Лекция 10. Коммутаторы локальных сетей

Учебные вопросы:

1. Общие сведения о коммутаторах

2. Режимы коммутации

3. Протокол STP

Вопрос №1. Общие сведения о коммутаторах Для предотвращения коллизий крупные локальные сети делятся на сегменты или домены коллизий, с помощью маршрутизаторов (routers) или коммутаторов (switches).

Непосредственно к маршрутизатору конечные узлы

(компьютеры) обычно не подключаются; подключение обычно выполняется через коммутаторы.

Каждый порт коммутатора оснащен процессором, память которого позволяет создавать буфер для хранения поступающих кадров. Общее управление процессорами портов осуществляет системный модуль.

Каждый сегмент, образованный портом (интерфейсом) коммутатора с присоединенным к нему узлом (компьютером) или с концентратором со многими узлами, является сегментом (доменом) коллизий. При возникновении коллизии в сети, реализованной на концентраторе, сигнал коллизии

распространяется по всем портам концентратора. Однако на другие порты коммутатора сигнал коллизии не передается.

Существует два режима двусторонней связи: полудуплексный (half-duplex) и полнодуплексный (full-duplex).

В полудуплексном режиме в любой момент времени одна станция может либо вести передачу, либо принимать данные.

В полнодуплексном режиме абонент может одновременно принимать и передавать информацию, т.е. обе станции в соединении точка-точка, могут передавать данные в любое время, независимо от того, передает ли другая станция.

Для разделяемой среды полудуплексный режим является обязательным.

Ранее создававшиеся сети Ethernet на коаксиальном кабеле были только полудуплексными. Неэкранированная витая пара UTP и оптическое волокно могут использоваться в сетях, работающих в обоих режимах.

Новые высокоскоростные сети 10-GigabitEthernet работают только в полнодуплексном режиме. Большинство коммутаторов могут использовать как полудуплексный, так и полнодуплексный режим.

В случае присоединения компьютеров (хостов) индивидуальными линиями к портам коммутатора каждый узел вместе с портом образует микросегмент. В сети, узлы которой соединены с коммутатором индивидуальными линиями, и работающей в полудуплексном режиме, возможны коллизии, если одновременно начнут работать передатчики коммутатора и сетевого адаптера узла.

В полнодуплексном режиме работы при микросегментации коллизий не возникает. При одновременной передаче данных от двух источников одному адресату буферизация кадров позволяет запомнить и передать кадры поочередно и, следовательно, избежать их потери. Отсутствие коллизий обусловило широкое применение топологии сети с индивидуальным подключением узлов к портам коммутатора.

Коммутатор является устройством канального уровня

семиуровневой модели ISO OSI, где для адресации используются МАС-адреса (48 бит). Адресация происходит на основе МАСадресов сетевых адаптеров узлов.

Для передачи кадров используется алгоритм, определяемый стандартом 802.1D. Реализация алгоритма происходит за счет создания статических или динамических записей адресной таблицы коммутации.

Статические записи таблицы создаются администратором. Важно отметить, что коммутатор можно не конфигурировать, он будет работать по умолчанию, создавая записи адресной таблицы в динамическом режиме. При этом в буферной памяти порта запоминаются все поступившие на порт кадры.

Первоначально в коммутаторе отсутствует информация о том, какие МАС-адреса имеют подключенные к портам узлы. Поэтому коммутатор, получив кадр, передает его на все свои порты, за исключением того, на который кадр был получен, и одновременно запоминает МАС-адрес источника в адресной таблице. Например, если узел с МАС-адресом 0В1481182001 передает кадр данных узлу 0АА0С9851004, то в таблице появится первая запись. В этой записи будет указано, что узел с МАС-адресом 0В1481182001 присоединен к порту № 1. При передаче данных от узла 0АА0С9851004 узлу 0002В318А102 в таблице появится вторая запись и т.д. Таким образом, число записей в адресной таблице может быть равно числу узлов в сети, построенной на основе коммутатора.

Когда адресная таблица коммутации сформирована, продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице. При получении кадра коммутатор проверяет, существует ли МАСадрес узла назначения в таблице коммутации. При обнаружении адресата в таблице коммутатор производит еще одну проверку:

находятся ли адресат и источник в одном сегменте.

Если они в разных сегментах, то коммутатор производит коммутацию или перенаправление, продвижение кадра (forwarding) в порт, к которому подключен узел назначения.

Если адресат и источник находятся в одном сегменте, например оба подключены к одному концентратору, то передавать кадр на другой порт не нужно. В этом случае кадр должен быть удален из буфера порта, что называется фильтрацией (filtering) кадров.

С появлением в сети новых узлов адресная таблица пополняется. Если в течение определенного времени (обычно 300 сек.) какойто узел не передает данные, то считается, что он в сети отсутствует, тогда соответствующая запись из таблицы удаляется. При необходимости администратор может включать в таблицу статические записи, которые не удаляются динамически.

Такую запись может удалить только сам администратор.

При получении кадров с широковещательными адресами коммутатор передает их на все свои порты. В ряде случаев такой режим удобен, например, при ARP запросе. Таким образом, коммутатор не фильтрует кадры с широковещательными адресами.

Поэтому если какой-либо узел из-за сбоя начинает ошибочно генерировать кадры с широковещательными адресами, то сеть очень быстро оказывается перегруженной, наступает широковещательный шторм (broadcast storm), сеть “падает”.

Этим же пользуются злоумышленники, желающие нарушить нормальное функционирование сети. Они «наводняют» сеть широковещательными сообщениями с ложными адресами источника, адресная таблица коммутации переполняется, и коммутатор начинает работать, как концентратор. При этом злоумышленник получает возможность анализировать всю информацию, передаваемую по локальной сети.

С широковещательным штормом может бороться только маршрутизатор, который делит сеть на широковещательные домены, т.е. отдельные сети.

Быстродействие или производительность коммутатора определяются рядом параметров: 1. скоростью фильтрации кадров,

2. скоростью продвижения кадров,

3. пропускной способностью,

4. длительностью задержки передачи кадра.

Скорость фильтрации определяется временем приема кадра, запоминанием его в буфере, обращением к адресной таблице коммутации и удалением кадра из буферной памяти, если адресат и источник находятся в одном сегменте. Коммутатор обычно успевает фильтровать кадры в темпе их поступления в интерфейс, поэтому фильтрация не вносит дополнительной задержки.

Скорость продвижения кадров определяется временем приема кадра, запоминанием его в буфере, обращением к адресной таблице и передачей кадра с входного порта на выходной, который связан с устройством назначения. Скорость фильтрации и скорость продвижения задаются в кадрах в секунду, причем, для оценки этих параметров обычно берутся кадры минимальной длины 64 байта.

Пропускная способность коммутатора определяется количеством передаваемых данных, содержащихся в поле Data кадра, в единицу времени. Пропускная способность достигает своего максимального значения при передаче кадров максимальной длины.

Задержка передачи кадров определяется временем от момента появления первого байта кадра на входном порте коммутатора до момента появления этого байта на выходном порте. В зависимости от режима коммутации время задержки составляет от единиц до сотен микросекунд.

Вопрос №2. Режимы коммутации Коммутаторы могут работать в нескольких режимах, при изменении которых меняются задержка и надежность: • Режим сквозной коммутации (cut - through switching)

• Режим коммутации с промежуточным хранением или буферизацией (store - and - forward switching)

• Режим коммутации свободного фрагмента (fragment - free mode)

Для обеспечения максимального быстродействия коммутатор может начинать передачу кадра сразу, как только получит МАСадрес узла назначения. Такой режим получил название сквозной коммутации или коммутации “на лету”, он обеспечивает наименьшую задержку при прохождении кадров через коммутатор. Однако в этом режиме невозможен контроль ошибок, поскольку поле контрольной суммы находится в конце кадра. Следовательно, этот режим характеризуется низкой надежностью.

Во втором режиме коммутатор получает кадр целиком, помещает его в буфер, проверяет поле контрольной суммы (FCS) и затем пересылает адресату. Если получен кадр с ошибками, то он отбрасывается (discarded) коммутатором. Таким образом, в этом режиме обеспечивается высокая надежность, но низкая скорость коммутации.

Промежуточное положение между сквозной коммутацией на лету и буферизацией занимает режим коммутации свободного фрагмента. В этом режиме читаются первые 64 байта, которые включают заголовок кадра и поле данных минимальной длины. После этого начинается передача кадра до того, как будет получен и прочитан весь кадр целиком. При этом производится верификация адресации и информации LLC протокола, чтобы убедиться, что данные будут правильно обработаны и доставлены адресату.

Когда используется режим сквозной коммутации на лету, порты устройств источника и назначения должны иметь одинаковую скорость передачи. Такой режим называется симметричной коммутацией.

Если скорости не одинаковы, то кадр должен запоминаться (буферизироваться) перед тем, как будет передаваться с другой

скоростью. Такой режим называется асимметричной коммутацией, при этом должен использоваться режим с буферизацией.

Асимметричная коммутация обеспечивает связь между портами с разной полосой пропускания. Данный режим является характерным, например, для потока данных между многими клиентами и сервером, при котором многие клиенты могут одновременно соединяться с сервером. Поэтому на это соединение должна быть выделена широкая полоса пропускания.

Вопрос №3. Протокол STP Когда сеть строится с использованием топологии иерархического дерева, то коммутационные петли отсутствуют. Однако сети часто проектируются с избыточными путями, чтобы обеспечить надежность и устойчивость сети. Избыточные пути могут приводить к образованию коммутационных петель, что, в свою очередь, может привести к широковещательному шторму и обрушению сети.