Исследование сегмента корпоративной сети передачи данных формата Ethernet с целью повышения надежности и скорости доставки пакетов дифференцированного трафика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80% из них объединены в различные информационно-вычислительные сети, от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, E-Mail писем и прочего) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей работающих под разным программным обеспечением [5].

Сети разбросаны по всему миру, собирают данные о таких разных предметах, как атмосферные условия, производство продуктов, железнодорожных и воздушных перевозках [1].

Сети часто условно делят на три большие категории: глобальные сети (WAN, Wide Area Network), городские сети (MAN, Metropolitan Area Network), и локальные сети (LAN, Local Area Network). Традиционно русское сокращение для локальных сетей - ЛВС (локальная вычислительная сеть). Глобальные сети позволяют организовать взаимодействие между абонентами на больших расстояниях. Протяженность глобальных сетей может составлять тысячу километров. Городские сети позволяют взаимодействовать на меньших территориях и работать на скоростях от средних, до высоких. Локальные вычислительные сети обеспечивают наивысшую скорость обмена информацией между компьютерами. Такие сети организуются внутри здания, этажа или комнаты.

Механизмы передачи данных в локальных и глобальных сетях существенно отличаются. Глобальные сети ориентированы на соединение - до начала передачи данных между абонентами устанавливается соединение. В локальных сетях используются методы, не требующие предварительной установки соединения - пакет с данными посылается без подтверждения готовности получателя к обмену. Кроме разницы в скорости передачи данных между этими категориями сетей существуют и другие отличия. В локальных сетях каждый компьютер имеет сетевой адаптер, который соединяет его со средой передачи. Городские сети содержат активные коммутирующие устройства, а глобальные сети обычно состоят из групп мощных маршрутизаторов пакетов, объединенных каналами связи. Основная задача корпоративной сети заключается в обеспечении передачи информации между различными приложениями. Корпоративная сеть позволяет взаимодействовать приложениям, расположенных в географически различных областях, и обеспечивает доступ к ним указанных пользователей.

Важная роль в повышении эффективности работы железнодорожного транспорта, его конкурентоспособности на рынке транспортных услуг отводится информатизации отрасли на базе современных средств связи и вычислительной техники. На Всероссийском съезде железнодорожников была поставлена задача проведения глубокой информационно-технической реформы отрасли, суть которой - в реорганизации всего комплекса деятельности железнодорожного транспорта на основе использования информационных технологий, в создании автоматизированных информационно-управляющих систем [4].

Программа информатизации железнодорожного транспорта предусматривает создание и внедрение комплексных информационных технологий функционирования отрасли в новых условиях, создание единой сети передачи данных, значительное увеличение мощности сетей связи со строительством волоконно-оптических линий и организации каналов спутниковой связи, создание на всей сети железных дорог современной системы сбора и обработки первичной информации. Широкому внедрению технологий способствует широкий спектр, предлагаемого оборудования - для построения магистрали сети, доступа к глобальным и локальным сетям.

Для выбора тех или иных технологий определяющей является система критериев которая должна носить универсальный характер [1].

Пояснительная записка дипломного проекта оформлена согласно стандарту предприятия [15].

1. Архитектура и топологии IP - сетей

1.1 Принципы построения ЛВС

Под ЛВС понимают совместное подключение нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к единому каналу передачи данных. Благодаря вычислительным сетям мы получили возможность одновременного использования программ и баз, данных несколькими пользователями.

Локальная вычислительная сеть - ЛВС (англ. LAN - Lokal Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связанны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными к этой ЛВС.

В производственной практике ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему.

1.2 Архитектура построения ЛВС

В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера, и, как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент и как сервер. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать доступными для всех. Одноранговую сеть называют так же рабочей группой. Рабочая группа - это небольшой коллектив, поэтому в одноранговой сети имеются не более 10 компьютеров.

В одноранговой сети требования к производительности и к уровню защиты для сетевого программного обеспечения, как правило, ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Выделенные серверы функционируют исключительно в качестве серверов, но не клиентов или рабочих станций.

В такие операционные системы, как Microsoft Windows NT Workstation, Microsoft Windows for Workgroups и Microsoft Windows 95, встроена поддержка одноранговых сетей. Поэтому, чтобы установить одноранговую сеть дополнительного программного обеспечения не требуется.

Защита подразумевает установку пароля на разделяемый ресурс, например на каталог. Централизованно управлять защитой в одно ранговой сети очень сложно, так как каждый пользователь устанавливает ее самостоятельно, да и общие ресурсы могут находиться на всех компьютерах, а не только на центральном сервере. Такая ситуация представляет серьезную угрозу для всей сети, кроме того некоторые пользователи могут вообще не устанавливать защиту.

Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли клиентов и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей используют выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер. Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом.

Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться возрастающим потребностям пользователей, серверы в больших сетях стали специализированными. Например, в сети Windows NT существуют различные типы серверов. Файл-серверы и принт-серверы управляют доступом соответственно к файлам и принтерам, на серверах приложений выполняются прикладные части клиент - серверных приложений, а так же находятся данные доступные клиентам. Например, чтобы упростить извлечение данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы отличаются от файл - серверов и принт - серверов. В принт - серверах, файл или данные целиком копируются на запрашиваемый компьютер. А в сервере приложений на запрашиваемый компьютер посылаются только результаты запроса. Приложение-клиент на удаленном компьютере получает доступ к данным, хранимым на сервере приложений. Однако вместо всей базы данных на ваш компьютер с сервера загружаются только результаты запроса.

В расширенной сети использование серверов различных типов становится наиболее актуальным. Необходимо поэтому учитывать всевозможные нюансы, которые могут проявиться при разрастании сети, с тем, чтобы изменение роли определенного сервера в дальнейшем не отразилось на работе всей сети.

Основным аргументом при работе в сети на основе выделенного сервера является, как правило, защита данных. В таких сетях, например как Windows NT Server, проблемами безопасности может заниматься один администратор.

1.3 Топологии вычислительной сети

Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте RELCOM. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Топология построения IP сети в виде звезды

корпоративный сеть магистральный кампусный

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает. Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления - файловый сервер может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 - с рабочей станцией 2, рабочая станция - 3 с рабочей станцией 4 т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Кольцевая топология построения IP сети

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию).

Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять «в дорогу» по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует кратко срочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены (рисунок 2.3). Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети. Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

Рисунок 1.3 - Шинная топология построения IP сети

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet - кaбeль с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Наряду с известными топологиями вычислительных сетей кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированная, на пример древовидна структура (рисунок 1.4). Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).

Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Рисунок 1.4 - Древовидная структура построения IP сетей

2. Оборудование корпоративных IP сетей магистрального и локального уровней

2.1 Концентратор

Основные и дополнительные функции концентраторов

Практически во всех современных технологиях локальных сетей определено устройство, которое имеет несколько равноправных названий концентратор (concentrator), хаб (hub), повторитель(repeater). В зависимости от области применения этого устройства в значительной мере изменяется состав его функций и конструктивное исполнение. Неизменной остаётся только основная функция - это повторение кадра либо на всех портах, либо только на некоторых портах, в соответствии с алгоритмом, определённым соответствующим стандартом.

Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети-компьютеры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одним из рассмотренных протоколов локальных сетей - Ethernet, Token Ring и тп. Так как логика доступа к разделяемой среде существенно зависит от технологии то, для каждого типа технологии выпускаются свои концентраторы - Ethernet, Token Ring; FDDI и 100AnyLAN. Для конкретного протокола иногда используется своё, узкоспециализированное название этого устройства, более точно отражающее его функции или же использующееся в силу традиций, например, для концетраторв Token Ring характерно название MSAU.

Каждый концентратор выполняет некоторую основную функцию, определённую в соответствующем протоколе той технологии, которую он поддерживает. Хотя эта функция достаточно детально определена в стандарте технологии, при её реализации концентраторы различных производителей могут отличаться такими деталями как количество портов, поддержка нескольких типов кабелей.

Кроме основной функции концентратор может выполнять некоторое количество дополнительных функции, которые либо в стандарте вообще не определены. Либо являются факультативными. Например, концентратор Token Ring может выполнять функцию отключения некорректно работающих портов и перехода на резервное кольцо, хотя в стандарте такие возможности не описаны. Концентратор оказался удобным устройством для выполнения дополнительных функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети.

Рассмотрим особенности реализации основной функции концентратора на примере концентраторов Ethernet.

В технологии Ethernet устройства, объединяющие несколько физических сегментов коаксиального кабеля в единую разделяемую среду, использовались давно и получили название «повторителей» по своей основной функции - повторению на всех своих портах сигналов, полученных на входе одного из портов. В сетях на основе коаксиального кабеля обычными являлись двухпортовые повторители, соединяющие только два сегмента кабеля, поэтому термин «концентратор» к ним обычно не применялся.

С появлением спецификации 10Base-T для витой пары повторитель стал неотъемлемой частью сети Ethernet, так как без него связь можно было организовать только между двумя узлами сети. Многопортовые повторители Ethernet на витой паре стали называть концентраторами или хабами, так как в одном устройстве действительно концентрировались связи между большим количеством узлов сети. Концентратор Ethernet обычно имеет от 8 до 72 портов. Причём основная часть портов предназначена для подключения кабелей на витой паре. На рисунке 2.1 показан типичный концентратор Ethernet, рассчитанный на образование небольших сегментов разделяемой среды. Он имеет16 портов стандарта 10Base-T с разъёмами RJ-45, а также один порт AUI для подключения внешнего трансивера. Обычно к этому порту подключается трансивер, работающий на коаксиальном или оптоволоконном кабеле. С помощью этого трансивера концентратор подключается к магистральному кабелю, соединяющему несколько концентраторов между собой, либо таким образом обеспечивается подключение станции, удалённой от концентратора более чем на 100 м.

Рисунок 2.1 - Концентратор Ethernet

Для соединения концентраторов технологии 10Base-T между собой в иерархическую систему коаксиальный или оптоволоконный кабель не обязателен, модно применять те же порты, что и для подключения конечных станций, с учётом одного обстоятельства. Дело в том, что обычный порт RJ-45, предназначенный для подключения сетевого адаптера и называемый MDI-X, имеет инвертированную разводку контактов разъёма, чтобы сетевой адаптер можно было подключить к концентратору с помощью стандартного соединительного кабеля, не кроссирующего контакты. В случае соединения концентраторов через стандартный порт MDI-X приходится использовать нестандартный кабель с перекрёстным соединением пар. Поэтому некоторые изготовители снабжают концентраторы выделенным ортом MDI, в котором нет кроссирования пар. Таким образом, два концентратора можно соединить обычным некроссированным кабелем, если это делать через порт MDI-X одного концентратора и порт MDI второго. Чаще один порт концентратора может работать как порт MDI-X, и как порт MDI, в зависимости от положения кнопочного переключателя.

Многопортовый повторитель - концентратор Ethernet может по-разному рассматриваться при использовании правила четырех хабов. В большинстве моделей все порты связаны с единственным блоком повторения, и при прохождении сигнала между двумя портами повторителя блок повторения вносит задержку всего один раз. Поэтому такой концентратор нужно считать одним повторителем с ограничениями, накладываемыми правилом четырех хабов. Но существует и другие модели повторителей, к в которых на несколько портов имеется свой блок повторения. В таком случае каждый блок повторения нужно считать отдельным повторителем и учитывать его отдельно в правиле четырех хабов.

Некоторые отличия могут демонстрировать модели концентраторов, работающие на одномодовый волоконно-оптический кабель. Дальность сегмента кабеля, поддерживаемого концентратором FDDI, на таком кабеле может значительно отличаться в зависимости от мощности лазерного излучателя - от 10 до 40 км.

Однако если существуют различия при выполнении основной функции концентраторов не столь велики, то их намного превосходит разброс в возможностях реализации концентраторами дополнительных функций.

Отключение портов

Очень полезной при эксплуатации сети является способность концентратора отключать некорректно работающие порты, изолируя тем самым остальную часть сети от возникших в узле проблем. Эту функцию называют автосегментацией. Для концентратора FDDI эта функция для многих ошибочных ситуаций является основной, так как определена в протоколе. В тоже время для концентратора Ethernet или Token Ring функция автосегментации для многих ситуаций является дополнительной, так как стандарт не описывает редакцию концентратора на эту ситуацию. Основной причиной отключения порта в стандартах Ethernet и Fast Ethernet является отсутствие ответа на последовательность импульсов link test, посылаемых во все порты каждые 16 мс. В этом случае неисправленный порт переводится в состояние «отключён», но импульсы link test будут посылаться в порт с тем, что бы при восстановлении устройства работа с ним была продолжена автоматически.

Рассмотрим ситуации, в которых концентраторы Ethernet и Fast Ethernet выполняют отключение порта.

Ошибка на уровне кадра. Если интенсивность прохождения через порт кадров имеющих ошибки, превышает заданный порог, то порт отключается, а затем при отсутствии ошибок в течении заданного времени. включается снова. Такими ошибками могут быть: неверная контрольная сумм, неверная длина кадра (больше 1518 байт или меньше 64 байт), неоформленный заголовок кадра.

Множественные коллизии. Если концентратор фиксирует, что источником коллизии был один и тот же 60 раз подряд, то порт отключается. Через некоторое время порт снова будет включён.

Затянувшаяся передача. Как и сетевой адаптер, концентратор контролирует время прохождения одного кадра через порт. Если это время превышает время передачи кадра максимальной длины в 3 раза, то порт отключается.

Поддержка резервных связей

Так как использование резервных связей в концентраторах определено только в стандарте FDDI, то для остальных концентраторов разработчики концентраторов поддерживают такую функцию с помощью своих частных решений. Концентраторы Ethernet/Fast Ethernet могут преобразовывать только иерархические связи без петель. Поэтому резервные связи всегда должны соединять отключённые порты, чтобы не нарушать логику сети. Обычно при конфигурировании концентратора администратор должен определить, какие порты являются основными по отношению к ним - резервным (рисунок 2.2). Если по какой-либо причине порт отключается (срабатывает механизм автосегментации), концентратор делает активным резервный порт.

Рисунок 2.2 - Резервирование связи между концентраторами Ethernet

В некоторых моделях концентраторов разрешается использовать механизмы назначения резервных портов только для оптоволоконных портов, считая, что нужно резервировать только важные связи, которые выполняются на оптическом кабеле. В других же моделях резервным можно сделать любой порт.

2.2 Маршрутизаторы

Основная задача маршрутизатора - выбор наилучшего маршрута в сети часто является достаточно сложной с математической точки зрения. Особенно интенсивных вычислений требуют протоколы, основанные на алгоритме состояния связей, вычисляющие оптимальный путь на графе-OSPF, NLSP, IS-IS. Кроме этой основной функции вкруг ответственности маршрутизатора входят и другие задачи, такие как буферизация, фильтрация и фрагментация перемещаемых пакетов. При этом очень важна производительность, с которой маршрутизатор выполняет эти задачи. Поэтому типичный маршрутизатор является мощным вычислительным устройством с одним или даже несколькими процессорами, часто специализированными или построенными на RISC-архитектуре, со сложным программным обеспечением. То есть сегодняшний маршрутизатор - это специализированный компьютер, имеющий скоростную шину или шины (с пропускной способностью 600 - 2000 Мбит/с), часто использующий симметричное или асимметричное мультиплексирование и работающий под управлением специализированной операционной системы, относящейся к классу систем реального времени. Многие разработчики маршрутизаторов построили в свое время такие операционные системы Unix, естественно значительно её переработав.

Маршрутизаторы могут поддерживать как один протокол сетевого уровня (например, IP, IPX или DECnet), так и множество таких протоколов. В последнем случае они называются многосегментными маршрутизаторами. Чем больше протоколов сетевого уровня поддерживает маршрутизатор, тем лучше он подходит для работы в корпоративной сети.

Большая вычислительная мощность позволяет маршрутизаторам наряду с основной работой по выбору оптимального маршрута выполнять и ряд вспомогательных высокоуровневых функций.

Классификация маршрутизаторов по областям применения

Магистральные маршрутизаторы предназначены для построения центральной сети корпорации. Центральная сеть может состоять из большого количества локальных сетей, разбросанных по разным зданиям и использующие самые разнообразные сетевые технологии, типы компьютеров и операционных систем. Магистральные маршрутизаторы - это наиболее мощные устройства, способные обрабатывать несколько сотен тысяч пакетов секунду, имеющие большое количество интерфейсов локальных и глобальных сетей. Поддерживаются не только среднескоростные интерфейсы глобальных сетей, такие как T1/E1, но и высокоскоростные, например ATM или SDH со скоростями 155 Мбит/с или 622Мбит/с. Чаще всего магистральный маршрутизатор выполнение по модульной схеме на основе шасси с большим количество слотов - до 12 - 14. Большое внимание уделяется в магистральных моделях надёжности и отказоустойчивости маршрутизатора, которая достигается за счёт терморегуляции, избыточных источников питания, заменяемых на ходу модулей, а также симметричного мультипроцессирования. Примерами магистральных маршрутизаторов могут служить маршрутизаторы Backbone Concentrator Node, Cisco7500, Сisco 12000.

Маршрутизаторы региональных отделений соединяют региональные отделения между собой и центральной сетью. Сеть регионального отделения, так же как и центральная сеть, может состоять из нескольких локальных сетей. Такой маршрутизатор обычно представляет собой некоторую упрощённую версию магистрального маршрутизатора. Если он выполнен на основе шасси, то количество слотов его шасси меньше: 4-5. Возможен также конструктив и фиксированным количеством портов. Поддерживаемые интерфейсы локальных и глобальных сетей менее скоростные. Примерами маршрутизаторов региональных отделений могут служить маршрутизаторы BLN, ASN компании Nortel Networks, Cisco3600, Cisco2500, NetbluderII компании 3Com. Это наиболее обширный класс выпускаемых маршрутизаторов, характеристик, а могут и опускаться до характеристик маршрутизаторов удалённых офисов.

Маршрутизаторы удалённых офисов соединяют, как правило, единственную локальную сеть удалённого офиса с центральной сетью или сетью регионального отделения по глобальной связи. В максимальном варианте такие маршрутизаторы могут поддерживать и два интерфейса локальных сетей. Как правило, интерфейс локальной сети - это Ethernet до 10 Мбит/с, а интерфейс глобальной сети - выделенная линия со скоростью 64 Кбит/с, 1.544 или 2 Мбит/с. Маршрутизатор удалённого офиса может поддерживать работу по коммутируемой телефонной линии в качестве резервной связи для выделенного канала. Существует очень большое количество типов маршрутизаторов удалённых офисов. Это объясняется как массовостью потенциальных потребителей, так и специализацией такого типа устройств, проявляющейся в поддержке одного конкретного типа глобальной связи. Например, существуют маршрутизаторы, работающие только по сети ISDN, существуют модели только для аналоговых выделенных линий и т.п. Типичными представителями этого класса являются маршрутизаторы выделённых Nautika компании nortel networks, Cisco1600, Office Connect компании 3Com, семейство pipeline компании Ascend.

Маршрутизаторы локальных сетей (коммутаторы 3-го уровня) предназначены для разделения локальных сетей на подсети. Основное требование, предъявляемое к ним - высокая скорость маршрутизации, так как в таковой конфигурации отсутствуют низкоскоростные порты, такие как модемные порты 33,6 Кбит/с или цифровые порты 64 Кбит/с. Все порты имеют скорость, по крайней мере, 10 Мбит/с, а многие работают на скорости 100 Мбит/с.

Основные технические характеристики маршрутизаторов

Основные технические характеристики маршрутизатора связаны с тем, как он решает главную задачу-маршрутизацию пакетов в составной сети. Именно эти характеристики, прежде всего, определяют возможности и сферу применения того или иного маршрутизатора.

Перечень поддерживаемых сетевых протоколов. Магистральный маршрутизатор должен поддерживать большое количество сетевых протоколов и протоколов маршрутизации, чтобы обеспечивать трафик всех существующих на предприятии вычислительных систем.

Перечень поддерживаемых протоколов обычно включает протоколы IP, CONS и CLNS, IPX, AppleTalk, DECnet, Banean, VINES, Xerox, XNS.

Перечень протоколов маршрутизации составляют протоколы IP RIP, IPX RIP, NLSP, OSPF, IS-IS, OSI, EGP, DGP, VINES, RTP, Apple RTMP.

Перечень поддерживаемых интерфейсов локальных и глобальных сетей. Для локальных сетей - это интерфейсы, реализующие физические и канальные протоколы сетей Etherner, TokenRing, FDDI, Fast Ethernet, GigabitEthernet, 100VG-AnyLAN и ATM.

Поддерживаются интерфейсы последовательных линий RS-232, RS-449/422, V.35 (для передачи данных со скоростями до 2-6 Мбит), высокоскоростной интерфейс HSSI, обеспечивающий скорость до 52 Мбит/с, а также интерфейсы с цифровыми каналами Т1/Е1, Т3/Е3 и интерфейсами BRI и PRI цифровой сети ISDN. Некоторые маршрутизаторы имеют аппаратуру связи с цифровыми глобальными каналами, что исключает необходимость использования внешних устройств с этими каналами.

В набор поддерживаемых глобальных технологий обычно входят технологии Х.25, frame relay, ISDN и коммутируемых аналоговых телефонных сетей, сетей АТМ, а также поддержка протокола уровня РРР.

Общая производительность маршрутизатора. Высокая производительность важна для работы с высокоскоростными локальными сетями, а также для поддержки новых высокоскоростных глобальных технологий, таких как frame relay, SDH и АТМ. Общая производительность маршрутизатора зависит от многих факторов, наиболее важным из которых является: тип используемых процессоров, эффективность программной реализации протоколов, архитектурная организация вычислительных и интерфейсных модулей. Общая производительность маршрутизаторов колеблется от нескольких десятков тысяч пакетов в секунду до нескольких миллионов пакетов секунду. Наиболее производительные маршрутизаторы имеют мультипроцессорную архитектуру, сочетающую симметричные и асимметричные свойства - несколько мощных центральных процессоров по симметричной схеме выполняют функции вычисления таблицы маршрутизации, а менее мощные процессоры в интерфейсных модулях занимаются передачей пакетов на подключённые к ним сети и пересылкой пакетов на основании части таблицы маршрутизации, кэшированно в локальной памяти интерфейсного модуля. Магистральные маршрутизаторы обычно поддерживают максимальный набор протоколов и интерфейсов и обладают высокой общей производительностью в один - два миллиона пакетов в секунду. Маршрутизаторы удалённых офисов поддерживают один - два протокола локальных сетей и низкоскоростные глобальные протоколы, общая проиводительность таких маршрутизаторов обычно составляет от 5 до 20-30 тысяч пакетов с секунду.

Маршрутизаторы региональных отделений занимают промежуточное положение, поэтому их иногда выделяют в отдельный класс устройств. Наиболее высокой производительностью обладают коммутаторы 3-го уровня.

Дополнительные и функциональные возможности маршрутизатора

Наряду с функцией маршрутизации многие маршрутизаторы обладают следующими важными дополнительными функциональными возможностями, которые значительно расширяют сферу применения этих устройств.

Поддержка одновременно нескольких протоколов маршрутизации. В протоколах маршрутизации обычно предполагается, что маршрутизатор строит свою таблицу на основе работы только этого одного протокола. Деление Internet на автономные системы также направлено на исключение использования в одной автономной системе нескольких протоколов маршрутизации. Тем не менее, иногда в большой корпоративной сети приходится поддерживать одновременно несколько таких протоколов. При этом таблица маршрутизации может получиться противоречивой - разные протоколы маршрутизации могут выбрать различные следующие маршрутизаторы для какой-либо сети назначения.

Большинство маршрутизаторов решает эту проблему за счёт придания приоритетов решениям разных протоколов маршрутизации. Высший приоритет отдаётся статическим маршрутам (администратор всегда прав), следующий приоритет имеют маршруты, выбранные протоколами состояния связей, такими как OSPF или NLSP, а низшим приоритетов обладают маршруты дистанционно-векторных протоколов, как самых несовершенных.

Приоритет сетевых протоколов. Можно установить приоритет одного протокола сетевого уровня над другим. На выбор маршрутов эти приоритеты не оказывают никакого влияния, они влияют только на порядок, в котором многопротокольный маршрутизатор обслуживает пакеты разных сетевых протоколов. Это свойство бывает полезно в случае недостаточной полосы пропускания кабельной системы и существования трафика, чувствительного к временным задержкам, например трафика SNA или голосового трафика, передаваемого одним из сетевых протоколов.

Защита от широковещательных штормов. Одна их характерных неисправностей сетевого программного обеспечения - самопроизвольная генерация с высокой интенсивностью широковещательных пакетов. Широковещательным штормом считается ситуация, в которой процент широковещательных пакетов превышает 20% от общего количества пакетов в сети. Обычный коммутатор или мост слепо передаёт пакеты на все свои порты, как того требует его логика работы, засоряя, таким образом сеть. Борьба с широковещательными штормами в сети, соединённой коммутаторами, требует от администраторов отключения портов, генерирующих широковещательные пакеты. Маршрутизатор не распространяет такие повреждённые пакеты, поскольку в круг его задача не входит копирование широковещательных пакетов во все объединяемые сети. Поэтому маршрутизатор является прекрасным средством борьбы с широковещательным штормом.

Поддержка не маршрутизируемых протоколов, таких как NetBIOS, NetBEUI или DEC LAT, которые не оперируют с такими понятиями, как сеть. Маршрутизаторы могут обрабатывать пакеты таких протоколов двумя способами.

В первом случае они могут работать с пакетами этих протоколов как мосты, то есть передавать их на основании изучения МАС-адресов. Маршрутизатор необходимо сконфигурировать особым образом, чтобы по отношению к некоторым не маршрутизируемым протоколам на некоторых портах он выполнял функции моста, а по отношению к маршрутизируемым протоколам - функции маршрутизатора. Такой мост / маршрутизатор иногда называют brouter (bridge плюс router).

Другим способом передачи пакетов не-маршрутизируемых протоколов является инкапсуляция этих пакетов в пакеты какого-либо сетевого протокола. Некоторые производители маршрутизаторов разработали собственные протоколы, специально предназначенные для инкапсуляции не-маршрутизируемых пакетов. Кроме того, существуют стандарты для инкапсуляции некоторых протоколов в другие, в основном в IP. Примером такого стандарта является протокол DLSw, определяющий методы инкапсуляции пакетов SDLC и NetBIOS в IP-пакеты, а также протоколы РРР в IP-пакеты.

2.3 Сетевые адаптеры

Плата сетевого адаптера - это интерфейс между компьютером и сетевым кабелем. Назначение платы сетевого адаптера - подготовка, передача и управление данными в сети. Для подготовки данных к передаче по сети плата использует трансивер, который преобразует параллельные данные в последовательные. Каждая плата имеет уникальный сетевой адрес.

Платы сетевого адаптера отличаются рядом параметром, которые должны быть правильно настроены. В их число входят: номер прерывания(IRQ), базовый порт ввода / вывода и базовый адрес памяти.

Плата сетевого адаптера должна, во-первых, соответствовать архитектуре шины данных компьютера и, во-вторых, иметь соединитель с сетевым кабелем определенного типа.

Плата сетевого адаптера оказывает значительное влияние на производительность всей сети. Некоторые платы обладают дополнительными возможностями, которые позволяют увеличить сетевую производительность. К их числу, например, относятся: прямой доступ к памяти, разделяемая память адаптера, разделяемая системная память, управление шиной. Производительность сети можно повысить также с помощью буферизации или встроенного в плату микропроцессора.

Разработаны специализированные платы сетевого адаптера, например, для беспроводных и оптоволоконных сетей, а также бездисковых рабочих станций (в системах с повышенными требованиями к защите данных). Платы сетевого адаптера беспроводных сетей разработаны для большинства сетевых операционных систем.

Указанные платы могут быть использованы - для построения беспроводных локальных сетей, беспроводного подключения станций к кабельной ЛВС.

Платы сетевого адаптера беспроводных сетей применяются вместе с так называемым беспроводным концентратором. Это устройство функционирует как трансивер - для передачи и приема сигналов.

«Оптоволокно - к каждому рабочему столу» - сегодня этот тезис становится все более популярным в компьютерной индустрии. Увеличиваются потоки мультимедиаданных, характерных для современных интрасетей. Что в свою очередь повышает требования к их пропускной способности. Решить эту задачу помогают оптоволоконные платы сетевого адаптера. Они позволяют создавать высокоскоростные оптоволоконные ЛВС. Но, как правило, такие сети используют только в особых случаях: пока они ещё весьма дороги.

В сетевых адаптерах необходимо учитывать - разрядность шины (32-разрядная быстрее 16-разрядной), тип шины (PCI, EISA и MCA быстрее ISA), способ передачи данных в память (разделяемая память быстрее, чем порт ввода / вывода или DMA), возможность управления шиной и авторитет производителя (стабильность, надежность, и т.д.).

2.4 Модемы

Первоначально кампусные сети представляли собой единую локальную вычислительную сеть (ЛВС, LAN, Local-Area Network), к которой по необходимости добавлялись новые пользователи. Эти ЛВС имели логический или физический кабель, к которому подключались все устройства сети. В случае с Ethernet имелась полоса пропускания в 10 Мбит/с, которая в равной мере использовалась всеми узлами сети. Такая ЛВС образовывала единый коллизионный домен, в котором все пакеты в равной степени обрабатывались всеми устройствами. В такой ЛВС использовался метод передачи, называемый «множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий» (Carrier Sense Multiaccess With Collision Detection, CSMA/CD). При таком подходе возникновение коллизий в таких ЛВС было обычным делом, что приводило к тому, что реальная скорость сети была значительно ниже расчетной.

При достижении максимального числа пользователей в одном коллизионном домене появлялась необходимость добавления в состав оборудования ЛВС устройств, называемых мостами (Bridge). Мост обеспечивал разделение всей ЛВС на несколько коллизионных доменов, что позволяло увеличить доступную полосу пропускания для каждого узла сети за счет сокращения количества этих самых узлов в одном коллизионном домене. Мост можно условно назвать коммутатором, работающим по принципу «store-and-forward». Мост производит распространение широковещательных (broadcast), многоцелевых (multicast) и неизвестных одноцелевых (unknown unicast) пакетов по всем сегментам сети. Таким образом, можно сказать, что все сегменты такой сети образуют единый широковещательный домен.

Для предотвращения возникновения петель в такой сети был разработан протокол Spanning Tree Protocol (STP), обеспечивающий, кроме того, маршрутизацию потоков данных в обход сбойных элементов активного сетевого оборудования.

Ниже приведены основные характеристики широковещательного домена STP:

· резервные линии связи заблокированы и не несут в себе трафика данных;

· между различными точками сети имеются несколько альтернативных маршрутов;

· время сходимости протокола STP обычно составляет 40-50 секунд;

· широковещательный трафик уровня 2 обрабатывается каждым узлом сети;

· возникновение широковещательных «штормов» на уровне 2 сказывается на всем домене;

· локализация и устранение неисправностей требует больших затрат времени.

Теоретически количество широковещательного трафика устанавливает практический предел размеров широковещательного домена. На практике же происходит так, что управление и поиск неисправностей в такой сети усложняются прямо пропорционально количеству подключенных пользователей. Одна неправильно настроенная рабочая станция может вывести из строя весь широковещательный домен на достаточно длительное время.

При проектировании сетей с использованием мостов каждый сегмент сети ставился в соответствие рабочей группе. Сервер рабочей группы располагался в том же сегменте, что и его клиенты, что обеспечивало ограничение трафика, передаваемого по всей сети. Здесь необходимо упомянуть о правиле 80/20, по которому строились такие ЛВС. Это правило гласит, что 80% трафика, генерируемого рабочей станцией, не должно выходить за пределы локального сегмента.

3.1 Маршрутизация и масштабируемость в объединенных сетях

Маршрутизатором называется пакетный коммутатор, обеспечивающий взаимодействие разных широковещательных доменов. Маршрутизаторы перенаправляют пакеты узлам сети ориентируясь на сетевые адреса, известные также как адреса доступа к среде (Media Access Control address, MAC-address). Сети с маршрутизаторами обладают лучшими возможностями по масштабированию по сравнению с сетями, построенными с использованием мостов. Это достигается за счет более интеллектуального управления трафиком. Маршрутизаторы используют маршрутные протоколы, такие как OSPF и EIGRP, которые позволяют маршрутизаторам обмениваться между собой информацией о достижимости тех или иных подсетей.

В сравнении с протоколом STP маршрутные протоколы обладают рядом преимуществ:

· разделение нагрузки между несколькими маршрутами с одинаковой административной стоимостью (применительно к оборудованию Cisco);

· обнаружение наилучшего маршрута между подсетями (имеются в виду административные установки и расчет количества метрик маршрута);

· меньшее время сходимости протокола при внесении изменений в топологию сети;

· сбор информации обо всех сетях, что обеспечивает улучшенные возможности по масштабированию.

В добавление необходимо отметить, что маршрутизаторы Cisco Systems обладают дополнительными функциями по контролю над широковещательным трафиком, что обеспечивает еще большую масштабируемость и управляемость кампусных сетей. Эти функции заложены в программное обеспечение Cisco IOS™, которое функционирует как на маршрутизаторах, так и на многоуровневых коммутаторах компании. Программное обеспечение IOS имеет наборы дополнительных функций для всех кампусных протоколов, включая:

· TCP/IP;

· AppleTalk;

· DECnet;

· Novell IPX;

· IBM Systems Network Architecture (SNA), data-link switching (DLSw), Advanced Peer-to-Peer Networking (APPN).

В сети, использующей маршрутизаторы, вводится понятие диаметр, которое представляет собой количество промежуточных маршрутизаторов между крайними узлами сети. Как показывает практика, хорошим дизайном сети является тот, при котором это понятие является сбалансированным. На рисунке 3.1 показана типичная иерархическая модель сети, объединяющей в себе маршрутизаторы и концентраторы-повторители (хабы). Диаметр такой сети в любом ее месте составляет 2 маршрутизатора. Расстояние от конечной станции до сервера на магистрали Fiber Distributed Data Interface (FDDI) составляет 1 маршрутизатор.

Рисунок 3.1 - Традиционная кампусная сеть с применением маршрутизаторов и концентраторов

3.2 Бриджинг коммутации второго уровня

Коммутация уровня 2 представляет собой аппаратно реализованный бриджинг. В частности передача кадров осуществляется специализированным оборудованием, называемым Application-Specific Integrated Circuit (ASIC). Коммутаторы уровня 2 заменяют концентраторы-повторители в составе коммуникационных узлов кампусной сети.

Увеличение производительности систем, построенных на коммутации уровня 2, по сравнению с сетями на концентраторах, достаточно велико. Рассмотрим рабочую группу из 100 пользователей на подсети, использующей 1 разделяемый сегмент Ethernet. Средняя полоса пропускания для каждого пользователя вычисляется путем деления общей полосы пропускания на количество пользователей, т.е. 10 Мбит/с на 100 пользователей, что составляет всего 100 Кбит/с. Замена концентратора на полнодуплексный коммутатор Ethernet приведет к тому, что средняя полоса пропускания для каждого узла составит удвоенную полосу пропускания всей сети, т.е. 20 Мбит/с. Общая пропускная способность коммутируемой рабочей группы на 100 пользователей в 200 раз больше пропускной способности аналогичной разделяемой рабочей группы. Ограничивающим фактором, препятствующим достижения высокой скорости обмена данными в такой сети, является подключение сервера на скорости 10 Мбит/с. Порт коммутатора, к которому подключается сервер рабочей группы, является узким местом коммутируемой сети. Высокая производительность коммутируемых сетей может явиться достаточным требованием для тех заказчиков, которые просто хотят увеличить число рабочих мест в каждой отдельной подсети. Увеличение количества узлов в отдельных подсетях называется плоским дизайном с несколькими подсетями или логическими сетями в кампусной сетевой системе.

Однако, несмотря на все преимущества, коммутация уровня 2 имеет те же характеристики и ограничения, что и сеть с использованием мостов. Широковещательные домены по-прежнему имеют те же ограничения по масштабируемости и производительности, что и сети, основанные на бриджинге. Количество широковещательных пакетов в общем трафике увеличивается прямо пропорционально количеству конечных узлов, и все узлы сети получают и обрабатывают эти пакеты. Ограничения протокола STP по блокированным линиям связи и низкому времени сходимости также применимы к сетям с коммутацией уровня 2.

3.3 Аппаратная маршрутизации коммутации третьего уровня

Коммутация уровня 3 представляет собой аппаратную маршрутизацию. В частности, передачей пакетов занимаются специализированные устройства, т.е. ASIC. В зависимости от протоколов, интерфейсов и поддерживаемых функций коммутаторы уровня 3 могут использоваться в кампусных сетях вместо маршрутизаторов. Коммутаторы уровня 3, которые поддерживают стандартную перезапись заголовков пакетов и увеличение поля TTL (Time-To-Live) в этих заголовках мы будем называть пакетными коммутаторами уровня 3 (packet-by-packet Layer 3 switch).

Высокопроизводительная коммутация уровня 3 применяется в двух различных случаях. Коммутатор Cisco 12000 Gigabit Switch Router (GSR) применяется в целях создания сети с высокоскоростной коммутацией, ограниченной лишь способностями кабельной системы, на единой коммутирующей матрице. Семейство многоуровневых коммутаторов Catalyst® обеспечивают коммутацию уровня 3 вместе с аппаратурой ASIC, встроенной в управляющие модули Supervisor Engine. Пакетные коммутаторы Cisco соответствуют всем промышленным стандартам и могут применяться в качестве быстрых маршрутизаторов к внешним устройствам.

Коммутация уровня 3 в представлении Cisco Systems в семействе коммутаторов Catalyst объединяет в себе полную поддержку многопротокольной маршрутизации в программном обеспечении Cisco IOS и аппаратную коммутацию уровня 3. Управляющий модуль Route Switch Module (RSM) является маршрутизатором, базирующимся на ПО Cisco IOS, с таким же RISC (Reduced Instruction Set Computing) процессором, что и в функциональном модуле RSP2 в маршрутизаторах старшего класса Cisco 7500. Аппаратная коммутация уровня 3 обеспечивается аппаратурой ASIC, установленной на функциональном модуле NetFlow. Модуль NetFlow является дочерним модулем для устройства Supervisor Engine в коммутаторах Catalyst.

3.4 Коммутация четвертого уровня

Коммутация уровня 4 заключается в аппаратном анализе трафика, создаваемого различными типами пользовательских приложений. В потоках данных, создаваемых протоколами TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol), порт того или иного приложения содержится в заголовке каждого пакета. Маршрутизаторы Cisco имеют набор функций для анализа информации протоколов уровня 4, что при использовании списков доступа (Access List) позволяет управлять потоками данных. Управление потоками данных осуществляет функциональный модуль NetFlow.