Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных

• Название: Сети передачи данных
• Дата: 04.12.2022
• Размер: 4.1 Mb.
• Имя файла: Сети передачи данных - уч. пособие.pdf
• Тип: Учебное пособие; #827286
• страница: 5 из 14

Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
Метод организации VLAN на основе меток — тэгов — использует дополнительные поля кадра для хранения информации о принадлежности кадра при его перемеще- ниях между коммутаторами сети.
Стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, поз- воляющие передавать информацию о VLAN по сети (табл. 2.7). К кадру Ethernet добавлены четыре байта. Первые два байта с фиксированным значением 0

8100
определяют, что кадр содержит тег протокола 802.1Q/802.1p. Остальные два байта содержат следующую информацию:
ˆ
3 бита приоритета передачи кодируют до восьми уровней приоритета (от
0 до 7, где 7 — наивысший приоритет), которые используются в стандарте
802.1р;
ˆ
1 бит Canonical Format Indicator (CFI), который зарезервирован для обо- значения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet;
ˆ
12-битный идентификатор VLAN, определяющий, какой VLAN принадле- жит трафик.
Таблица 2.7 – Структура и положение тега в кадре Ethernet: DA — адрес назначения, SA — адрес источника
С точки зрения удобства и гибкости настроек VLAN на основе меток является лучшим решением.
Основные преимущества третьего подхода состоят в следующем:
1. Гибкость и удобство в настройке и изменении — можно создавать необхо- димые комбинации VLAN как в пределах одного коммутатора, так и во всей сети, построенной на коммутаторах с поддержкой стандарта 802.1Q.
Способность добавления меток позволяет VLAN распространяться через множество 802.1Q-совместимых коммутаторов по одному физическому со- единению.
2. Позволяют активизировать алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree)
на всех портах и работать в обычном режиме. Протокол Spanning Tree оказывается весьма полезным для применения в крупных сетях, построен- ных на нескольких коммутаторах, и позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой. Для нормальной работы коммутатора тре- буется отсутствие замкнутых маршрутов в сети. Эти маршруты могут со- здаваться администратором специально для образования резервных связей

2.8 Коммутируемый Ethernet
43
или же возникать случайным образом, что вполне возможно, если сеть име- ет многочисленные связи, а кабельная система плохо структурирована или документирована. С помощью протокола Spanning Tree коммутаторы после построения схемы сети блокируют избыточные маршруты, таким образом автоматически предотвращается возникновение петель в сети.
3. Способность VLAN 802.1Q добавлять и извлекать метки из заголовков пакетов позволяет VLAN работать с коммутаторами и сетевыми адаптерами серверов и рабочих станций, которые не распознают метки.
4. Устройства разных производителей, поддерживающие стандарт, могут ра- ботать вместе, т. е. независимо от какого-либо фирменного решения.
5. Не нужно применять маршрутизаторы, чтобы связать подсети на сетевом уровне, достаточно включить нужные порты в несколько VLAN для воз- можности обмена трафиком. Например, для обеспечения доступа к серве- ру из различных VLAN, нужно включить порт коммутатора, к которому подключен сервер, во все подсети. Единственное ограничение — сетевой адаптер сервера должен поддерживать стандарт IEEE 802.1Q.
6. Поддержка полнодуплексного режима (full duplex).
Почти все сегменты ЛВС (за исключением 100Base-T4) имеют возможность передавать сигналы по двум линиям (рис. 2.22), так как и сетевые карты, и концен- траторы имеют по два порта (TX и RX ). Однако алгоритм CSMA/CD ограничивает функционирование сети только полудуплексным режимом. Ситуация коренным образом меняется при переходе к коммутаторам, которые тоже имеют порты пере- датчика и приемника.
Рис. 2.22 – Полный дуплекс в коммутаторе
При создании коммутационного пути (рис. 2.22) входные и выходные порты соединяются попарно TX
1
RX
5
и TX
5
RX
1
, обеспечивая двухстороннюю передачу.
Понятие «общая шина» или «логическая шина» здесь перестает действовать,
поскольку пакеты разделены портами. Если каждая станция подключена к своему порту коммутатора (концентраторы отсутствуют), проблема коллизий исключается и режим full duplex реализуется полностью для каждой пары портов.
Существуют разные режимы работы коммутаторов.

44
Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
1. Коммутация «напролет» — Cut through. В этом случае считывается только ад- рес назначения и сразу начинается передача на выходной порт. Анализ всего пакета не производится. В силу этого такие коммутаторы самые простые и быстродейству- ющие. Время задержки пакета складывается из задержки на запись (6 байт адреса)
и задержки непосредственно на коммутацию и составляет не более 150 ВТ. Помимо этого каждый порт коммутатора может обнаруживать коллизии в своем сегменте и ликвидировать их.
К недостаткам режима «напролет» относятся:
ˆ
передача ошибочных пакетов (с неправильной контрольной суммой и т. п.)
и «карликовых» пакетов (

512 ВТ);
ˆ
невозможность передавать пакеты, поступающие сразу с разных входных портов на один выходной порт. Часть пакетов при этом пропадает.
2. Бесфрагментная коммутация. Это усовершенствованный вариант режима
«напролет» и отличается тем, что все порты имеют объем памяти FIFO 512 бит,
что позволяет записывать самые короткие пакеты. Если пакет заканчивается рань- ше, чем заполнится буфер, то содержимое буфера отбрасывается. Так решается проблема «карликовых» пакетов. Все остальные недостатки режима «напролет»
остаются. Время задержки пакета в таком коммутаторе увеличивается до 400 ВТ.
3. Коммутация с полной буферизацией (Store-and-Forward) — SAF. В этом ре- жиме записываются все, даже самые длинные пакеты (1500 байт). Соответствен- но, задержка существенно возрастает и может составить 12 000 ВТ. Ошибочные и карликовые пакеты здесь отбрасываются, а перегрузки возникают гораздо реже,
поскольку в таких коммутаторах процессоры имеются не только в передатчиках и приемниках портов, но и в самом коммутаторе (общая часть). Такой процессор регулирует поступление пакетов на порты и не допускает перегрузок, управляя памятью и скоростью передачи.
Коммутаторы с полной буферизацией могут одновременно поддерживать раз- ные скорости передачи 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Поэтому часть портов может работать в режиме Ethernet, а часть — в режиме Fast Ethernet.
Кроме вышеперечисленного, также можно отметить гибридные коммутаторы,
которые автоматически переключаются из режима «напролет» в режим полной буферизации и наоборот. При малой нагрузке и при низком уровне ошибок они переходят в более скоростной режим «напролет». К основным характеристикам коммутаторов относятся его производительность, количество портов, размер ад- ресной таблицы, объем буферной памяти.
Наиболее емкой характеристикой является производительность. Она включает в себя такие составляющие:
ˆ
скорость фильтрации (уничтожения) кадров;
ˆ
скорость передачи кадров;
ˆ
пропускная способность;
ˆ
задержка передачи кадра.
Среди этих характеристик наиболее универсальной и показательной является пропускная способность, поскольку она не зависит от размера кадра и измеряется в битах в секунду. В соответствии со стандартом Ethernet эта величина составляет

2.8 Коммутируемый Ethernet
45
10 Мбит/с или 100 Мбит/с при передаче кадров через один порт. Разумеется, что приближение к этим цифрам ближе всего реализуется на кадрах максимальной длины. Кроме этой характеристики, применяют другую — суммарную производи- тельность или суммарную пропускную способность по всем его портам.
Задержка передачи кадра рассматривалась ранее. Для Ethernet она составляет от
5 до 40 мкс для коммутации «напролет» и от 50 до 400 мкс для кадров минимальной длины при полной буферизации.
Количество портов коммутатора не бывает большим и меняется от 6 до 24.
Это не влияет на количество станций, задействованных в одной ЛВС, так как коммутаторы могут включаться по древовидной схеме и на одном порту может прописано большое количество МАС-адресов.
Размер адресной таблицы определяется из расчета на один порт. Здесь разли- чают несколько вариантов. Если коммутатор предназначен для организации рабо- чей группы, то число МАС-адресов на один порт составляет несколько единиц.
В распространенном случае режима full duplex, когда коммутатор обслуживает ма- гистраль, число МАC-адресов на порт составляет 4000–8000.
Буферные устройства коммутаторов предназначены для временного хранения кадров, в тех случаях, когда их нельзя передать сразу на выходной порт. Такие ситуации возникают при пиковых нагрузках, когда кадры поступают одновремен- но на все входы и не могут быть переданы на выходные порты. Для того чтобы потери трафика были минимальными, объем памяти на каждом порту должен быть достаточно большим. Обычно для ответственных сегментов сети применяют ком- мутаторы с объемом памяти в десятки и сотни килобайт на порт. Дополнитель- ным средством буферизации является память центрального процессора объемом в несколько мегабайт.
В коммутаторах предусмотрен контроль и регулирование скорости входных потоков с целью избегания перегрузок. Широко известен способ «обратного давле- ния» (рис. 2.23). Пусть порты 1, 2, 3 коммутатора передают пакеты на порт 4. При определенной суммарной скорости V
пep порт 4 не справляется с передачей всех трех входных потоков и входные буферы портов 1–3 начинают переполнятся. Это приводит к отбрасыванию «лишних» кадров и существенному снижению скорости передачи. Чтобы искусственно снизить скорость передачи на входах, коммутатор посылает в сегменты 1, 2, 3 «пустые» кадры (кадры, не несущие информации),
которые воспринимаются как наличие коллизий. Это замедляет скорость передачи.
Рис. 2.23 – Регулирование перегрузки
Рассмотрим основные схемы построения сетей на основе коммутаторов (рис. 2.24).
Их можно разделить на две группы: с применением комбинации коммутаторов и концентраторов (a) и на одних коммутаторах (б). Несмотря на их топологиче-

46
Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
скую схожесть, эти схемы имеют принципиальные различия. Первая имеет в своем составе домены коллизий и может работать только в полудуплексном режиме.
Порты коммутатора включены соответственно в свои сегменты и тоже должны поддерживать полудуплексный режим. Возникновение коллизий снижает произ- водительность сети при достаточно большом количестве станций в сегментах.
Единственным достоинством такой схемы является ее низкая стоимость. Поэто- му применяется она для построения сетей небольших рабочих групп, не требую- щих высоких скоростей обмена и не предполагающих существенных изменений объемов трафика.
Рис. 2.24 – Схемы сетей с применением коммутаторов: a) коммутатор —
концентратор; б) коммутатор — коммутатор
Вторая схема более прогрессивна, так как работает в режиме full duplex. Обо- значим еще раз достоинства этого режима. Поскольку коллизии отсутствуют, то сеть нормально работает при нагрузке, приближающейся к 100% от пропускной способности. Ограничения на размер сети здесь уже будут определяться только физическими характеристиками среды передачи (затухание и дисперсия). Ограни- чения, связанные со временем двойного оборота, автоматически снимаются. По- этому при использовании оптоволоконной линии длина сегмента для Fast Ethernet может составлять 2 км и более.
В схеме на коммутаторах необходимо сочетание медленных (Ethernet) и быст- рых (Fast Ethernet) портов. Это надо для того, чтобы станции одновременно могли обращаться к одному и тому же сетевому устройству (например, серверу) без сни- жения скорости. Поэтому порт, к которому подключается сервер, должен быть высокоскоростным.
В силу своих преимуществ схемы на коммутаторах вытесняют схемы с приме- нением концентраторов.
К недостаткам схем на коммутаторах относятся:
ˆ
ограниченное количество абонентов в одном узле (небольшое число портов);
ˆ
увеличение затрат на построение сети;
ˆ
невозможность организовать кольцевые и ячеистые сети.
Рассмотрим последнее ограничение подробно. Пусть схема на коммутаторах
(рис. 2.25) работает в режиме full duplex. Петля образуется при соединении комму-

2.8 Коммутируемый Ethernet
47
таторов K
2
и K
3
. Предположим, что к коммутатору K
2
подключилась новая станция с МАС-адресом 7. Тогда в таблице K
2
появится запись
K
2
МАС-адрес
Порт
7 2
Рис. 2.25 – Образование замкнутых маршрутов
Коммутатор K
2
начинает широковещательную рассылку новой информации.
Поэтому в таблицах K
1
и K
3
появятся записи.
K
1
МАС-адрес
Порт
7 1
K
3
МАС-адрес
Порт
7 1
K
1
и K
3
также ведут широковещательную рассылку этой информации. При этом информация о станции 7 придет на порт 2 K
1
от K
3
. Поскольку эта информация более свежая, то старая запись будет заменена новой.
K
1
МАС-адрес
Порт
7 2
Аналогично для K
3
замена будет следующей
K
3
МАС-адрес
Порт
7 3
Наличие петли приводит к следующим отрицательным результатам:
ˆ
размножение кадра (появляются две копии);
ˆ
появление излишнего трафика (обе копии циркулируют по петле в проти- воположных направлениях);
ˆ
постоянная смена таблиц в коммутаторах.

48
Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
Все это вынуждает использовать в сетях с коммутаторами древовидные струк- туры. Такие структуры достаточно легко реализуются в простых сетях с небольшим количеством коммутаторов и ненапряженным трафиком. В сложных сетях возмож- но появление петель либо непреднамеренно, либо специально для организации резервных путей или регулировки трафика. Для исключения петель в таких схемах некоторые активные порты блокируют вручную или автоматически.
Наиболее распространенным способом автоматического выключения избыточ- ных связей является алгоритм «покрывающего дерева» — Spannig Tree Algoritm
(STA). Суть этого алгоритма заключается в следующем. Коммутатор постоянно тестирует сеть и, опрашивая соседние коммутаторы, создает активную древовид- ную структуру. При этом коммутатор автоматически обнаруживает отказы портов,
кабеля и т. п.
Процедура STA следующая:
1. Определение корневого коммутатора, от которого строится дерево (обычно он назначается администратором сети).
2. Для каждого коммутатора определяется корневой порт. Это такой порт, ко- торый обеспечивает соединение с корневым коммутатором по кратчайшему пути.
3. Для каждого сегмента сети выбирается назначенный порт, имеющий крат- чайшее расстояние до корневого коммутатора.
Так, например, для сети, изображенной на рисунке 2.25, корневым коммутато- ром может быть выбран K
1
. Для коммутатора K
3
корневым портом является порт 3,
а назначенным портом для сегмента A — порт 2. Для устранения петли порт 1 K
3
или порт 3 K
2
должны быть заблокированы.
Помимо реализации алгоритма STA коммутаторы могут обеспечить и другие дополнительные функции — фильтрации и приоритезации трафика. Обычно филь- трация осуществляется по отношению к станциям сети и заключается в создании запретов на прохождение пакетов либо к определенным портам, либо к опреде- ленным типам сервисов. Наиболее просто реализуются фильтры на основе МАС- адресов. Для этого в адресной таблице организуются дополнительные позиции,
в которых прописываются условия фильтрации, например отбрасывание кадров с определенным адресом. Другими примерами фильтрации являются запреты на доступ к отдельным видам разделяемых ресурсов: печать, доступ в Интернет и др.
Приоритетная обработка кадров заключается в том, что коммутатор, используя буфер, может по каждому входному и выходному портам вести не одну, а несколько очередей с различными приоритетами. Это позволяет обеспечить разное качество обслуживания по задержке и пропускной способности.
Поскольку у кадров Ethernet нет поля приоритетов, коммутатор должен исполь- зовать дополнительные механизмы. Один из этих механизмов — присвоение прио- ритетов портам коммутатора. На выходном порту пакеты выстраиваются в разные очереди в зависимости от номера входного порта. В этом случае все станции,
подключенные к одному порту, будут иметь одинаковый приоритет.
Более гибкое присвоение приоритетов заложено в протоколе IEEE 802.1p. Он предусматривает дополнительный заголовок на 16 бит, в котором 3 бита использу- ются для указания приоритета.

2.9 Gigabit Ethernet
49
2.9 Gigabit Ethernet
Переход локальных вычислительных сетей на скоростную технологию Fast
Ethernet привел к перегрузке в сегментах с общим ресурсом (рис. 2.26). Здесь приведена упрощенная структура узла СПД, в центре которого находится комму- татор K
1
, который соединен дуплексными каналами с другими магистральными коммутаторами (K
2
и другими). В качестве его нагрузки выступают коммутаторы,
образующие сегменты корпоративных ЛВС, маршрутизаторы, серверы. Разделяе- мыми ресурсами являются доступ к серверам и доступ к магистрали. Если все пользователи СПD и ЛВС по каналам 100 Мбит/с будут обращаться к серверам,
подключенным к коммутатору на такой же скорости, то в этих сегментах велика ве- роятность возникновения перегрузки. Следовательно, скорость передачи в каналах,
ведущих к общим ресурсам, должна быть примерно на порядок больше.
Рис. 2.26 – Фрагмент сети передачи данных
Разработчикам сетевых технологий было предложено несколько разновидно- стей скоростных сетей: Asynchronous Transfer Mode (ATM), Fibre Channel (FC),
Dynamic Packet Transport (DPT), Gigabit Ethernet. Рассмотрим здесь последнюю,
поскольку она логически вытекает из цепочки технологий Ethernet
Fast Ethernet,
не требует радикальной реконструкции существующих сетей и находит широкое применение. Комитетом IEEE 802.3 приняты стандарты 802.3z и 802.3ab, регламен- тирующие несколько вариантов сетей Gigabit Ethernet с пропускной способностью
1000 Мбит/с.
Что осталось в новой технологии от ее предшественников? Это неизменность второго уровня — подуровней MAC и LLC. Это означает, что сохранился полудуп- лексный режим доступа CSMA

CD. Он, правда, применим для небольших рабочих групп и небольших расстояний (до 100 м). Вместе с тем широко применяется режим full duplex (коммутируемый GE), который обеспечивает скоростные связи между достаточно удаленными узлами (5 км и более).
Сохранились форматы кадров Ethernet, несмотря на их явные недостатки: от- сутствие поля приоритетов, наличие кадров переменной длины, невозможность ра- боты в петлевых схемах, невозможность тестирования работоспособности узлов.
Именно это обстоятельство обеспечивает эволюционное развитие сетей Ethernet.
Наконец, сохранились все виды физических сред первого уровня: ВОЛС, витая пара UTP-5 и коаксиальный кабель (рис. 2.27).

50