Канальный уровень сетевой модели OSI

5.5. Коммутаторы в локальных сетях

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 коммутатор, получив кадр, передает его на все свои порты, за исключением того, на который кадр был получен, и одновременно запоминает МАС-адрес источника в адресной таблице. Например, если узел с МАС-адресом 0В1481182001 передает кадр данных узлу 0АА0С9851004 ( рис. 5.16), 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.

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 коммутацию или перенаправление кадра (продвижение, forwarding) в порт, к которому подключен узел назначения. Если адресат и источник находятся в одном сегменте, например оба подключены к одному концентратору ( рис. 5.16), 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 шторм (broadcast storm), сеть "падает". Этим пользуются злоумышленники, нарушающие 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 маршрутизатор ( рис. 5.17).

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