Начальные сведения о коммутации в локальных сетях

Коммутация представляет собой технологию, которая уменьшает нагрузку в локальной сети путем уменьшения количества передаваемых данных и увеличения полосы пропускания. В настоящее время в локальных сетях LAN концентраторы часто заменяются коммутаторами (switch), которые могут работать в уже существующей кабельной инфраструктуре и, таким образом, их установка не нарушает сложившегося характера работы сети. Для уменьшения количества коллизий и расширения полосы пропускания LAN коммутаторы используют микросегментацию. Коммутаторы LAN также поддерживают такие функции как дуплексная коммуникация и одновременные сеансы связи между несколькими устройствами. Дуплексная коммуникация позволяет двум устройствам одновременно получать друг от друга данные и посылать их. Фактически использование полного дуплекса удваивает пропускную способность сети LAN. В дуплексной коммутируемой LAN отсутствуют коллизии.

При пересылке данных через коммутатор возможны три режима коммутации- с промежуточным хранением (store-and-forward), сквозной (cut through) и коммутация без фрагментации (fragment-free switching). Под латентностью или задержкой (latency или delay) понимается время прохождения пакета через коммутатор. Латентность каждого режима зависит от того, каким образом коммутатор обрабатывает и пересылает поступающие фреймы. Более быстрый режим коммутации уменьшает латентность коммутатора. Для выполнения функций коммутации коммутаторы и мосты LAN, функционирующие на 2-м уровне эталонной модели OSI, пересылают фреймы на основе МАС-адресов сетевых устройств. Если МАС-адрес 2-го уровня неизвестен, то устройство осуществляет лавинную рассылку, пытаясь таким путем достичь пункта назначения фрейма. Коммутаторы и мосты LAN также пересылают все широковещательные пакеты. Это может привести к лавинному шторму, т.е. ситуации когда фреймы бесконечно циркулируют по образующимся в сети петлям. Для предотвращения петель используется протокол связующего дерева (Spanning Tree Protocol). Этот протокол представляет собой технологию, которая позволяет коммутаторам обмениваться друг с другом информацией и, таким образом, обнаруживать в сети петли. Протокол связующего дерева допускает существование в сети избыточных маршрутов, которые рассматриваются как резервные, однако для предотвращения петель временно отключает некоторые порты коммутаторов.

Сегментация в локальных сетях

Сегментация в сети LAN используется для двух целей: для изолирования потоков данных внутри сегментов и для увеличения полосы пропускания, приходящейся на одного пользователя, за счет уменьшения размеров коллизионных доменов.

При отсутствии сегментации сети LAN, превосходящие размерами небольшую рабочую группу, быстро становятся clogged и коллизии практически полностью закрывают полосу пропускания. Сегментация в сети LAN может быть реализована с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Каждое из этих устройств обладает своими достоинствами и недостатками. Сеть может быть подразделена на области меньшего размера, называемые сегментами. Каждый сегмент использует метод доступа CSMA/CD и поддерживает обмен данными между своими пользователями. На рис. 5.10 приведен пример сегментированной локальной сети Ethernet. Вся сеть состоит из 15 компьютеров (6 файловых 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. 5.11, 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 локальной сети Ethernet данные, прошедшие по сегменту, передаются в сетевую магистраль (backbone) с помощью мостов (bridge) маршрутизаторов (router) или коммутаторов (switch). Магистральный (четвертый) сегмент передает данные всех трех остальных сегментов.

Основной характеристикой LAN-коммутации является микросегментации, которая позволяет создавать выделенные сегменты и предоставляет выделенную полосу пропускания каждому пользователю сети. Каждый пользователь получает доступ сразу ко всей полосе пропускания сети и ему не приходится конкурировать за доступную полосу пропускания с остальными пользователями. Это означает что пары устройств, подсоединенные к одному коммутатору, могут осуществлять связь одновременно с минимальным количеством коллизий. Микросегментация уменьшает количество коллизий за счет уменьшения размера коллизионных доменов. Это увеличивает пропускную способность для каждого устройства, подсоединенного к сети.