Глава 6. Сетевое оборудование

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А. С. Бождай, А. Г. финогеев

 

сетевые технологии

Часть 2

Учебное пособие

Пенза 2007

УДК 681.3 Г48

 

Рецензент:

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» Пензенского технологического института

Е.Г.Бершадская

 

Бождай А.С., Финогеев А.Г.

Сетевые технологии. Часть 2: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006 – 102 с.; 7 ил., 1 табл., библиогр. 26 назв.

Пособие рассчитано на читателей, начинающих изучать основные сведения, связанные с технической базой современных телекоммуникационных систем. Приводится подробный обзор аппаратного обеспечения, необходимого для эксплуатации сетей различных типов и топологий. Рассматриваются базовые стандарты, протоколы и принципы организации глобальных телекоммуникационных систем и беспроводных каналов связи.

Учебное пособие разработано на кафедре "Системы автоматизированного проектирования" и предназначены для студентов специальностей 22.03.00, 35.15.00, может быть использовано для направления 06.45.00 «Информатика и вычислительная техника».

ВВЕДЕНИЕ

 

Данное учебное пособие рассчитано на читателей, начинающих изучать организационно-технические принципы проектирования и функционирования современных телекоммуникационных систем. Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части были рассмотрены общетеоретические вопросы построения локальных вычислительных сетей: описаны методы и режимы передачи данных, выполнен терминологический обзор проблемы, рассмотрены правила и уровни взаимодействия в открытых сетевых системах, произведен анализ различных кабельных систем и способов сетевой коммутации, изучены основы организации локальных вычислительных систем.

Вторая часть учебного пособия сосредотачивает внимание читателя, главным образом, на проблемах, связанных с построением и эксплуатацией глобальных вычислительных сетей.

Шестая глава данной части посвящена разбору принципов функционирования различных типов сетевого оборудования, которое позволяет осуществлять операции сетевого взаимодействия на глобальном уровне. Рассматривается оборудование, необходимое для кабельного взаимодействия, для беспроводной организации связи, а также различные вспомогательные технические средства и протоколы.

Седьмая глава сосредоточена на проблемах глобальных телекоммуникационных систем. Произведен сравнительный анализ аналоговых и цифровых линий связи. Рассмотрены наиболее известные протоколы и стандарты для организации глобальных сетей.

Восьмая глава детализирует проблему глобальных телекоммуникаций с точки зрения организации беспроводных глобальных сетей. Приводятся общие сведения, раскрывающие проблему, после чего рассматриваются различные варианты построения беспроводных сетей: на основе спутниковых каналов, систем сотовой связи, систем передачи данных в инфракрасном и видимом диапазонах.

В целях лучшего усвоения материала, каждую главу завершает список вопросов для самоконтроля.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………… 3

Глава 6. Сетевое оборудование ….…………………………………….5

6.1 Сетевые адаптеры ……………………………………………………6

6.2 Усилители, повторители …………………………………………….8

6.3 Сетевые концентраторы ……………………………………………. 10

6.4 Сетевые мосты ……………………………………………………… 13

6.5 Протокол покрывающего дерева ………………………………….. 20

6.6 Коммутаторы (переключатели) …………………………………… 25

6.7 Маршрутизаторы …………………………………………………… 34

6.8 Протоколы маршрутизации ………………………………………... 36

6.9 Оборудование для беспроводной связи …………………………… 40

6.10 Оборудование спутниковой связи………………………………… 43

6.11 Устройства удаленного доступа к сетям ………………………… 46

Вопросы для самоконтроля…………………………………………….. 53

Глава 7. Глобальные сети ……………………………………………. 55

7.1 Сети на базе аналоговых и цифровых каналов …………………… 57

7.2 Стандарт Х.25 ………………………………………………………. 62

7.3 Протокол Frame Relay ……………………………………………… 65

7.4 Цифровые сети с интегрированным сервисом (ISDN) …………… 67

7.5 Технология ATM ……………………………………………………. 71

7.6 Примеры других технологий организации глобальной сети …….. 78

Вопросы для самоконтроля …………………………………………….. 80

Глава 8. Глобальные беспроводные сети …………………………… 81

8.1 Общие сведения о беспроводных диапазонах …………………….. 81

8.2 Спутниковые каналы связи ………………………………………… 85

8.3 Системы сотовой связи ……………………………………………... 91

8.4 Передача данных в инфракрасном и видимом диапазонах ………. 97

Вопросы для самоконтроля……….………………………………………99

Список литературы ……………..……………………………………..100

 

 

Сетевые адаптеры

Сетевой адаптер - это устройство, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных и связывающее сетевой узел с другими узлами. Адаптер решает задачи обмена двоичными данными, представленными электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи.

Сетевые адаптеры различаются по типу и разрядности используемой в компьютере внутренней шины данных - ISA, EISA, PCI, MCA и т.д. Кроме того, сетевые адаптеры различаются по типу используемой в сети технологии - Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Как правило, в конкретный момент времени, сетевой адаптер работает по определенной сетевой технологии. В связи с тем, что для ряда технологий имеется возможность использования различных сред передачи данных, сетевой адаптер должен поддерживать несколько из них. В случае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются трансиверы и конверторы. Большинство адаптеров реализуют маркерный метод доступа и метод доступа с обнаружением коллизий. Они поддерживают семь типовых операций по работе с кадрами данных:

1. Передачу данных по внутренней шине между памятью компьютера и буферной памятью через программируемый канал ввода/вывода, канал прямого доступа или разделяемую память.

2. Буферизацию данных в собственной памяти, что позволяет адаптеру осуществлять доступ ко всему кадру данных. Использование буфера необходимо для согласования между собой скоростей обработки информации различными компонентами сети.

3. Формирование кадра данных. Сетевой адаптер должен разделить сообщение на кадры и при приеме соединить их, а также добавить к кадру данных заголовок и окончание.

4. Обеспечение доступа к кабелю. В случае работы по технологии с контролем несущей и обнаружением коллизий, перед началом передачи адаптер должен «прослушивать» линию связи, чтобы убедиться, что линия не занята. При работе по технологии с маркерным доступом, перед началом передачи, сетевой адаптер ждет поступления маркера.

5. Преобразование данных из последовательной формы в параллельную и наоборот. В линиях связи данные передаются в форме битовой последовательности. Поэтому, перед передачей, данные должны быть преобразованы из параллельной формы в последовательную.

6. Кодирование/декодирование данных. На этом этапе формируются электрические сигналы, используемые для представления данных. Большинство сетевых адаптеров используют для этих целей метод манчестерского кодирования, который не требует передачи синхронизирующих сигналов для распознавания единиц и нулей по уровням напряжений и токов, а для представления «1» и «0» используется перемена полярности сигнала.

7. Передача/прием импульсов в кодированной форме в среду передачи.

Сетевые адаптеры, вместе с соответствующим программным обеспечением, способны распознавать и обрабатывать ошибки, которые могут возникнуть из-за электрических помех, коллизий или сбоев в работе оборудования. Ошибки обычно обнаруживаются при сравнении контрольной суммы, передаваемой в заголовке кадра данных, с такой же суммой, вычисляемой на основе полученных бинарных данных кадра.

Основными характеристиками сетевых адаптеров являются:

1. Скорость передачи;

2. Объем буферной памяти;

3. Тип и быстродействие внутренней шины данных;

4. Совместимость с другими устройствами;

5. Возможность использования прямого доступа к памяти;

6. Адресация портов ввода/вывода и запросов прерывания;

7. Интеллектуальность;

8. Конструкция разъемов.

Усилители, повторители.

 

Усилителями (повторителями, repeater) называются устройства, восстанавливающие и усиливающие электромагнитные сигналы. Усилители расширяют дальность действия сети за счет установления соединений на канальном уровне модели OSI. Установка усилителя в проводных линиях связи создает физический разрыв в кабеле. При этом сигнал принимается с одной части кабеля, производится его усиление и регенерация (восстановление формы сигнала), а затем сигнал передается в следующую часть кабеля. В беспроводных сетях функции повторителя выполняют ретрансляторы радиосигналов. В обоих случаях усилитель не разделяет сеть на логические сегменты, а лишь воспроизводит восстановленный сигнал в другой части сети с целью компенсации ухудшения его свойств.

Первоначально сети в основном строились по шинной топологии с использованием сегментов коаксиального кабеля длиной до 500 метров. С целью увеличения размеров сетей без ухудшения качества прима/передачи сигналов и были разработаны усилители (повторители). С их помощью появилась возможность масштабировать сети, т.е. расширять их с требуемой эффективностью и качеством передачи, увеличивать количество абонентов.

Подобные сетевые устройства являются самыми простыми, они не анализируют и не обрабатывают кадры данных. Фактически они просто ретранслируют потоки электромагнитных сигналов. Как правило, буферизация здесь не производится, что существенно уменьшает временную задержку по сравнению с другими сетевыми устройствами. Временной интервал между получением сигнала и его ретрансляцией называется задержкой распространения повторителя.

В общем случае основными функциями повторителей являются:

1. Передача и прием данных в среде;

2. Обработка сигналов с целью усиления и восстановления их формы.

3. Обработка событий. Повторитель должен распознавать, когда узел передает данные, а когда нет, что называется обнаружением несущей.

4. Восстановление зашумленного или искаженного сигнала. Перед ретрансляцией повторитель должен восстановить сигнал до нормального состояния.

5. Обработка ошибок и сегментация узлов. Повторитель должен уметь обнаруживать источники ошибок в канале связи или среди сетевых узлов, и в случае необходимости закрывать (сегментировать) порт, с которым связан источник ошибок.

6. Обработка длительной передачи. Если узел осуществляет передачу сверх установленного лимита времени, то повторитель может прервать затянувшуюся передачу.

При передаче данных по оптоволокну возникает ослабление и искажение передаваемого импульса света, так что здесь также необходима его регенерация. В данном случае регенерация осуществляется в усилителе-ретрансляторе, принцип действия которого заключается в том, что оптический сигнал сначала преобразуется в электрические импульсы, затем происходит усиление и восстановление формы сигнала в электронном усилителе. Регенерированный и усиленный сигнал управляет модуляцией света в источнике (светодиоде, лазере), который и передает сигнал в следующую часть оптоволокна. Регенерация повторяется через определенное расстояние в линии связи, которое зависит от таких параметров, как скорость передачи данных, тип и мощность источника света, тип оптоволокна и т.д.

Сетевые концентраторы

 

Концентратор (хаб, многопортовый повторитель) – это устройство множественного доступа, которое выполняет функции объединения компьютеров в сеть, усиления и регенерации сигналов. Основные функции концентратора зависят от поддерживаемого им протокола канального уровня. Концентратор – это средство физической структуризации сети, которое образует из физических отрезков кабеля общую среду передачи данных - логический сегмент или домен коллизий. Данное название показывает, что при попытке одновременной передачи данных двумя компьютерами одного сегмента, возникает блокировка передающей среды в результате коллизий. Независимо от сложности многоуровневой сетевой структуры с концентраторами, все компьютеры, подключенные к ним, образуют единый логический сегмент (Рис. 6.1).

Рис. 6.1. Логический сетевой сегмент с концентраторами.

 

В общем случае, концентраторы поддерживают следующие функции:

1. Объединение сегментов с разными физическими средами в единый домен коллизий.

2. Сегментация портов, то есть, автоматическое отключение при некорректном поведении, подключенных к ним линий связи.

3. Поддержка резервных связей между концентраторами. Они конфигурируются администратором сети с указанием основной связи, которую дублирует резервная. При сегментации основного порта, концентратор автоматически активизирует резервный порт.

4. Защита данных от несанкционированного доступа. Простейшим способом является назначение «разрешенных» МАС-адресов портам концентратора. При поступлении на конкретный порт кадра с «неразрешенным» адресом, кадр уничтожается, а факт нарушения прав доступа фиксируется. Некоторые концентраторы могут также шифровать кадры.

5. Поддержка средств управления сетями. Реализация такой функции позволяет администратору контролировать состояние отдельных сегментов, включать и отключать порты, удаленно конфигурировать концентратор.

Конструктивно концентраторы можно разделить на следующие виды:

1. Концентраторы с фиксированным числом портов.Здесь концентратор выполнен в виде отдельного корпуса с заданным числом портов, органами индикации и управления, блоком питания. Как правило, такой концентратор поддерживает единую среду передачи. Как минимум, один порт выделен для подключения концентратора к магистрали или к другому концентратору.

2. Модульные концентраторы. Устройство выполнено в виде модуля с фиксированным числом портов, и предназначено для установки на общем шасси. В сборке могут присутствовать различные типы модулей, отличающиеся числом портов и типом физической среды. Модульные концентраторы позволяют подобрать конфигурацию сборки, и с минимальными затратами реагировать на изменения конфигурации сети. Общее шасси может содержать несколько шин для объединения портов отдельных модулей в сборке. Фактически концентратор выполняет функции многосегментного повторителя, который можно рассматривать как несколько повторителей, выполненных в одном корпусе с общим источником питания, органами управления и индикации.

3. Стековый концентратор. Устройство выполнено в виде отдельного корпуса без возможности замены отдельных модулей. Оно имеет специальные порты и кабели для объединения нескольких корпусов в единый блок. Число объединяемых в стек корпусов может быть достаточно большим. Стековые концентраторы поддерживают несколько физических сред передачи.

4. Гибридные модульно-стековые концентраторы представляют собой модули, объединенные в стек.

В зависимости от области применения концентраторы делятся на:

1. Концентраторы для рабочих групп с фиксированным количеством портов, ориентированные на поддержку одного типа среды с минимальным набором функций.

2. Корпоративные концентраторы модульного типа с набором дополнительных функций. Они поддерживают все типы сред и позволяют в одном корпусе осуществить объединение большого числа физических сегментов. Применяются в качестве программируемых центров коммутации для централизованного создания рабочих групп, на базе сегментов сети.

3. Концентраторы отделов, которые занимают промежуточное положение между первыми двумя группами.

Сетевые мосты

 

Использование компьютерами кабельной системы в режиме разделения времени приводит к снижению производительности сети в случае роста одновременно работающих абонентов при использовании метода доступа CSMA/CD. При интенсивном трафике среда передачи перестает справляться с потоком кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Поэтому такие сети, посредством концентраторов, могут расширяться до определенного предела. Для решения проблемы снижения производительности сети используется логическая структуризация сети с помощью таких устройств, как мосты, коммутаторы и маршрутизаторы.

До появления коммутаторов, реализующих технологию переключения, проблему перегрузки решали путем разделения сети на сегменты. Этот метод называется сегментированием (segmenting) или разбиением (partitioning). Для сегментирования сети используются два способа: маршрутизация или создание мостовых соединений. Маршрутизация, в основном, распространена в глобальных сетях. Она требует настройки сетевых адресов в сегментах, а каждый сегмент настраивается как отдельная сеть. Простейшим способом является метод сегментации с использованием мостовых соединений, который не требует настройки программ маршрутизации.

Мост (bridge) - это устройство, которое обеспечивает соединение двух или нескольких сегментов, передает кадры между сегментами с использованием промежуточной буферизации. Мост выступает по отношению к сегменту как конечный узел. Он принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения и если узел принадлежит другому сегменту, передает его.

Мост соединяет логические сегменты сети, которые в свою очередь образуются путем объединения нескольких физических сегментов с помощью концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста. При поступлении кадра на какой-либо из портов мост повторяет этот кадр на том порту, к которому подключен сегмент с узлом назначения. Мосты могут иметь два и более порта, к которым присоединены свои логические сегменты. Мост является устройством канального уровня модели OSI, но в отличие от повторителя, который оперирует битовыми последовательностями, работает с LLC-кадрами данных.

Мосты обеспечивают следующие преимущества:

1. Уменьшают общую нагрузку на все сегменты сети;

2. Выступают в качестве заслона для некоторых сетевых ошибок;

3. Обеспечивают связь между сетевыми сегментами;

4. Увеличивают эффективную длину локальной сети.

Рассмотрим принцип работы моста. Кадр данных, отправленный узлом одного сегмента и имеющий адрес узла назначения в узле другого сегмента, поступает в порт, подключенный к данному сегменту, и выходит из порта другого сегмента. Этот процесс называется ретрансляцией(forwarding), и означает, что кадр, поступивший с одного сегмента, передается в другой. Если кадр, переданный узлом, имеет адрес узла, который принадлежит тому же логическому сегменту, то мост определяет, что приемный и передающий узлы находятся в одном сегменте, и кадр не ретранслируется. Данный процесс называется фильтрацией (filtering).

В ретрансляции нуждается только часть сетевого трафика, включающая кадры, отправитель и получатель которых расположены в различных сегментах. Подобный трафик называется межсегментным. Фильтруются те кадры, у которых адреса отправителя и получателя соответствуют узлам, подключенным к одному и тому же порту моста, т.е. расположенным в одном сегменте. Такой трафик называется внутрисегментным. Мостовое сегментирование сети эффективно в том случае, когда внутрисегментный трафик составляет около 80% от общего трафика, а межсегментный – не более 20%. Для реализации правила 80/20 достаточно раз­мещать серверные узлы в том сегменте, где находится большинство клиентских узлов.

Сеть с мостами называется широковещательной областью (broadcast domain), так как объединяет множество узлов, принадлежащих нескольким доменам коллизий, и разрешает передавать широковещатель­ные кадры.

С целью фильтрации и ретрансляции сетевого трафика, любой порт моста работает в циркулярном режиме, создает и поддерживает таблицу МАС-адресов. Когда на порт поступает кадр данных, мост проверяет, имеется ли адрес отправителя в таблице. Если нет, то адрес отправителя и номер порта заносятся в таблицу. Этот процесс называется запоминанием адресов. С помощью таблицы мост устанавливает однозначное соответствие множества адресов сетевых узлов множеству номеров собственных портов. В течение некоторого интервала времени мост запоминает адреса большинства активных узлов в присоединенных к нему сегментах.

Таблица адресов имеет три поля для каждого адреса:

1. MAC-адрес сетевого узла;

2. Номер порта, на котором адрес наблюдался в последний раз;

3. Возраст МАС-адреса.

Как только мост регистрирует адрес и номер порта, он устанавливает значение возраста МАС-адреса в ноль секунд. Каждую секунду возраст увеличивается на 1. При дости­жении значения границы возраста, информация об МАС-адресе стирается из таблицы. Этот процесс называется старением. Поле возраста, соответствующее конкретному адресу, обнуляется вся­кий раз, когда мост получает кадр с таким адресом. Таким образом, адреса активных узлов в таблице сохраняются. Этот процесс необходим, так как все мосты имеют ограниченный размер таблицы адресов, и в случае отсоединения или перемещения узла, следует удалять из таблицы ненужную информацию.

Главными параметрами моста являются:

1. Размер адресной таблицы;

2. Скорость фильтрации;

3. Скорость ретрансляции.

Скорость фильтрации определяет скорость, с которой мост буферизует прибывающие кадры, просматривает адресную таблицу и уничтожает их, если они не должны передаваться далее. Скорость ретрансляции ниже, чем скорость фильтрации, так как эта операция, включает все предыдущие действия и этап передачи кадра на выходной порт.

По принципу действия мосты классифицируются на следующие классы:

1. Мосты, осуществляющие «прозрачную» для узлов передачу пакетов («transparent bridgе»);

2. Мосты с маршрутизацией от источника («Source-route bridgе»).;

3. Комбинированные мосты («Source-route transparent bridgе»), которые поддерживают алгоритмы «прозрачной» передачи и передачи с маршрутизацией от источника;

4. Трансляционные мосты («Translational bridgе»), которые одновременно обеспечивают преобразование между форматами кадров сегментов сети с разными технологиями доступа.

Мосты первого класса наиболее распространены. Для них сеть представляется наборами МАС-адресов, причем каждый набор связан с портом моста. Адреса используются для принятия решения во время обработки приходящих на порты пакетов.

Мосты второго типа применяются в основном для соединения сегментов кольцевой топологии. Технология маршрутизации от источника основана на том, что станция-отправитель помещает в посылаемый ею кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и сегментах, которые должен пройти кадр до приемного узла. Несмотря не терминологию, настоящей маршрутизации здесь нет, так как маршрутная информация в кадре используется только для передачи кадра между станциями, подключенными к разным сегментам. Для поддержки маршрутизации от источника с сети используются два дополнительных типа кадра:

· одномаршрутный широковещательный кадр-исследователь;

· многомаршрутный широковещательный кадр-исследователь.

Кадр первого типа отправляется узлом, когда он не знает точного маршрута до узла назначения. В нем узел устанавливает поле маршрутной информации нулевой длины. При получении данного кадра-исследователя, мост передает его только на порты, входящие в активную конфигурацию сети. В конечном итоге, кадр доходит до узла назначения. В ответ, узел назначения отправляет многомаршрутный кадр-исследователь. Этот кадр передается мостами на все свои порты. При получении кадра, другие промежуточные мосты добавляют в поле маршрутной информации свой адрес и адрес сегмента, с которого он получен, увеличивая длину поля маршрутной информации. Кадр распространяется по сети широковещательно. Таким образом, узел-источник получает несколько ответных кадров-исследователей, прошедших по всем возможным маршрутам сети, и выбирает наилучший маршрут по числу прохождений мостов. Маршрутная информация помещается в таблицу маршрутизации и используется для выбора лучшего маршрута отправки. Мосты второго типа не могут поддерживать сегменты, рассчитанные на работу в прозрачном режиме.

Для решения этой проблемы применяются мосты третьего типа, что позволяет объединить оба принципа работы в одном устройстве. Мост просматривает специальные флаги в заголовке кадров и автоматически определяет, какую из технологий нужно применить.

Мосты четвертого типа образуют связь типа «шлюз» между различными сегментами сетей и осуществляют конвертирование кадров разных протоколов канального уровня. По принципу конвертирования кадров мосты подразделяются на:

· Инкапсулирующие;

· Транслирующие.

Инкапсулирующие мосты просто упаковывают кадры канального уровня одной сети в кадры канального уровня другой сети. После прохождения пакета по второй сети, мост удаляет оболочку промежуточного протокола, и пакет продолжает свое движение в исходном виде. Транслирующие мосты выполняют полное преобразование форматов кадров одного протокола канального уровня в другой. Преимущество этого метода в том, что не нужно передавать два заголовка канального уровня. Однако транслирующие мосты вносят дополнительную задержку при преобразовании форматов кадров, при вычислении контрольной суммы кадра, а также они имеют такое ограничение, что максимальный размер кадров у сетей, соединяемых таким мостом, должен быть одинаковым.

Кроме основных функций по фильтрации и ретрансляции кадров, мосты могут поддерживать ряд следующих дополнительных функций:

1. Поддержка алгоритма покрывающего дерева;

2. Поддержка алгоритма «прозрачной» маршрутизации от источника;

3. Конвертирование кадров разных протоколов канального уровня;

4. Поддержка пользовательских фильтров, с различными схемами фильтрации кадров, например, по типу протокола, адресу источника или приемника, типу кадра, по значению битовой последовательности и т.д.;

5. Поддержка назначения приоритетов обработки кадров разных типов;

6. Поддержка протокола управления сетью SNMP.

 

6.5 Протокол покрывающего дерева

 

«Прозрачность» мостов позволяет создавать составные сети древовидной топологии. Это означает, что между любыми двумя узлами сети должен существовать единственный путь. Множе­ство путей между двумя узлами образует петли, которые являются источникамишироковещательных штормов. Сеть с петлями может работать только с мостами, поддерживающими алгоритм маршрутизации от источника. Такие мосты реализуют алгоритм построения покрывающего дерева (spanning tree algorithm - STA). Фактически это алгоритм усечения, с помощью которого сеть с петлями преобразуется в сеть без петель. Алгоритм STA позволяет строить на основе множества линий связи сеть древовидной структуры, в которой связи, образующие дерево, являются основными, а остальные - резервными. Алгоритм STА и протокол взаимо­действия мостов описаны в спецификации IEEE 802.ID.

Мосты определяют покрывающее дерево с помощью обмена служебными пакетами. Для этого в сети определяется корневой мост, от которого строится все дерево. Мост может быть выбран автоматически или назначен администратором. При автоматическом выборе, корневым становится мост с наименьшим значением МАС-адреса. Для каждого моста определяется корневой порт, который имеет кратчайшее расстояние до корневого моста. Для каждого сегмента сети выбирается порт назначения, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого моста.

Метрика расстояния играет важную роль в построении покрывающего дерева. По этому критерию выбирается единственный порт, соединяющий каждый мост с корневым мостом, и единственный порт, соединяющий каждый сегмент сети с корневым мостом. Все остальные порты переводятся в состояние резерва, в котором они не передают обычные кадры данных. При таком выборе активных портов в сети исключаются петли, а оставшиеся связи образуют покрывающее дерево. Расстояние определяется как суммарное время на передачу данных от порта данного моста до порта корневого моста. Считается, что время передачи данных между портами моста пренебрежимо мало, а учитывается только время на передачу данных по сегментам сети. Время передачи рассчитывается, как время передачи одного бита информации в 10-наносекундных единицах между связанными по сети портами.

Для идентификации, каждый мост, поддерживающий алгоритм STA, имеет уникальный идентификатор, состоящий из двух частей. Младшую часть составляет MAC-адрес моста длиной 6 байт. Старшая часть, длиной 2 байта, содержит приоритет моста, заданный администратором сети. Идентификатор моста играет определяющую роль при выборе корневого моста. Порты внутри моста также имеют свои идентификаторы. Идентификатор порта длиной 2 байта, содержит, назначенный администратором приоритет порта, и порядковый номер порта для данного моста.

Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева, мосты сети после инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста (Bridge Protocol Data Unit - BPDU). Пакеты BPDU помещаются в поле данных LLC кадров канального уровня и имеют следующие поля:

1. Идентификатор версии протокола;

2. Тип блока данных;

3. Флаг;

4. Идентификатор корневого моста;

5. Расстояние до корневого моста;

6. Идентификатор моста;

7. Идентификатор порта;

8. Время жизни блока;

9. Максимальное время жизни сообщения;

10. Интервал «hello», через который посылаются блоки BPDU;

11. Минимальное время перехода портов в активное состояние.

После инициализации мост сначала считает себя корневым. Поэтому он начинает через интервал «hello» генерировать на все свои порты блоки BPDU конфигурационного типа. В них он указывает свой идентификатор в качестве идентификатора корневого моста, а расстояние до корня устанавливается в нуль. В качестве идентификатора порта указывается идентификатор того порта, через который передается блок BPDU. Если мост получает блок BPDU, в котором имеется идентификатор корневого моста, меньше его собственного, он перестает генерировать свои кадры BPDU, а начинает только ретранслировать кадры нового корневого моста. При этом он увеличивает расстояние до корня, указанное в пришедшем блоке BPDU, на условное время передачи кадра по сегменту от которого был принят кадр. Также при ретрансляции кадров, мост для каждого своего порта запоминает минимальное расстояние до корня, встретившееся во всех принятых этим портом кадрах BPDU. По завершении процедуры конфигурирования покрывающего дерева, мост находит свой корневой порт, который наиболее близок к корню дерева.

Затем мосты выбирают для каждого сегмента сети назначенный порт. Для этого они исключают из рассмотрения свой корневой порт, а для всех остальных портов сравнивают принятые по ним минимальные расстояния до корня с расстоянием до корня своего корневого порта. Если у своего порта это расстояние меньше, чем в принятых блоках, то это значит, что он является портом назначения. Тогда все остальные порты переводятся в заблокированное состояние и построение покрывающего дерева заканчивается.

В процессе работы корневой мост продолжает генерировать служебные кадры, а остальные продолжают их принимать своими корневыми портами и ретранслировать портами назначения. Если у моста нет портов назначения, то он все равно принимает служебные кадры корневым портом. Если по истечении тайм-аута корневой порт не получает служебный кадр, то он инициализирует новую процедуру построения покрывающего дерева.

Мост обрабатывает сообщения BPDU следующим образом. Сначала сравнивает значение идентификатора корневого моста из BPDU с текущим значением идентификатора корневого моста. Если это значение больше текущего значения, то принятый пакет уничтожается, так как он пришел от моста, который не является корневым. Если оно равно текущему значению, то пакет принят от известного корня. Находящееся в пакете расстояние до корня сравнивается с найденным ранее минимальным расстоянием, и если новое значение меньше, то оно переписывается в данную переменную порта. Затем мост наращивает значение поля расстояния на величину условного времени сегмента, по которому пришел пакет, помещает в поле идентификатора моста свой идентификатор и передает этот пакет на все свои порты, кроме того порта, от которого получен пакет. Если же значение идентификатора корневого моста у принятого BPDU меньше текущего, то значит, что обнаружен мост, у которого больше прав претендовать на звание корневого. Его идентификатор фиксируется в специальном поле корневого идентификатора. Затем пакет BPDU обрабатывается таким же образом, как и в предыдущем случае. По мере распространения пакетов BPDU по всей сети, у всех мостов накапливается информация, необходимая для фиксации корневого моста, а также для определения того, какой из портов моста является корневым. После истечения времени установления активной конфигурации, у всех мостов происходит фиксация идентификатора корневого моста. Все порты корневого моста устанавливаются в состояние – «порт назначения».

Алгоритм обеспечивает поддержку резервных связей в сети, и включает процедуру изменения конфигурации при отказах элементов сети. Эта процедура называется процедурой изменения топологии. После установления активной топологии только корневой мост продолжает периодически генерировать пакеты BPDU конфигурационного типа. Остальные мосты продолжают принимать пакеты BPDU на свой корневой порт и распространяют их через свои порты назначения.

Для того чтобы мосты могли обнаружить отказ элемента сети, каждый из них имеет таймер возраста сообщения. При получении пакета BPDU этот таймер устанавливается в исходное состояние. Если какой-либо назначенный мост, его порт или линия связи отказывают, то пакеты BPDU перестают поступать в мосты, которые находятся в поддеревьях отказавшего элемента. Вследствие этого, в этих мостах истекает интервал таймера возраста сообщения и вызывается процедура «установления назначенных портов». После выполнения этой процедуры, аналогичной начальному выбору корневого порта и портов назначения, будут определены новые значения назначенных мостов, корневых портов и портов назначения. Если же отказал корневой мост, то будет выбран новый корневой мост.

При изменении активной конфигурации, мосты должны произвести некоторые изменения в своих адресных таблицах, так как некоторым узлам пакеты должны теперь передаваться через другие порты. Эти изменения в адресных таблицах произойдут автоматически, когда у динамических записей таблицы истечет таймер возраста.

 

6.6 Коммутаторы (переключатели)

 

Коммутатор (switch) – это многопортовое устройство, обеспечивающее высокоскоростную коммутацию пакетов между портами. Переключатель, подобно мосту, соединяет несколько сегментов, однако имеет большую производительность. Высокая скорость переключателей позволяет им ретранслировать кадры на все порты настолько быстро, насколь