Канальный уровень сетевой модели OSI

5.6. 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. 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.

5.7. Параметры коммутаторов

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 SFP (Small Form-factor Pluggable). Через модули SFP ( рис. 5.18) 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

5.8. Коммутаторы второго и третьего уровня

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.

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:

• виртуальный интерфейс коммутатора (SVI) - связан с виртуальной локальной сетью VLAN. Виртуальный интерфейс необходим для конфигурирования коммутатора, в том числе, для удаленного доступа;
• маршрутизируемый порт уровня 3 функционирует, как интерфейс маршрутизатора, который образует отдельную IP-сеть. Маршрутизируемый порт может функционировать с протоколами уровня 3 и не поддерживает протоколы уровня 2.
• логический интерфейс Ether Chanel является портом уровня 3, образованным группой маршрутизируемых портов. Агрегирование каналов позволяет повысить пропускную способность логического интерфейса Ether Chanel, например, для связи с сервером.

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.

Протокол STP

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:

• Блокировка (Blocking)
• Прослушивание (Listening)
• Обучение (Learning)
• Продвижение (Forwarding)
• Выключен (Disabled)

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.

Краткие итоги лекции 5

1. Канальный уровень (DataLink) обеспечивает обмен данными через общую локальную среду. Он разделен на два подуровня (LLC и МАС).
2. Подуровень LLC реализуется программными средствами и обеспечивает связь с протоколами сетевого уровня.
3. Формат кадра протокола LLC является общим для всех технологий канального уровня.
4. Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей.
5. Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня, которые определяют скорость передачи, вид среды.
6. Формат кадра Ethernet содержит следующие поля: преамбула, поля адресов источника и устройства назначения, поле длины данных или поле типа протокола вышележащего уровня, поле данных от 46 до 1500 байт, поле контрольной суммы.
7. На МАС подуровне сетей используются технологии: Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet, 10 GigabitEthernet и 40 GigabitEthernet.
8. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов, содержащих 48 двоичных разрядов. МАС-адреса представлены в шестнадцатеричной системе.
9. При передаче по сети IP-адреса источника и назначения остаются неизменными на всем пути следования пакета. МАС-адреса изменяются в каждом маршрутизаторе.
10. Протокол ARPпри запросе может по IP-адресу определить МАС-адрес устройства. Если адресат находится в удаленной сети, то протокол ARP выдает адрес шлюза по умолчанию.
11. В больших сетях широковещательные запросы ARP могут снижать пропускную способность соединений. Перехват ARP-запросов хакерами снижает информационную безопасность.
12. 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 контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD).
13. Для предотвращения коллизий современные локальные сети строятся на базе коммутаторов, которые делят сеть на сегменты коллизий.
14. Продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице коммутации.
15. Различные режимы коммутации позволяют изменять производительность коммутатора и надежность передачи данных.
16. У коммутаторов уровня 3 существует три основных типа интерфейсов: виртуальный интерфейс, маршрутизируемый порт, логический интерфейс Ether Chanel.
17. Маршрутизируемый порт может функционировать с протоколами третьего уровня и не поддерживает протоколы уровня 2.
18. Протоколы для предотвращения петель в коммутируемых сетях (STP, RSTP) используются в сетях с избыточными путями.

Вопросы

1. Какие функции выполняет верхний подуровень канального уровня?
2. Какие функции выполняет нижний подуровень канального уровня?
3. Что определяют спецификации технологии МАС-уровня?
4. Сколько двоичных разрядов содержит МАС-адрес и в какой системе он представлен?
5. Что задают первые и последние три байта МАС-адреса?
6. Каким типом адреса является FF-FF-FF-FF-FF-FF?
7. Какой МАС-адрес соответствует групповому IP-адресу 224.0.61.200?
8. Какие адреса остаются неизменными на всем пути следования пакета, а какие изменяются в каждом маршрутизаторе?
9. Какой протокол может по IP-адресу определить МАС-адрес устройства?
10. Какие недостатки ARP-протокола?
11. Какой метод доступа к среде отображается аббревиатурой CSMA/CD?
12. В чем различие ассоциативного (конкурентного) и детерминированного (контролируемого) методов доступа к среде?
13. Для чего необходима преамбула в кадре Ethernet?
14. Как адресуются источник и устройство назначения в кадре Ethernet?
15. Какую функцию выполняет контрольная сумма в кадре Ethernet?
16. Что такое коллизия?
17. Какое устройство ограничивает коллизию пределами одного сегмента?
18. Что такое микросегмент?
19. На базе каких адресов происходит адресация узлов в локальных сетях?
20. Чем различаются продвижение и фильтрация кадров?
21. Какое устройство делит сеть на широковещательные домены?
22. Какими параметрами определяется производительность коммутатора?
23. Что определяет термин форм-фактор коммутатора?
24. Чем отличается сквозная коммутация или коммутация "на лету" от коммутации с промежуточным хранением или буферизацией?
25. Какой метод коммутации используется, если порт входящих сообщений работает со скоростью 100 Мбит/с, а порт исходящих - 1000 Мбит/с?
26. Для чего используется протокол STP?
27. Какая совокупность команд необходима для конфигурирования маршрутизируемого порта уровня 3?

Упражнения

1. Перечислите спецификации технологий Ethernet, FastEthernet. Приведите их основные характеристики.
2. Изобразите формат кадра МАС. Укажите размер и назначение его полей.
3. Объясните, почему задается минимальная длина поля данных.
4. 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.