Глава 5. Коммутация в локальных сетях и проектирование локальных сетей

В этой главе…

• Описаны локальные сети (LAN) спецификации Ethernet/802.3

• Рассмотрены различные типы коммутации в локальных сетях

• Рассмотрены принципы проектирования локальных сетей

• Описаны основные процессы, происходящие при коммутации на 2-м уровне при использовании мостов и коммутаторов

В настоящее время при проектировании новых сетей все реже используются мосты и концентраторы, а в первую очередь используются коммутаторы и маршрутизаторы.

В настоящей главе обсуждаются возможные проблемы локальных сетей и предлагаются решения, которые могут повысить их производительность. Описано такое явление как переполнение (congestion), его воздействие на производительность сети и преимущества сегментации сети. Кроме того рассматриваются достоинства и недостатки использования мостов, коммутаторов и маршрутизаторов с целью сегментации LAN и влияние этих устройств на пропускную способность сети. Приводятся основные требования к проектированию локальных сетей, цели проектирования и факторы, влияющие на эффективность проектируемой сети. В заключение рассматриваются достоинства таких технологий коммутации, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и применение виртуальных локальных сетей VI ,AN при проектировании LAN. Рекомендуется ознакомиться с лабораторными работами (e-Lab Activities), видеоклипами (Videos) и фотографиями (PhotoZooms), которые находятся на прилагаемом к книге компакт-диске. Эти приложения дополняют материал книги и помогают лучше усвоить используемые понятия и методы.

Локальные сети спецификации Ethernet/802.3

Наиболее часто используемой структурой локальной сети LAN является Ethernet. Эта технология используется для передачи данных между сетевыми устройствами, такими как компьютеры, принтеры и файловые серверы.

История развития сетей Ethernet/802.3

С момента начала широкого использования технологий сетей LAN они базировались на шинной топологии и использовали кабельные инфраструктуры толстого (thick) или тонкого (thin) Ethernet. Для лучшего понимания современного состояния коммутации в локальных сетях важно понять некоторые ограничения этих первоначальных вариантов технологии Ethernet. Ниже приводятся основные характеристики технологии толстого Ethernet.

■ Ограничение длины сегмента расстоянием 500 метров, вызываемое ослаблением и ухудшением качества сигнала.

■ Необходимость в связи с вышеупомянутым в использовании повторителей {repeater) через каждые 500 метров.

■ Ограничения на количество и расположение рабочих станций.

■ Большие расходы и технические трудности при проводке кабелей через здания.

■ Относительная простота добавления новых пользователей.

■ Совместное использование полосы пропускания 10 Мбит/с.

■ Недостаточно надежные соединения или обрыв обшей шины полностью прекращают связь в сети LAN.

Тонкий Ethernet характеризуется следующими особенностями.

■ Требует меньших финансовых затрат и пространства, чем толстый Ethernet.

■ Добавление новых пользователей прерывает работу сети.

■ Совместное использование полосы пропускания 10 Мбит/с.

■ Недостаточно надежные соединения или обрыв общей шины полностью прекращают связь в сети LAN.

Добавление таких устройств, как концентраторы (хабы) внесло улучшение в технологии толстого и тонкого Ethernet Концентратор представляет собой устройство 1-го уровня и иногда называется многопортовым повторителем. Введение в сети концентраторов позволяет обеспечить доступ к сети большему количеству пользователей. Активные концентраторы, усиливающие сигнал, также позволяют увеличить протяженность сети, как показано на рис. 5.1. При получении сигналов данных концентратор не принимает решений, а лишь регенерирует и усиливает сигналы, которые он получает от подсоединенных к нему устройств. В сетях с шинной топологией ненадежное подсоединение одной рабочей станции или обрыв кабеля в любом месте может вывести сеть LAN из строя. В новых Ethemet-технологиях, использующих концентраторы или коммутаторы, обрыв кабеля соединения одного пользователя не влияет на работу других пользователей этой сети. С другой стороны, сам концентратор или коммутатор может стать причиной неработоспособности сети. Ethernet по своей природе является технологией совместного использования, в которой все пользователи претендуют на одну и ту же полосу пропускания, как показано на рис. 5.2. Эту ситуацию можно сравнить с положением на автодороге, когда несколько автомобилей пытаются одновременно занять одну и ту же полосу движения. Поскольку дорога имеет только одну полосу, в каждый момент на нее может выехать только один автомобиль. Введение в сеть концентратора приводит к тому, что большее количество пользователей претендуют на одну и ту же полосу пропускания.

 

Коллизии являются неизбежным побочным продуктом Ethernet-технологий. Коллизия возникает в том случае, когда два или более устройств одновременно пытаются осуществить передачу данных. Эту ситуацию можно сравнить с въездом двух автомобилей на одну и ту же полосу движения, в результате чего происходит столкновение. В результате движение на дороге приходится останавливать до ликвидации результатов столкновения. Если количество коллизий в сети превышает некоторый уровень, то сеть практически перестает отвечать на запросы пользователей, что свидетельствует о том что произошло переполнение или слишком много пользователей пытаются одновременно получить к ней доступ. Устройства 1-го уровня, такие как повторители и концентраторы, лишь усиливают сигнал, что позволяет реализовать сети большей протяженности. Устройства 2-го уровня способны осуществлять более интеллектуальные операции, чем устройства 1-го уровня. Устройства 2-го уровня принимают решения о пересылке данных основываясь на адресах управления доступом к передающей среде (Media Access Control— MAC), содержащихся в заголовках фреймов передаваемых данных.

Коллизии: аналогии из жизни

Мост представляет собой устройство 2-го уровня, используемое для разделения (сегментации) сети и способное собирать и выборочно передавать фреймы данных от одного сетевого сегмента к другому. Эти функции мосты выполняют путем изучения МАС-адресов всех устройств в подсоединенных к мосту сегментах. Используя эту информацию мосты строят адресные таблицы и пересылают или блокируют передачу данных на основе этих таблиц. Таким путем уменьшается размер коллизионных доменов (collision domain) и повышается эффективность работы сети. Мосты не ограничивают широковещания, однако обеспечивают больший контроль над работой сети и уменьшают количество коллизий.

Коммутатор также является устройством 2-го уровня и может рассматриваться как многопортовый мост. Как показано на рис. 5.3, коммутатор помогает уменьшить количество коллизий в сети путем более эффективного контроля потоков данных. Коммутатор может принимать интеллектуальные решения на основе МАС-адресов устройств, содержащихся в передаваемых фреймах данных. Как и другие устройства 2-го уровня, коммутатор изучает МАС-адреса устройств всех сегментов, подсоединенных к его портам; эта информация заносится в таблицу коммутации, находящуюся в адресуемой по содержимому памяти (content-addressable memory — САМ).

Рис. 5.3. Коммутаторы 2-го уровня

После создания между двумя устройствами виртуального канала между ними устанавливается предназначенный только для них коммуникационный канал. Использование в сети коммутатора приводит к микросегментации (microsegmentation) сети. Теоретически это создает свободную от коллизий среду между отправителем и получателем, что позволяет в максимальной степени использовать доступную полосу пропускания. Использование коммутатора также облегчает одновременное создание нескольких виртуальных каналов связи. Это можно сравнить с разделением дорожного пространства на несколько полос, при котором каждому автомобилю выделяется отдельная полоса. На рис. 5.4 показаны различия между концентратором 1-го уровня и коммутатором 2-го уровня. Недостатком устройств 2-го уровня является их неспособность останавливать широковещание (broadcast), при котором фреймы направляются всем устройствам сети. В случае когда широковещание превышает определенный уровень, работа сети становится неустойчивой, что выражается в неопределенном времени ее реакции на запросы.

Маршрутизатор представляет собой устройство 3-го уровня. Он принимает решение о пересылке пакетов данных на основе сетевых адресов устройств, отличающихся от их индивидуальных МАС-адресов 2-го уровня. Адреса доступных маршрутизатору сетей заносятся в таблицы маршрутизации (routing tables). Эти адреса могут также задаваться системным администратором или получаться от соседних маршрутизаторов в результате работы протоколов маршрутизации. Целью работы маршрутизаторов является исследование входящих пакетов (данных 3-го уровня), выбор для них наилучшего пути по сети и передача их на соответствующий выходной порт. Маршрутизаторы могут останавливать широковещательные пакеты. Вследствие этого они уменьшают количество не только коллизионных, но и широковещательных доменов (broadcast domain). В крупных сетях маршрутизаторы являются наиболее важными устройствами для управления потоками данных. В принципе они позволяют компьютеру любого типа осуществлять связь с любым другим компьютером в любой точке планеты. Как показано на рис. 5.5, в локальных сетях обычно используются комбинации устройств

1- го, 2-го и 3-го уровней. На рис. 5.5 показан концентратор (1-й уровень), 2 коммутатора (2-й уровень) и маршрутизатор (3-й уровень). Характер использования этих устройств и их количество определяются конкретными потребностями организации, в которой используется сеть.