Конспект лекций. Конспект лекций по дисциплине Технология приборостроения и автоматизация производства для студентов специальности 5В071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации. Алматы ауэс, 2014. с
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Лекция3. Широковещательные сети и физическая адресация -2ч Вопросы лекции. 1) Broadcast, multicast, unicast 2) Принципы коммутации 3) Типы коммутации Цель лекции: – сформировать у студентов комплексный подход к решению задач проектирования сетей передачи данных... На этапе проектирования IP сетей, первый вопрос был связан со способом передачи информации между станциями. Критическую роль в выборе способа в те времена отыграло то, что при использовании коаксиального кабеля, а всё начиналось именно с него, станции имели общую среду передачи и передача любого фрейма в среду гарантировала то, что любая станция в сегменте получит его. По физическим свойствам системы с коаксиальным кабелем невозможно было сделать так, чтобы одна станция в сегменте услышала фрейм, а другая нет, таким образом, любой сигнал получали абсолютно все станции на участке. Исходя из этого явления, был основан термин «широковещательные сети». Вторым вопросом было создание адресации, возможности разграничивать и различать станции между собой, для того чтобы можно было адресовать фрейм какой-либо станции, а не обязательно всем. В последствии, выработалась система передачи, которая работает до сих пор. Широковещательная сеть, это сеть в которой :
При заложении системы адресации не стали отталкиваться от какой-либо иерархической модели адресации и для общения внутри одного сегмента сети ввели прямую адресацию (flat addressing). Суть прямой адресации заключается в том, что имея несколько адресов невозможно построить какую-то логическую зависимость между ними. Примером прямой адресации может служить имя и фамилия человека, притом имея эту информацию нельзя определить, ни где он родился и живёт, ни где учится или работает. Также, имея фамилии двух разных людей нельзя сделать никаких выводов о их отношениях. Главный недостаток такой адресации - поиск необходимого адреса в системе, в том случае если сегмент достаточно большой, имея прямой адрес, нельзя сказать где он может находиться, а значит единственным способом остаётся прямой перебор адресов на предмет совпадения с данным, аналогичной задачей был бы поиск человека по имени и фамилии в центральном районе города. По структурной сетевой модели OSI это первый, самый нижний уровень адресации, который используется для конечного нахождения станции. Адресацию назвали также, как и подуровень модели OSI, который ею занимается - Media Access Control или MAC. Был принят стандарт записи MAC адресов :  Рисунок 3.1 Таким образом, единственная информация, которая может быть получена из MAC адреса - это название компании, которая произвела это устройство. Все компании-производители сетевого оборудования имеют свои первые 6 символов в MAC адресе, в случае полного расходования всего диапазона для устройств компании выдаётся новые первые 6 символов. Сейчас крупные компании-производители имеют десятки таких значений для выпускаемого оборудования. Каждое сетевое устройство обязательно имеет хотя бы один MAC адрес, так как без него общаться в сети просто невозможно. В алгоритм работы системы передачи данных заложены три типа обращения в сеть: Обращение к одному узлу в сети, тогда адресом назначения фреймов будет адрес компьютера или любого другого устройства, к которому обращаются. Исходя из логики работы широковещательных сетей, если мы имеем общую среду передачи, то этот фрейм получат абсолютно все станции в сегменте, но при распечатке фрейма и при проверке адреса они увидят, что адрес, который указан во фрейме в поле получателя и их личный адрес отличаются, а значит фрейм предназначен не им, и только одна станция в сегменте обнаружит совпадения адреса получателя и своего MAC адреса. Эта станция проверит фрейм на предмет повреждений, которые могли быть в процессе передачи через зашумленную среду и если фрейм окажется неповреждённым предаст его содержимое операционной системе для дальнейшей обработки. Примером может быть ситуация, когда Вы обращаетесь к одному из своих друзей сидя в большой компании, слышать Ваш голос будут абсолютно все, кто находится рядом с Вами, но принимать и анализировать информацию будет тот человек к которому Вы непосредственно обратились.  Рисунок 3.2 Обращение к одному узлу в сети называется Unicast Вторым типом обращения являются запросы ко всем станциям сегмента одновременно. Такие запросы необходимы для поиска устройств в сети, локальных простых служб, которые не хотят возиться с адресацией, а также для протоколов динамического конфигурирования устройств в сети и многого другого. Для подобных целей существует специальный зарезервированный MAC адрес. Если станция хочет передать фрейм всем возможным получателям в своём сегменте сети, она в адрес назначения ставит значение FF - FF - FF - FF - FF - FF Любая станция, которая примет фрейм с таким адресом назначения распакует фрейм и передаст пакет на обработку операционной системе. Примером может быть всем известное обращение : «уважаемые дамы и господа», которое применяется для привлечения внимания всей доступной аудитории слушателей. Адресация фреймов абсолютно для всех станций сегмента называется широковещательной передачей или броадкастовой рассылкой (Broadcasting).  Рисунок 3.3 И последним третьим типом обращения является запросы, которые адресованы определённой группе узлов, которые обладают каким-то сходством по отношению ко всем станциям в сегменте. С развитием цифрового телевидения и услуг Triple Play этот тип общения получил очень большое распространение и популярность. Многоадресная рассылка или мультикастовый (Multicast) трафик принимается только станциями, которые по определённым признакам попадают в определённую группу, например группа пользователей, которая смотрит одну и ту же передачу по телевизору или группа устройств, которые общаются, используя определённый протокол. Если станция хочет передать фрейм определённой группе получателей в своём сегменте сети, она в адрес назначения ставит значение установленное протоколом многоадресной рассылки. Например адрес 01 - оо - ос - ее - ее - ее Характерной особенностью адресов для многоадресной рассылки является вторая единица, эта единица точно указывает на трафик мультикаст. Подобные адреса зарезервированы и не выдаются вендорам сетевого оборудования, поэтому одноадресных фреймов с таким адресом быть не может.  Рисунок 3.4 Примером такого запроса может служить сообщение в аэропорту : «Уважаемые пассажиры рейса 515 просим вас приготовить документы для прохождения регистрации». Это сообщение будет слышно абсолютно всем в аэропорту, но при этом, отреагируют на него только те, кто принадлежит группе «пассажиры рейса 515». Принципы коммутации Коммутаторы — это устройства канального уровня, которые позволяют соединить несколько физических сегментов локальной сети в одну большую сеть. Коммутация локальных сетей обеспечивает взаимодействие сетевых устройств по выделенной линии без возникновения коллизий, с параллельной передачей нескольких потоков данных. Коммутаторы локальных сетей обрабатывают кадры на основе алгоритма прозрачного моста (transparent bridge) IEEE 802.1, который применяется в основном в сетях Ethernet.  Рисунок 3.5 Допустим, имеем указанную выше топологию: мост, который находится в центре, объединяет два сегмента, центрами которых являются концентраторы. Станция В находится в выключенном состоянии. Теперь, допустим, станция D захотела переслать фрейм станции Е, она формирует фрейм ставя в адреса источника и назначения адреса своей сетевой карты и компьютера назначения, соответственно, тому что и показано на рисунке. Когда фрейм приходит на концентратор, тот повторяет его и рассылает на все порты, кроме того, откуда он пришёл.  Рисунок 3.6 Все станции, которые подключены (кроме отправителя) получат этот фрейм, но после сравнения MAC адреса назначения и своего адреса убедятся, что фрейм предназначен не им и они должны его отбросить.  Рисунок 3.7 Получив фрейм, мост посмотрит в свою таблицу коммутации, которую он держит для обоих портов, сравнивая MAC адрес назначения с табличными данными осознает, что получатель находится в сегменте противоположном от того, из которого он получил этот фрейм, а значит, фрейм должен быть переправлен через мост в другой сегмент сети.  Рисунок 3.8 Далее фрейм попадёт на концентратор и будет опять разослан через все порты кроме входящего. Все станции сегмента получат фрейм, но примет этот фрейм только станция с MAC адресом Е, так как её MAC адрес совпадает с адресом назначения в фрейме. Теперь допустим ситуацию, что станция F решила передать фрейм станции Н. Из рисунка видно, что эти станции находятся в одном сегменте.  Рисунок 3.9 Пойдя через концентратор, фрейм сразу попадёт на станцию, для которой этот фрейм предназначен, а остальные станции сегмента отбросят этот фрейм.  Рисунок 3.10 Мост, после проверки таблицы коммутации, поймёт, что фрейм, который пришёл на его порт имеет в адресе получателя станцию, которая сама находится в том же сегменте, что и его порт, таким образом, он решит, что фрейм был доставлен по назначению, а пересылать его в другой сегмент - нет никакой надобности. Теперь оговорим ситуацию подключения новой станции в сегмент, станция В была включена и решила передать фрейм станции Z.  Рисунок 3.11 Исходя из топологии видно, что станции Z просто не существует, соответственно в своём сегменте ни одна станция не примет этот фрейм. Когда фрейм дойдёт до моста, мост посмотрит в таблицу коммутации и не найдёт этого адреса в таблице коммутации. При отсутствии данных про получателя в таблице, мост не может сделать однозначный вывод про местонахождение станции, а значит, не может определить, в каком сегменте эта станция находится. Может она находится в том же сегменте, что и отправитель, но он про неё пока ничего не знает, а может она находится по другую сторону моста. Для того чтобы гарантировать доставку фрейма мост пропустит этот фрейм, и если станция будет находиться в любом из сегментов, она этот фрейм либо уже получила, либо получит. Такие же правила относятся и к широковещанию, если на мост придёт фрейм со специальными адресами, он тоже пропустит их в другой сегмент.  Рисунок 3.12 Помимо проверки адреса назначения, мосты проверяют адреса источника фрейма, в том случае, если этот адрес уже есть в таблицах - ничего не делают, а если этого адреса в таблице нет, мосты добавляют его в таблицу того порта, на который пришёл этот фрейм. Таким образом, мосты «обучаются» и строят свои таблицы коммутации. Таблицы коммутации хранятся в оперативной памяти и при выключении или перезагрузке моста удаляются. В случае, если мост включается в сеть, его таблицы пусты и поначалу работы он будет пропускать все фреймы, дополняя при этом свою таблицу адресами источников. Подытожим:
Исходя из того, что коммутаторы являют собой многопортовые мосты, все правила, которые касаются мостов можно перенести на работу коммутатора. Типы коммутации За время существования коммутационных сетей было создано три основных алгоритма коммутации фреймов, все алгоритмы имеют свои особенности, недостатки и преимущества. Пересылка фрейма с промежуточным хранением (Store-and-forward)  Рисунок 3.13 Самый первый способ передачи фреймов в истории. Мосты работают только с этим режимом. Является самым надёжным способом передачи, но и самым громоздким, до принятия решения о пересылке, коммутатор сначала полностью принимает фрейм, записывает его во входной буфер, затем проверяет контрольную сумму, и если фрейм не подвергался изменениям в процессе передачи, просматривается адрес назначения и принимается решения о пересылке фрейма на необходимый отправной порт. Этот режим использовался на заре технологий коммутаторов и наиболее эффективен при крайне «враждебной» среде передачи, с максимальным количеством помех. Этот режим является обязательным при связке двух и более сегментов с разными средами передачи (например : беспроводной канал и витая пара, или витая пара и оптоволокно) Режим с контролем фрагментов (Fragment-Free)  Рисунок 3.14 Этот способ передачи, является более быстрым, чем предыдущий, хотя он тоже разрабатывался для сетей с возможностью возникновения коллизий. Решение о коммутации принимается только после получения первых 64 байт информации. Почему 64 байт ? Ответ на этот вопрос заложен в самой технологии Ethernet, исходя из временных интервалов, которые установлены технологией, времени, которого необходимо на передачу 64 байт информации вполне достаточно для того, чтобы при наличии сегмента с разделённой средой передачи (Shared media), все станции, даже в самых отдалённых уголках топологии знали, что идёт передача фрейма и необходимо ждать её окончания, таким образом, коллизии в сети возможны только на этапе пересылки первых 512 бит информации. Если коммутатор не получил сигнал коллизии из сегмента в течении приёма первых 512 бит, значит остальной кусок фрейма гарантировано не попадёт под воздействие коллизии и в случае достаточно помехоустойчивой среды передачи проверять этот фрейм на искажённость не обязательно. Таким образом этот алгоритм работает быстрее Store-and-forward, но имеет недостатки касательно надёжности передачи по помехонезащищённым каналам. Сквозной режим передачи (Cut-through)  Рисунок 3.15 Наиболее быстрый режим коммутации фреймов, был разработан для коммутаторов, сегменты которых работают в полном дуплексе. Является основным режимом работы для коммутаторов современности и установлен по умолчанию. С развитием физических сред передачи данных, они стали настолько защищены от воздействий помех, что проверять фреймы стало простой тратой аппаратного времени, а значит внесением лишних задержек при передаче фрейма. Таким образом, при обработке фрейма в сквозном режиме, коммутатор просто дожидается получения MAC адреса назначения фрейма (а это первое поле фрейма, которое идёт сразу после преамбулы) и сразу делает решения о пересылке фрейма на необходимый порт для отправки его дальше в сеть. При таком подходе к коммутации фреймы испытывают минимальные задержки при передаче и передаются почти в реальном времени. Базовым или фундаментальным режимом работы коммутаторов всё равно остаётся режим с промежуточным хранением. Коммутаторы имеют счётчики ошибок при передаче и если показатели этих счётчиков достаточно велики, коммутатор автоматически переходит из любого режима в режим коммутации с промежуточным хранением, что гарантирует надёжную, хоть и с большими задержками, работу сети. Лекция4. Технология коммутации и модель OSI – 2ч Вопросы лекции. 1) Коммутаторы уровня 2, L2с функциями L3 2) Архитектура коммутаторов 3) Характеристики, влияющие на производительность коммутаторов Цель лекции: – сформировать у студентов комплексный подход к решению задач проектирования сетей передачи данных... Технологии коммутации и модель OSI Коммутаторы локальных сетей можно классифицировать в соответствии с уровнями модели OSI, на которых они передают, фильтруют и коммутируют кадры. Различают коммутаторы уровня 2 (Layer 2 Switch), коммутаторы уровня 2 со свойствами уровня 3 (Layer 3 Switch) и многоуровневые коммутаторы. Коммутаторы уровня 2 анализируют входящие кадры, принимают решение об их дальнейшей передаче и передают их пунктам назначения на основе MAC - адресов канального уровня модели OSI. Основное преимущество коммутаторов уровня 2 -прозрачность для протоколов верхнего уровня. Поскольку коммутатор функционирует на 2-м уровне, ему нет необходимости анализировать информацию верхних уровней модели OSI. Коммутация 2-го уровня - аппаратная. Она обладает высокой производительностью, поскольку пакет данных не претерпевает изменений. Передача кадра в коммутаторе может осуществляться специализированным контроллером, называемым Application-Specific Integrated Circuits (ASIC). Эта технология, разработанная для коммутаторов, позволяет обеспечивать высокие скорости коммутации с минимальными задержками. Существуют 2 основные причины использования коммутаторов 2-го уровня -сегментация сети и объединение рабочих групп. Высокая производительность коммутаторов позволяет разработчикам сетей значительно уменьшить количество узлов в физическом сегменте. Деление крупной сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет уменьшения объема передаваемых данных в отдельных сегментах), а также гибкость построения сети, увеличивая степень защиты данных, и облегчает управление сетью. Несмотря на преимущества коммутации 2-го уровня, она все же имеет некоторые ограничения. Наличие коммутаторов в сети не препятствует распространению широковещательных кадров (broadcast) по всем сегментам сети, сохраняя ее прозрачность. Таким образом, очевидно, что для повышения производительности сети необходима функциональность 3-го уровня OSI модели. |