 |
Обеспечение надежности и отказоустойчивости локальных мультисервисных сетей
|
|
|
|
Для обеспечения надежности и отказоустойчивости локальных мультисервисных сетей используются различные методы, как в самой топологии сети, так и при выборе телекоммуникационного оборудования. Как правило, при построении мультисервисной сети для связи между различными уровнями в топологии сети предусматривают резервные подключения между телекоммуникационным оборудованием (рисунок 1.1), причем для передачи трафика используются оба канала – основной и резервный. Кроме того, в топологии сети предусматривают установку дублирующих центральных коммутаторов уровня ядра, которые обеспечивают работу сети в случае отказа одного из коммутаторов. Для повышения надежности работы телекоммуникационного оборудования, а значит и надежности сети в целом, используют модульные устройства, позволяющие устанавливать дублирующие блоки питания или модули управления.
Большинство приложений, которые используются для решения поставленных бизнес-задач компании, в основном ориентированы на клиент-серверную модель, обеспечивающую наибольшую эффективность выполнения бизнес-процессов. Поэтому высокая доступность (High Availability) серверов, обеспечивающих работу этих приложений, является абсолютно необходимой для нормального функционирования бизнеса и в свою очередь полностью зависит от высокой доступности локальной сети в целом.
1.3.1 Технологии повышения надежности
Для реализации высокой доступности сетевых сервисов в локальных мультисервисных сетях, как правило, используются специальные технологии, позволяющие построить отказоустойчивую локальную вычислительную сеть, в которой основные и резервные устройства и соединения задействованы одновременно и осуществляют балансировку нагрузки на устройствах в сети. Например, при построении сети на оборудовании компании Cisco Systems используются следующие технологии:
|
|
|
- Cisco Hot Standby Router Protocol (HSRP), HSRP Track, Cisco IOS predestination load balancing over equal cost OSPF paths – функции автоматического переключения с основного маршрутизатора на резервный в случае отказа и функции балансировки нагрузки для прокола OSPF;
- Cisco IOS Fast convergence for OSPF – функции программного обеспечения Cisco IOS для уменьшения времени сходимости динамического протокола маршрутизации OSPF;
- Per-VLAN Spanning Tree, 802.1Q VLAN Trunking – возможность работы отдельного алгоритма Spanning Tree в каждой виртуальной сети для управления путями передачи трафика с точностью до отдельной подсети и обеспечения простого механизма отказоустойчивости на канальном уровне.
Возможность формирования одного логического канала из нескольких физических для организации высокоскоростных каналов связи между коммутаторами различных уровней и подключения серверов;
- дополнительные функции для протокола Spanning Tree, разработанные компанией Cisco (BackboneFast, UplinkFast, PortFast) - оптимизация работы алгоритма Spanning Tree для уменьшения времени переключения с основного на резервные каналы связи менее 5 секунд, а также сокращение времени включения пользовательского порта на коммутаторах до 30 секунд;
- поддержка новых стандартов, оптимизирующих работу протокола Spanning Tree: 802.1s – Multiple Spanning Tree (MST) и 802.1w – Rapid Spanning Tree (RSTP);
- поддержка стандарта 802.3ab – Link Aggregate Control Protocol (LACP), позволяющего объединять в единый логический канал несколько физических каналов между коммутаторами сети.
ТЕХНОЛОГИЯ ETHERNET
Общие сведения
Ethernet - пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet и Token ring.
|
|
|
Локальная мультисервисная сеть, как правило, строится с использованием технологии Ethernet.
2.1.1 История создания Ethernet
Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».
Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года.
В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель. В дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.
Причинами перехода на витую пару были:
– возможность работы в дуплексном режиме;
– низкая стоимость кабеля "витой пары";
– более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
– возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
– отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети.
При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным "выгоранием" системного блока.
Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.
2.1.2 Метод управления доступом
Метод управления доступом к среде - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине увеличивающегося количества коллизий.
|
|
|
В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптоволокну и еще через два года для передачи по витой паре.
В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех нижеперечисленных вариантах.
Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем двух устройств, работающих в полудуплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в отличие от работы с коаксиальным кабелем. Поэтому, все сети на витой паре используют топологию "звезда", в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии "шина". Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.
|
|
|
2.1.3 Передача кадров
Для передачи кадров Ethernet по локальной сети, в основном, применяются два типа сетеобразующих устройства – концентраторы ("хабы", "hubs") и коммутаторы ("свичи", "switches").
Работа концентратора заключается в том, чтобы все полученные кадры повторить (продублировать) на все свои порты. Концентраторы ещё называют "повторителями" ("репитерами", "repeaters"), поскольку основная их задача - именно повторить полученный кадр на все порты. Так как невозможно одновременно повторять более одного кадра на все порты, то все клиентские устройства, при использовании концентратора, могут работать только в режиме полудуплекса, т.е. в один момент времени клиентское устройство может, или принимать данные, или передавать их. По той же причине невозможна одновременная передача данных по сети более чем от одного клиентского устройства – кадры просто наложатся друг на друга, будут искажены и отброшены.
Наложение кадров часто происходит и в процессе нормальной работы сети, построенной на концентраторах, и называется "коллизией". Обычным оно считается потому, что протокол Ethernet не содержит в себе механизма контроля захвата среды передачи на момент передачи кадра, а вместо этого использует механизм обнаружения коллизий ("collision detection", "CD"). Суть данного механизма в том, что каждое клиентское устройство "слушает" среду передачи и начинает передачу только в том случае, если среда свободна. Но, возможна и ситуация, когда между тем, как устройство "прослушало" среду, решило, что она свободна, и начало передачу, проходит какое-то время, и именно в это время какое-то другое устройство начало передачу, в итоге - произошла коллизия и пакеты были отброшены. При обнаружении коллизии, оба устройства прекращают передачу и делают паузу на некоторое время, которое выбирается случайным образом. По истечении этого времени устройства вновь пытаются передать данные, и высок шанс, что в этот раз пакеты не наложатся. Таким образом, в Ethernet решается проблема разделения общей среды передачи между сетевыми устройствами.
Коммутатор, в отличие от концентратора, не повторяет каждый кадр на все порты, а имеет более высокий "интеллект" - он просматривает заголовки и использует MAC-адреса для построения таблицы коммутации кадров, тем самым, работая на втором уровне модели OSI, точнее, на подуровне MAC второго уровня.
|
|
|
В классическом виде Ethernet нельзя соединять по топологии "кольцо", поскольку, в случае использования концентраторов, это закончится постоянными коллизиями – кадры, пришедшие по двум путям, будут постоянно накладываться. А в случае использования коммутаторов будет происходить "широковещательный шторм": когда первый же широковещательный кадр начинает бесконечно циркулировать по кольцу из двух соединений. Нетрудно догадаться, что в обоих случаях сеть будет практически выведена из строя.
Поэтому для классического Ethernet’а можно применять только топологию типа "звезда", которая является древовидной с непересекающимися ветвями (рисунок 2.1). Правда, в современных коммутаторах начали встраивать защиту от широковещательных штормов, но это само по себе, конечно, не даёт возможности делать топологию типа "кольцо".
Топология классического Ethernet не подразумевает параллельных соединений двух коммутаторов или "колец" между звеньями сети. На этот случай был разработан протокол Spanning Tree Protocol (STP). По своей сути, STP просто отслеживает логическую топологию всей "видимой" ему сети и отключает те порты, которые могут "замкнуть" ветви "дерева". Тем самым, можно искусственно организовать кольцо, или несколько колец, между коммутаторами, поддерживающими STP. При этом часть соединений будет постоянно отключена, но активирована только в случае обрыва основного соединения.
Рисунок 2.1. – Топология сети Ethernet
Обычная практика, при этом, пускать основное и резервные соединения разными физическими путями – чтобы кабели не повредились одновременно. Правда, у STP есть один недостаток – время переключения на резервное соединение может занимать до минуты, а в современных сетях это довольно много. Поэтому был разработан протокол Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), который является более "быстрой" версией STP. В современных сетях, в основном, применяется RSTP или частные протоколы производителей, которые не стандартизованы и поддерживаются только оборудованием этих же производителей. Проблема в том, что протокол (R)STP поддерживают только дорогие коммутаторы, которые относятся к классу "smart".
Fast Ethernet
Fast Ethernet – спецификация IEЕЕ 802.3u официально принятая 26 октября 1995г. Определяет стандарт протокола канального уровня для сетей, работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля, со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.
2.2.1 Структура Fast Ethernet
Чтобы лучше понять работу и разобраться во взаимодействии элементов Fast Ethernet обратимся к (рисунку 2.2).
Рисунок 2.2. – Структура уровней Fast Ethernet
2.2.2 Подуровень управления логической связью (LLC)
В спецификации IEEE 802.3u функции канального уровня разбиты на два подуровня: управления логической связью (LLC) и уровня доступа к среде (MAC), который будет рассмотрен ниже. LLC, функции которого определены стандартом IEEE 802.2, фактически обеспечивает взаимосвязь с протоколами более высокого уровня, (например, с IP или IPX), и предоставляет различные коммуникационные услуги:
– сервис без установления соединения и подтверждений приема. Не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных;
– сервис с установлением соединения. Абсолютно надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой-приемником до начала передачи данных и использования механизмов контроля ошибок и управления потоком данных;
– сервис без установления соединения с подтверждениями приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.
На передающей системе данные, переданные вниз от протокола Сетевого уровня, вначале инкапсулируются подуровнем LLC. Стандарт называет их Protocol Data Unit (PDU, протокольный блок данных). Когда PDU передается вниз подуровню MAC, где снова обрамляется заголовком и постинформацией, с этого момента технически его можно назвать кадром. Для пакета Ethernet это означает, что кадр 802.3 помимо данных Сетевого уровня содержит трехбайтовый заголовок LLC. Таким образом, максимально допустимая длина данных в каждом пакете уменьшается с 1500 до 1497 байтов.
Заголовок LLC состоит из трех полей:
DSAP (1 байт) Destination Service Access Point - точка доступа к сервису системы – получателя указывает, в каком месте буферов памяти системы-получателя следует разместить данные пакета.
SSAP (1 байт) Source Service Access Point - точка доступа к сервису системы - источника выполняет такие же функции для источника данных, размещенных в пакете, на передающей системе.
Поле управления (1 или 2 байта) указывает на тип сервиса, необходимого для данных в PDU и функций пакета. В зависимости от того, какой сервис нужно предоставить, поле управления может быть длиной 1 или 2 байта.
В некоторых случаях кадры LLC играют незначительную роль в процессе сетевого обмена данными. Например, в сети, использующей TCP/IP наряду с другими протоколами, единственная функция LLC может заключаться в предоставлении возможности кадрам 802.3 содержать заголовок SNAP, подобно Ethertype указывающий протокол Сетевого уровня, которому должен быть передан кадр. В этом случае все PDU LLC задействуют ненумерованный информационный формат.
Однако другие высокоуровневые протоколы требуют от LLC более расширенного сервиса. Например, сессии NetBIOS и несколько протоколов NetWare используют сервисы LLC с установлением соединения более широко.
2.2.3 Заголовок SNAP
Принимающей системе необходимо определить, какой из протоколов сетевого уровня должен получить входящие данные. В пакетах 802.3 в рамках PDU LLC применяется еще один протокол, называемый Sub - Network Access Protocol (SNAP, протокол доступа к подсетям).
Заголовок SNAP имеет длину 5 байт и располагается непосредственно после заголовка LLC в поле данных кадра 802.3. Заголовок содержит два поля.
Код организации. Идентификатор организации или производителя — это 3-байтовое поле, которое принимает такое же значение, как первые 3 байта МАС-адреса отправителя в заголовке 802.3.
Локальный код. Локальный код — это поле длиной 2 байта, которое функционально эквивалентно полю Ethertype в заголовке Ethernet II.
2.2.4 Подуровень согласования
Как было сказано ранее Fast Ethernet это эволюционировавший стандарт. MAC рассчитанный на интерфейс AUI, необходимо преобразовать для интерфейса MII, используемого в Fast Ethernet, для чего и предназначен этот подуровень.
2.2.5 Управление доступом к среде (MAC)
Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет контроллер доступа к среде (Media Access Controller — MAC). MAC имеет ключевое значение в Fast Ethernet и имеет три назначения:
- определяет, когда узел может передать пакет;
- пересылает кадры уровню PHY для преобразования в пакеты и передачи в среду;
- получает кадры из уровня PHY и передает обрабатывающему их программному обеспечению (протоколам и приложениям).
Самым важным из трех назначений MAC является первое. Для любой сетевой технологии, которая использует общую среду, правила доступа к среде, определяющие, когда узел может передавать, являются ее основной характеристикой. Разработкой правил доступа к среде занимаются несколько комитетов IЕЕЕ. Комитет 802.3, часто именуемый комитетом Ethernet, определяет стандарты на ЛВС, в которых используются правила под названием CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов).
CSMS/ CD являются правилами доступа к среде как для Ethernet, так и для Fast Ethernet. Именно в этой области две технологии полностью совпадают.
Поскольку все узлы в Fast Ethernet совместно используют одну и ту же среду, передавать они могут лишь тогда, когда наступает их очередь. Определяют эту очередь правила CSMA/ CD.
2.2.6 CSMA/CD
Контроллер MAC Fast Ethernet, прежде чем приступить к передаче, прослушивает несущую. Несущая существует лишь тогда, когда другой узел ведет передачу. Уровень PHY определяет наличие несущей и генерирует сообщение для MAC. Наличие несущей говорит о том, что среда занята и слушающий узел (или узлы) должны уступить передающему.
MAC, имеющий кадр для передачи, прежде чем передать его, должен подождать некоторый минимальный промежуток времени после окончания предыдущего кадра. Это время называется межпакетной щелью (IPG, interpacket gap) и продолжается 0,96 микросекунды (рисунок 2.3), то есть десятую часть от времени передачи пакета обычной Ethernet со скоростью 10 Мбит/с (IPG — единственный интервал времени, всегда определяемый в микросекундах, а не во времени бита).
Рисунок 2.3. - Межпакетная щель
После окончания пакета 1 все узлы ЛВС обязаны подождать в течение времени IPG, прежде чем смогут передавать. Временной интервал между пакетами 1 и 2, 2 и 3 на рис. 2.3 — это время IPG. После завершения передачи пакета 3 ни один узел не имел материала для обработки, поэтому временной интервал между пакетами 3 и 4 длиннее, чем IPG. Все узлы сети должны соблюдать эти правила. Даже если на узле имеется много кадров для передачи и данный узел является единственным передающим, то после пересылки каждого пакета он должен выждать в течение, по крайней мере, времени IPG. Именно в этом заключается часть CSMA правил доступа к среде Fast Ethernet. Короче говоря, многие узлы имеют доступ к среде и используют несущую для контроля ее занятости.
В ранних экспериментальных сетях применялись именно эти правила, и такие сети работали очень хорошо. Тем не менее, использование лишь CSMA привело к возникновению проблемы. Часто два узла, имея пакет для передачи и прождав время IPG, начинали передавать одновременно, что приводило к искажению данных с обеих сторон. Такая ситуация называется коллизией (collision) или конфликтом.
Для преодоления этого препятствия ранние протоколы использовали достаточно простой механизм. Пакеты делились на две категории: команды и реакции. Каждая команда, переданная узлом, требовала реакции. Если в течение некоторого времени (называемого периодом тайм-аута) после передачи команды реакция на нее не была получена, то исходная команда подавалась вновь. Это могло происходить по нескольку раз (предельное количество тайм-аутов), прежде чем передающий узел фиксировал ошибку.
Эта схема могла прекрасно работать, но лишь до определенного момента. Возникновение конфликтов приводило к резкому снижению производительности (измеряемой обычно в байтах в секунду) потому, что узлы часто простаивали в ожидании ответов на команды, никогда не достигающие пункта назначения. Перегрузка сети, увеличение количества узлов напрямую связаны с ростом числа конфликтов и, следовательно, со снижением производительности сети. Проектировщики ранних сетей быстро нашли решение этой проблемы: каждый узел должен устанавливать факт потери переданного пакета путем обнаружения конфликта (а не ожидать реакции, которая никогда не последует). Это означает, что потерянные в связи с конфликтом пакеты должны быть немедленно переданы вновь до окончания времени тайм-аута. Если узел передал последний бит пакета без возникновения конфликта, значит, пакет передан успешно.
Метод контроля несущей хорошо сочетать с функцией обнаружения коллизий. Коллизии все еще продолжают происходить, но на производительности сети это не отражается, так как узлы быстро избавляются от них. Группа DIX, разработав правила доступа к среде CSMA/CD для Ethernet, оформила их в виде простого алгоритма Алгоритм представлен на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4. - Алгоритм работы CSMA/CD
2.2.7 Устройство физического уровня (PHY)
Поскольку Fast Ethernet может использовать различный тип кабеля, то для каждой среды требуется уникальное предварительное преобразование сигнала.
Преобразование также требуется для эффективной передачи данных: сделать передаваемый код устойчивым к помехам, возможным потерям, либо искажениям отдельных его элементов (бодов), для обеспечения эффективной синхронизации тактовых генераторов на передающей или приемной стороне.
Подуровень кодирования (PCS) кодирует/декодирует данные поступающие от/к уровня MAC с использованием алгоритмов 4B/5B или 8B/6T.
Подуровни физического присоединения и зависимости от физической среды (PMА и PMD) осуществляют связь между подуровнем PSC и интерфейсом MDI, обеспечивая формирование в соответствии с методом физического кодирования: NRZI или MLT-3.
|
|
|
