29. Структуризация локальных сетей.

Структурированная кабельная система – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычис­лительных сетях.

Преимущества использования структурированной кабельной системы: – Универсальность. (единая среда для передачи компьютерных дан­ных, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и др.) – Увеличение срока службы. (больше срок морального старения) – Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. – Возможность легкого расширения сети. – Более эффективное обслуживание. – Надежность. (благодаря гарантированным ка­честву и совместимости элементов)

Структурированная кабельная система строится избы­точной. Структурированная кабельная система планируется и строится иерархически, с главной магистралью и многочисленными ответвлениями от нее. Типичная иерархическая структура кабельной системы (рис. 9.2):

Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками поль­зователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппарат­ной здания. Верхний уровень иерархии – подсистема кампуса, которая соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса (обычно называется магистралью – backbone).

Наиболее подходящие типы кабелей для построения подсистем. Горизонтальные – UTP категории 5 (обеспечит переход на Gigabit Ethernet). Вертикальные – оптоволокно для внутренней прокладки. Подсистемы кампуса – оптоволокно для внешней прокладки (в специальной изоляции в зависимости от воздушной или подземной прокладки).

Сетевые адаптеры и концентраторы

Сетевой адаптер вместе со своим драйвером реа­лизует функции физического и МАС-уровней. LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Сетевой адаптер и драйвер выполняют две операции: передачу и прием кадра.

Передача кадра состоит из этапов: – Прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-уровня (взаимодействие происходит через буферы оперативной памяти). – Оформление кадра данных МАС-уровня. – Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов. Скрэмблирование. – Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым физическим кодом.

Прием кадра включает действия: – Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток. – Выделение сигналов на фоне шума. – Если данные перед отправкой скрэмблировались, то – дескрэмблирование. Восстановление исходных данных. – Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывает­ся, а протоколу LLC передается соот­ветствующий код ошибки. Если верна, то из МАС-кадра извлекается кадр LLC и передается протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

Распределение обязанностей между сетевым адаптером и драйвером стандар­тами не определяется. Распределение зависит от назначения адаптеры – для клиентского ком­пьютера (преобладание функций драйвера) и для сервера (аппаратная реализация большинства функций).

Концентраторы.

Основная функция концентратора – повторение кадра на всех или определенных портах в зависимости от реализуемого стандарта технологии. Отличия в реализации основной функции не имеют принципиального характера.

Дополнительные функции:

1) Отключения портов. Для технологии FDDI является основной во многих ошибочных ситуациях. Для Ethernet и Token Ring порт отключается в ситуациях: большое число ошибок на уровне кадра, множественные коллизии, затянувшаяся передача.

2) Поддержка резервных связей. Определено только в стандарте FDDI. В Ethernet осуществляется путем конфигурирования. В штатном режиме резервные связи отключены.

3) Защита от несанкционированного доступа. Наиболее простой способ – назначение MAC-адресов портам концентратора. Для этого концентратор должен иметь блок управления (интеллектуальный концентратор). Другой способ – искажение поля данных кадра, направляемого всем станциям, кроме той, которой этот кадр предназначен.

4) Многосегментные концентраторы. Имеется несколько несвязанных внутренних шин, которые предназначены для соз­дания нескольких разделяемых сред (рис. 9.10). Между собой компьютеры, подключенные к разным сегментам, общаться через концентратор не могут, так как шины внутри концентратора не связаны. Многосегментные концентраторы используются для создания разделяемых сегментов, состав которых может легко изменяться (программным способом).

5) Управление концентратором по протоколу SNMP. Конфигурирование может производиться локально, через интерфейс RS-232C. Кроме конфигурирования в большой сети очень по­лезна функция наблюдения за состоянием концентратора. При разветвленной структуре сети локальный способ неудобен. Концентраторы могут управляться централизованно по сети с помощью протокола управления SNMP (Simple Network Management Protocol) стека TCP/IP.

Логическая структуризация локальных сетей с помощью мостов и коммутаторов

Достоинства разделяемой среды для небольшой сети: – простота топологии сети, допускающая легкое наращивание числа узлов (в не­больших пределах); – отсутствии потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств; – простота протоколов, обеспечившая низкую стоимость оборудования.

Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порога количества узлов, подключенных к разде­ляемой среде. Наиболее чувствительна к перегрузкам разделяемого сег­мента Технология Ethernet. При повышении интенсивности трафика величины 50 % сеть все больше времени тратит на повторную передачу кадров, которые вызвали коллизию. Оптимальная нагрузка – 30 %.

Ограничения одной разделяемой среды снимаются с помощью логической структуризации на основе мостов и коммутаторов. Преимущества логической сегментации: – повышение производительности; – увеличение гибкости сети (каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребно­стям рабочей группы или отдела); – повышение безопасности данных (путем установки логиче­ских фильтров на мостах и коммутаторах); – упрощение управление сетью (подсети образуют логические домены управления сетью).

Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста (transparent bridge) и алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge). Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабаты­вает кадры последовательно, а коммутатор – параллельно. Коммутатор — это мультипроцессорный мост.

Прозрачные мосты незаметны для сетевых адаптеров конечных узлов, так как они самостоятельно строят специальную адресную таблицу (путем наблюдения за трафиком). Алгоритм работы прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой устанав­ливается мост. Прозрачные мосты могут транслировать протоколы локальных сетей.

Мосты с маршрутизацией от источника (Source Routing, SR) применяются для соединения колец Token Ring и FDDI. Маршрутизация от источника основана на том, что станция отправитель помещает в посылаемый в другое кольцо кадр всю информацию о мостах и кольцах, через которые должен пройти кадр. Для исследования маршрутов используются специальные широковещательные кадры-исследователи.

Современные коммутаторы строятся на основе специализированных процессоров обмена данными. Коммутаторы работают по алгоритмам прозрачного моста и моста с маршрутизацией от источника.

Основные показатели производительности коммутаторов: – Скорость фильтрации кадров – скорость, с которой коммутатор вы­полняет прием кадра в буфер, просмотр адресной таблицы и уничтожение кадра. – Скорость продвижения кадров – скорость, с которой коммутатор вы­полняет прием кадра в буфер, просмотр адресной таблицы и передача кадра на порт назначения. – Пропускная способность – количество пользовательских данных, переданных в единицу времени через порты (мегабиты в секунду). Пользовательские данные – поле данных кадров протоколов канального уровня. Мак­симальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины. – Задержка передачи кадра – время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Значительно зависит от режима работы (коммутация на лету или с полной буферизацией).

Для коммутатора принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки передачи кадра) дают в двух вариантах. 1. суммарная производительность коммутатора при одновременной передаче трафика по всем его портам, 2. про­изводительность в расчете на один порт. Обычно используют 1.

Дополнительные характеристики, влияющие на производительность: – Тип коммутации – «на лету» или с полной буферизацией. При коммутации на лету задержка низкая и случайная, но невозможны реализация защиты от плохих кадров, поддержка разнородных сетей, поддержка резервных связей, функция анализа трафика. Иногда применяется адаптивный механизм смены режимов. – Размер буфера (буферов) кадров. Буферы предназначены для сглаживания кратковременных всплесков интенсивности трафика. Буфер может быть общий или выделенный на каждый порт. Большой объем буферной памяти применяется в ответственных частях сети. – Производительность внутренней шины. – производительность процессора или процессоров. – Размер внутренней адресной таблицы. Недостаточная емкость приводит к снижению производительности из-за замедления работы коммутатора и засорения сети избыточными кадрами. – Возможности по фильтрации трафика. Задание пользовательских фильтров для создания барьеров для продвижения определенного вида трафика. – Приоритетная обработка кадров. Обеспечение определенного (негарантированного) уровня качества обслуживания.

Недостатки топологии сети на мостах и коммутаторах: – слабая защита от широковещательного шторма (частой передачи кадров с широковещательными адресами); – невозможность поддержки петлеобразных конфигураций.

Типовые структуры построения локальных сетей на коммутаторах

Выделяют две базовые структуры – стянутую в точку магистраль и распределенную магистраль. На основе этих базовых структур строятся разнообразные структуры конкретных сетей.

Стянутая в точку магистраль – это структура, при которой объединение узлов, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Достоинства: высокая производительность магистрали. Произво­дительность внутренней шины коммутатора может достигать нескольких десятков гигабит в секунду. Скорость не зави­сит от протоколов и может быть повышена путем замены одной модели коммутатора на другую. Пример на рис. 10.15.

В сетях больших зданий или кампусов структура с стянутой в точку магистра­лью имеет определенные недостатки: протя­женные кабельные системы, высокая плотность кабелей.

Поэтому в локальных сетях, покрывающих большие территории, часто исполь­зуется сеть с распределенной магистралью. При­мер на рис. 10.16. Коммутаторы зданий соединены по схеме «каждый с каждым», образуя структуру с избыточными связями (необходима поддержка протокола покрывающего дерева). Скорость магистрали будет ниже скорости магистрали на внутренней шине коммутатора. Причем скорость эта фиксирован­ная. Повысить скорость можно с помощью агрегатирования каналов.

Рис. 9.2. Структура кабельных подсистем

Рис. 10.15. Сеть здания со стянутой в точку магистралью Рис. 10.16. Сеть с распределенной магистралью