Краткое содержание занятия

• Мост избирательно пересылает пакеты между сетевыми сегмента­ми, анализируя целевой адрес канального уровня.

• Мост разделяет сеть на независимые коллизионные домены, но сохраняет единый широковещательный домен.

• Технологии прозрачного соединения и соединения «источник — маршрут» используются мостами для сбора информации о сете­вых сегментах, которые они обслуживают.

• Локальные мосты связывают сетевые сегменты одного типа; мос­ты-трансляторы связывают сетевые сегменты разных типов; уда­ленные мосты связывают сегменты сети, расположенные на зна­чительном расстоянии друг от друга.

Рис. 3. Мосты-трансляторы позволяют объединить в одну сеть сегменты с разными протоколами или сетевыми средами

Коммутация

Другой тип устройств канального уровня — коммутаторы. В совре­менных сетях они почти совершенно вытеснили мосты и частично маршрутизаторы. Коммутатор (switch) — это корпус со множеством гнезд для кабелей, который внешне похож на концентратор. Более того, некоторые производители выпускают концентраторы и комму­таторы, различающиеся лишь маркировкой. Но это совершенно раз­ные устройства: концентратор передает каждый входящий пакет че­рез все порты, а коммутатор направляет его только на порт, обеспе­чивающий доступ к целевой системе.

Поскольку коммутатор направляет данные только на один порт, он, по сути, преобразует ЛВС с общей сетевой средой в ЛВС с выде­ленной (dedicated) средой. В небольшой сети с коммутатором вместо концентратора каждый пакет следует от компьютера-источника к компьютеру-получателю по выделенному пути, который является коллизионным доменом для этих двух компьютеров. Такой коммута­тор иногда называют коммутирующим концентратором (switching hub). Широковещательные сообщения коммутаторы передают на все свои порты, но к узковещательным и многоадресным сообщениям это не относится. Ни один компьютер не получает пакеты, которые ему не предназначены. В процессе узковещательной передачи коллизии никогда не возникают, так как любая пара компьютеров в сети обме­нивается данными по выделенному кабелю. Иными словами, если мост просто разгружает сеть, то коммутатор практически полностью устраняет в ней лишний трафик.

Другое преимущество коммутации в том, что любая пара компью­теров пользуется всей полосой пропускания сети. Стандартная сеть Ethernet с концентратором может состоять из 20 или более компью­теров, совместно использующих полосу пропускания 10 Мбит/сек. Замените концентратор на коммутатор, и каждая пара компьютеров получит собственный выделенный канал со скоростью передачи 10 Мбит/сек. Это может существенно повысить общую производитель­ность сети без модернизации рабочих станций. Кроме того, некото­рые коммутаторы снабжены портами, работающими в полнодуплек­сном режиме, т. е. два компьютера могут передавать данные в обоих направлениях одновременно, используя отдельные пары проводов в сетевом кабеле. Работа в полнодуплексном режиме может увеличить пропускную способность сети с 10 Мбит/сек до 20 Мбит/сек.

Примечание Коммутаторы, как правило, дороже концентраторов и дешевле маршрутизаторов. Как и концентраторы, по размерам комму­таторы варьируются от небольших блоков до моделей, смонтирован­ных в отдельных стойках.

Установка коммутаторов

В небольших сетях, как правило, вместо коммутатора можно исполь­зовать концентратор. Чаще коммутаторы применяют в крупных ин­терсетях вместо мостов или маршрутизаторов. Если в обычной кор­поративной сети, состоящей из магистрали и нескольких сегментов, заменить маршрутизаторы коммутаторами, эффект будет поразитель­ный. В сети с маршрутизатором магистраль переносит межсетевой трафик, сгенерированный всеми сегментами. Это приводит к тому, что она всегда работает в условиях высокого трафика. В коммутируе­мой сети компьютеры подсоединены к отдельным коммутаторам ра­бочих групп, которые в свою очередь связаны с высокопроизводи­тельным коммутатором магистрали (рис. 4). В результате любой компьютер сети может соединиться по выделенному каналу с любым другим компьютером, даже если данные проходят через несколько коммутаторов.

Существует много вариантов использования коммутаторов в слож­ных интерсетях; менять сразу все концентраторы и маршрутизаторы на коммутаторы не придется. Например, можно продолжать пользо­ваться обычными сетевыми концентраторами, но подключить их не к маршрутизатору, а к многопортовому коммутатору. От этого эффек­тивность межсетевого трафика возрастет. С другой стороны, если в Вашей сети большой объем трафика генерируется внутри отдельных ЛВС, а не между ними, можно, не затрагивая магистраль, заменить коммутаторами концентраторы рабочих станций, увеличив тем самым доступную каждому компьютеру полосу пропускания.

Рис. 4. Коммутация позволяет компьютерам связываться друг с другом напрямую, без предоставления совместного доступа к сетевой магистрали

Проблема больших интерсетей, связанная с заменой всех мар­шрутизаторов на коммутаторы, состоит в том, что в результате вместо нескольких небольших широковещательных доменов Вы получаете один, но очень большой (о коллизионных доменах Вам беспокоиться не придется, потому что коллизий будет гораздо меньше). Любое широковещательное сообщение, сгенерированное одним компьюте­ром, коммутаторы передают всем остальным компьютерам сети, уве­личивая тем самым количество лишних пакетов, обрабатываемых каждой системой. Существует несколько технологий для решения этой проблемы.

• Виртуальные ЛВС (ВЛВС) позволяют выделять в коммутируемой сети подсети, существующие только внутри коммутаторов. Адреса систем, входящих в данную подсеть, задаются сетевым админи­стратором; физическая сеть остается коммутируемой. Системы подсети могут находиться где угодно, поскольку подсеть виртуаль­на и не зависит от физического расположения компьютеров. Ког­да компьютер, включенный в подсеть, передает широковещатель­ное сообщение, оно передается только компьютерам данной под­сети. Связь между подсетями может осуществляться с помощью маршрутизатора или коммутатора, но внутри ВЛВС трафик может быть только коммутируемым.

• Уровень коммутации 3 — это вариант ВЛВС, минимизирующий объем маршрутизации между виртуальными сетями. Когда требу­ется установить связь между системами в разных ВЛВС, маршру­тизатор устанавливает соединение между системами, а затем уп­равление берут на себя коммутаторы. Маршрутизация осуществля­ется только тогда, когда она действительно необходима.

Типы коммутаторов

Существует два основных типа коммутаторов: сквозные (cut-through) и с промежуточной буферизацией (store-and-forward). Сквозной коммутатор передает пакеты через соответствующий порт без дополни­тельной обработки, немедленно, как только они получены, считывая адрес целевой системы в заголовке протокола канального уровня. Коммутатор начинает передачу пакета, даже не дожидаясь заверше­ния его приема. Как правило, в сквозных коммутаторах используется аппаратный компонент, состоящий из набора схем ввода-вывода, который позволяет данным поступать в коммутатор и покидать его через любой порт. Такие коммутаторы называются еще матричными (matrix) или координатными (crossbar). Они относительно недороги и сводят к минимуму так называемое время ожидания (latency), т. е. вре­мя, затрачиваемое коммутатором на обработку пакетов.

Коммутатор с промежуточной буферизацией дожидается заверше­ния приема пакета и лишь потом отправляет его по назначению. Раз­личают коммутаторы с общей памятью (shared-memory switch), т. е. с общим буфером для хранения данных всех портов, и коммутаторы с шиной (bus architecture switch) — с отдельными буферами для каждого порта, соединенными шиной. Пока пакет хранится в буферах, ком­мутатор пользуется этой возможностью, чтобы проверить данные, вычислив их код CRC. Кроме того, коммутатор отслеживает появле­ние других проблем, присущих конкретному протоколу канального уровня, которые приводят к формированию дефектных кадров, на сленге именуемых коротышками (runt), гигантами (giant) и тарабар­щиной (jabber). Эта проверка, естественно, увеличивает время ожида­ния, а дополнительные функции повышают стоимость коммутаторов с промежуточным хранением по сравнению со сквозными.

Краткое содержание занятия

• Коммутатор совершеннее моста — он направляет пакеты исклю­чительно целевым системам.

• Коммутатор снижает число коллизий в сети и увеличивает полосу пропускания, доступную каждому компьютеру.

• Виртуальная ЛВС позволяет разделить коммутируемую сеть на несколько широковещательных доменов.

• Существует несколько типов коммутаторов — от простых недоро­гих устройств для рабочих групп до сложных коммутаторов для корпоративных сетей.

Маршрутизация

Маршрутизатором (router) называется устройство, связывающее вме­сте две сети, формируя из них интерсеть. В отличие от мостов и ком­мутаторов, маршрутизаторы функционируют на сетевом уровне эта­лонной модели OSI. Это означает, что маршрутизатор может связы­вать ЛВС, которые работают с разными протоколами канального уровня (например, Ethernet и Token Ring), при условии, что все они используют один и тот же протокол сетевого уровня. Самым попу­лярным в наши дни является набор протоколов TCP/IP, на сетевом уровне которого действует протокол IP. Таким образом, большая часть информации, которую Вы будете узнавать о маршрутизаторах, будет относиться к протоколу IP.

Когда компьютеру в одной ЛВС нужно передать данные компью­теру в другой ЛВС, он посылает пакеты маршрутизатору в своей ло­кальной сети, а маршрутизатор направляет их в целевую сеть. Если система-получатель находится в удаленной сети, маршрутизатору приходится пересылать пакеты другому маршрутизатору. В больших интерсетях, подобных Интернету, пакетам на пути к целевому ком­пьютеру приходится проходить через множество маршрутизаторов.

Поскольку маршрутизаторы работают на сетевом уровне, они не связаны ограничениями протоколов канального уровня. Пакет, по­ступающий в маршрутизатор, продвигается по стеку протоколов к сетевому уровню, причем по ходу дела кадр канального уровня отсе­кается. Маршрутизатор определяет, куда нужно отправить пакет, и передает данные вниз по стеку другому сетевому интерфейсу, кото­рый для отправки инкапсулирует их в новый кадр. Если два протоко­ла канального уровня поддерживают пакеты разных размеров, мар­шрутизатору, возможно, придется фрагментировать данные сетевого уровня и создавать из них несколько кадров.

Маршрутизация пакетов

В отношении пакетов, пересылаемых другим портам, маршрутизато­ры более избирательны, чем концентраторы, мосты и коммутаторы. Работая на границах ЛВС, они не передают широковещательные со­общения за исключением некоторых специальных случаев. Маршру­тизатор осуществляет передачу пакетов, руководствуясь не аппарат­ным адресом в заголовке канального уровня, а адресом оконечной целевой системы в заголовке протокола сетевого уровня. Информа­ция о смежных с маршрутизатором сетях содержится в его внутрен­ней таблице маршрутизации (routing table). По этой таблице маршру­тизатор определяет, куда направить очередной пакет. Если пакет предназначен для системы в одной из сетей, к которым подключен маршрутизатор, он передает пакет непосредственно этой системе. Если пакет предназначен системе в удаленной сети, маршрутизатор через одну из смежных сетей передает пакет другому маршрутизатору.

Рассмотрим в качестве примера корпоративную интерсеть, состо­ящую из магистрали и нескольких сегментов, подключенных к ней с помощью маршрутизаторов (рис. 5). Компьютеры каждого сегмен­та используют в качестве шлюза по умолчанию маршрутизатор, свя­зывающий этот сегмент с магистралью. Все пакеты, генерируемые в локальной сети, передаются либо одной из систем этой же сети, либо шлюзу по умолчанию. Маршрутизатор-шлюз удаляет из каждого па­кета кадр канального уровня и считывает из заголовка сетевого уров­ня адрес оконечной целевой системы. По своей таблице маршрутизации шлюз определяет, через какой мар­шрутизатор он может получить доступ к сети, в которой находится око­нечная система. Адрес этого маршрутизатора указывается в качестве целевого адреса канального уровня в новом кадре, который шлюз созда­ет для пакета с помощью протокола канального уровня магистрали (он может отличаться от протокола, используемого в сегменте). Затем пакет достигает следующего маршрутизатора, и процесс повторяется. Когда очередной маршрутизатор находит по своей таблице, что целевая система находится в сегменте, с которым он соединен, маршрутизатор созда­ет кадр для передачи пакета непосредственно этой системе.

Если пакету на пути к конечному пункту приходится проходить через множество сетей (рис. 6), каждый обрабатывающий его мар­шрутизатор называют транзитом (hop). Маршрутизаторы часто оце­нивают эффективность маршрута по числу транзитов от исходной до целевой системы. Одна из основных функций маршрутизатора — выбор наилучшего маршрута по данным из таблицы маршрутизации.

Рис. 5. В типичной интерсети маршрутизатор перенаправляет пакеты к очередному промежуточному узлу