Малышев СЕТИ Локальные вычислительные сети

Ещё один тип коммутаторов 3-го уровня – это коммутаторы, которые ускоряют процесс маршрутизации за счёт выявления устойчивых потоков информации в сети и обработки по схеме маршрутизации только нескольких первых пакетов потока, а остальные пакеты просто передаются по схеме коммутации (на основе МАС-адреса) в том же направлении.

Например: SmartSwitch фирмы Cabletron; Catalyst 5000 фирмы Cisco.

Существует еще один вид ускоренной маршрутизации – MPLS (Multiprotocol Label Switching) – коммутация по меткам. Для этого используются коммутирующие маршрутизаторы по меткам (LSR – Label Switching Router), обменивающиеся специальными метками по протоколу распреде-

ления меток (LDP – Label Distribution Protocol).

Локальные сети отделяются от глобальных в основном маршрутизаторами или удалёнными мостами.

Для управления и конфигурирования концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов используется протокол SNMP и соответствующее ПО

(например, Freedom View Pro).

Для защиты активного оборудования от внешних воздействий применяются телекоммуникационные шкафы (например, настенный шкаф серии EL2243.600-3BE с габаритами 600 × 212 × 415 мм, со стеклянной дверцей, 3-секционный) и стойки.

Вопросы по разделу

1.В чем отличие маршрутизатора и коммутатора? На каких уровнях модели OSI они работают?

2.Назовите основные недостатки мостов/коммутаторов.

3.Назовите основные функции маршрутизатора (router'а)? Какие существуют группы маршрутизаторов?

4.Что такое коммутатор третьего уровня? Какие существуют типы коммутаторов третьего уровня?

5.Какие сетевые устройства могут осуществлять маршрутизацию? На каком уровне модели OSI это реализуется?

6.Какие сетевые устройства реализуют маршрутизацию от источника? Что такое одношаговая и многошаговая маршрутизация? Какие сетевые устройства реализуют их?

7.В пределах какой сети реализуется многошаговая маршрутизация? Одношаговая маршрутизация?

8.Как передает информацию коммутатор с неизвестным адресом?

72

9. Как передает маршрутизатор информацию с неправильным адре-

сом?

10.Какие устройства применяются в сети с петлями?

11.Какую адресацию используют сетевые адаптеры, мосты/коммутаторы, маршрутизаторы (сколько уровневую)?

12.Каким устройствам соответствует MAC-адрес?

13.Какие заголовки добавляет сетевой уровень к передаваемым дан-

ным?

14.Какие существуют критерии выбора маршрута?

15.Что делает маршрутизатор при передаче информации в эту же сеть? В другую сеть?

16.Что такое коммутация по меткам?

2.2.6. Функциональное соответствие видов коммуникационных устройств уровням модели OSI

Лучшим способом для понимания отличий между сетевыми адаптерами, повторителями, мостами/коммутаторами и маршрутизаторами является рассмотрение их работы в терминах модели OSI. Соотношение между функциями этих устройств и уровнями модели OSI показано на рис. 25 [1, 3].

Физические сегменты

Логические сегменты

Сети (подсети)

Интерсети

Рис. 25. Соответствие функций коммуникационного оборудования модели OSI

73

Повторитель, который регенерирует сигналы, за счет чего позволяет увеличивать длину сети, работает на физическом уровне.

Сетевой адаптер работает на физическом и канальном уровнях. К физическому уровню относится та часть функций сетевого адаптера, которая связана с приемом и передачей сигналов по линии связи, а получение доступа к разделяемой среде передачи, распознавание МАС-адреса компьютера – это уже функция канального уровня.

Мосты/коммутаторы выполняют большую часть своей работы на канальном уровне. Для них сеть представляется набором МАС-адресов устройств. Они извлекают эти адреса из заголовков, добавленных к пакетам на канальном уровне, и используют их во время обработки кадров для принятия решения о том, на какой порт отправить тот или иной кадр. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому уровню. Поэтому они ограничены в принятии решений о возможных путях или маршрутах перемещения пакетов по сети.

Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI. Для маршрутизаторов сеть – это набор сетевых адресов устройств и множество сетевых путей. Маршрутизаторы анализируют все возможные пути между любыми двумя узлами сети и выбирают самый оптимальный из них. При выборе могут приниматься во внимание и другие факторы, например, состояние промежуточных узлов и линий связи, пропускная способность линий или надежность передачи данных.

Для того чтобы маршрутизатор мог выполнять возложенные на него функции ему должна быть доступна более развернутая информация о сети, нежели та, которая доступна мосту. В заголовке пакета сетевого уровня кроме сетевого адреса имеются данные, например, о критерии, который должен быть использован при выборе маршрута, о времени жизни пакета в сети, о том, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет.

Благодаря использованию дополнительной информации, маршрутизатор может осуществлять больше oпeраций с пакетами, чем мост/коммутатор. Поэтому программное обеспечение, необходимое для работы маршрутизатора, является более сложным.

На рис. 25 показан еще один тип коммуникационных устройств – шлюз, который находится на прикладном уровне и может выполнять функции любого уровня модели OSI. Шлюз (gateway) размещается между взаимодействующими сетями (с разными типами системного и прикладного ПО) и служащит посредником, переводящим сообщения, поступающие из одной сети, в формат совершенно другой сети (например, между сетями

GSM (Global Mobile System for Mobile communications) и ISDN, между ЛВС

76

Основными характеристиками технологий WAN для сравнения явля-

ются:

-метод коммутации;

-диапазон скоростей передачи;

-применение;

-устройства для подключения к сети;

-отличительные характеристики конкретных технологий (например, при коммутации каналов – количество мультиплексированных каналов, при коммутации пакетов – размер пакета).

3.1. БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Основными базовыми технологиями построения ЛВС являются – Ethernet, Token Ring. Эти две технологии появились первыми и до сих пор еще встречаются в сетях. Однако современные сети строятся уже по технологиям, являющимся развитием базовых.

3.1.1. Технология Ethernet (стандарт IEEE 802.3)

Ethernet – это самый распространенный на вчерашний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet или ее модификации, – более 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet или ее модификаций – более 50 миллионов [1 – 3].

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet – это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 г. (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба

77

эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации (спецификации) – 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.

Для передачи двоичной информации по кабелю (метод физического кодирования) для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код. При этом единица кодируется перепадом сигнала от низкого потенциала к высокому, ноль – от высокого к низкому.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных – метод CSMA/CD. Топология – «звезда», «общая шина». Скорость передачи данных – 10 Мбит/с.

Метод доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet называется методом коллективного (множественного) доступа с опознаванием (проверкой) несущей и обнаружением коллизий (столкновений) – carrier-sense- multiply-access with collision detection, CSMA/CD.

Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к среде передачи данных (кабелю), поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, используется в режиме коллективного доступа (multiply-access, MА).

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры, снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер (память), обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает (кабель) канал (т. е. принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая частота (основная гармоника сигнала – 5 ... 10 МГц в за-

78

висимости от передачи 0 или 1), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать (после технологической паузы 9,6 мкс – для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние). Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по каналу в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, т. к. содержимое обоих кадров сталкивается в канале, что приводит к искажению информации.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностъю (32 бита).

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени (0 – 52,4 мс), а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети.

Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи и фиксирует отказ сети. Величина задержки между попытками передачи выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, т. к. информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы). Конечно, скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал

79

времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мбит/с, используемой в стандарте Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами в сети на концентраторах не должно превышать 2500 м [3].

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например, Fast Ethernet, максимальная длина сети на концентраторах уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в гигабитном Ethernet ограничена 25 м.

Независимо от реализации физической среды, все сети на концентраторах Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа:

-максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м;

-в сети не должно быть более 1024 узлов.

Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться.

При использовании коммутаторов данные ограничения снимаются.

Вопросы по разделу

1.Суть метода множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением столкновений – CSMA/CD?

2.Есть ли при методе доступа CSMA/CD коллизии? Если да, то когда они возникают?

Форматы кадров технологии Ethernet

На практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются заголовки четырех типов, что связано с длительной историей развития технологии Ethernet до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не

80

применялся. Затем, после принятия стандартов IEEE и появления двух несовместимых форматов кадров канального уровня, была сделана попытка приведения этих форматов к некоторому общему знаменателю, что привело еще к одному варианту кадра.

Различия в форматах кадров могут иногда приводить к несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом, хотя большинство сетевых адаптеров, мостов и маршрутизаторов умеет работать со всеми используемыми на практике форматами кадров техноло-

гии Ethernet.

Ниже приводится описание всех четырех модификаций заголовков кадров Ethernet (причем под заголовком кадра понимается весь набор полей, которые добавляет канальный уровень к передаваемым данным). В связи с этим выделяют 4 формата кадров данных технологии Ethernet [3]:

-кадр 802.3/LLC (или кадр Novell 802.2);

-кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

-кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

-кадр Ethernet SNAP.

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка (кадр MAC- подуровня).

1.Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов – 10101010. При манчестерском кодировании – эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам трансиверов (приемопередатчиков) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми сигналами. Преамбула генерируется микросхемой сетевого адаптера.

2.Начальный ограничитель кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.

3.Адрес назначения (МАС-адрес приемника) – может быть длиной 2 или 6 байтов. Первый бит адреса получателя – это признак того, является адрес индивидуальным или групповым: если 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно, всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1. Общепринятым является использование 6-байтовых адресов.