Построение сетей на базе коммутаторов и маршрутизаторов

Канальный уровень

Показывать лекцию целиком

4.1. Подуровни LLC и MAC

Канальный уровень (Data Link) обеспечивает обмен данными через общую локальную среду. Он находится между сетевым и физическим уровнями модели OSI. Поэтому Канальный уровень 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: верхний подуровень логической передачи данных LLCLogical Link Control, являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде MAC – Media Access Control (рис 4.1). Кроме того, на Канальном уровне обнаруживают ошибки в передаваемых данных.

(рис 4.1) Подуровни Канального уровня

Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Международным институтом инженеров по электро- технике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics EngineersIEEE) 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.

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. Этот подуровень реализует связь с протоколами сетевого уровня. 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, которые будут рассмотрены позже.

Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Протоколы МАС-уровня ориентированы на совместное использование физической среды абонентами. Разделяемая среда (shared media) применяется в таких широко распространенных в локальных сетях технологиях, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI. Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи, удешевляет сеть, но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.

Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня (рис 4.1). Спецификация технологии МАС-уровня определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных (скорость передачи, вид среды, узкополосная или широкополосная).

Так, протоколу 802.3, описывающему наиболее известную технологию Ethernet, соответствуют спецификации физического уровня: 10Base-T, 10Base-FB, 10Base-FL. Число 10 показывает, что скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с, Base – система узкополосная. Спецификация 10Base-T предусматривает построение локальной сети на основе использования неэкранированной витой пары UTP не ниже 3-й категории и концентратора. Спецификации 10Base-FB, 10Base-FL используют волоконно-оптические кабели. Более ранние спецификации 10Base-5 и 10Base-2 предусматривали использование "толстого" или "тонкого" коаксиального кабеля.

Протоколу Fast Ethernet (802.3u) соответствуют следующие спецификации физического уровня:

  • 100Base-T4, где используется четыре витых пары кабеля UTP не ниже 3-й категории;
  • 100Base-TX – применяется две пары кабеля UTP не ниже 5-й категории;
  • 100Base-FX – используется два волокна многомодового оптического кабеля.
  • Помимо Ethernet и Fast Ethernet на МАС-уровне используется еще ряд технологий: Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/c – стандарты 802.3z и 802.3ab; 10Gigabit Ethernet со скоростью передачи 10 000 Мбит/c – стандарт 802.3ае, а также ряд других. Например, протокол 802.5 описывает технологию сетей Token Ring, где в качестве физической среды используется экранированная витая пара STP, с помощью которой все станции сети соединяются в кольцевую структуру. В отличие от технологии Ethernet, в сетях с передачей маркера (Token Ring) реализуется не случайный, а детерминированный доступ к среде с помощью кадра специального формата – маркера (token). Сети Token Ring позволяют передавать данные по кольцу со скоростями либо 4 Мбит/c, либо 16 Мбит/c. По сравнению с Ethernet технология Token Ring более сложная и надежная, однако Token Ring несовместима с новыми технологиями Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10Gigabit Ethernet. Технологии Ethernet и совместимые с ними как раз и рассматриваются в настоящем курсе лекций.

    Передаваемый в сеть пакет инкапсулируется в поле данных кадра протокола LLC, формат которого приведен на табл. 4.1.

    Формат кадра LLC
    Флаг DSAP SSAP Control Data Флаг
    01111110 1 байт 1 байт 1-2 байта 46-1497 байт 01111110

    Флаги определяют границы кадра LLC. В поле данных (Data) размещаются пакеты сетевых протоколов. Поле адреса точки входа службы назначения ( DSAPDestination Service Access Point) и адреса точки входа службы источника ( SSAP – Source Service Access Point) длиной по 1 байту адресуют службу верхнего уровня, которая передает и принимает пакет данных. Например, служба IP имеет значение SAP, равное 0х6. Обычно это одинаковые адреса. Адреса DSAP и SSAP могут различаться только в том случае, если служба имеет несколько адресов точек входа. Таким образом, адреса DSAP и SSAP не являются адресами узла назначения и узла источника, да и не могут быть таковыми, поскольку поле длиной 1 байт позволяет адресовать только 256 точек, а узлов в сети может быть много.

    Поле управления (Control) имеет длину 1 или 2 байта в зависимости от того, какой тип кадра передается: информационный (Information), управляющий (Supervisory), ненумерованный (Unnumbered). У первых двух длина поля Control составляет 2 байта, у ненумерованного – 1 байт. Тип кадра определяется процедурой управления логическим каналом LLC. Стандартом 802.2 предусмотрено 3 типа таких процедур:

  • LLC1 – процедура без установления соединения и подтверждения;
  • LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением;
  • LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением.
  • Процедура LLC1 применяется при дейтаграммном режиме передачи данных. Для передачи данных используются ненумерованные кадры. Восстановление принятых с ошибками данных производят протоколы верхних уровней, например, протокол транспортного уровня. В дейтаграммном режиме функционирует, например, протокол IP.

    Процедура LLC2 перед началом передачи данных устанавливает соединение, послав соответствующий запрос и получив подтверждение, после чего передаются данные. Процедура позволяет восстанавливать потерянные и исправлять ошибочные данные, используя режим скользящего окна. Для этих целей она использует все три типа кадров (информационные, управляющие, ненумерованные). Данная процедура более сложная и менее быстродействующая по сравнению с LLC1, поэтому она применяется в локальных сетях значительно реже, чем LLC1, например, протоколом NetBIOS/NetBEUI.

    Широкое применение процедура, подобная LLC2, получила в глобальных сетях для надежной передачи данных по ненадежным линиям связи. Например, она используется в протоколе LAP-B сетей Х.25, в протоколе LAP-D сетей ISDN, в протоколе LAP-M сетей с модемами, частично – в протоколе LAP-F сетей Frame Relay.

    Процедура LLC3 задействуется в системах управления технологическими процессами, когда необходимо высокое быстродействие и знание того, дошла ли управляющая информация до объекта.

    Наиболее широкое распространение в локальных сетях получила процедура LLC1, в которой используются только ненумерованные типы кадров.

    На передающей стороне кадр LLC-уровня передается на МАС- уровень, где инкапсулируется в кадр соответствующей технологии данного уровня. При этом флаги кадра LLC отбрасываются. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. На табл. 4.2 приведен наиболее распространенный формат кадра стандарта 802.3/LLC.

    Формат кадра Ethernet 802.3/LLC
    Преамбула SFD DA SA L DSAP SSAP Control Data FCS
    7 байт 10101011 6 байт 6 байт 2 байта 1 байт 1 байт 1 байт 46-1497 байт 4 байта

    Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель кадра (Start of Frame Delimiter – SFD) – 10101011 вместе с преамбулой в итоге составляют 8 байт. Далее следуют физические адреса узла назначения (DA – Destination Address) и узла источника (SA – Source Address). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС- адресов. Они содержат 48 двоичных разрядов и представляются в шестнадцатеричной системе. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов, которые "прошиты" в ПЗУ сетевых карт.

    Адрес, состоящий из всех единиц FFFFFFFFFFFF, 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. Следующие 22 разряда задают идентификатор производителя оборудования. Старший бит, равный 0, указывает на то, что адрес является индивидуальным, а равный 1 – на то, что адрес является групповым. Второй старший бит, равный 0, указывает, что идентификатор задан централизованно комитетом IEEE. В стандартной аппаратуре Ethernet идентификатор всегда задан централизованно. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, МАС-адрес считается плоским (flat).

    Поле L (рис 4.3) определяет длину поля данных Data, которое может быть от 46 до 1497 байт (в информационных кадрах процедуры LLC2 – до 1496 байт, поскольку поле Control – 2 байта). Если поле данных меньше 46 байт, то оно дополняется до 46 байт.

    Поле контрольной суммы (FCSFrame Check Sequence) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода.

    4.2. Локальные сети технологии Ethernet

    В сетях технологии Ethernet, построенных на основе логической топологии "общая шина", разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей, т. е. реализуется множественный доступ к общей среде. Для передачи данных используется манчестерский код, скорость передачи составляет 10 Мбит/с, т.е. длительность битового интервала равна 0,1 мкс. Между кадрами должен быть интервал длительностью 9,6 мкс. Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер, у которого адрес сетевого адаптера совпадает с адресом DA передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Такой способ обмена данными получил название метода множественного доступа к среде с распознаванием несущей и фиксацией коллизий ( CSMA/CDCarrier Sence Multiply Access with Collision Detection), суть которого объясняется ниже.

    При одновременной передаче данных двумя компьютерами возникает так называемая коллизия, когда данные двух передающих узлов накладываются друг на друга и происходит потеря информации. Поэтому прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна. Для этого он прослушивает среду. Если какой-либо компьютер сети уже передает данные, то в сети обнаруживается несущая частота передаваемых сигналов. Если по окончании передачи сразу два узла попытаются одновременно начать передачу своих данных, то возникнет коллизия, которая фиксируется компьютерами. Узел, первым обнаруживший коллизию, усугубляет ее путем передачи в сеть специальных JAM - сигналов для оповещения всех компьютеров сети. При этом компьютер должен немедленно прекратить передачу данных и выдержать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. По окончании этого интервала узел может вновь попытаться передать свои данные.

    Длительность паузы составляет

    Tп=TотсxL,

    где Tотс – интервал отсрочки, равный 512 битовым интервалам, т. е. при скорости 10 Мбит/с интервал отсрочки Tотс = 51,2 мкс;

    L – случайное целое число, выбранное из диапазона [0, 2N], где N – номер повторной попытки передачи узлом данного кадра. N изменяется от 1 до 10. Всего повторных попыток передачи может быть 16, но после 10-ой попытки число N не увеличивается. Таким образом, L может принимать значения от 0 до 1024, а пауза Tп= 0 - 52,4 мс. После 16-й неудачной попытки, приведшей к коллизии, кадр отбрасывается.

    Длительность передачи кадра Тк должна быть больше максимально возможного времени обнаружения коллизии Твок. В этом случае узел, начавший передачу и затем обнаруживший коллизию, сможет повторно передать кадр, хранящийся в буфере. В противном случае переданный кадр теряется. Наихудший случай будет при передаче кадра минимальной длительности Ткmin, когда должно выполняться условие Ткmin $$\ge$$ Твок. Максимально возможное время обнаружения коллизии Твок определяется размерами сети (диаметром сети). Твок макс – это время, за которое сигнал передаваемого кадра дойдет до самого удаленного узла и сигнал о коллизии вернется обратно. Это время получило название времени двойного оборота ( PDVPath Delay Value).

    С учетом условия Ткmin $$\ge$$ Твок а также времени задержки сигналов в устройствах сетевых адаптеров и концентраторов, максимальный диаметр сети Ethernet установлен 2500 м, а минимальная длина кадра вместе с преамбулой – 72 байта. Поэтому минимальная длина поля данных составляет 46 байт, а максимальная длина поля данных – 1497 байт. Основные технические характеристики сети Ethernet сведены в таблицу 4.3.

    Основные технические характеристики сети Ethernet
    Параметры Значения
    Скорость передачи данных 10 Мбит/с
    Максимальное число станций в сети 1024
    Максимальное расстояние между узлами 2500 м
    Межкадровый интервал 9,6 мкс
    Минимальная длина кадра 72 байта
    Скорость передачи кадров минимальной длины 14880 кадр./c
    Максимальная длина кадра 1526 байт
    Скорость передачи кадров максимальной длины 813 кадр./c
    Длина JAM-последовательности 32 бита
    Интервал отсрочки 51,2 мкс
    Максимальное число попыток передачи 16
    Длина случайной паузы после коллизии 0-52,4 мс

    До недавнего времени сети Ethernet строились, как правило, на основе стандарта 10 Base-T, который в качестве разделяемой среды использует неэкранированную витую пару UTP и многопортовый повторитель hub (рис 4.2). Количество портов концентраторов разных типов варьируется от 8 до 72. Выход передатчика Тх сетевого адаптера соединяется со входом приемника Rх концентратора hub, который, в свою очередь, соединен со всеми портами повторителя. Вход приемника сетевого адаптера Rх соединен с выходом передатчика концентратора Тх . Максимальное расстояние между сетевым адаптером и концентратором составляет 100 м. Таким образом, диаметр сети, выполненной на одном концентраторе, будет 200 м.

    (рис 4.2) Сеть Ethernet стандарта 10 Base-T

    Для построения сети с большим числом узлов несколько концентраторов соединяют между собой, однако максимальное число концентраторов между двумя любыми компьютерами не должно быть больше 4. Требования к сети определяются правилом 5-4-3, в котором 5 – общее число сегментов сети, 4 – максимальное число концентраторов между любыми хостами, 3 – хосты могут быть только в трех сегментах. При этом диаметр сети может существенно увеличиться. Структура сети должна быть древовидной, петлевые соединения запрещены.

    Для реализации сетей максимального диаметра 2500 м используют оптоволоконный кабель, которым соединяют между собой концентраторы или узлы и концентраторы. Стандарт 10 Base-FВ предписывает соединения только между концентраторами. Причем между узлами сети может быть до 5 концентраторов, а диаметр сети может быть увеличен до 2740 м.

    4.3. Коммутаторы в локальных сетях

    Для предотвращения коллизий крупные локальные сети делятся на сегменты или домены коллизий, с помощью маршрутизаторов (routers) или коммутаторов (switches). Непосредственно к маршрутизатору конечные узлы (компьютеры) обычно не подключаются; подключение обычно 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 доменом (сегментом) 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 (halfduplex) и полнодуплексный (full-duplex). В полудуплексном режиме в любой момент времени одна станция может либо вести передачу, либо принимать данные. В полнодуплексном режиме абонент 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 (хостов) 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 коллизий при микросегментации 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.

    Коммутатор является устройством второго (канального) уровня семиуровневой модели ISO OSI, в котором для адресации используются МАС-адреса. Адресация происходит на основе МАС-адресов сетевых адаптеров узлов (рис 4.3).

    (рис 4.3) Сеть на базе коммутатора

    Для передачи кадров применяется 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.

    Первоначально информация о том, какие МАС-адреса имеют подключенные к конкретному порту узлы, в коммутаторе отсутствует. Поэтому коммутатор, получив кадр, передает его на все свои порты, за исключением того, на который кадр был получен, и одновременно анализирует МАС-адрес источника и запоминает его в адресной таблице. Например, если узел с МАС-адресом 0В1481182001 передает кадр данных узлу 0АА0С9851004 (рис 4.3), то в таблице (таблица 4.4) появится первая запись. В этой записи указано, что узел с МАС-адресом 0В1481182001 присоединен к порту № 1. При передаче данных от узла 0АА0С9851004 узлу 0002В318А102 в табл. 4.4 появится вторая запись и т. д. Таким образом, число записей в адресной таблице может быть равно числу узлов в сети, построенной на основе коммутатора.

    Адресная таблица коммутации
    № 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 продвижение (forwarding) кадра в порт, к которому подключен узел назначения. Если адресат и источник находятся в одном сегменте, например оба подключены к одному концентратору (рис 4.3), то передавать кадр на другой порт не нужно. В этом случае кадр должен быть удален из буфера порта, что называется фильтрацией (filtering) кадров.

    С появлением в сети новых узлов адресная таблица пополняется. Если в течение определенного времени (обычно 300 с) 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. Эти вопросы рассмотрены в лекции 15.

    При получении кадров с широковещательными адресами коммутатор передает их на все свои порты. В ряде случаев такой режим удобен. Таким образом, коммутатор не фильтрует кадры с широковещательными адресами. Поэтому если какой-либо узел из-за сбоя начинает ошибочно генерировать кадры с широковещательными адресами, то сеть очень быстро оказывается перегруженной, наступает широковещательный шторм (broadcast storm) и сеть "падает". Этим же пользуются злоумышленники, желающие нарушить нормальное функционирование сети. Они "наводняют" сеть широковещательными сообщениями с ложными адресами источника, адресная таблица коммутации переполняется и коммутатор начинает работать как концентратор. При этом злоумышленник получает возможность анализировать всю информацию, передаваемую по локальной сети. С широковещательным штормом может бороться только маршрутизатор (рис 4.4), который делит сеть на широковещательные домены.

    (рис 4.4) Деление сети на широковещательные домены

    Быстродействие или производительность коммутатора определяются рядом параметров: скоростью фильтрации кадров, скоростью продвижения кадров, пропускной способностью, длительностью задержки передачи кадра.

    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.

    Режимы коммутации

    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.

    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, такой режим коммутации получил название коммутации с промежуточным хранением или буферизацией (store-and-forward switching). Таким образом, в этом режиме обеспечивается высокая надежность, но низкая скорость коммутации.

    Промежуточное положение между сквозной коммутацией "на лету" и буферизацией занимает режим коммутации свободного фрагмента (fragment- free mode). В этом режиме читаются первые 64 байта, которые включают заголовок кадра и поле данных минимальной длины. После этого начинается передача кадра до того, как будет получен и прочитан весь кадр целиком. При этом производится верификация адресации и информации LLC-протокола, чтобы убедиться, что данные будут правильно обработаны и доставлены адресату.

    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 применяться 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.

    Протокол охватывающего дерева (Spanning-Tree Protocol)

    Когда сеть строится с использованием топологии иерархического дерева, коммутационные петли отсутствуют. Однако сети часто проектируются с избыточными путями, чтобы обеспечить надежность и устойчивость сети (рис 4.5). Избыточные пути могут приводить к образованию коммутационных петель, что в свою очередь может привести к широковещательному шторму и падению сети.

    (рис 4.5) Образование маршрутных петель в сетях на коммутаторах

    Протокол охватывающего дерева (Spanning-Tree Protocol – STP) относится к протоколам, которые используются, чтобы избежать маршрутных (коммутационных) петель. Коммутаторы применяют 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, STP используется для создания логической иерархии без петель, т. е. при наличии физических петель логические петли отсутствуют.

    Каждый коммутатор в локальной сети рассылает уведомления STP во все свои порты, чтобы позволять другим коммутаторам знать об их существовании. Эта информация нужна, чтобы выбрать корневой коммутатор для сети.

    Каждый порт коммутатора, который использует STP, находится в одном из следующих 5 состояний:

  • Блокировка (Blocking);
  • Прослушивание (Listening);
  • Обучение (Learning);
  • Продвижение (Forwarding);
  • Выключен (Disabled).
  • При инициализации коммутатора все порты, за исключением находящихся в выключенном состоянии (Disabled), переводятся в состояние блокировки (Blocking). В этом состоянии порты передают, принимают и обрабатывают уведомления STP, т. е. участвуют в процессе управления, но не передают информационные данные.

    В начальный момент работы алгоритма STA порты устанавливаются в состояние прослушивания (Listening) на время, определяемое таймером. Если за время работы таймера порт получит уведомление STP с лучшей метрикой, чем у него, то он перейдет в состояние блокировки (Blocking). Если принятая метрика хуже его собственной, порт перейдет в состояние обучения (Learning), чтобы принимать, но еще не продвигать пакеты данных и создавать адресную таблицу коммутации. Длительность состояния Learning также задается таймером.

    После окончания заданного таймером времени порт переходит в состояние продвижения (Forwarding), т. е. начинает полноценную обработку пакетов.

    Переход порта в состояние выключения (Disabled) и выход из него может быть реализован только по командам конфигурирования.

    Существенным недостатком протокола STP является слишком долгое время формирования новой конфигурации сети, которое может составлять значение порядка 1 мин.

    Краткие итоги

  • Канальный уровень (Data Link) обеспечивает обмен данными через общую локальную среду. Он разделен на два подуровня (LLC и МАС).
  • Подуровень LLC реализует связь с протоколами сетевого уровня.
  • Формат кадра протокола LLC является общим для всех технологий канального уровня.
  • Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей.
  • Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня, которые определяют скорость передачи, вид среды.
  • На МАС-подуровне современных сетей используется ряд технологий: Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10Gigabit Ethernet.
  • В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов, содержащих 48 двоичных разрядов. МАС-адреса представлены в шестнадцатеричной системе.
  • В сетях технологии Ethernet, построенных на основе логической топологии "общая шина", разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей. При этом реализуется метод множественного доступа к среде с распознаванием несущей и фиксацией коллизий (CSMA/CD).
  • Для предотвращения коллизий современные локальные сети строятся на базе коммутаторов, которые делят сеть на сегменты коллизий.
  • Продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице коммутации.
  • Различные режимы коммутации позволяют изменять производительность коммутатора.
  • Протокол охватывающего дерева (STP) используется, чтобы избегать маршрутных (коммутационных) петель.
  • Вопросы

  • Какие функции выполняет верхний подуровень канального уровня?
  • Какие функции выполняет нижний подуровень канального уровня?
  • Что определяют спецификации технологии МАС-уровня?
  • Сколько двоичных разрядов содержит МАС-адрес и в какой системе он представлен?
  • Каким типом адреса является FFFFFFFFFFFF?
  • Какой метод доступа к среде отображается аббревиатурой CSMA/CD?
  • Что такое коллизия?
  • Какое устройство ограничивает коллизию пределами одного сегмента?
  • Что такое микросегмент?
  • На базе каких адресов происходит адресация узлов в локальных сетях?
  • Чем различаются продвижение и фильтрация кадров?
  • Какое устройство делит сеть на широковещательные домены?
  • Какими параметрами определяется производительность коммутатора?
  • Чем отличается сквозная коммутация, или коммутация "на лету", от коммутации с промежуточным хранением или буферизацией?
  • Для чего используется протокол охватывающего дерева STP?
  • Упражнения

  • Перечислите спецификации технологий Ethernet, Fast Ethernet.Приведите их основные характеристики.
  • Изобразите формат кадра LLC.
  • Изобразите формат кадра МАС.
  • Укажите размер и назначение полей кадра стандарта 802.3.
  • Объясните, почему задается минимальная длина поля данных.
  • Изобразите схему локальной сети на коммутаторе с пятью конечными узлами, укажите номера портов и МАС-адреса узлов. Создайте таблицу коммутации для случая, когда все узлы активно обмениваются данными.
  • Вернуться к учебному плану