2)Оборудование Ethernet сетей. Коммутаторы в сетях Ethernet: функционирование, ограничения.

При оборудовании сетей Ethernet в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара и оптический кабель. Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт. Режим работы – полудуплексный. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции.

Оборудование:

Повторители или концентраторы (1-й уровень в модели OSI) repeater, hub

Предназначен для увеличения расстояния сетевого соединения путём повторения электрического сигнала «один в один». Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса. hub- устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernetc применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытесненысетевыми коммутаторами.

Мосты или коммутаторы (2-й уровень в модели OSI)

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам

В общем случае коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают IP-пакеты, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетей большого размера. Предназначен для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств. Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение.

Работа коммутатора

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует фреймы (кадры) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Мосты имеют много отличий от повторителей. Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакет не нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуют многочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальным требованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты, подключенные к повторителю образуют одну разделяемую среду, а сегменты, подключенные к каждому порту моста образуют свою среду с полосой 10 Mbps. При использовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, а пользователи разных сегментов используют независимые Среды. Следовательно, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы для каждого пользователя.

Функционирование:

• полудуплексный режим – это режим, при котором, только одно устройство может передавать данные в любой момент времени в одном домене коллизий.

• Полнодуплексный режим – это режим работы, который обеспечивает одновременную двухстороннюю передачу данных между странцией-отправителем и странцией-получателем на MAC-подуровне. При работе в дуплексном режиме, между сетевыми устройствами повышается количество передаваемой информации. Это связано с тем, что дуплексная передача не вызывает в среде передачи коллизий, не требует составления расписания повторных передач и добавления битов расширения в конец коротких кадров. В результате не только увеличивается время, доступное для передачи данных, но и удваивается полезная полоса пропускания канала, поскольку каждый канал обеспечивает полноскоростную одновременную двустороннюю передачу.

Проблемы это коллизии и broadcast.

Коллизии -  В том случае, когда две или более станций одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры, содержимое двух или более кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение данных.

Обнаружившая коллизию передающая станция должна прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного промежутка времени, получившего название усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки.

Для передачи данных по локальной сети Ethernet использует алгоритм Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).

Основные конфигурации:

• коммутатор с управляемой матрицей соединений,

• коммутаторы с разделяемой шиной и памятью,

• коммутаторы корпоративных сетей

Ограничения:

• скорость передачи между портами: При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS) для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяется свойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPS между портами, полностью использует возможности среды.

• общая пропускная способность: Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps суммарная пропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальных соединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора, поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скорость передачи не имеет внутренней блокировки.

• Задержка: Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность.