются для соз- дания топологии распределенного связующего дерева.

Коммутатор использует протокол распределенного связующего дерева во всех виртуальных се- тях, основанных на технологиях Ethernet и Fast Ethernet (быстрый Ethernet). Этот протокол об- наруживает и разрывает петли путем перевода некоторых соединений в режим пассивного ожида- ния, который сменяется активным в случае разрыва активного соединения. В каждой сформиро- ванной виртуальной локальной сети работает свой экземпляр протокола распределенного связую- щего дерева для того, чтобы Ethernet-топологии всей сети отвечали производственным промыш- ленным стандартам.

Различные состояния протокола распределенного связующего дерева

Протокол распределенного связующего дерева определяет несколько состояний виртуальной локальной сети.

∙Блокировка — фреймы не отправляются, слышны BPDU.

∙Прослушивание — фреймы не отправляются, прослушиваются фреймы.

∙Анализ — фреймы не отправляются, изучаются адреса.

∙Отправка — фреймы отправляются, изучаются адреса.

∙Отключен — фреймы не отправляются, BPDU не слышны.

Для каждой VLAN состояние задается начальной конфигурацией, а при дальнейшей работе из- меняется процедурами протокола STP. Состояние, затраты и приоритеты портов и виртуальных сетей можно определить с помощью команды show spantree. После того как установлено со- стояние "с порта на VLAN" протокол STP определяет, отправляет ли порт фреймы или блокирует их. Можно установить конфигурацию, при которой режим отправки протокола STP устанавли- вается сразу после установки соединения, а не в обычной последовательности: блокировка, про- слушивание и последующая отправка. Возможность быстрого переключения состояний от блоки- ровки к отправке вместо обычной последовательности переходных состояний полезна в ситуациях, когда требуется непосредственный доступ к серверу.

Резюме

•Появление более мощных компьютеров/рабочих станций и приложений, интенсивно исполь- зующих сеть, вызвало потребность в обеспечении полосы пропускания с шириной значительно большей, чем у типовой локальной сети Ethernet/802.3 LAN.

•Все большее количество пользователей используют сеть для совместной работы c большими файлами, обращаются к файловым серверам и к Internet, что часто приводит к переполнению сети.

•Сеть можно разделить на участки меньшего размера, называемые сегментами. Каждый сег- мент представляет собой отдельный коллизионный домен.

•В сегментированной локальной сети Ethernet данные, пройдя по сегментам, направляются в сеть с помощью мостов, коммутаторов или маршрутизаторов.

•При использовании топологии коммутируемого Ethernet создается сеть, которая ведет себя так, как если бы она имела только два узла — передающий и принимающий.

•Коммутатор делит локальную сеть на микросегменты, создавая тем самым из единого колли- зионного пространства несколько свободных от коллизий доменов.

•Коммутаторы обеспечивают высокую скорость передачи за счет чтения МАС-адреса пункта назначения (адреса 2-го уровня), во многом так же, как это делают мосты. Это значительно увели- чивает скорость отправки пакетов.

•Ethernet-коммутация увеличивает доступную ширину полосы пропускания путем создания выделенных сегментов (соединений типа "точка-точка") и соединения этих сегментов в виртуаль- ную сеть внутри коммутатора.

•В зависимости от ширины полосы пропускания каждого из портов коммутация может быть симметричной или асимметричной.

•Асимметричный коммутатор локальной сети обеспечивает коммутацию между портами с различной шириной полосы пропускания, например, 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

•Прохождение фрейма через коммутатор может происходить в двух режимах — в сквозном режиме и в режиме с промежуточным хранением.

•Виртуальная локальная сеть (VLAN) представляет собой логическое объединение несколь- ких пользователей или сетевых устройств, которое не ограничивается одним физическим сегмен- том.

• Главной функцией протокола распределенного связующего дерева является создание дубли- рующих путей с мостами или коммутаторами без увеличения латентности, которое может про- изойти из-за образования петель.

Контрольные вопросы

Для проверки правильности понимания тем и понятий, описанных в настоящей главе, рекомен- дуется ответить на приведенные ниже вопросы. Ответы приведены в приложении А.

1. Какой из приведенных ниже методов широковещания используется передаю щей средой Ethernet для передачи и получения данных от всех узлов сети?

A.Пакеты.

B.Фреймы данных.

C.Сегменты.

D.По 1 байту.

B.800 наносекунд.

C.51200 наносекунд.

D.800 микросекунд.

3.Что из перечисленного ниже характеризует микросегментацию сети?

A.Выделенные пути между хостами отправителя и получателя.

B.Несколько путей передачи данных внутри коммутатора.

C.Одновременная видимость всего потока данных в сетевом сегменте?

D.Первый и второй варианты.

4.Коммутаторами Ethernet являются...

A.Повторители с несколькими портами на 1 уровне.

B.Концентраторы с несколькими портами на 2 уровне.

C.Маршрутизаторы с несколькими портами на 3 уровне.

D.Мосты с несколькими портами на 2 уровне.

5.Для чего оптимизируется асимметричная коммутация?

A. Для потока данных сети в случае, когда "быстрый" порт коммутатора под- соединен к серверу.

B.Для равномерного распределения потока данных в сети.

C.Для коммутаторов без буфера памяти.

D.Первый и второй варианты.

6.При_______коммутации коммутатор проверяет адрес получателя и сразу начинает отправку пакета, а при _____ коммутации коммутатор получает фрейм полностью перед последую- щей его отправкой.

A. С промежуточным хранением; симметричной.

B.Сквозной; с промежуточным хранением.

C.С предварительным хранением; сквозной.

D.С буфером памяти; сквозной.

7.Протокол распределенного связующего дерева позволяет...

A. маршрутизаторам обмениваться информацией о состоянии канала.

B.коммутаторам обмениваться информацией о количестве переходов.

C.мостам обмениваться информацией третьего уровня.

D. использовать дополнительные пути, без отрицательных эффектов от образования петель,

8. Опишите различие между сквозной коммутацией и коммутацией с промежу точным хранением.

9.Опишите дуплексный и полудуплексный режимы работы сети Ethernet.

10.Назовите основную функцию протокола распределенного связующего дерева.

Основные термины

Bridging. Технология, в которой мост соединяет два или более сегмента локальной сети. Ethernet. Среда с общим доступом (локальная сеть с шинной топологией), поддерживающая

номинальную скорость передачи данных до 10 Мбит/с, и использующая метод доступа CSMA/CD. Fast Ethernet. Спецификации Ethernet для скоростей до 100 Мбит/с. Fast Ethernet предлагает десятикратную, по сравнению с lOBaseT, скорость, сохраняя при этом такие характеристики, как формат фрейма, механизмы MAC и MTU. Подобное сходство позволяет использовать в сетях Fast Ethernet существующие управляющие механизмы и приложения для сетей типа lOBaseT. Fast

Ethernet базируется на расширении спецификации IEEE 802.3. Unicast. Сообщение направленное единственному адресату.

Байт (byte). Ряд последовательных двоичных чисел, которые действуют как единое целое (на- пример, байт, состоящий из 8 битов).

Бит (bit). Число в двоичной системе исчисления. Равно нулю или единице.

Буфер памяти (memory buffer). Область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные и адреса получателей.

Виртуальная локальная сеть (virtual LAN, VLAN). Группа устройств в локальной сети, кото- рые сконфигурированы (с использованием управляющего программного обеспечения) таким обра- зом, что они могут обмениваться информацией, как если бы они были соединены одним кабелем. В действительности они располагаются в разных сегментах локальной сети. Поскольку виртуаль- ные сети основываются на логическом, а не физическом соединении, они являются чрезвычайно гибкими.

Виртуальный канал (virtual circuit). Логический канал, создаваемый для того, чтобы гаран- тировать надежную связь между двумя сетевыми устройствами. Виртуальный канал определяется парой VPI/VCI и может быть либо постоянным (PVC), либо коммутируемым (SVC). Виртуальные каналы используются в протоколах Frame Relay и Х.25. В ATM виртуальный канал иногда обозна- чается аббревиатурой VC (virtual channel).

Дуплексная сеть Ethernet (full-duplex Ethernet). Сеть, обеспечивающая возможность одно- временной двусторонней передачи данных между передающей и принимающей станцией.

Задержка распространения (propagation delay). Время, которое требуется данным, чтобы пройти по сети от источника до адресата. Также называется временем задержки (latency).

Затухание (attenuation). Ослабление коммуникационного сигнала.

Интерфейс (interface). 1. Соединение между двумя системами или устройствами. 2. В терми- нологии маршрутизации — сетевое соединение.

Коллизионный домен (collision domain). В сети Ethernet участок сети, в котором рас- пространяются столкнувшиеся фреймы. Повторители и концентраторы не предотвращают распро- странение коллизий, а коммутаторы, мосты и маршрутизаторы создают отдельные коллизионные домены, которые локализуют область коллизий.

Коллизия (collision). В сети Ethernet коллизии происходят в результате одновременной пере- дачи фреймов с двух узлов. При встрече в передающей среде фреймы обоих узлов сталкиваются и повреждаются.

Коммутатор (switch). Сетевое устройство, которое фильтрует, перенаправляет и рассылает фреймы на основе адресов пункта назначения каждого из них. Коммутаторы выполняют операции на уровне канала связи эталонной модели OSI.

Коммутация (switching). Процесс принятия входящего фрейма на одном интерфейсе и от- правки его через другой.

Коммутация без буферизации пакетов (cut-through). Вид коммутации, при использовании которой данные проходят через коммутатор следующим образом: начало пакета появляется на ис-

ходящем порту до того, как пакет закончит прохождение входящего порта. Устройство, исполь- зующее этот вид коммутации, читает, обрабатывает и начинает передачу пакета сразу, как только узнает адрес и порт пункта назначения. Коммутация без буферизации пакетов известна также под названием непрерывная коммутация (on-the-fly packet switching) или коммутация "на лету".

Коммутация без фрагментации (fragment-free switching). Методика коммутации, при кото-

рой до начала перенаправления отбрасываются столкнувшиеся фрагменты. Большинство из них являются поврежденными пакетами.

Коммутация с быстрой отправкой (fast-forward switching). Пакет перенаправляется немед-

ленно после считывания адреса пункта назначения.

Коммутация с промежуточным хранением пакетов (store-and-forward). Методика коммута-

ции пакетов, при которой фреймы полностью обрабатываются до отправки на порт передачи. Этот процесс включает в себя вычисление CRC и проверку адреса пункта назначения. Кроме того, фреймы должны временно храниться до тех пор, пока не появятся сетевые ресурсы для отправки сообщения (например, неиспользуемые каналы).

Концентратор (hub). Устройство, служащее центром сети с топологией типа "звезда" Также называется многопортовым повторителем (multipart repeater).

Лавинная передача (flooding). Передача мостом дейтаграмм всем сегментам кроме сегмента- источника.

Латентность или время ожидания (latency). Задержка между временем отправления запроса на доступ в сеть и временем получения разрешения на передачу.

Магистраль (mackbone). Соединяет все компоненты сети и обеспечивающая связь между ни-

ми.

Маршрутизатор (router). Устройство сетевого уровня, которое использует одну или несколь- ко метрик для определения оптимального пути прохождения потока данных. Маршрутизаторы пе- ренаправляют пакеты из одной сети в другую, основываясь на информации сетевого уровня. Ино- гда называются шлюзами (gateway), хотя это название все более устаревает.

Метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiple access collision detect, CSMA/CD). Механизм доступа, в котором устройства, гото-

вые к отправке данных, сначала проверяют канал на наличие в нем передачи. Если она не обнару- жена в течение заданного периода времени, устройство может начать передачу. Если два устройст- ва передают одновременно, происходит коллизия, которая регистрируется устройствами, вовле- ченными в конфликт. Для разрешения конфликта передача с этих устройств на некоторое время задерживается Сети Ethernet и IEEE 802.3 используют CSMA/CD.

Микросегментация (microsegmentation). Разделение сети на более мелкие сегменты. (Обычно осуществляется для увеличения полосы пропускания сетевых устройств)

Модуль данных мостового протокола (bridge protocol data unit, BPDU). Пакет приветствия про- токола распределенного связующего дерева, посылаемый в интервалы времени, определенные конфигурацией протокола, для обмена информацией между мостами.

Мост (bridge). Устройство, которое соединяет два сегмента сети, использующих один протокол связи, и передает пакеты от одного сегмента к другому. Мосты работают на канальном уровне (второй уровень) эталонной модели OSI. Мост фильтрует, перенаправляет или рассылает широко- вещанием входящий фрейм, используя его MAC- адрес.

Очередь (queue). 1. Вообще: упорядоченный список элементов, ожидающих обработки. 2. Применительно к маршрутизации: число не переданных пакетов, ожидающих отправки через ин- терфейс маршрутизатора.

Память, адресуемая по содержимому (content-addressed memory, CAM). Память, которая под- держивает точную рабочую базу данных для последующей отправки пакетов.

Перегрузка (congestion). Поток данных, превышающий пропускную способность сети. Повторитель (repeater). Устройство, которое восстанавливает и распространяет электрические

сигналы между двумя сегментами сети.

Подтверждение (acknowledgment). Уведомление, посланное от одного сетевого устройства дру- гому, чтобы подтвердить, что произошло некоторое событие (например, получение сообщения).

Иногда используется аббревиатура АСК

Полудуплексная сеть Ethernet (half-duplex Ethernet). Сеть, обеспечивающая возможность пере-

дачи данных между передающей и принимающей станцией в каждый конкретный момент только в одном направлении.

Порт (port). Интерфейс сетевого устройства (например, маршрутизатора). Разъем на распреде- лительной панели, в который вставляется штекер такого же размера, например, штекер RJ-45. Что- бы соединить компьютеры, подключенные к распределительной панели, используются распреде- лительные шнуры. Такая схема называется перекрестным соединением (кроссировка);она позволя- ет функционировать локальной сети.

Приложение типа клиент/сервер (client/server application). Приложение, которое хранится цен- трализованно на сервере и используется рабочими станциями. За счет подобной организации об- легчается обслуживание и защита приложений.

Протокол распределенного связующего дерева (Spanning-Tree Protocol). Мостовой протокол, который использует алгоритм распределенного связующего дерева и тем самым .позволяет мосту динамически обходить петли в топологии сети путем построения соответствующего дерева. Мосты обмениваются BPDU-сообшениями для нахождения петель, а затем удаляют эти петли, отключая выбранные интерфейсы мостов. Понятие Spanning-Tree Protocol обозначает два одноименных про- токола: протокол стандарта ШЕЕ 802 1 и более ранний протокол Digital Equipment Corporation, на котором он основан. Версия IEEE поддерживает домены мостов и позволяет мосту построить бес- петельную топологию в расширенной LAN. В целом версия IEEE предпочтительнее, чем разработ-

ка Digital.

Сегмент (segment). Участок сети, ограниченный мостами, маршрутизаторами или коммутато- рами.

Сетевой адаптер (network interface card, NIC) Плата, обеспечивающая коммуникационные воз- можности компьютерных систем.

Сетевой уровень (network layer). Третий уровень эталонной модели OSI. Уровень, на котором происходит маршрутизация Обеспечивает соединение и выбор пути между двумя конечными сис- темами Примерно соответствует уровню контроля пути в SNA модели.

Скользящее окно (sliding window). Окно, размер которого согласовывается динамически во время TCP-сеанса.

Таблица маршрутизации (routing table). Таблица, хранящаяся в маршрутизаторе или другом сетевом устройстве, которая содержит маршруты к определенным пунктам назначения в сети и, в некоторых случаях, метрики, связанные с этими маршрутами.

Топология (topology). Физическое расположение узлов сети и передающей среды внутри предприятия.

Узел (node). Конечная точка сетевого соединения. Общая точка двух или более линий в сети. Узлами могут быть процессоры, контроллеры или рабочие станции. Различные типы узлов, ис- пользуемые для маршрутизации и для исполнения других функций, соединяются каналами и слу- жат точками управления сетью. Термин "узел " иногда применяется по отношению к любому уст- ройству, имеющему доступ в сеть. Слова "узел" и "устройство" часто взаимозаменяемы.

Уровень канала связи, или канальный уровень (data link layer). Второй уровень эталонной модели OSI. Обеспечивает точную передачу данных по физическому каналу. Занимается физиче- ской адресацией, сетевой топологией, надежностью линий связи, сообщениями об ошибках, по- рядком доставки фреймов и управлением потоками данных. Организацией IEEE разделен на два подуровня: MAC и LLC. Уровень канала связи примерно соответствует уровню управления кана-

лом (data link control layer) в модели SNA

Физический уровень (physical layer). Первый уровень эталонной модели OSI. Этот уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации для ак- тивизации, поддержки и отключения физического соединения между конечными системами. Соот- ветствует уровню физического управления в модели SNA

Ширина полосы пропускания , или полоса пропускания (bandwidth). Разность между наи-

большими и наименьшими частотами, доступными для сетевых сигналов. Также номинальная

пропускная способность данной сетевой среды или протокола.

Широковещательный пакет (broadcast). Пакет данных, переданный всем узлам в сети. Иден- тифицируется широковещательными адресами.

Ключевые темы этой главы

•Объясняется, что представляет собой виртуальная локальная сеть (virtual local

access network, VLAN)

• Объясняются причины появления виртуальных сетей и описываются их

достоинства

•Описывается роль, которую играют коммутаторы в создании виртуальных сетей

•Описываются процессы фильтрации, идентификации фреймов и использования

фреймовых тегов в виртуальных сетях

•Описывается совместное использование коммутаторов и концентраторов

•Перечисляются и описываются три метода разработки, виртуальных сетей