15.3.Логическая структуризация сети на разделяемой среде

Физическая структуризация сети не позволяет справиться с такими важными проблемами, как дефицит пропускной способности, невозможность использования в разных частях сети линий связи разной пропускной способности. В таком случае может помочь логическая структуризация сети.

Типовые физические топологии сети (шина, кольцо, звезда), которые ограничивают все сетевые устройства, предоставляя им для обмена данными только одну разделяемую среду, оказываются неадекватными структуре информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает ее на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом.

При построении небольших сетей, состоящих из 10-30 узлов, использование стандартных технологий на разделяемой среде приводит к экономичным и эффективным решениям, что проявляется в первую очередь в следующих свойствах:

- простая топология сети допускает легкое наращивание числа узлов (в небольших пределах);

- отсутствуют потери кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как сам метод доступа к разделяемой среде регулирует поток кадров и приостанавливает станции, слишком часто генерирующие кадры;

‑ простота протоколов обеспечивает низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов и сети в целом.

Однако справедливым является и другое утверждение - крупные сети, насчитывающие сотни и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разделяемой среды даже при такой скоростной технологии, как Gigabit Ethernet. И не только потому, что проектировщик сети часто сталкивается с жесткими ограничениями максимальной длины сети, обусловленными особенностями метода доступа Ethernet. И не только потому, что практически все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде: все технологии семейства Ethernet — 1024 узлами, Token Ring - 260 узлами, a FDDI - 500 узлами.

Главная проблема сетей с разделяемой средой – дефицит пропускной способности.

На рис. 15.4 показаны зависимости задержек доступа к общей среде передачи от коэффициента использования среды, полученные для сетей Ethernet, Token Ring и FDDI путем имитационного моделирования.

Рисунок 15.4. Задержки доступа к среде передачи данных для технологий Ethernet, Token Ring и FDDI

Как видно из рисунка, всем технологиям присуща качественно одинаковая картина экспоненциального роста величины задержек доступа при увеличении коэффициента использования сети. Однако их отличает порог, при котором наступает резкий перелом в поведении сети, когда почти прямолинейная зависимость переходит в крутую экспоненциальную. Для всего семейства технологий Ethernet — это 30-50 % (сказывается эффект коллизий), для технологии Token Ring — 60 %, а технологии FDDI - 70-80 %.

Количество узлов, при которых коэффициент использования сети начинает приближаться к опасной границе, зависит от типа функционирующих в узлах приложений. Если раньше для сетей Ethernet считалось, что 30 узлов — это вполне приемлемое число для одного разделяемого сегмента, то сегодня, в условиях, когда мультимедийные приложения передают по сети большие файлы данных, предельное число узлов может составлять 5-10.

Преимущества логической структуризации сети

Ограничения, возникающие из-за использований одной разделяемой среды, можно преодолеть, выполнив логическую структуризацию сети, то есть сегментировать единую разделяемую среду на несколько и_: соединить полученные сегменты сети такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы.

Перечисленные устройства передают кадры с одного своего порта на другой, анализируя адрес назначения, помещенный в этих кадрах. Мосты и коммутаторы выполняют операцию передачи кадров на основе плоских адресов канального уровня, то есть МАС-адресов, а маршрутизаторы используют для этой цели иерархические адреса сетевого уровня.

Логическая структуризация позволяет решить несколько задач, основные из них: повышение производительности, гибкости, безопасности и управляемости сети.

Рисунок 15.5. Логическая структуризация сети

Повышение производительности. Для иллюстрации эффекта повышения производительности, который является главной целью логической структуризации, рассмотрим рис. 15.6. На нем показаны два сегмента Ethernet, соединенные мостом. Внутри сегментов имеются повторители. До деления сети на сегменты весь трафик, генерируемый узлами сети, был общим (представим, что вместо моста был повторитель) и учитывался при определении коэффициента использования сети. Если обозначить среднюю интенсивность трафика, идущего от узла i к узлу j, через , то суммарный трафик, который должна была передавать сеть до деления на сегменты, равен (считаем, что суммирование проводится по всем узлам).

Рисунок 15.6. Изменение нагрузки при делении сети на сегменты

После разделения сети подсчитаем нагрузку отдельно для каждого сегмента. Например, нагрузка сегмента S1 стала равна гдеC_S1 — внутренний трафик сегмента S1, a C_S1-S2 — межсегментный трафик. Чтобы показать, что нагрузка сегмента S1 стала меньше, чем нагрузка исходной сети, заметим, что общую нагрузку сети до разделения на сегменты можно представить в таком виде:

Значит, нагрузка сегмента S1 после разделения стала равной , то есть стала меньше на величину внутреннего трафика сегментаS2. Аналогичные рассуждения можно повторить относительно сегмента S2. Следовательно, в соответствии с графиками, приведенными на рис.16.4, задержки в сегментах уменьшились, а полезная пропускная способность, приходящаяся на один узел, увеличилась.

На практике в сети всегда можно выделить группу компьютеров, которые принадлежат сотрудникам, решающим общую задачу. Это могут быть сотрудники одной рабочей группы, отдела, другого структурного подразделения предприятия. В большинстве случаев им нужен доступ к ресурсам сети их отдела и только изредка — доступ к удаленным ресурсам.

В 80-е годы существовало эмпирическое правило, говорящее о том, что можно разделить сеть на сегменты так, что 80 % трафика составят обращения к локальным ресурсам и только 20 % — к удаленным. Сегодня такая закономерность не всегда соответствует действительности, она может трансформироваться в правило 50 на 50% и даже 20 на 80% (например, большая часть обращений направлена к ресурсам Интернета или к централизованным серверам предприятия). Тем не менее, в любом случае внутрисегментный трафик существует. Если его нет, значит, сеть разбита на логические сегменты неверно.

Повышение гибкости сети. При построении сети как совокупности сегментов каждый из них может быть адаптирован к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Например, в одном сегменте может использоваться технология Ethernet и ОС Unix, в другом — Token Ring и OS-400. Вместе с тем, у пользователей обоих сегментов есть возможность обмениваться данными через мосты/ коммутаторы. Процесс разбиения сети на логические сегменты можно рассматривать и в обратном направлении, как процесс создания большой сети из уже имеющихся небольших сетей.

Повышение безопасности данных. Устанавливая различные логические фильтры на мостах/коммутаторах, можно контролировать доступ пользователей к ресурсам других сегментов, чего не позволяют делать повторители.

Повышение управляемости сети. Побочным эффектом снижения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы очень часто локализуются внутри сегмента. Сегменты образуют логические домены управления сетью.

Мост (bridge) делит единую среду передачи на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другому сегменту. Тем самым мост изолирует трафик одного сегмента от трафика другого, повышая общую производительность сети.

Коммутатор (switch) функционально подобен мосту и отличается от моста в основном более высокой производительностью. Каждый интерфейс коммутатора оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что коммутаторы — это усовершенствованные мосты, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме. Когда стало экономически оправданно использовать отдельные специализированные процессоры на каждом порту коммуникационного устройства, коммутаторы локальных сетей полностью вытеснили мосты.

Оба эти устройства продвигают кадры на основании одного и того же алгоритма, а именно алгоритма прозрачного моста, описанного в стандарте IEEE 802.1D.