Основы мостовых и коммутируемых соединений

В настоящей главе описаны технологии, применяемые в сетях, основу которых составляют устройства, обобщенно называемые мостами и коммутаторами. В ней рассматриваются основные операции устройств канального уровня, использование мое- , тов в локальных сетях и в сетях удаленного доступа, ATM-коммутация и коммутация Л в локальных сетях. Более подробно эти технологии будут рассмотрены в части V настоящей книги "Мосты и,переключатели".

Что такое мосты и коммутаторы?

Мосты и коммутаторы представляют собой устройства передачи данных, функционирующие главным образом на 2-м уровне эталонной модели OSI. По этой причине их часто называют устройствами канального уровня.

Мосты стали коммерчески доступными в начале 80-х годов прошлого столетия. В момент своего появления они соединяли однородные сети и позволяли пересылать между ними пакеты данных. Впоследствии область их применения была расширена и появились стандарты, описывающие объединение мостами сетей различных типов.

В объединенных сетях важное значение имеют несколько типов мостовых соедине- :! ний. В сетях Ethernet в (основном применяются прозрачные мостовые соединения (transparent bridging), а в сетях Token Ring — мостовые соединения с маршрутизацией на источнике (source-route bridging). Трансляционные мостовые соединения (translational bridging) обеспечивают переход между различными форматами и способами передачи в различных средах (обычно между сетями Ethernet и Token Ring). Наконец, прозрачные мостовые соединения с маршрутизацией на источнике (source-route transparent bridging) представляют собой комбинацию алгоритмов прозрачного мостового соединения и мое- ■;<; тового соединения с маршрутизацией и позволяют организовать обмен данными в смешанных средах Ethernet/Token Ring.

В настоящее время на смену технологиям объединенных сетей на основе мостов приходят технологии коммутируемых соединений. Там, где раньше устанавливались мосты, сейчас преобладают коммутаторы. Большая пропускная способность, более высокая плотность портов при более низкой стоимости одного порта и большая гибкость способствуют тому, что коммутаторы вытесняют мосты и служат дополнением к технологии маршрутизации.

Обзор устройств канального уровня

Мостовые и коммутируемые соединения относятся к канальному уровню, на котором происходит управление потоками данных, обрабатываются ошибки передачи, обеспечивается физическая адресация (в противоположность логической) и осуществляется доступ к физической среде передачи. Мосты обеспечивают эти функции, используя различные протоколы канального уровня, которые определяют особые алгоритмы управления потоком, обработки ошибок, адресации и доступа к среде передачи. Наиболее часто используются такие протоколы канального уровня, как Ethernet, Token Ring и FDDI.

Мосты и коммутаторы не являются сложными устройствами. Они анализируют входящие фреймы, принимают решения об их пересылке, основываясь на информации, содержащейся в этих фреймах, и направляют их устройству-получателю. В некоторых случаях, например при мостовом соединении с маршрутизацией на источнике, весь маршрут к получателю содержится в каждом фрейме. В других случаях, в частности, при прозрачном мостовом соединении, при пересылке имеется информация лишь об адресе следующего перехода.

Прозрачность протоколов высокого уровня является основным преимуществом как мостовых, так и коммутируемых соединений. Поскольку устройства обоих типов работают на канальном уровне, от них не требуется анализ информации высших уровней. Это означает, что они могут практически мгновенно перенаправлять данные любого протокола сетевого уровня. Нередко по мосту из одной сети в другую передаются данные протоколов AppleTalk, DECnet, TCP/IP, XNS и других.

Мосты могут фильтровать фреймы по любым полям 2-го уровня. Например, мост можно запрограммировать таким образом, чтобы он отбрасывал все фреймы, исходящие из определенной сети. Поскольку в данных канального уровня часто содержатся ссылки на протокол более высокого уровня, мосты обычно могут фильтровать данные и по этому параметру. Кроме того, фильтры могут оказаться полезными для исключения избыточных широковещательных и многоадрееатных пакетов.

Разделение большой сети на несколько автономных элементов при помощи мостов и коммутаторов предоставляет много преимуществ. Поскольку пересылается лишь часть потоков данных, использование мостов или коммутаторов уменьшает общий объем данных, получаемых устройствами всех подсоединенных сегментов сети. Мосты и коммутаторы играют роль брандмауэров, которые не пропускают некоторые потенциально опасные сетевые ошибки и обеспечивают обмен данными между большим количеством устройств, чем это возможно в одной подключенной к мосту локальной сети. Мосты и коммутаторы увеличивают фактический размер локальной сети, позволяя подключать к ней удаленные станции, что было бы невозможным без использования мостов и коммутаторов.

Хотя мосты и коммутаторы во многом похожи, между ними есть и ряд отличий. Так, мосты обычно используют для разбиения большой локальной сети на два меньших сегмента, а коммутаторы — на несколько таких сегментов. Мосты имеют, как правило, небольшое количество портов для устройств локальной сети, в то время как коммутаторы обычно обладают большим их количеством. Небольшие коммутаторы, такие как Cisco Catalyst 2924XL, имеют 24 порта, позволяющие создать 24 сегмента локальной сети. Более крупные коммутаторы, такие как Cisco Catalyst 6500, могут иметь сотни портов. Коммутаторы можно также использовать для соединения локальных сетей, использующих различные среды передачи. Например, с помощью коммутатора можно соединить 10-мегабитовую и 100-мегабитовую локальную сеть Ethernet. Некоторые коммутаторы поддерживают коммутацию без буферизации пакетов, что позволяет уменьшить задержки в сети, в то время как мосты поддерживают только коммутацию фреймов с промежуточным хранением. Наконец, коммутаторы уменьшают вероятность коллизий в сетевых сегментах, так как предоставляют каждому сетевому сегменту отдельную полосу пропускания.

Типы мостов

Можно выделить несколько категорий мостов, в зависимости от их параметров. Согласно одной из распространенных схем классификации, мосты подразделяются на локальные и удаленные. Локальные мосты обеспечивают прямое соединение нескольких смежных сегментов локальной сети. Удаленные мосты соединяют несколько сегментов локальной сети, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, как правило, с использованием линий телекоммуникаций. Эти две конфигурации показаны на рис. 5.1.

 

Рис. 5.1. Локальное и удаленное мостовое соединение

Использование удаленных мостовых соединений связано с рядом особых проблем межсетевого взаимодействия, одна из которых — различие скоростей передачи данных в локальной и распределенной сетях. Хотя сейчас в географически распределенных сетевых комплексах применяются некоторые технологии скоростных распределенных сетей, скорость обмена данными в локальных сетях обычно значительно выше, чем в распределенных сетях. Значительная разница в скорости может помешать пользователям работать через распределенную сеть с LAN-приложениями, чувствительными к задержкам.

Удаленные мостовые соединения не могут увеличить скорость передачи данных по распределенной сети, но могут компенсировать разницу в скоростях за счет буферов достаточного объема. Если устройство локальной сети, способное передавать данные со скоростью 3 Мбит/с, обращается к устройству удаленной локальной сети, то локальный мост должен отрегулировать 3-мегабитовый поток данных таким образом, чтобы он не переполнил 64-килобитовую последовательную линию связи. Это делается путем сохранения поступающих данных во встроенных буферах и последующей их отправки по последовательной линии связи с той скоростью, которую она обеспечивает. Однако такая буферизация эффективна только при незначительном избытке данных, не переполняющем буферы моста.

Согласно стандарту института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers — IEEE), канальный уровень модели OSI делится на два подуровня: подуровень управления доступом к среде передани MAC (Media Access Control — MAC) и подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control — LLC). Подуровень MAC обеспечивает доступ к среде передачи и управляет им, решая такие задачи, как равноправный доступ различных устройств и передача маркера, а подуровень LLC осуществляет формирование фреймов, управление потоком, контроль ошибок и адресацию подуровня MAC.

Некоторые мосты являются мостами МАС-уровня и объединяют однородные сети (например, сети стандарта IEEE 802.3), в то время как мосты другого типа могут передавать данные с преобразованием из одного протокола канального уровня в другой (например, из сети IEEE 802.3 в сеть IEEE 802.5). Базовый механизм такого преобразования показан на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Мост уровня MAC соединяет сети IEEE 802.3 и IEEE 802.5

На рис. 5.2 показан узел сета IEEE 802.3 (узел А), формирующий пакет, который содержит информацию приложения и инкапсулирующий этот пакет во фрейм, соответствующий спецификации IEEE 802.3, для передачи к мосту по сети IEEE 802.3. На мосту, на подуровне MAC канального уровня, из этого фрейма удаляется заголовок формата IEEE 802.3, а затем фрейм передается на подуровень LLC для дальнейшей обработки.

Затем пакет передается на уровень LLC, уже для протокола IEEE 802.5, и инкапсулируется во фрейм спецификации IEEE 802.5 для передачи по сети IEEE 802.5 узлу В.

Преобразование мостом пакетов, передаваемых между сетями различных типов, несовершенно, поскольку возможны случаи, когда одна сеть поддерживает определенные поля фрейма и функции соответствующего протокола, а другая сеть такими функциями не обладает.

Типы коммутаторов

Коммутаторы представляют собой устройства канального уровня, которые, как и мосты, позволяют соединять несколько физических сегментов локальной сети в одну крупную сеть. Подобно мостам, коммутаторы пересылают потоки данных, на основе МАС-адреса. Любое сетевое устройство создает некоторую задержку. В коммутаторах применяются различные приемы перенаправления данных, в частности, промежуточное хранение и коммутация без буферизации пакетов.

При использовании коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward switching) фрейм не может быть передан дальше, пока не будет полностью получен. Это означает, что задержка при проходе через коммутатор зависит от размера фрейма: чем он больше, тем больше задержка. Коммутация без буферизации пакетов (cut-through switching) позволяет коммутатору начать передачу фрейма после получения части фрейма, достаточной для того, чтобы определить, куда его нужно отправить. Это уменьшает задержку при проходе через коммутатор. Промежуточное хранение позволяет коммутатору проверить фрейм на наличие ошибок перед его передачей. Такая возможность отбрасывания фреймов с ошибками является одним из преимуществ коммутаторов перед концентраторами. Коммутация без буферизации пакетов не дает подобного преимущества, и в этом случае коммутатор может пересылать даже фреймы с ошибками. Существует много типов коммутаторов, в том числе коммутаторы ATM, коммутаторы локальных сетей, а также различные типы коммутаторов распределенных сетей.

Коммутаторы ATM

Коммутаторы ATM обеспечивают высокоскоростную коммутацию и масштабируемость полосы пропускания в рабочей группе, в сетевой магистрали предприятия и в распределенной сети. Эти коммутаторы обеспечивают передачу звука, цифровой и видеоинформации. Они предназначены для передачи используемых в сетях ATM единиц информации фиксированного размера, которые называются ячейками. На рис. 5.3 показана корпоративная сеть, состоящая из нескольких локальных сетей, соединенных магистралью ATM.

Коммутаторы локальных сетей

Коммутаторы локальных сетей используются для соединения сегментов локальных сетей. Коммутация локальных сетей обеспечивает взаимодействие сетевых устройств по выделенным каналам без коллизий и с параллельной передачей нескольких потоков данных. Коммутаторы локальных сетей предназначены для коммутации фреймов данных на больших скоростях. На рис. 5.4 показана сеть, в которой коммутатор соединяет 10-мегабитовую и 100-мегабитовую локальные сети Ethernet.

Рис. 5.3. Для объединения локальных сетей можно использовать АТМ-магистраль с коммутацией ячеек

 

Рис. 5.4. Коммутатор локальных сетей соединяет 10-мегабитовый и 100-мегабитовый сегменты Ethernet


Литература:

Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100