Использование коммутаторов для структуризации компьютерных сетей

Использование коммутаторов для структуризации компьютерных сетей

Топология соединения коммутаторов

 

Классический вариант сети Ethernet строго предполагает, что между любой парой узлов возможен только один путь прохождения сигнала. Это обеспечивается шинной топологией для коаксиального кабеля и звездообразной или древовидной топологией для других сред передачи. Мосты и первые коммутаторы не позволяли нарушать это правило. Если при ошибочной коммутации образовывалась петля, то домен коллизий, в который она попадала, становился практически неработоспособным. В нем кадры размножались и бесконечно повторялись, вызывая загрузку сегмента и массовые коллизии.

Единственность пути делает сеть уязвимой — при нарушении связи в линии узлы, находящиеся на ее противоположных концах, оказываются изолированными друг от друга. Кроме того, в коммутируемой сети могут образовываться «узкие» места — линии, на передачу по которым претендуют участники нескольких доменов коллизий. В сетях без коммутаторов «узким» местом становилась вся разделяемая среда передачи. Применение коммутаторов позволяет организовывать магистрали, несущие основную нагрузку, и разгружать периферийные области сети.

 

Избыточные связи и алгоритм Spanning Tree

 

Алгоритм STA (Spanning Tree Algorithm — алгоритм покрывающего дерева) и протокол STP (Spanning Tree Protocol) определены стандартом IEEE 802-ld. Этот алгоритм реализуется в сети, построенной с применением интеллектуальных мостов (коммутаторов). Идея его заключается в выделении из связного графа сети с избыточными линиями дерева, соединяющего все узлы и оптимального по определенным критериям. В нормальном состоянии коммутаторы имеют информацию обо всех соединениях, но игнорируют резервные линии связи. Если же из-за аварии основной линии связь теряется, коммутаторы пересчитывают граф, определяя новое дерево, и связь восстанавливается. Недостатком протокола STP является заметное время, уходящее на пересчет графа при обнаружении отказа линии. Достоинством является произвольность топологии избыточных связей, что позволяет дублировать и линии связи, и коммутаторы.

Дублирующие линии (Resilient Link, LinkSafe)

 

Главный недостаток STP — большое время восстановления — устраняется в фирменных технологиях Resilient Link (3Com), LinkSafe (Bay). Идея заключается в прокладке между двумя коммутаторами не одной, а двух линий. Пара физических интерфейсов коммутатора, сконфигурированных на дублирование, рассматривается как один порт. В нормальном режиме передача данных происходит только по основной линии, а резервная простаивает. В случае обнаружения отказа основной линии ее интерфейс отключается, и обмен продолжается по резервной линии. Резервная линия при исправной основной простаивает, как и при STP. Технологии не являются промышленными стандартами — совместимость аппаратуры разных производителей не гарантируется.

Computer В Computer С

Рис. 1. Полносвязная топология

 

Технология SecureFast реализована в довольно дорогих коммутаторах фирмы Cabletron и, кроме оптимизации загрузки линий и их резервирования, включает поддержку довольно сложных виртуальных локальных сетей.

Виртуальные локальные сети

 

Кроме своего основного назначения — повышения пропускной способности связей в сети, — коммутатор позволяет локализовать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, опираясь на механизм пользовательских фильтров. Однако пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адресам, а широковещательный трафик он передает всем сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в коммутаторе, поэтому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов, иногда называют плоскими — из-за отсутствия барьеров на пути широковещательного трафика.

Технология виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN), которая появилась несколько лет тому назад в коммутаторах, позволяет преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети (рис. 2). Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сетями на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса — уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются согласно технологии коммутации, то есть только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра.

Говорят, что виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика (broadcast domain), по аналогии с доменом коллизий, который образуется повторителями сетей Ethernet.

Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания изолированных сетей, которые затем должны связываться с помощью маршрутизаторов, реализующих какой-либо протокол сетевого уровня, например IP. Такое построение сети создает гораздо более мощные барьеры на пути ошибочного трафика из одной сети в другую. Сегодня считается, что любая крупная сеть должна включать маршрутизаторы, иначе потоки ошибочных кадров, например широковещательных, будут периодически затапливать всю сеть через прозрачные для них коммутаторы, приводя ее в неработоспособное состояние.

Технология виртуальных сетей создает гибкую основу для построения крупной сети, соединенной маршрутизаторами, так как коммутаторы позволяют создавать полностью изолированные сегменты программным путем, не прибегая к физической коммутации.

При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновременно решаются две задачи:

1) повышение производительности в каждой из виртуаль
ных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети толь
ко узлу назначения;

2) изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов. Для связи виртуальных сетей в общую сеть
требуется привлечение сетевого уровня. Он может быть реализован
в отдельном маршрутизаторе, а может работать и в составе программного обеспечения коммутатора, который тогда становится комбинированным устройством — так называемым коммутатором 3-го уровня.

При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в сети портов коммутатора (рис. 2).

 

Рис. 2. Виртуальные сети, построенные на одном коммутаторе

 

Группировка портов для одного коммутатора — наиболее логичный способ образования VLAN, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов. Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети — все равно трафик этих узлов будет общим.

Второй способ образования виртуальных сетей основан на группировании МАС-адресов. Каждый МАС-адрес, который изучен коммутатором, приписывается той или иной виртуальной сети. При существовании в сети множества узлов этот способ требует выполнения большого количества ручных операций от администратора, однако он оказывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, чем способ группирования портов.

 

Switch                                               Switch

Рис. 4. Сеть с выделенным сервером

Если коммутатор имеет все порты с одинаковой пропускной способностью, например 10 Мбит/с, то пропускная способность порта в 10 Мбит/с будет распределяться между всеми компьютерами сети.

Чтобы коммутатор работал в сетях с выделенным сервером более эффективно, производители коммутаторов выпускают модели с одним высокоскоростным портом на 100 Мбит/с для подключения сервера и несколькими низкоскоростными портами на 10 Мбит/с для подключения рабочих станций. В этом случае между рабочими станциями распределяется уже 100 Мбит/с, что позволяет обслуживать в неблокирующем режиме 10-30 станций, в зависимости от интенсивности создаваемого ими трафика.

В пользу коммутатора может сыграть и фактор расстояний — применение коммутаторов не ограничивает максимальный диаметр сети величинами в 2500 м или 210 м, которые определяют размеры домена коллизий при использовании концентраторов Ethernet и Fast Ethernet. При всем разнообразии структурных схем сетей, построенных на коммутаторах, все они используют две базовые структуры — стянутую в точку магистраль и распределенную магистраль. На основе этих базовых структур затем строятся разнообразные структуры конкретных сетей.

Стянутая в точку магистраль (collapsed backbone)- это структура, при которой объединение узлов, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Преимуществом такой структуры является высокая производительность магистрали. На внутренней магистрали коммутатора в независимом формате одновременно могут передаваться данные различных протоколов, например, Ethernet, FDDI и Fast Ethernet. Подключение нового узла с новым протоколом часто требует не замены коммутатора, а просто добавления соответствующего интерфейсного модуля, поддерживающего этот протокол.

Распределенная магистраль на коммутаторах- в сетях больших зданий или кампусов структура со стянутой в точку магистралью не всегда рациональна или возможна. Такая структура приводит к протяженным кабельным системам, связывающим конечные узлы или коммутаторы сетей рабочих групп с центральным коммутатором, шина которого и является магистралью сети. Высокая плотность кабелей и их высокая стоимость ограничивают применение стянутой в точку магистрали в таких сетях. Иногда, особенно в сетях кампусов, просто невозможно стянуть все кабели в одно помещение из-за ограничений на длину связей, накладываемых технологией.

Поэтому в локальных сетях, покрывающих большие территории, часто используется другой вариант построения сети — с распределенной магистралью.

Распределенная магистраль — это разделяемый сегмент сети, поддерживающий определенный протокол, к которому присоединяются коммутаторы сетей рабочих групп и отделов. Например, распределенная магистраль может быть построена на основе двойного кольца FDDI, к которому подключены коммутаторы этажей. Коммутаторы этажей имеют большое количество портов Ethernet, трафик которых транслируется в трафик протокола FDDI, когда он передается по магистрали с этажа на этаж.

Использование коммутаторов для структуризации компьютерных сетей