 |
Коммутируемые сети Ethernet
|
|
|
|
Практическая работа
Тема. РаспределениеIP-адресов
Цель. Изучить распределение IP-адресов, назначение МАС-адресов, масок сетей
Теоретическое обоснование
Коммутируемые сети Ethernet
Коммутатор локальной сети (LAN switch) функционально подобен мосту — он работает по тому же алгоритму. Коммутаторы отличаются от традиционных мостов потребительскими характеристиками: большим количеством портов, высокой скоростью передачи кадров с порта на порт, низкой стоимостью.
Такое сочетание характеристик привело к тому, что стал возможным полный отказ от разделяемой среды. Этот отказ происходил постепенно, и к настоящему времени его можно считать свершившимся — производство повторителей прекращено и купить их сейчас можно только «с рук» или из старых запасов мелких поставщиков.
Рассмотрим алгоритм работы коммутатора на примере сети Ethernet, показанной на рис. 2. Для продвижения кадров коммутатор использует таблицу продвижения, которая состоит из записей, включающих два поля:
- МАС-адрес назначения;
- идентификатор порта коммутатора, на который нужно передать кадр с указанным адресом назначения.
В исходном состоянии (которое и показано на рис. 2) таблицы продвижения коммутаторов сети пусты.
Рисунок 2 - Алгоритм работы коммутатора, начальный этап — адреса не изучены
Коммутатор строит свою адресную таблицу автоматически на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах. При этом коммутатор учитывает адреса источников кадров данных, поступающих на порты коммутатора. По адресу источника кадра коммутатор делает вывод о принадлежности узла-источника тому или иному порту. Сами порты коммутатора не адресуются при передаче кадров, они работают в так называемом неразборчивом режиме захвата кадров, когда все поступающие на порт кадры, независимо от их адреса назначения, запоминаются на время в буферной памяти.
|
|
|
Пусть теперь компьютер А посылает кадр компьютеру С. Компьютер А соединен кабелем с портом 1 коммутатора S1, этот кабель выделен в его полное распоряжение и не разделяется с другими компьютерами. Сетевой адаптер, подключенный к порту коммутатора, работает в дуплексном режиме, когда одновременные передача и прием данных не считаются недопустимой ситуацией, как в сетях Ethernet на разделяемой среде.
Когда коммутатор S1 получает кадр с адресом назначения MAC- С, который отсутствует в его таблице продвижения, он просто копирует этот кадр на все свои порты, кроме того, на который он получил данный кадр. Такой режим называется затоплением сети. В нашем примере коммутатор S1 копирует кадр на порты 2 и 6, так как к остальным портам ничего не подключено. Первое копирование было очевидно безрезультатным, так как кадр попадает компьютеру В, которому он не предназначался (и который отбрасывает этот кадр). А вот копирование на порт 6 имело смысл, так как кадр теперь попадает в коммутатор S3, находящийся на пути кадра к компьютеру С. Коммутатор S3 также имеет пустую таблицу продвижения, поэтому он передает кадр на единственный отличный от порта 1 порт, у которого физическое подключение активно, то есть на порт 4.
Порт коммутатора может иметь (и обычно имеет) МАС-адрес, но этот адрес используется не для передачи кадров данных, а для удаленного управления портом по некоторому протоколу управления (например, протоколу SNMP). Коммутатор в целом тоже имеет МАС-адрес, применяемый, в частности, и для удаленного управления.
Коммутатор S2, получив кадр, копирует его на порты 1 и 2, причем в первом случае это копирование оказывается результативным, так как к этому порту подключен компьютер назначения С.
|
|
|
Одновременно с затоплением сети коммутаторы строят свои таблицы продвижения. Таблица строится на основании адресов источника кадров, проходящих через коммутатор. Так, коммутатор S1, передавая кадр на порты 2 и 6, запомнил тот факт, что кадр от компьютера с адресом MAC- А пришел на порт 1. Поэтому он помещает в свою пустую таблицу продвижения первую запись:
Теперь, имея такую таблицу, он начнет обрабатывать кадр, пришедший для компьютера А от любого компьютера сети, более рационально: он не будет копировать его на все порты, а передаст единственную копию на порт 1. Именно так он поступит с кадром, который компьютер С направит в ответ на кадр, полученный им от компьютера А. Ответ от компьютера С позволит коммутатору S1 добавить новую запись, в результате чего таблица приобретет следующий вид:
После этого кадры, посланные для компьютера С, также начинают продвигаться коммутатором S1 рационально: единственная копия передается только на порт 6.
После многократных обменов кадрами все коммутаторы помещают МАС-адреса компьютеров сети в свои таблицы, так что они приобретают вид, показаний на рис. 3. Теперь кадр, посланный компьютером А компьютеру С уже не затапливает сеть, а передается в виде единственной копии по кратчайшему пути.
Как видно из описания, коммутаторы Ethernet действительно прозрачны для компьютеров, кроме того, их способность самообучаться без какого бы то ни было предварительного ручного конфигурирования удобна для администратора сети.
Рисунок 3 - Алгоритм работы коммутатора, конечный этап — все адреса изучены
Коммутируемая версия Ethernet явилась большим шагом вперед в отношении производительности сети по сравнению с Ethernet на разделяемой среде, так как она исключила периоды ожидания освобождения среды за счет параллельного продвижения кадров от всех компьютеров сети.
Высокие скорости работы коммутаторов при обработке кадров и возросшие с 10 Мбит/с до 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и 10 Гбит/с скорости передачи битов по каналам связи также привели к тому, что локальные сети стали очень эффективной и сравнительно простой средой взаимодействия компьютеров.
|
|
|
Однако простота организации коммутируемых сетей Ethernet сопряжена с рядом недостатков:
- Появление кадров с неизвестными ранее адресами приводит к так называемым широковещательным штормам, так как эти кадры затопляют сеть своими копиями. Сеть Ethernet не может эффективно предотвращать ситуации, когда какой-либо из компьютеров начинает работать некорректно, генерируя кадры с ошибочным адресом. Говорят, что сеть, построенная на коммутаторах Ethernet, является «плоской», имея в виду 
тот факт, что в сети нет естественных барьеров на пути распространения ошибочного широковещательного трафика.
- Плоские адреса Ethernet не очень удобны для адресации узлов больших сетей, так как в этом случае таблицы продвижения содержат слишком много записей. В этом отношении, как уже было отмечено, гораздо эффективнее многоуровневый адрес сетевого уровня.
- Самообучение коммутаторов Ethernet на основе наблюдения за проходящим трафиком приводит к тому, что коммутируемые сети Ethernet эффективно работают только при древовидной топологии сети, когда в сети нет петель. Иначе кадры начинают «зацикливаться» и размножаться, а таблицы продвижения не достигают устойчивого состояния, постоянно перестраиваясь, что, конечно, не дает сети нормально работать. Решить проблему призван протокол покрывающего дерева, позволяющий локальной сети иметь произвольную топологию связей.
|
|
|
