Программно-аппаратные средства канального уровня (Data Link) модели OSI обеспечивают доступ к сетевой среде передачи информации, и организуют обмен данными через общую локальную среду. Канальный уровень находится между сетевым и физическим уровнями модели OSI, поэтому он должен предоставлять сервис вышележащему уровню, взаимодействуя с сетевым протоколом, и обеспечивая инкапсулированным в кадр пакетам доступ к сетевой среде. В то же время, канальный уровень управляет процессом размещения передаваемых данных в физической среде. Поэтому канальный уровень разделен на 2 подуровня (рис 5.1): верхний подуровень управления логическим каналом передачи данных (Logical Link Control - LLC), являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде (Media Access Control - MAC). Кроме того, средства канального уровня позволяют обнаруживать ошибки в передаваемых данных.
(рис 5.1) Подуровни канального уровня
Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Передача данных в локальных сетях происходит на сравнительно короткие расстояния (внутри зданий или между близко расположенными зданиями), но с высокой скоростью (10 Мбит/с - 100 Гбит/с). Расстояние и скорость передачи данных определяется аппаратурой соответствующих стандартов.
Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование канального и физического уровней семиуровневой модели ISO/OSI. Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.3u, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.
Подуровень LLC реализуется программными средствами. На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Подуровень LLC реализует связь с протоколами сетевого уровня, обычно с протоколом IP. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO/OSI. Существуют также модификации этого протокола.
). Спецификация технологии МАС-уровня - определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных (скорость передачи, вид среды, узкополосная или широкополосная).
На канальном уровне передающей стороны формируется кадр, в который инкапсулируется пакет. В процессе инкапсуляции к пакету сетевого протокола, например IP, добавляется заголовок и концевик (трейлер) кадра. Таким образом, кадр любой сетевой технологии состоит из трех частей:
На приемной стороне реализуется обратный процесс декапсуляции, когда из кадра извлекается пакет.
Заголовок включает разделители кадров, поля адресов и управления. Разделители кадров позволяют определить начало кадра и обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником. Адреса канального уровня являются физическими адресами. При использовании Ethernet-совместимых технологий адресацию данных в локальных сетях осуществляют МАС-адреса, которые обеспечивают доставку кадра узлу назначения.
Концевик содержит поле контрольной суммы (Frame Check Sequence - FCS), которая вычисляется при передаче кадра с использованием циклического кода CRC. На приемной стороне контрольная сумма кадра вычисляется вновь и сравнивается с принятой. Если они совпадают, то считают, что кадр передан без ошибок. При расхождении значений FCS кадр отбрасывается и требуется его повторная передача.
При передаче по сети кадр последовательно проходит целый ряд соединений, характеризующихся разной физической средой. Например, при передаче данных с Узла А на Узел В (рис 5.2) данные последовательно проходят через: соединение Ethernet между Узлом А и маршрутизатором А (медь, неэкранированная витая пара), соединение между маршрутизаторами А и В (волоконно-оптический кабель), медный кабель последовательного соединения "точка-точка" между маршрутизатором В и беспроводной точкой доступа WAP, беспроводное соединение (радиоканал) между WAP и конечным Узлом В. Поэтому для каждого соединения формируется свой кадр специфического формата.
(рис 5.2) Сеть с разнородными соединениями
Пакет, подготовленный Узлом А, инкапсулируется в кадр локальной сети, который передается в маршрутизатор А. Маршрутизатор декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по оптической среде. Маршрутизатор В декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по медной среде последовательного соединения "точка-точка". Беспроводная точка доступа WAP, в свою очередь, формирует свой кадр для передачи данных по радиоканалу на конечный Узел В.
При создании сетей используются различные логические топологии, которые определяют, как узлы общаются через среду, как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: "точка-точка" (point-to-point), множественного доступа (multiaccess), широковещательная (broadcast) и маркерная (token passing).
Совместное использование среды несколькими устройствами реализуется на основе двух основных методов:
На ранних этапах создания Ethernet-сетей использовалась топология "шина", разделяемая среда передачи данных являлась общей для всех пользователей. При этом реализовался метод множественного доступа к общей среде передачи (протокол 802.3). При этом требовался контроль несущей, наличие которой говорило о том, что какой-то узел уже передает данные по общей среде. Поэтому узел, желающий передать данные, должен был дождаться окончания передачи и при освобождении среды попытаться передать данные.
Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер, у которого адрес сетевого адаптера NIC совпадает с МАС-адресом назначения передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна, для чего узел прослушивает среду.
При одновременной передаче данных двумя или более компьютерами возникает конфликт (коллизия), когда данные передающих узлов накладываются друг на друга, происходит искажение и потеря информации. Поэтому требуется обработка коллизии и повторная передача участвовавших в коллизии кадров.
Подобный метод недетерминированного (ассоциативного) доступа к среде получил название множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection - CSMA/CD).
Метод CSMA/CD не организует и не обслуживает очередность доступа к среде передачи, поэтому не требует больших вычислительных ресурсов и пропускной способности сети. Однако при высокой загрузке сети количество коллизий возрастает и производительность (throughput) снижается. Данный метод использовался в сетях технологии Ethernet, выполненными на концентраторах с полудуплексными проводными соединениями (медными и волоконно-оптическими кабелями).
В настоящее время использование в локальных сетях коммутаторов с полнодуплексными соединениями позволило полностью устранить коллизии. Однако возможность использования метода CSMA/CD сохранилась в сетях технологий FastEthernet и GigabitEthernet. Стандарт технологии 10 GigabitEthernet законодательно запретил использовать метод CSMA/CD, т.е. запретил строить локальные сети на концентраторах.
В беспроводных сетях технологий 802.11 используется ассоциативный метод множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением (избежанием) коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance - CSMA/CA). Обмен сообщениями производится через беспроводную точку доступа. Согласно этому методу, устройство, которому требуется передать данные, проверяет среду передачи на наличие сигнала несущей. Если среда свободна, устройство отправляет уведомление беспроводной точке доступа о своем намерении использовать ее. Затем устройство отправляет данные.
В отличие от метода множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), метод CSMA/CA позволяет значительно уменьшить количество коллизий в сети с разделяемой средой передачи, но не предотвратить их полностью.
Метод контролируемого (детерминированного) доступа с маркерной логической топологией использовался в сетях Token Ring и Fiber Distributed Data Interface (FDDI). В этих сетях, также как в сетях Ethernet, реализуется разделение общей среды и множественный доступ. Однако, если в топологии множественного доступа Ethernet-сетей доступ к среде случайный (не детерминированный), то в маркерной топологии доступ к среде детерминированный. Электронный маркер (token) последовательно передается каждому узлу по кольцу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть. Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Сети Token Ring и FDDI в настоящее время вытеснены технологиями Ethernet.
В локальных и глобальных сетях на канальном уровне используются различные протоколы и различные форматы кадров. В локальных сетях основным протоколом канального уровня является Ethernet и совместимые с ним. В глобальных соединениях "точка-точка" наиболее распространенным является протокол Point-to-Point Protocol - PPP. В беспроводных сетях технологий 802.11 используется метод множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением (избежанием) коллизий (CSMA/CA).
Формат кадров канального уровня практически одинаков для всех Ethernet совместимых технологий. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. Один из форматов кадра (802.3) подуровня МАС приведен на рис 5.3.
(рис 5.3) Формат кадра 802.3 подуровня МАС
Разделитель кадров, позволяющий определить начало кадра и обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником, представлен преамбулой и начальным ограничителем кадра (Start of Frame Delimiter - SFD). Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель - 10101011 отмечает начало кадра. В некоторых форматах все 8 байт, которые перечислены, называются преамбулой.
Формат кадра включает поля физических адресов узла назначения (DA - Destination Address) и узла источника (SA - Source Address). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС-адресов. МАС-адреса содержат 48 двоичных разрядов и отображаются в шестнадцатеричной системе одной из следующих форм: 00-19-D1-93-7E-BC, 00:19:D1:93:7E:BC, 0019.D193.7EBC. МАС-адреса являются "плоскими" не иерархическими.
В локальных сетях адресация сообщений производится на основе МАС-адресов, которые "прошиты" в ПЗУ сетевых карт конечных узлов и на интерфейсах сетевых элементов. При запуске компьютера МАС-адрес из ПЗУ копируется в оперативную память ОЗУ. В современной аппаратуре программаторы позволяют изменять МАС-адреса, что снижает эффективность фильтрации трафика на основе МАС-адресов, т.е. снижает информационную безопасность.
Адрес, состоящий из всех единиц FF-FF-FF-FF-FF-FF, является широковещательным адресом (broadcast), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.
Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты. Старшие 24 разряда физического МАС-адреса, называемые уникальным идентификатором организации (OUI), присваиваются производителю оборудования институтом IEEE. Израсходовав все $$10_{24}$$МАС-адреса, задаваемые младшими 24 разрядами, производитель оборудования должен получить новый идентификатор OUI от IEEE. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, он считается, в отличие от IP-адреса, плоским (не иерархическим).
Поле L (рис 5.3) определяет длину поля данных Data, которое может быть от 46 до 1500 байт. Если поле данных меньше 46 байт, то оно дополняется до 46 байт.
В настоящее время часто используется формат кадра стандарта Ethernet-II, в котором вместо поля L задается поле типа Т, где указан протокол сетевого уровня. Например, при использовании на сетевом уровне протокола IPv4 шестнадцатеричное значение поля Т будет 0?0800. В случае передачи кадра протокола ARP значение поля Т - 0?0806. Остальные поля кадра Ethernet-II идентичны кадру стандарта 802.3.
Поле контрольной суммы (FCS - Frame Check Sequence) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре, за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода CRC.
Таким образом, минимальный размер кадра с учетом адресного поля (12 байт), поля L/T (2 байта) и поля контрольной суммы FCS (4 байта) составляет 64 байта, а максимальный размер - 1518 байт. С учетом преамбулы минимальный размер кадра - 72 байта.
При использовании широко известных технологий виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Network - ).
(рис 5.4) Формат кадра VLAN (802.3ac)
Когда сетевое устройство принимает кадр, размер которого меньше минимального или больше максимального, то устройство отбрасывает такой кадр, поскольку считает, что кадр искажен в результате коллизии или воздействия помех.
Для связи между двумя узлами в сетях широко используется протокол "точка-точка" (Point-to-Point Protocol - .
(рис 5.5) Формат кадра протокола РРР
Кадр начинается с флага 01111110. Поскольку сеть ограничена двумя узлами, то в кадре задается широковещательный адрес узла назначения 11111111 размером в 1 байт, поскольку в двухточечном соединении кадр, переданный одним узлом, в любом случае попадет на другой узел. По этой же причине не задается адрес узла-источника. В поле управления длиной 1 байт задан код 00000011. Поле протокола длиной в 2 байта идентифицирует протокол вышележащего уровня. Поле данных содержит пакет, определенный в поле протокола. Поле контрольной суммы (FCS) длиной 2 или 4 байта позволяет обнаруживать ошибки в полученном кадре.
Короткий заголовок кадра РРР позволяет эффективно использовать пропускную способность канала. Протокол РРР позволяет производить аутентификацию узлов, обменивающихся данными. Протокол РРР широко используется как в локальных, так и в глобальных сетях.
В технологиях беспроводных сетей стандарта 802.11, называемых также Wi-Fi (Wireless Fidelity),используется формат кадра, изображенный на рис 5.6.
(рис 5.6) Формат кадра стандарта 802.11
Также как в сетях Ethernet в сетях Wi-Fi на уровне управления логическим каналом LLC используется протокол 802.2. В формате кадра используются МАС-адрес назначения DA и МАС-адрес источника SA по 48 двоичных разряда. Концевик кадра содержит контрольную сумму FCS для проверки принятого кадра на наличие ошибок.
Обмен сообщениями в сетях Wi-Fi обычно производится через промежуточные устройства (беспроводные точки доступа). Поэтому в формате кадра 802.11 дополнительно предусмотрены:
Поле управления кадром содержит информацию о версии протокола, типе кадра (контроль, управление, данные), о наличии дополнительных фрагментов кадров, о шифровании данных, и другую информацию.
Поле Длительность/Идентификатор используется по-разному, в зависимости от типа кадра. В этом поле указывается либо время, требуемое для передачи кадра, либо идентификатор станции, передавшей кадр.
Поле управления последовательностью размером в 2 байта состоит из двух частей: первые 4 бита задают номер фрагмента кадра; оставшиеся 12 бит задают номер последовательности, который был присвоен кадру.
В кадрах могут передаваться данные (пакет IP) или служебная информация, размещаемые в поле основного текста кадра (Frame Body).
Адресация в локальных сетях реализуется на основе МАС-адресов. Адресация может быть одноадресная (unicast), многоадресная (multicast), широковещательная (broadcast). В одноадресном режиме узел-источник, например, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные только одному узлу с IP-адресом 192.168.10.22 (рис 5.7).
(рис 5.7) Одноадресный режим передачи данных
При этом передаваемый по локальной сети кадр (рис 5.8) содержит в своем заголовке МАС-адреса назначения и источника.
(рис 5.8) Кадр одноадресной рассылки
В многоадресном режиме (групповая адресация) IP-адреса задаются из диапазона 224.0.0.0 - 239.255.255.255. Так узел-источник, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные тем узлам, которые имеют групповой адрес, например, 224.0.0.202 (рис 5.9, рис 5.10).
(рис 5.9) Кадр многоадресной рассылки
(рис 5.10) Многоадресный режим передачи данных
Групповым IP-адресам соответствуют МАС-адреса, начинающиеся с 01-00-5Е. Младшие разряды МАС-адреса формируются из младших разрядов IP-адреса. Например, IP-адресу 224.0.0.202 соответствует групповой МАС-адрес 01-00-5Е-00-00-СА.
В широковещательном режиме узел-источник, например, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные всем узлам локальной сети по адресу 192.168.10.255 (рис 5.11, рис 5.12). Широковещательный МАС-адрес назначения FF-FF-FF-FF-FF-FF содержит 48 двоичных единиц.
(рис 5.11) Кадр широковещательной рассылки
(рис 5.12) Широковещательный режим передачи данных
В локальных сетях телекоммуникаций устройствам необходимы как физический МАС-адрес, так и логический IP-адрес, которые однозначно адресуют любое устройство в сети, образуя соответствующую пару. Указанные пары МАС- и IP-адресов узлов локальной сети (называемые также сопоставлениями) хранятся в таблице протокола разрешения адресов (Address Resolution Protocol - ARP). Протокол ARP входит в стек протоколов TCP/IP и реализует процесс нахождения МАС-адреса по известному сетевому IP-адресу.
На каждом конечном узле можно посмотреть его физический адрес и IP-адрес по команде ).
(рис 5.13) Результат выполнения команды ipconfig /all
Из распечатки следует, что физическим МАС-адресом конечного узла является 00-19-D1-93-7E-BE, а логическим IP-адресом - 10.0.118.52.
Протокол ARP может по IP-адресу определить МАС-адрес устройства. Каждое устройство в сети поддерживает таблицу , где таблица содержит только одну пару IP и MAC адресов.
(рис 5.14) Таблица ARP
Таблица ARP пополняется динамически путем контроля трафика локального сегмента сети. Все узлы локальной сети Ethernet анализируют трафик, чтобы определить, предназначены ли данные для них. При этом IP и MAC-адреса источников дейтаграмм записываются в таблице ARP. Например, после общения с узлом 10.0.118.65 в таблице ARP появляется дополнительная, по сравнению с рис 5.14, запись (рис 5.15).
(рис 5.15) Изменения в таблице ARP
Для проверки записей ARP-таблицы маршрутизатора используется команда show ip arp. Когда устройство передает пакет по IP-адресу назначения, оно проверяет, имеется ли в ARP-таблице соответствующий МАС-адрес назначения. Если соответствующая запись имеется, то она используется при инкапсуляции пакета в кадр данных. Данные передаются по сетевой среде, устройство назначения принимает их.
Если узел не находит соответствующей записи в таблице ARP, то он для получения MAC-адреса назначения посылает в локальную сеть широковещательный ARP-запрос, в котором задается сетевой логический IP-адрес устройства назначения. Все другие устройства сети анализируют его. Если у одного из устройств локальной сети IP-адрес совпадает с запрашиваемым, то устройство посылает ARP-ответ, который содержит пару IP и MAC адресов. Эта пара IP и MAC адресов записывается в ARP-таблице. Если в локальной сети нет запрашиваемого IP-адреса, то устройство источник сообщает об ошибке.
Когда данные передаются за пределы локальной сети, то для передачи сообщения необходимы IP и MAC-адреса как устройства назначения, так и МАС-адреса промежуточных маршрутизирующих устройств. Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные запросы в другие сегменты сети, то в этом случае маршрутизатор в ответ на запрос посылает ARP-ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса, на который поступил запрос. Таким образом, сформированный конечным устройством кадр поступит на входной интерфейс маршрутизатора, который после анализа адреса сети назначения и обращения к таблице маршрутизации продвинет пакет на выходной интерфейс.
Входной интерфейс маршрутизатора, через который узлы локальной сети могут передавать сообщения в удаленные сети, получил название шлюз. IP-адрес входного интерфейса маршрутизатора на пути к устройству назначения (шлюз по умолчанию - Default Gateway) обычно конфигурируется на всех конечных узлах (хостах). Источник сообщения сравнивает IP-адрес назначения со своим IP-адресом и определяет, находятся ли эти адреса в одном сегменте сети или в разных сегментах. Если они находятся в разных сегментах, то данные будут переданы только при условии, что установлен шлюз по умолчанию.
Таким образом, при передаче данных по сети узел для нахождения МАС-адреса назначения посылает в сеть широковещательный ARP запрос, в котором задается IP-адрес устройства назначения, на который в ответ получает: либо МАС-адрес узла назначения из той же локальной сети, либо МАС-адрес входного интерфейса маршрутизатора (шлюза по умолчанию), если адресат находится в удаленной сети.
При передаче по сети IP-адреса источника и назначения остаются неизменными на всем пути следования пакета. При поступлении в маршрутизатор из кадра извлекается пакет, определяется на какой выходной интерфейс необходимо его передать (продвинуть). На выходном интерфейсе формируется новый кадр, в котором задаются новые МАС-адреса источника и назначения. То есть, МАС-адреса изменяются в каждом маршрутизаторе.
В крупных сетях широковещательные ARP-запросы могут приводить к перегрузке сети. Кроме того, широковещательные запросы легко перехватывают хакеры, получая информацию об IP- и МАС-адресах сети. Поэтому для сокращения широковещательных ARP-запросов администратор может создавать записи в таблице ARP статически. Статические записи динамически не удаляются, удалить их может только сам администратор.
Для предотвращения коллизий крупные локальные сети делятся на сегменты или домены коллизий, с помощью маршрутизаторов или коммутаторов. Непосредственно к маршрутизатору конечные узлы обычно не подключаются; подключение выполняется через коммутаторы. Каждый порт коммутатора оснащен процессором, память которого позволяет создавать буфер для хранения поступающих кадров. Общее управление процессорами портов осуществляет системный модуль.
Каждый сегмент, образованный портом (интерфейсом) коммутатора с присоединенным к нему узлом (компьютером) или с концентратором со многими узлами, является сегментом (доменом) коллизий. При возникновении коллизии в сети, реализованной на концентраторе, сигнал коллизии распространяется по всем портам концентратора. Однако на другие порты коммутатора сигнал коллизии не передается.
Существует два режима двусторонней связи: полудуплексный (half-duplex) и полнодуплексный (full-duplex). В полудуплексном режиме в любой момент времени одна станция может либо вести передачу, либо принимать данные. В полнодуплексном режиме устройство может одновременно принимать и передавать информацию, т.е. обе станции в соединении точка-точка, могут передавать данные в любое время, независимо от того, передает ли другая станция. Для разделяемой среды полудуплексный режим является обязательным. Ранее создававшиеся сети Ethernet на коаксиальном кабеле были только полудуплексными. Неэкранированная витая пара UTP и оптическое волокно могут использоваться в сетях, работающих в обоих режимах. Новые высокоскоростные сети 10-GigabitEthernet работают только в полнодуплексном режиме. Большинство коммутаторов могут использовать как полудуплексный, так и полнодуплексный режим.
В случае присоединения компьютеров индивидуальными линиями к портам коммутатора каждый узел вместе с портом образует микросегмент. В сети, узлы которой соединены с коммутатором индивидуальными линиями, и работающей в полудуплексном режиме, возможны коллизии, если одновременно начнут работать передатчики коммутатора и сетевого адаптера узла.
В полнодуплексном режиме работы при микросегментации коллизий не возникает. При одновременной передаче данных от двух источников одному адресату буферизация кадров позволяет запомнить и передать кадры поочередно и, следовательно, избежать их потери. Отсутствие коллизий обусловило широкое применение топологии сети с индивидуальным подключением узлов к портам коммутатора.
Современные коммутаторы используют функцию Auto-MDIX, которая позволяет автоматически определять требуемый тип медного кабеля (прямой или кроссовый). Таким образом, отпадает необходимость создания и хранения двух типов кабеля.
Коммутатор является устройством канального уровня семиуровневой модели ISOOSI, где для адресации используются МАС-адреса (рис 5.16). Адресация происходит на основе МАС-адресов сетевых адаптеров узлов.
Для передачи кадров используется алгоритм, определяемый стандартом 802.1D. Реализация алгоритма происходит за счет создания статических или динамических записей адресной таблицы коммутации. Статические записи таблицы создаются администратором. Важно отметить, что коммутатор можно не конфигурировать, он будет работать по умолчанию, создавая записи адресной таблицы в динамическом режиме. При этом в буферной памяти порта запоминаются все поступившие на порт кадры.
(рис 5.16) Сеть на базе коммутатора
Первоначально в коммутаторе отсутствует информация о том, какие МАС-адреса имеют подключенные к портам узлы. Поэтому ), то в таблице (табл. 5.1) появится первая запись. В этой записи будет указано, что узел с МАС-адресом 0В1481182001 присоединен к порту № 1. При передаче данных от узла 0АА0С9851004 узлу 0002В318А102 в табл. 5.1 появится вторая запись и т.д. Таким образом, число записей в адресной таблице может быть равно числу узлов в сети, построенной на основе коммутатора.
| № записи | МАС-адрес | № порта |
|---|---|---|
| 1 | 0В1481182001 | 1 |
| 2 | 0АА0С9851004 | n |
| 3 | ||
| 4 |
Когда адресная таблица коммутации сформирована, продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице. При получении кадра коммутатор проверяет, существует ли МАС-адрес узла назначения в таблице коммутации. При обнаружении адресата в таблице коммутатор производит еще одну проверку: находятся ли адресат и источник в одном сегменте. Если они в разных сегментах, то коммутатор производит ), то передавать кадр на другой порт не нужно. В этом случае кадр должен быть удален из буфера порта, что называется фильтрацией кадров. Использование концентратора приводит к тому, что в адресной таблице к одному порту будет приписано несколько МАС-адресов.
С появлением в сети новых узлов адресная таблица пополняется. Если в течение определенного времени какой-то узел не передает данные, то считается, что он в сети отсутствует, тогда соответствующая запись из таблицы удаляется. При необходимости администратор может включать в таблицу статические записи, которые не удаляются динамически. Такую запись может удалить только сам администратор.
При получении кадров с широковещательными адресами коммутатор передает их на все свои порты. В ряде случаев такой режим удобен. Однако, если какой либо узел из-за сбоя начинает ошибочно генерировать кадры с широковещательными адресами, то сеть очень быстро оказывается перегруженной, наступает широковещательный ).
Маршрутизатор делит сеть на широковещательные домены, т.е. на отдельные сети (подсети). Поэтому широковещательные сообщения распространяются только в пределах локальной сети. Во второй части настоящего курса будет показано, что деление на широковещательные домены может реализовать коммутатор при создании виртуальных локальных сетей VLAN.
(рис 5.17) Деление сети на широковещательные домены
Коммутаторы могут работать в нескольких режимах, при изменении которых меняются задержка и надежность. Для обеспечения максимального быстродействия коммутатор может начинать передачу кадра сразу, как только получит МАС-адрес узла назначения. Такой режим получил название сквозной коммутации или коммутации "на лету" (cut-through switching), он обеспечивает наименьшую задержку при прохождении кадров через коммутатор. Однако в этом режиме невозможен контроль ошибок, поскольку поле контрольной суммы находится в конце кадра. Следовательно, этот режим характеризуется низкой надежностью. В данном режиме сеть "засоряется" поврежденными кадрами, что снижает ее производительность.
Во втором режиме коммутатор получает кадр целиком, помещает его в буфер, проверяет поле контрольной суммы (FCS) и затем пересылает адресату. Если получен кадр с ошибками, то он отбрасывается (discarded) коммутатором. Поскольку кадр перед отправкой адресату назначения запоминается в буферной памяти, то такой режим коммутации получил название коммутации с промежуточным хранением или буферизацией (store-and-forward switching). Таким образом, в этом режиме обеспечивается высокая надежность, но сравнительно низкая скорость коммутации.
Промежуточное положение между режимами сквозной коммутацией на лету и буферизацией занимает режим коммутации свободного фрагмента (fragment-free mode). В этом режиме в буфер помещается 64 байта кадра, читаются заголовок кадра, поле данных минимальной длины и контрольная сумма, после этого начинается передача кадра. Таким образом, проверка контрольной суммы производится только у коротких кадров, в кадрах большего размера контрольная сумма не проверяется.
Когда используется режим сквозной коммутации на лету, порты устройств источника и назначения должны иметь одинаковую скорость передачи. Такой режим называется симметричной коммутацией. Если скорости не одинаковы, то кадр должен запоминаться (буферизироваться) перед тем, как будет передаваться с другой скоростью. Такой режим называется асимметричной коммутацией, при этом должен использоваться режим с буферизацией.
Асимметричная коммутация обеспечивает связь между портами с разной полосой пропускания. Данный режим является характерным, например, для потока данных между многими клиентами и сервером, при котором многие клиенты могут одновременно соединяться с сервером. Поэтому на это соединение должна быть выделена широкая полоса пропускания.
Для буферизации коммутатор может использовать буферную память портов или общую память коммутатора. Во втором случае требуемый каждому порту объем памяти выделяется динамически, что позволяет успешно реализовать асимметричную коммутацию.
Выбор коммутаторов для проектируемой сети определяется рядом параметров: скоростью фильтрации кадров, скоростью продвижения кадров, пропускной способностью, длительностью задержки передачи кадра, а также возможностью подачи питания на конечный узел по кабелю Ethernet (PoE), конструктивными особенностями коммутатора (конфигурацией) и другими характеристиками.
Скорость фильтрации определяется временем приема кадра, запоминанием его в буфере, обращением к адресной таблице коммутации и удалением кадра из буферной памяти, если адресат и источник находятся в одном сегменте. Коммутатор обычно успевает фильтровать кадры в темпе их поступления в интерфейс, поэтому фильтрация не вносит дополнительной задержки.
Скорость продвижения кадров определяется временем приема кадра, запоминанием его в буфере, обращением к адресной таблице и передачей кадра с входного порта на выходной, который связан с устройством назначения. Скорость фильтрации и скорость продвижения задаются в кадрах в секунду, причем, для оценки этих параметров обычно берутся кадры минимальной длины 64 байта.
Пропускная способность коммутатора определяется количеством передаваемых данных, содержащихся в поле Data кадра, в единицу времени. Пропускная способность достигает своего максимального значения при передаче кадров максимальной длины.
Задержка передачи кадров определяется временем от момента появления первого байта кадра на входном порте коммутатора до момента появления этого байта на выходном порте. В зависимости от режима коммутации время задержки составляет от единиц до сотен микросекунд.
Основные параметры коммутаторов иногда называют обобщенным термином - форм-фактор.
Конструктивно коммутатор может быть фиксированной или модульной конфигурации. Коммутатор фиксированной конфигурации содержит определенное количество портов, например, 24 порта FastEthernet и 2 порта GigabitEthernet, и эту конфигурацию изменить нельзя. В коммутаторах модульной конфигурации пользователь может устанавливать требуемое количество модулей портов в пределах возможностей линейной платы. Добавление новой линейной платы увеличивает количество портов и повышает плотность портов. Стекируемые (наращиваемые) коммутаторы соединяются между собой специальным кабелем, образуя единое мощное сетевое устройство.
Для расширения функциональных возможностей коммутаторов используют компактные приемо-передатчики (трансиверы) стандарта ) реализуется присоединение оптического или симметричного медного кабеля (витая пара) к порту коммутатора. Разные модули SFP позволяют использовать как многомодовое, так и одномодовое волокно на различных длинах волн (850 нм, 1310 нм, 1550 нм) для передачи данных на разное расстояние. Широкая номенклатура модулей SFP позволяет создавать сетевые устройства различного назначения. В технологиях Ethernet модули SFP реализуют скорости передачи 100 Мбит/c, 1 Гбит/c, 10 Гбит/c, 20 Гбит/c; в технологиях SDH модули SFP позволяют передавать потоки данных уровня STM-1, STM-4, STM-16.
(рис 5.18) Модули SFP
Во многих сетях пакетной коммутации используются комбинации устройств: маршрутизатор, коммутатор, конечные узлы (рис 5.19а). В этом случае коммутатор реализует коммутацию и фильтрацию кадров локальной сети на основе МАС-адресов, т.е. выполняет функции устройства второго уровня модели OSI.
 (рис 5.19) |
|
| а) | б) |
| Рис. 5.19. Элементы сети | |
Маршрутизацию и передачу пакетов между сетями выполняет маршрутизатор, характеризующийся широким спектром функций. Коммутатор характеризуется большим количеством портов и высокой производительностью. Поэтому в новых сетевых элементах (коммутаторах-маршрутизаторах) объединили функции коммутатора и маршрутизатора (рис 5.19б). Такое устройство получило название коммутатора уровня 3 модели OSI. Коммутатор уровня 3 пересылает данные, базируясь на IP- и МАС-адресах назначения. Пересылка данных происходит с высокой скоростью, характерной для классических коммутаторов уровня 2.
Коммутаторы уровня 3 фирмы Catalyst функционируют на базе технологии Cisco Express Forwarding (CEF), которая для пересылки данных создает и поддерживает базу данных о переадресации (FIB) и таблицу смежности.
У коммутаторов уровня 3 существует три основных типа интерфейсов:
Для конфигурирования маршрутизируемого порта уровня 3 нужно выполнить команду no switchport, назначить IP-адрес, включить интерфейс, например:
Switch(config)#interfase f0/2 Switch(config-if)#no switchport Switch(config-if)#ip address 192.168.10.1 255.255.255.0 Switch(config-if)#no shutdown
Коммутатор уровня 3 пересылает сообщения на основе комбинации IP-адресов и МАС-адресов.
Когда сеть строится с использованием топологии иерархического дерева, то коммутационные петли отсутствуют. Однако сети часто проектируются с избыточными путями, чтобы обеспечить надежность и устойчивость сети (рис 5.20).
Избыточные пути могут приводить к образованию коммутационных петель, что, в свою очередь, может привести к широковещательному шторму и обрушению сети.
(рис 5.20) Образование маршрутных петель в сетях на коммутаторах
Протокол для предотвращения петель в коммутируемых сетях (Spanning-Tree Protocol - STP) используется в сетях с избыточными путями. Коммутаторы используют алгоритм STA, чтобы перевести в резервное состояние избыточные пути, которые не соответствуют иерархической топологии. Запасные избыточные пути задействуются, если основные выходят из строя.
Таким образом, протокол STP используется для создания логической иерархии без петель, т.е. даже при наличии физических петель, логические петли отсутствуют. Каждый коммутатор в локальной сети рассылает уведомления STP во все свои порты, чтобы позволять другим коммутаторам знать о их существовании. Эта информация используется, чтобы выбрать корневой коммутатор для сети. Протокол STP создает древовидную топологию, где от каждого коммутатора и от каждого сегмента сети будет единственный путь минимальной длины до корневого коммутатора. Для определения длины пути используется соответствующая метрика.
Каждый порт коммутатора, который используя STP, находится в одном из следующих 5 состояний:
Подробности работы протокола STP приведены во второй части настоящего курса. Существенным недостатком протокола STP является слишком долгое время формирования новой конфигурации сети, которое может составлять значение порядка минут. Ускорение процесса формирования новой конфигурации сети достигнуто за счет разработки быстродействующих протоколов, среди которых наиболее известен протокол Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), специфицированный организацией IEEE как 802.1D-2004, затем как 802.1W.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.