4. Устройства канального уровня
Мосты – наиболее простые устройства, служащие для разделения нагрузки сегмента на отдельные коллизионные домены. Мост передаёт из одного сегмента сети в другой не все поступающие на его порты кадры, а только те, которые адресованы компьютерам из другого сегмента. Кадры, адресованные абонентам того же сегмента, в котором они были сгенерированы, через мост не проходят.
Для этого мост просматривает MAC адреса отправителей в кадрах, приходящих из каждого сегмента, и поддерживает таблицу, в которой перечислены адреса для рабочих станций каждого сегмента. При приходе кадра на один из портов анализирует МАС-адрес получателя. Если он в том же сегменте, из которого пришел кадр, мост не делает ничего. Если адрес назначения находится в другом сегменте, кадрпересылается в него. При этом выполняются и функции устройства первого уровня – восстановление формы сигнала и его усиление. Если MAC-адрес не значится в таблице моста, кадр на всякий случай пересылается во второй сегмент. Точно также мост поступает и с кадрами широковещательных рассылок.
Мосты использовались и для объединения сетей с разными стандартами, например, Ethernet и Arcnet. В этом случае работа такого устройства не ограничивалась MAC подуровнем, но захватывала также и функции верхнего подуровеня LLC канального уровня.
Коммутаторами называются устройства, выполняющие точно такие же функции, но имеющие не два интерфейса, а гораздо больше – 4, 8, 12, 24, 48 …. В локальных сетях коммутаторы уже давно вытеснили концентраторы по причине появления аппаратной логики, работающей практически без задержки пакетов при цене почти не отличающейся от стоимости начинки концентратора.
Логическая структура коммутатора довольно проста:
Логическая
схема коммутатора
Она включает в себя так называемую перекрестную (коммутационную) матрицу (Crossbar Matrix), во всех точках пересечения которой могут устанавливаться связи на время передачи пакета. В результате пакет, поступающий из любого сегмента, может быть передан в любой другой сегмент. В случае широковещательного пакета, адресованного всем абонентам, он передается во все сегменты одновременно, кроме того сегмента, по которому он пришел.
Ретрансляция широковещательного пакета
Помимо перекрестной матрицы коммутатор включает в себя память, в которой он формирует таблицу MAC-адресов всех компьютеров, подключенных к каждому из его портов. Эта таблица создается на этапе инициализации сети и затем периодически обновляется для учета изменений конфигурации сети. Именно на основании анализа этой таблицы делается вывод о том, какие связи надо замыкать, куда отправлять пришедший пакет. Коммутатор читает MAC-адреса отправителя и получателя в пришедшем пакете и передает пакет в тот сегмент, в который он адресован. Если пакет адресован абоненту из того же сегмента, к которому принадлежит отправитель, то он не ретранслируется вообще. Широковещательный пакет не передается в тот сегмент, к которому присоединен абонент отправитель пакета. Адрес отправителя пакета заносится в таблицу адресов (если его там еще нет).
Коммутаторы выпускаются различных видов сложности:
коммутаторы с фиксированным числом портов;
модульные коммутаторы с изменяемым числом портов;
стекируемые коммутаторы, которые можно объединять в единую группу (стек) с общей логикой управления пакетами.
Коммутаторы различаются допустимые количества адресов на один порт. Этот показатель определяет предельную сложность подключаемых к порту сегментов (количество компьютеров в каждом сегменте).
Коммутаторы могут позволять разбивать порты на группы (виртуальные сети), работающие независимо друг от друга, то есть один коммутатор может работать как два или три (построение VLAN методом группировки портов). Или уметь работать с виртуальными локальными сетями, организованными другими способами.
Производительность коммутаторов определяется количеством кадров, которые могут быть обработаны в единицу времени.
Практика использования коммутаторов в современных сетях уже давно предусматривает не просто сегментирование сети, а микросегментирование, когда на нижнем уровне структуры каждый порт коммутатора обслуживает только одну рабочую станцию, предоставляя ей полную полосу пропускания в монопольное пользование. Любая пересылка данных выполняется или внутри этого же коммутатора, или через коммутаторы более высоких уровней иерархии.
Современные коммутаторы могут еще многое, но об этом ниже.
5. Протокол IEEE 802.1q Технология виртуальных сетей (VLAN)
Коммутаторы разделяют сеть на отдельные коллизионные домены, но широковещательный кадр они обязаны транслировать во все свои порты. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного. Виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика (broadcast domain).
Существует несколько способов построения виртуальных сетей:
Группировка портов.
Группировка МАС-адресов.
Использование меток в дополнительном поле кадра – частные протоколы и спецификации IEEE 802.1q.
Первые два способа основаны на использовании администрирования сетевых устройств второго уровня (коммутаторов). Они весьма трудоемки и применимы для относительно небольших сетей. Третий способ позволяет избавиться от этих проблем и достаточно давно реализуется, например, в оборудовании Cisco c использованием протокола ISL (InterSwitch Link). В этом протоколе к стандартному кадру Ethernet добавляется дополнительный заголовок длиною 26 байт и итоговая контрольная сумм 4 байта. В итоге кадр увеличивается на 30 байт и становится «непонятным» оборудованию других производителей.
Для решения проблемы совместимости IEEE в качестве стандартного метода маркирования кадров был предложен протокол 802.1q. Протокол предполагает вставку в кадр дополнительного поля (тэга) длиной 4 байта между MAC-адресом источника и полем Type/Length для идентификации принадлежности VLAN. После добавления тега пересчитывается контрольная сумма оригинального кадра. Дополнительное поле несет следующую информацию:
биты |
16 |
3 |
1 |
12 |
значение поля |
TPID |
PRIORITY |
CFI |
VID |
TPID - Tag Protocol Identifier, идентификатор тегирующего протокола. Устанавливается значение 0x8100, обозначает фрейм, инкапсулированный по протоколу 802.1Q.
PRIORITY- пользовательский приоритет, 3 бита, содержит информацию для приоритезирования по протоколу 802.1p. Возможные уровни приоритета - от 0 до 7.
CFI - Canonical Format Indicator, индикатор канонического формата. 1-битовое поле. При значении 0 указывает на то, что MAC-адрес указан в каноническом формате, при значении "1" - не в каноническом.
VID - VLAN Identifier, идентификатор влана. Указатель на номер влана, которому принадлежит пакет. Имеет значения в диапазоне от 0 до 4095.
Как видим, данный протокол позволяет организовать до 4096 виртуальных сетей. Кроме того он совместим с протоколом 802.1p и позволяет приоритезировать трафик.
Очевидно, что такое тегирование кадров необходимо только в тех сегментах, где одновременно присутствуют кадры нескольких виртуальных сетей:
В современных сетях обычно это имеет место только в магистральных каналах – транках. Перед передачей кадра в сегмент, обслуживающий одну рабочую станцию, приписанную к некоторой виртуальной сети нужды в сохранении метки нет и она убирается из кадра.