Создание современной информационной сети для Сбербанка

При работе с Ethernet и Fast Ethernet термины концентратор и повторитель взаимозаменяемы. В случае других технологий они часто означают различные вещи. Концентратор обычно расположен в центре, и к нему ведут все соединения от узлов. Концентраторы часто являются просто механическими устройствами для соединения кабелей и обеспечения их оконечной нагрузки. Вы наверняка видели телефонные стояки, являющиеся одной из форм проводного концентратора. В технологии FDDI используется термин concentrator, в Token Ring - термин MAU, а в 100VG AnyLAN и ARCNet - термин hub.

Рис. 4.9. Концентратор работает подобно кабельной шине

В Ethernet и Fast Ethernet повторитель - это устройство, копирующее (повторяющее) электрические сигналы, проходящие между двумя или более устройствами. Ранние двухпортовые повторители просто соединяли два сегмента коаксиального кабеля. Концентраторы-повторители Fast Ethernet совмещают функции концентратора и повторителя. Концентратор может быть выполнен в виде отдельного блока либо платы, встраиваемой в большее шасси. Иногда он собирается из отдельных устройств, называемых наращиваемыми концентраторами (stackable hubs).

4.4.2 Мост (bridge)

До появления технологии коммутации проблему перегрузки сети решали путем разделения перегруженных сегментов Ethernet на два и более отдельных сегмента. Эта техника часто называется сегментированием (segmenting) или разбиением (partitioning). И хотя такое решение возможно, но на практике редко случается, чтобы единая сеть была разделена на отдельные, не связанные между собой ЛВС. Когда сегмент Ethernet разбивается, то почти всегда существует определенный вид связи между новыми сегментами. Отдельные сегменты Ethernet могут быть связаны друг с другом двумя способами: с использованием маршрутизатора или при помощи моста.

Мосты - это более простые, по сравнению с маршрутизаторами, устройства, специально спроектированные именно для связывания сегментов. В технологии Ethernet мосты стали первичными устройствами связи с первых дней ее существования. Обычно мосты являются двухпортовыми устройствами, и каждый порт присоединен к сегменту сети. Однако мосты могут иметь и более двух портов, чаще всего три или четыре. Три сегмента сети, соединенные мостом, показаны на рис.16.

Каждый из соединенных мостами сегментов Ethernet имеет отдельную область коллизий. Тем не менее мосты работают таким обраом, что узлы различных сегментов взаимодействуют подобно тому, как если бы они находились в одной области коллизий. Иными словами, по отношению к узлу сеть с мостами ведет себя как неразделенная. Например, в сети, схема которой приведена на рис. 4.10., узел А может взаимодействовать с узлами E - H сегмента 2 точно так же, как он взаимодействует с узлами В - D собственного сегмента. Это возможно благодаря важной и определяющей характеристике моста, а именно: он является прозрачным устройством (transparent device), т.е. узлы сегментов и не подозревают о его существовании.

Рис. 4.10. Схема сети с трехпортовым мостом

Мост также является устройством уровня 2, поскольку он работает с кадрами, а не с пакетами. В отличие от концентратора, который оперирует только пакетами, состоящими из потоков битов, мост получает и отправляет кадры и работает с элементами кадра, интерпретируя их.

Мосты позволяют администратору сети разбить единый сегмент Ethernet на два связанные между собой сегмента, не беспокоя пользователей и не выполняя реконфигурации или модификации узлов. Легко представить, что изменять при необходимости конфигурацию сети, незначительно или вовсе не воздействуя на пользователей, действительно удобно.

Сегментирование системы Ethernet при помощи мостов эффективно, если локальный трафик больше, а еще лучше - намного больше, чем глобальный. Из этого следует одно из важнейших неписаных сетевых правил, подобных правилу правой руки - правило 80/20. Оно гласит, что сетевая система должна быть спроектирована и реализована так, чтобы по крайней мере 80% трафика было локальным. Естественно, на долю глобального трафика остается 20%. Если правило 80/20 соблюдено, то мосты работают очень эффективно. Для соблюдения этого правила обычно достаточно разместить каждый сервер в том же сегменте, где находится его пользователь.

Мост способен фильтровать и ретранслировать сетевой трафик потому, что любой из его портов, во-первых, может работать в циркулярном режиме и, во-вторых, запоминает адреса.

Поскольку любой из портов моста работает в циркулярном режиме, то он получает все кадры, переданные присоединенным к нему сегментом. В этом состоит ключ к пониманию работы моста. Когда порт получает кадр, мост решает, что с ним следует сделать - ретранслировать или отфильтровать. Его решение основано на запоминании адресов, существующих в сегменте, который может быть присоединен к любому из портов. Подобно правилам CSMA/CD, этот процесс легко описывается алгоритмом, структурная схема которого представлена на рис. 4.11.

Часто сеть с мостами называется широковещательной областью (broadcast domain). В противоположность сети с единой областью коллизий широковещательная область -- это множество узлов, принадлежащих нескольким областям коллизий и имеющих возможность обмениваться широковещательными кадрами. Так, на рис.16 узлы (A-F), (Н-М) и (N-S) находятся в разных областях коллизий, однако принадлежат одной широковещательной области. Поскольку все узлы сети с мостами расположены в одной широковещательной области, то обычные функции ЛВС, типа открытия сервера и загрузки, работают так, как будто все узлы находятся в единственной области коллизий.

Однопунктовые кадры ретранслируются совершенно по другому. Когда на мост поступает однопунктовый кадр, то указанный в нем адрес получателя разыскивается в таблице адресов моста. В зависимости от результата поиска принимается одно из перечисленных ниже решений.



Рис. 4.11. Алгоритм работы моста

1. Результат поиска

Адрес в таблице не обнаружен.

Адрес в таблице имеется, но соответствующий ему номер порта не совпадает с номером порта, принявшего кадр.

Адрес в таблице найден, а соответствующий ему номер порта совпадает с номе ром порта, принявшего кадр.

2. Решение о ретрансляции

Кадр ретранслируется во все порты, как будто он является широковещательным.

Кадр ретранслируется только в порт, номер которого указан в таблице адресов.

Кадр фильтруется. Он не ретранслируется ни в один из портов. ром порта, принявшего кадр.

Этот процесс называется решением о ретрансляции и происходит при получении любого кадра любым активным портом моста. Первое решение о ретрансляции очень важно -- это одна из главных причин, по которым мост является подлинно прозрачным устройством. Вполне возможно, что узел пошлет однопунктовый кадр узлу, находящемуся в сегменте на другом порту моста до того, как последний будет обнаружен, передав свой кадр. Например, узел А может передать однопунктовый пакет узлу F до того, как мост запомнил, что F связан с портом 2. Пока мост не запомнит, где находится F, он обязан ретранслировать все пакеты, посланные узлом А узлу F, в порты 2 и 3. Обычно запоминание происходит быстро, поскольку узел F чаще всего реагирует уже на первый пакет от узла А.

Почему так происходит? На этот часто задаваемый вопрос существует простой ответ. Пока активный узел молчит, процесс старения удаляет определенные записи из таблицы адресов. Хорошим примером тому может послужить работа сетевого принтера. Если принтер, являющийся пассивным устройством, молчит в течение более продолжительного времени, чем время старения, мост забудет, где он находится. Когда возникнет необходимость что-либо напечатать, сервер печати пошлет принтеру кадр. Мост же должен будет ретранслировать этот кадр на все порты, потому что он не знает к какому именно из них принтер подключен.

Подобным образом работают все мосты. Однако у некоторых из них решения о ретрансляции принимаются на основании более сложных правил. Например, мост может ретранслировать лишь некоторые типы широковещательных кадров, а все остальные фильтровать. Многие мосты допускают ручную настройку отдельных элементов таблицы адресов, так называемых статических элементов, которые никогда не удаляются из таблицы.

Чтобы должным образом сегментировать крупную сеть, одного моста часто бывает недостаточно. Поскольку данные устройства являются подлинно прозрачными, то в одной сети их может быть несколько. Например, к представленной на рис. 4.10. сети можно добавить еще сегменты (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Схема сети с несколькими мостами

Прозрачность мостов позволяет создавать весьма сложные сети. Работа будет успешной, если сеть с мостами сконфигурирована в виде дерева. Это означает, что между любыми двумя узлами такой сети должен существовать единственный путь. Если таких путей несколько, то это не дерево. Множество путей между двумя узлами называется петлей. Наличие петель вызывает огромную путаницу и широковещательные штормы. Это может привести к трем таким нежелательным последствиям, как:

широковещательные штормы (broadcast storms);

проблемы с запоминанием;

размножение однопунктовых кадров.

Наихудшей из этих проблем является первая - широковещательные штормы. Обычно она выводит сеть из строя рис. 4.13.

Рис. 4.13. Петли в сети с мостами

Например , если узел А передает широковещательный кадр, то он будет ретранслирован мостами 1 и 3. Оба моста переправят его в сегмент Дельта. Проблема возникнет, когда порт 2 моста 3 получит широковещательный кадр от моста 1. Естественно, он ничего не знает о мосте 1 и отправит кадр ему обратно. Переданный узлом А широковещательный кадр снова очутится в сегменте Альфа. Такой эффект часто называется размножением кадра. Более того, мост 1 снова ретранслирует полученный кадр. А хуже всего то. что процесс размножения будет продолжаться. В первом круге будет 2 кадра, затем 4, 8, 16 кадров и т.д. Очень быстро широковещательный кадр "съест" полосы пропускания всех сегментов. И все это случится по вине одного узла, пославшего широковещательный кадр в единственную петлю.

Теперь несколько слов о запоминании. В процессе движения широковещательного кадра по сети каждый мост петли будет наблюдать один и тот же адрес отправителя на нескольких принимающих портах, все время выбирать ветвь «Да» в блоке 2 схемы алгоритма работы моста и обновлять свою таблицу адресов. Это приведет к хаосу, так как однопунктовые кадры будут направляться не в те порты.

Однопунктовые кадры также будут размножаться, но не более чем по одному разу. И это вызовет большие проблемы. Сетевые протоколы спроектированы таким образом, чтобы получать каждый кадр один и только один раз. Получив размноженный кадр, они воспримут его как ошибочный и запросят отправивший узел вновь послать кадр. Поскольку каждый однопунктовый кадр удвоен, то отправивший узел получит два запроса на повторение и дважды ответит.

Короче говоря, сеть с петлями функционировать не может. К счастью, имеется простой и почти автоматический способ обнаружения и удаления петель. Кроме запоминания и ретрансляции, все современные мосты имеют функцию, называемую остовным деревом (spanning tree). Это алгоритм усечения, с помощью которого сеть с петлями преобразуется в правильную, свободную от петель.

Алгоритм остовного дерева, алгоритм запоминания и протокол взаимодействия мостов детально описаны в спецификации IEEE 802.1D. Указанный протокол состоит из специального множества многопунктовых сообщений под названием BPDU (Bridge Protocol Data Units - элементы данных протокола моста). Мосты используют BPDU для взаимодействия друг с другом, изучения топологии сети и обнаружения петель. Установив наличие петель, мосты начинают совместно отключать некоторые из своих портов. В результате петли уничтожаются и достигается топология дерева, соединяющего все узлы. Такое дерево называется остовным (отсюда название алгоритма). Например, сеть, схема которой приведена на рис. 4.13., может быть усечена, как показано на рис. 4.14. Здесь порты 1 и 2 моста 3 отключены, связь между мостом 3 и сегментами Альфа и Дельта становится резервной для соединения через мост 1.

Рис. 4.14. Усечённая сеть

Алгоритм остовного дерева подразумевает, что сети с мостами и петлями можно проектировать преднамеренно. Такой прием позволяет создавать в сети избыточные резервные пути между сегментами. Как только все связи остовного дерева будут определены, мосты станут наблюдать сеть, с тем чтобы убедиться, что все связи дерева функционируют. Если любая связь, имеющая дублирующую, выходит из строя, то включается резервная связь. Это происходит полностью автоматически. Так, в случае выхода из строя одной или обеих из представленных на рис. 4.14 связей от моста 1 к сегментам Альфа и Дельта алгоритм остовного дерева, обнаружив проблему, включит порты 1 и 2 моста 3.

Большинство из доступных на сегодняшний день мостов полностью поддерживают динамическое запоминание адресов и алгоритм остовного дерева. Однако раньше такая возможность рассматривалась как весьма необычная. Первые мосты требовали ручной установки таблицы ретрансляции и имели очень низкую производительность. Запоминание адресов быстро стало общей функцией многих мостов, однако внедрить его было трудно, особенно в крупных сетях. Для исправления ситуации в мае 1990 года был принят стандарт 802.1D. В результате мосты, поддерживающие и запоминание адресов, и алгоритм остовного дерева, быстро стали общепринятыми.

Мосты - это весьма традиционные устройства, имеющие простую архитектуру. Обычно мост состоит из компьютера и двух или более сетевых интерфейсов. Кадры поступают на каждый порт (сетевой интерфейс), как будто это порт обычного узла типа рабочей станции или сервера (рис. 4.15.) Компьютер проверяет каждый пакет, принятый любым из активных портов, управляет таблицей адресов и в случае необходимости принимает решение о ретрансляции.

Рис. 4.15. Устройство моста

Большинство мостов имеют лишь один центральный процессор, поэтому они могут обрабатывать одновременно только один пакет. Вот почему преобладающее количество мостов имеют не более четырех портов. Мосты с большим числом портов дороги и требуют значительных ресурсов памяти и мощности процессора. Многопроцессорные мосты имеют очень высокую производительность, но их стоимость еще выше.

4.4.3 Коммутатор (switch)

А теперь что же такое коммутатор? Попросту говоря, коммутатор - это мост. Правда, в отличие от моста, имеющего центральный процессор, который может обрабатывать лишь один кадр, коммутатор имеет специализированное оборудование, позволяющее ему управлять одновременно многими портами. Коммутаторы обладают всеми преимуществами мостов, но лишены всех их недостатков, отличаются значительно более высокой производительностью, позволяя создавать сети небывалого ранее качества.

Первый коммутатор Ethernet, созданный фирмой Kalpana (сейчас отделение Cisco Systems), был обычным мостом. Он не поддерживал алгоритма остовного дерева, не был управляемым, имел достаточно высокую стоимость. Но коммутатор Kalpana обладал одной ценнейшей особенностью: он был очень быстрым по сравнению с мостом.

Коммутатор Kalpana приобрел подлинный успех, предоставив возможность сегментировать перегруженные сети Ethernet без потери производительности. Даже лучшие мосты работали медленнее по сравнению с присоединенными к ним сетями.

Двумя наиболее распространенными показателями производительности мостов являются максимальная скорость ретрансляции и совокупная скорость ретрансляции. Максимальная скорость ретрансляции соответствует максимальному количеству пакетов, которые могут быть ретранслированы из одного порта в другой в течение секунды. В случае мостов более чем с двумя портами она обычно измеряется при условии, что остальные порты свободны. У большинства мостов Ethernet скорость ретрансляции меньше, чем максимальная скорость передачи кадров в самой сети. Это означает, что мосты, обеспечивая связь, становятся узким бутылочным горлышком, снижающим темп передачи данных между узлами различных сегментов. Некоторые высокоскоростные мосты имеют скорость ретрансляции, сравнимую с максимальной скоростью передачи кадров по сети Ethernet.

Совокупная скорость ретрансляции моста - это максимальное количество кадров, которые могут быть ретранслированы через все его порты. Например, четырехпортовый мост Ethernet может иметь максимальную, скорость ретрансляции 14800 кадров в секунду, а совокупную - всего лишь 18000 кадров в секунду. Это означает, что он может поддерживать максимальную скорость не на всех своих портах одновременно, а лишь на двух из них. Совокупная скорость ретрансляции мостов, подобных этому, меньше, чем сумма скоростей передачи кадров в сегментах, с которыми они соединены,

Самая большая проблема, с которой приходится сталкиваться при создании сети с мостами, заключается в распределении мостов и устройств по различным сегментам с целью соблюдения правила 80/20. Спроектировать сеть, у которой мосты не являются бутылочными горлышками, задача очень непростая, а часто и невозможная.

Помогают решить эту проблему коммутаторы, у которых совокупная скорость ретрансляции гораздо выше, чем у мостов. Коммутатор, подобно мосту, соединяет несколько сегментов, однако по сравнению с последним имеет намного большую производительность. Высокая совокупная скорость ретрансляции первых коммутаторов позволяла им ретранслировать кадры на все порты настолько быстро, насколько быстро сегменты могли отправлять их. Поскольку коммутаторы имели большее количество портов, нежели мосты, то они могли сегментировать сеть на меньшие части. Применение коммутаторов позволило уменьшить количество узлов в каждом сегменте сети Ethernet. Меньшее количество пользователей в сегменте означает, что каждый из них получит более широкую полосу пропускания. Поэтому наличие коммутаторов может дать пользователю на одном сегменте доступ к ресурсам другого сегмента без ощутимой потери производительности. Возможность задействовать большое количество портов и высокая совокупная скорость ретрансляции делают коммутацию почти идеальным решением при сегментации локальной сети Ethernet. Коммутаторы Kalpana после появления на рынке их первых образцов начали быстро наращивать мощность. Устройства новых моделей стали поддерживать больше портов и обладали большей совокупной скоростью ретрансляции. Современные коммутаторы поддерживают алгоритм остовного дерева, и большинство из них управляемы. Почти все современные коммутаторы имеют очень высокую совокупную скорость ретрансляции и обеспечивают максимально возможную скорость ретрансляции на каждом порту.

Хотя коммутаторы работают подобно многопортовым мостам, но на самом деле представляют собой нечто большее, нежели мост с огромным количеством портов. Следует выделить три существенных различия между коммутаторами и мостами:

- Как правило, коммутаторы снабжены большим количеством портов, чем мосты. Первые коммутаторы обычно имели лишь по 6 или 8 портов. С развитием технологии стали преобладать коммутаторы с 12 и 16 портами, получили распространение и коммутаторы с 24 портами. Современные коммутаторы корпоративного уровня могут поддерживать еще больше портов.

- Внутренняя архитектура коммутаторов существенно отличается от архитектуры мостов. Коммутатор может обрабатывать много кадров одновременно. Он проверяет кадры, управляет таблицей адресов и принимает решение об одновременной или параллельной ретрансляции для всех своих портов.

- Совокупная скорость ретрансляции моста определяется мощностью центрального процессора. Это означает, что в мосту существует единый путь между портами. Коммутаторы, напротив, имеют много логический путей для потоков данных и могут получать и ретранслировать кадры на одном, некоторых или всех своих портах одновременно.

Как легко представить, коммутаторы обладают большой вычислительной мощностью. Мощные возможности обработки кадров не являются следствием применения производительного процессора или нескольких процессоров. Многие коммутаторы и вовсе не имеют такового. Коммутаторы - это особым образом сконструированные устройства, выполняющие большинство, если не все, функций моста при помощи специальных микросхем ASIC (Application-Specific Integrated Circuit - специализированная интегральная схема). ASIC реализуют очень сложные, быстрые и мощные конструкторские решения при низкой своей стоимости.

Существуют также коммутаторы для Token Ring, 100VG AnyLAN и FDDI, новая технология АТМ содержит только их.

Подобно мостам коммутаторы относятся к устройствам уровня 2 и оперируют кадрами, поэтому иногда их называют переключателями или коммутаторами кадров (switch - переключать(англ.)). Являясь мостом, коммутатор принимает решение о ретрансляции или фильтрации, основываясь на адресе получателя кадра подобно тому, как это делает старый добрый мост. Мост отличается от коммутатора методом физического сопровождения кадров из одного сегмента в другой. Коммутаторы предоставляют кадрам много путей для движения из порта в порт, в чем и заключается особенность их работы. Логическая схема шестипортового коммутатора приведена на рис. 4.16.

Каждый порт коммутатора, подобно порту сетевого интерфейса или концентратора, имеет принимающую и передающую стороны. Каждая сторона порта логически связана с перекрестной матрицей (crossbar matrix). Принимающая сторона каждого порта соединена с горизонтальной линейкой, а передающая - с вертикальной. Когда принимающая линейка соединяется с передающей, создается путь от принимающей стороны одного порта к передающей стороне другого. Таким способом можно соединить любую пару портов. Например, если соединены пары портов 5 и 3, а также 2 и 4, то два кадра могут быть одновременно получены на портах 2 и 5 и переданы в порты 3 и 4.

Когда порт получает кадр, коммутатор проверяет его адрес получателя и принимает решение о ретрансляции. Если кадр нуждается в ретрансляции, создается связь с нужным портом. Поскольку между портами коммутатора может быть много логических путей, то одновременно можно ретранслировать много кадров.

Рис. 4.16. Логическая схема коммутатора

На рис. 4.16. показано, как ретранслируются от одного порта к другому однопунктовые кадры. Широковещательные, многопунктовые и однопунктовые кадры с неизвестным адресом мосты должны ретранслировать на все порты. Если широковещательный кадр получен, скажем, в порту 2, то он будет ретранслирован в порты 1, 3, 4, 5 и 6. Это легко осуществить при наличии коммутатора (рис. 4.17.).

На рис. 4.16. и 4.17. приведена логическая схема коммутатора в действии. Любой коммутатор можно представить как имеющий перекрестную матрицу, которая соединяет принимающую и передающую стороны каждого порта. Некоторые коммутаторы, к которым относятся и первые устройства Kalpana, действительно содержали физические перекрестные матрицы. Тем не менее многие коммутаторы обладают совершенно иной внутренней архитектурой. Мы не будем обсуждать внутреннюю архитектуру коммутатора, однако понять принципы коммутации нам необходимо. Для ретрансляции кадров из одного сегмента ЛВС в другой коммутатор может использовать следующие способы коммутации:

Cut-Through (сквозное вырезание);

Interim Cut-Through (предварительное сквозное вырезание);

Store-and-Forward (накопление и ретрансляция).

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. К счастью, многие современные коммутаторы поддерживают два или даже все три способа коммутации.

Рис. 4.17. Ретрансляция широковещательного кадра

4.4.3.1 Коммутация Cut-Through

Коммутация Cut-Through используется многими коммутаторами для обеспечения самого низкого времени ожидания ретрансляции. Время ожидания ретрансляции коммутатора (или просто время ожидания) -- это интервал между двумя событиями: получением портом первого бита кадра и выходом первого бита из другого порта.

Коммутаторы, использующие метод Cut-Through, имеют исключительно низкое время ожидания ретрансляции, гораздо ниже, чем у обычного моста. Коммутатор начинает ретрансляцию, не дожидаясь получения всего кадра. Другими словами, биты начала кадра действительно передаются выходному порту в то время, когда биты его конца еще поступают на входной порт.

Хотя время ожидания ретрансляции коммутатора Cut-Through очень непродолжительно, оно все же гораздо больше времени задержки распространения начала пакета в концентраторах. Концентратор лишь передает приходящий кадр на все остальные порты, ему нет нужды каким бы то ни было образом проверять кадр.

С другой стороны, прежде чем принять решение о ретрансляции, коммутатору необходимо проверить адрес получателя кадра. Это означает, что он должен буферизовать, или накопить, по крайней мере первые 120 битов кадра, прежде чем принять решение о ретрансляции. Как только станет известен адрес получателя, коммутатор сможет принять решение о ретрансляции или фильтрации (рис. 4.18.). Это также займет некоторое количество времени (даже коммутатор не способен работать мгновенно).

Преамбула	SFD	Получатель	Отправитель	L/D	Данные	Незначащая информация	FCS	EFD
64	8	48	48	16	368-12,000	0-386	32	-

Рис. 4.18. Поля пакета

Некоторые коммутаторы могут принимать решение очень быстро, иногда в течение 10 ВТ (100 наносекунд). Если коммутатор решает ретранслировать кадр, то он должен создать временный путь между принимающим и выдающим кадр портами. Это займет еще от 5 до 10 ВТ. Время ожидания ретрансляции некоторых коммутаторов составляет от 140 до 150 ВТ, или от 1,4 до 1,5 микросекунды.

Если путь для коммутируемого кадра уже создан, коммутатор может начинать передавать предварительно буферизованную первую часть кадра. Это означает, что часть данных кадра еще поступает, а преамбула проходящего кадра уже ретранслируется. Коммутация методом Cut-Through дает очень малое время задержки при ретрансляции кадров из одного сегмента в другой. Несмотря на это, при использовании метода Cut-Through возникают три проблемы:

ретранслируются карликовые кадры;

ретранслируются ошибочные кадры;

легко возникает перегрузка.

Поступивший в порт коммутатора Cut-Through карликовый кадр длиной не менее 120 битов может быть ретранслирован в другие порты. При использовании обычного моста такой проблемы быть не может, поскольку кадры приходят в полном объеме и ретранслируются только безошибочные. Коммутатор Cut-Through пропускает кадры настолько быстро, насколько быстро можно принять решение о ретрансляции. Некоторые карлики могут быть очень короткими и не содержать лаже полного адреса получателя. В таком случае они не будут ретранслированы. Если же карликовый кадр достаточно длинен, чтобы содержать адрес получателя, и данный узел связан с другим портом, ретрансляция будет произведена.

В результате коллизий могут возникнуть широковещательные и многопунктовые карликовые кадры. В отличие от однопунктовых карликов, эти кадры будут ретранслированы во все остальные порты коммутатора. Ретрансляция карликовых кадров в какой-либо или, хуже того, во все порты является растранжириванием времени и полосы пропускания, поскольку все узлы такие кадры отбросят. Если карлик будет ретранслирован из одного сегмента в другой, то узлы принимающего сегмента прервут передачу до истечения времени IPG (время между передачами пакетов) после обнаружения конца кадра. Хуже того, ретранслированный карлик может вызвать коллизию в принимающем сегменте, заставляя передающую(ие) станцию(и) замолчать и повторить попытку. Оба события являются бесполезной тратой полосы пропускания и снижают показатель использования сети.

Коммутаторы Cut-Through ретранслируют также кадры с неверной контрольной суммой и другими ошибками. Это даже хуже, чем ретрансляция карликовых кадров. Ретрансляция действительно неправильных кадров вызывает те же проблемы, что и ретрансляция карликов, но приводит к распространению ошибочных кадров из одного сегмента в другой, что может вызвать много проблем. Если в одном из сегментов возникают неприятности, обусловленные дефектами кабеля, поврежденным концентратором или сетевым интерфейсом, то, ретранслируя ошибочные кадры, коммутатор Cut-Through передает ошибки в другие сегменты.

Коммутатор Cut-Through легко может пострадать от такого явления, как перегрузка. Рассмотрим в качестве примера случай, когда двумя портами одновременно получены два кадра, которые нужно ретранслировать в один и тот же порт. Однако два кадра не могут быть ретранслированы одновременно. Один из них должен быть либо полностью сохранен в коммутаторе для ретрансляции в более позднее время, либо отброшен. В загруженной ЛВС с коммутаторами такое случается часто. Причем одновременно затребовать один и тот же выходной порт, усугубив проблему, могут более чем два кадра.

Перегрузка другого вида возникает в тот момент, когда порт передает информацию, а в него приходит кадр. Опять таки, он должен быть сохранен или отброшен.

Похожая форма перегрузки наблюдается, когда ретранслированный кадр вступает в коллизию в сегменте назначения. Решение о его сохранении или отбрасывании принимается на основании обычных правил CSMA/CD. Во всех случаях коммутатор поставлен перед выбором: сохранить (буферизовать) кадр для отправки в более позднее время или отбросить его. Буферизация предполагает, что коммутатор поместит полный кадр в буфер подобно тому, как это делает обычный мост. Многие из первых коммутаторов Cut-Through сетей Ethernet не имели такой возможности и отбрасывали кадры в случае перегрузки. Другие имели входной или выходной буфер ровно на один кадр. Это было лучше, однако перегрузка все же легко возникала. К сожалению, когда разрабатывались принципы коммутации, сверхбыстрые буферы были очень дорогими. Чтобы не увеличивать стоимость своих изделий, разработчики должны были использовать их в минимальном количестве. С течением времени стало ясно, что в результате отбрасывания кадров при возникновении перегрузки страдает производительность сети, потому что для исправления возникших ошибок приходилось задействовать протоколы. Чтобы побороть этот недостаток, конструкции коммутаторов усложнились, большие буферы стали нормой. Хотя таким образом некоторые проблемы перегрузки были решены, но возник нежелательный побочный эффект: увеличилась стоимость коммутаторов.

К сожалению, коммутация методом Cut-Through сопряжена с возникновением перегрузок, а также ретрансляцией карликовых кадров и различного рода ошибок. В современных коммутаторах Ethernet и Fast Ethernet коммутация методом Cut-Through если и применяется, то обычно сопровождается методом Store-and-Forward.

4.4.3.2 Коммутация Interium Cut-Through

Коммутация Interim Cut-Through (ICS -- от Interim Cut-through Switching) является просто улучшением базового метода коммутации Cut-Through. При использовании метода ICS ретрансляция карликовых кадров подавляется, пропускаются лишь кадры, имеющие длину не менее 512 битов (64 байта). Поскольку длина карликовых кадров не превышает 512 битов, они всегда отфильтровываются.

Для достижения этого коммутатор ICS помещает по крайней мере 512 битов кадра в специальный FIFO-буфер (First In First Out -- первым пришел, первым уходишь). Если кадр заканчивается прежде чем его длина достигнет 512 битов, то содержимое буфера (карлик) просто отбрасывается (рис. 4.18.). Такое решение проблемы ретрансляции карликов, возникающей в базовых коммутаторах Cut-Through, весьма элегантно, поэтому почти все современные коммутаторы используют метод ICS, а не базовый метод Cut-Through.

Первый недостаток метода ICS состоит в том, что время ожидания ретрансляции превышает 512 ВТ. В действительности эта проблема не такая уж и серьезная. В начале эпохи коммутаторов малое время ожидания ретрансляции рассматривалось как одна из самых важных характеристик производительности коммутатора Ethernet. Поскольку концентраторы характеризуются очень малой задержкой распространения начала пакета, то был сделан вывод, что переключатели должны иметь очень маленькое время ожидания ретрансляции, иначе пострадает производительность сети.



Рис. 4.18. Входные FIFO-буферы

Этот вывод оказался неверным. Время ретрансляции концентратора или коммутатора оказывает незначительное влияние на общую производительность сети даже в случае приложений мультимедиа, которые обычно требуют небольшого времени ожидания. Даже время ожидания, превышающее 512 ВТ, очень невелико по сравнению со временем ожидания, вызванным задержкой передачи и восстановлением после коллизии.

Хотя коммутатор ICS и не пропускает карликов, но некоторые ошибочные кадры все же проходят. Избежать этого невозможно, так как коммутатор ICS принимает решение о ретрансляции и начинает ретранслировать кадр до того, как получает возможность обнаружить ошибку в кадре.

Коммутация по методу ICS часто называют runt-free cut-through (свободным от карликов сквозным вырезанием) или modified cut-through (модифицированным сквозным вырезанием). Некоторые продавцы называют используемые для этой цели коммутаторы еще более замысловато, поэтому не всегда понятно, что речь идет о коммутаторе, поддерживающем именно метод ICS.

4.4.3.3 Коммутация Store-and-Forward

Метод коммутации SAF (Store And Forward -- накопление и ретрансляция) сильно отличается от обоих рассмотренных. Коммутаторы Store-and-Forward больше похожи на традиционный мост: они ретранслируют кадр в полном объеме, предварительно поместив его в буфер.

Такой подход решает все проблемы рассмотренных ранее методов коммутации, поскольку карлики и ошибочные кадры никогда не ретранслируются. Коммутаторы SAF имеют еще одно большое преимущество: перегрузить их не так легко, как рассмотренные коммутаторы, потому что кадры буферизуются.

Недостаток данного метода по сравнению с рассмотренными состоит в намного большем времени ретрансляции, которое обычно пропорционально размеру кадра, однако иногда может значительно превышать время передачи кадра максимально допустимого размера, равное 12144 ВТ. Перед ретрансляцией кадр должен быть помещен в буфер, что требует времени. Более старые коммутаторы SAF отличаются значительным временем ожидания ретрансляции, одинаковым для всех пакетов. В большинстве же современных коммутаторов время принятия решения на ретрансляцию или фильтрацию не зависит от размера кадра. Как отмечайтесь ранее, фактор времени ожидания ретрансляции в коммутаторе обычно не ограничивает производительности сети.

По сравнению с коммутаторами ICT коммутаторы SAF обычно имеют больший объем буферного пространства для помещения кадров. Причем чем объемнее буфер, тем лучше коммутатор справляется с перегрузкой. Обратная сторона медали: большее буферное пространство стоит больших денег.

При проектировании коммутаторов разработчик должен выбрать место размещения буферной памяти. Вообще то буферная память либо располагается во входных или выходных портах, либо является общей для всех портов.

Размещение буферной памяти во входных портах предполагает, что кадры будут буферизоваться там, где они появляются. Кадр не будет убран из входного буфера до тех пор, пока коммутатор не примет решения о его ретрансляции или фильтрации. Входная буферизация очень эффективна и является одним из самых интересных решений при проектировании коммутаторов.

Размещение буферной памяти в выходных портах предполагает, что кадры будут буферизоваться перед ретрансляцией через выходной порт. В этом случае в выходной буфер помещаются только те кадры, которые нуждаются в ретрансляции. Коммутаторы с выходными буферами фильтруют кадры до того, как помещать их туда. Чтобы дать коммутатору время проверить кадр и принять решение о ретрансляции или фильтрации, необходимо дополнительное количество входных буферов.

Некоторые коммутаторы имеют одно большое буферное пространство, используемое всеми портами. Это очень похоже на применение обычного моста: кадры помещаются в общий буфер, а коммутатор принимает решение о ретрансляции или фильтрации. Если кадр нужно отфильтровать, то буфер освобождается для нового кадра: если кадр необходимо ретранслировать. то он передается на соответствующий выходной порт. существенное различие между коммутатором с общей буферной памятью и мостом состоит в том, что поток кадров в первом случае контролирует не центральный процессор, а микросхема ASIC, а общая полоса пропускания между совместной памятью и портами чрезвычайно велика.

Описанные методы буферизации кадров часто применяются в различных комбинациях. Разработчики весьма изобретательно изыскивают способы эффективного использования всех трех методов. Целью проектирования является минимизировать требуемое количество памяти, эффективно ее использовать и максимизировать возможности коммутатора по борьбе с перегрузкой. В сети с коммутаторами, схема которой представлена на рис. 4.19., используется четырехпортовый коммутатор с общей памятью.

Рис. 4.19. Схема сети со многими получателями

Если узел А передает два кадра (один для узла С, а другой для узла G), то они оба окажутся в общей памяти коммутатора. Тем не менее первый пакет нельзя немедленно направить в сегмент 2 (для узла С), потому что сегмент 2 занят передачей данных между узлами С и D, и порт 2 должен ожидать конца передачи. Это обстоятельство не мешает передать второй кадр от узла А сегменту 4 для узла G, даже несмотря на то, что он получен коммутатором позже первого.

Коммутатор не обязан поддерживать принцип FIFO для всех кадров, но он должен убедиться, что кадры, передаваемые между двумя узлами, покидают его в порядке поступления. Коммутаторы может пропустить кадр 2 раньше кадра 1 (рис. 4.19.), потому что они направлены разным узлам. Если третий кадр передается от узла А узлу С, то коммутатор должен обеспечить его ретрансляцию после передачи кадра 1.

4.4.3.4 Использование в одной сети разных скоростей передачи

Некоторые коммутаторы SAF имеют еще одну весьма привлекательную возможность: они поддерживают Ethernet со скоростью 10 Мбит/с и Fast Ethernet, обладающую скоростью 100 Мбит/с, в одном и том же устройстве. Следовательно, одни порты могут работать в режиме Ethernet, а остальные - в режиме Fast Ethernet. Это позволяет полностью прозрачно соединять сегменты Ethernet с сегментами Fast Ethernet.

Более того, отдельные коммутаторы поддерживают оба режима на каждом из своих портов и автоматически определяют, с какой скоростью должен работать каждый порт. Если порт присоединен к концентратору или узлу Ethernet, то будет работать со скоростью 10 Мбит/с; если же порт присоединен к сегменту или узлу Fast Ethernet, то его скорость составит 100 Мбит/с.

Совершенно очевидно, что наличие таких коммутаторов весьма облегчает переход от существующих систем Ethernet к Fast Ethernet. Многие устройства можно оставить присоединенными к сегментам Ethernet. Например, сетевые принтеры вовсе не обязательно присоединять к сегментам Fast Ethernet напрямую. Некоторые типы унаследованного оборудования, в частности рабочие станции UNIX, имеют встроенные сетевые интерфейсы, не допускающие модификации до уровня Fast Ethernet. Подключая такое устройство прямо к порту коммутатора, мы обеспечиваем ему полностью прозрачную связь с Fast Ethernet со скоростью 10 Мбит/с.

Подобные двухскоростные устройства обычно работают без сбоя, так как медленные порты полностью изолированы от высокоскоростных при помощи механизма store-and-forward, в противоположность методу cut-through, который требует одинаковой скорости работы входных и выходных портов.

4.4.3.5 Гибридные коммутаторы

Многие современные коммутаторы Ethernet и Fast Ethernet совмещают методы коммутации Cut-Through и Store-and-Forward. Часто коммутатор работает в режиме Cut-Through, пока нет перегрузки и мало ошибок. А при возникновении перегрузки или чрезмерного количества ошибочных пакетов гибридный коммутатор переходит в режим Store-and-Forward.

В более совершенных моделях решение о применении того или иного метода коммутации может меняться от кадра к кадру. Часто такой прием называют адаптивной коммутацией. Он обеспечивает очень маленькое время задержки коммутации методом Cut-Through при нормальной работе сети и отказоустойчивость метода Store-and-Forward при возникновении перегрузки или ошибок. При этом используется метод Interim Cut-Through, потому что увеличение времени задержки ретрансляции не такое уж и значительное, а преимущества фильтрации карликовых кадров велики.

Многие коммутаторы имеют очень сложные внутренние схемы буферизации, помогающие избежать перегрузок во всех случаях, кроме самых тяжелых. Некоторые из них используют буферы во входных и выходных портах в комбинации с общим буфером. Такие коммутаторы могут пропускать без перегрузки; огромное количество информации, правда цена их несколько выше.

4.4.3.6 Полнодуплексные связи

Большинство коммутаторов Fast Ethernet и новых коммутаторов Ethernet поддерживают полнодуплексный режим. Он обеспечивается только в том случае, если два сетевых интерфейса типа двух узлов или узла и порта коммутации связаны напрямую. Такой тип связи часто называют связью "точка-точка".

Если два узла Fast Ethernet соединены связью "точка-точка" типа 100Base-TX или 100Base-FX, то может произойти интересная вещь: механизм CSMA/CD полностью отключится! Другими словами, они смогут взаимодействовать без коллизий и не прерываясь, когда передает другой узел. Такое "волшебство" возможно благодаря сущности связи "точка-точка".

Связь между узлом ТХ (или FX) и концентратором изначально является полнодуплексной, потому что пути передачи и приема полностью разделены. Обычно узел подключен к концентратору и обязан использовать правила доступа к среде CSMA/CD. Порт концентратора не способен поддерживать полнодуплексную связь и всегда работает в режиме CSMA/CD. Тем не менее, когда два узла соединены напрямую с использованием связи ТХ или FX, то между ними существуют два полностью независимых пути передачи (рис. 4.20.).

Рис. 4.20. Полнодуплексная связь 100Base-TX

Как показано на рис. 4.20., кадры перемещаются по паре 1 кабеля от левого узла к правому. От правого узла к левому они перемещаются по паре 3. Поскольку потоки кадров между узлами идут по различным путям, конфликт никогда не произойдет. Поэтому на обоих узлах механизм CSMA/CD может быть отключен, будет соблюдаться лишь правило IPG. В случае полнодуплексной связи алгоритм передачи становится очень простым.

Наиболее очевидное преимущество полнодуплексной связи состоит в том, что ни один узел никогда не уступает передачу другому. При условии соблюдения правила IPG оба узла могут передавать в любое время. Значит, они могут передавать одновременно. Из этого следует еще более важное преимущество полнодуплексных связей: каждый узел располагает двумя каналами, обеспечивающими скорость передачи данных в оба конца 100 Мбит/с, т.е. общей полосой пропускания в 200 Мбит/с. Другими словами, совместное использование среды со скоростью 100 Мбит/с через концентратор заменяется взаимодействием узлов по двум каналам с такой же производительностью и общей полосой пропускания в 200 Мбит/с.

В обоих направлениях данные могут проходить со скоростью 12,1 Мбайт/с. В отсутствие коллизий значение показателя использования сети в полнодуплексном соединении может достичь теоретического максимума, равного 98%, а полнодуплексная связь, подолгу работающая с 80%-ным показателем использования сети, не является чем-то необычным.

Естественно, соединение двух узлов, например двух компьютеров или компьютера с принтером, нецелесообразно и имеет ограниченную область применения. Такое соединение обычно используется в том случае, когда один из узлов служит коммутатором Fast Ethernet или Ethernet. Поскольку между устройством и коммутатором не возникает коллизий, такую связь намного труднее перегрузить, и между ними может передаваться намного больше данных, чем при работе в режиме CSMA/CD.

Не все узлы нуждаются в полнодуплексной связи с коммутатором, и в первую очередь это относится к дешевым рабочим станциям и принтерам. Однако высокоскоростные рабочие станции, а особенно серверы, получают реальные преимущества от использования такой связи. Применение полнодуплексных связей может реально увеличить эффективность работы локальной сети Fast Ethernet с высокопроизводительными рабочими станциями и серверами.

Подводя итоги сказанному, можно заключить, что коммутатор - это просто мост. Все современные коммутаторы Ethernet и Fast Ethernet являются полностью запоминающими мостами; они поддерживают алгоритм и протокол остовного дерева, согласующийся со спецификацией 802.1D. Хотя коммутаторы и работают подобно прозрачным запоминающим мостам, их внутренняя архитектура заметно отличается от архитектуры старых мостов, основанных на центральном процессоре.

4.4.4 Маршрутизатор (router)

Маршрутизаторы подобно мостам ретранслируют кадры из одного сегмента сети в другой. Первые маршрутизаторы были и устроены подобно мостам: они имели не менее двух сетевых интерфейсов, центральный процессор и оперативную память небольшого объема. Единственное отличие между маршрутизаторами и мостами состояло в программном обеспечении. Подобно коммутаторам маршрутизаторы использовали специальные микросхемы для достижения более высокой производительности за меньшую цену.

Три существенных различия между маршрутизаторами и мостами перечислены ниже.

Во-первых, принимая решение о ретрансляции, маршрутизаторы используют не МАС-адрес получателя кадра, а так называемый сетевой адрес. Маршрутизаторы ретранслируют лишь информацию, адресованную им непосредственно, и в отличие от мостов отбрасывают широковещательные кадры.

Во-вторых, маршрутизаторы не являются прозрачными устройствами. Каждый узел, желающий взаимодействовать с другим узлом через маршрутизатор, должен "осознавать" существование маршрутизатора и обращаться именно к нему.

В-третьих, маршрутизаторы поддерживают ячеистые сети (meshed network), посредством которых обеспечивается множество активных путей передачи данных между любой парой узлов. Сеть с мостами, напротив, должна быть сконфигурирована в виде дерева и между любой парой ее узлов существует единственный активный путь передачи.

Последнее различие между устройствами наиболее существенно. Маршрутизаторы поддерживают много путей между узлами сети. Сравним сеть, схема которой представлена на рис. 4.21., с идентичной ей (за исключением того, что мосты заменены маршрутизаторами) неправильной сетью, изображенной на рис. 4.13. В отличие от мостов маршрутизаторы легко справляются с управлением многими путями между сегментами.

Рис. 4.21. Маршрутизированная сеть

Следует помнить, что маршрутизаторы, с одной стороны, и мосты, коммутаторы - с другой, поддерживают весьма различные сетевые интерфейсы. В частности, маршрутизатор может иметь несколько портов Ethernet, несколько портов Fast Ethernet, пару портов Token Ring и интерфейсный порт с глобальной сетью. Он легко маршрутизирует информацию между столь различными сетями. Напротив, мосты почти всегда поддерживают один и тот же сетевой интерфейс в каждом из своих портов. Многие коммутаторы поддерживают два типа интерфейса: собственный, например Fast Ethernet, и интерфейс типа FDDI. В этом случае осуществляется трансляция кадров из одного формата в другой.

Многие спрашивают: "Зачем использовать коммутаторы или мосты, если можно применять маршрутизаторы?" Именно этого вопроса от вас ждут поставщики маршрутизаторов. Ответ прост.

Коммутация в Fast Ethernet почти всегда обходится дешевле маршрутизации, так как 12-портовый коммутатор гораздо дешевле 12-портового маршрутизатора. Стоимость коммутации Ethernet примерно в 10 раз дешевле маршрутизации.

Коммутаторы полностью прозрачны по отношению к подключенным устройствам, их легче разрабатывать и устанавливать, ими легче управлять.

Коммутаторы быстрее маршрутизаторов, имеют гораздо более широкую полосу пропускания. Но так как некоторые маршрутизаторы работают с очень высокой скоростью, вернее будет сказать, что коммутация отличается гораздо более удачным соотношением цена/производительность). Почти все современные коммутаторы Fast Ethernet работают на всех портах со скоростью кабеля и при этом имеют относительно низкую цену.

Маршрутизаторы Fast Ethernet, которые могут работать со скоростью, близкой к скорости кабеля, очень дорогие. Их цена нередко достигает десятков тысяч долларов в расчете на порт.

Главное различие между маршрутизатором и мостом состоит не в производительности, а в способе принятия решения о ретрансляции. Маршрутизаторы используют для этой цели заголовок протокола, а не кадра. Как мы уже говорили, различные сетевые технологии работают на различных уровнях модели OSI. Концентраторы являются устройствами уровня 1, мосты - устройствами уровня 2, а маршрутизаторы - устройствами уровня 3.

Концентраторы работают с пакетами и не зависят от содержимого поля данных пакета, в котором заключен кадр. Мосты работают с кадрами и не зависят от содержимого поля данных кадра, в котором обычно (но не всегда) заключена дейтаграмма. Маршрутизаторы работают с дейтаграммами, которые иногда называются пакетами данных или сообщениями. Работа маршрутизаторов обычно не зависит от содержимого поля данных дейтаграммы, но тем не менее некоторые интеллектуальные маршрутизаторы должны разобраться в его содержимом, прежде чем принять весьма важное решение о ретрансляции или фильтрации.

Рис. 4.22. Инкапсуляция данных

Дейтаграммы помещаются в кадры подобно тому, как кадры заключаются в пакеты. Часто говорят, что структуры более низкого уровня предусматривают использование "конверта" для структур более высокого уровня. Двумя преобладающими протоколами уровня 3, или уровня дейтаграммы, являются IP и IPX. На рис. 4.22. показано, как дейтаграммы IP инкапсулированы в кадре Fast Ethernet. IP является протоколом уровня 3, или сетевого уровня, и может использовать практически любые устройства уровня 2. Чаще всего IP используется совместно с протоколом TCP и называется TCP/IP. TCP является протоколом уровней 4 и 5 (транспортного и сеансового) и работает поверх протокола IP.