Мережні мости

ІІІ. Викладення нового матеріалу.

Розвиток корпоративних і об'єднаних мереж тісно пов'язане з розробкою спеціальних засобів об'єднання і міжмережних протоколів. Комплексування може здійснюватися на різних рівнях еталонної моделі OSI. Устаткування локальних мереж розрізняється по займаному рівні еталонної моделі й виконуваним функціям. У перелік такого встаткування входять повторювачі й концентратори, мережні мости, комутатори, маршрутизатори й шлюзи.

Повторювачі {Repiters) поєднують мережі на фізичному рівні, здійснюючи узгодження електричних параметрів мереж, що сполучають, посилення й регенерацію сигналів. Ці пристрої вносять затримку на один тактовий інтервал, підтримуючи побітовий синхронізм вхідного й вихідного потоків. Повторювачі використаються для сполучення кабельних сегментів як з однаковими, так і з різними характеристиками фізичного середовища. У рамках однорідного фізичного середовища повторювачі застосовуються з метою збільшення діаметра мережі й кількості абонентів, що підключають.

Концентратор або хаб (англ. Hub) являє собою багатопортовий Ethernet-повторювач, що служить як центральна точка мережі із зіркоподібною технологією, у якій концентруються (з'єднуються) кабелі робочих станцій. Як і повторювач, концентратор працює на першому, фізичному рівні еталонної моделі.

Міст (Bridge) - це пристрій, що забезпечує взаємозв'язок двох (рідше декількох) локальних мереж за допомогою передачі кадрів з однієї мережі в іншу, попередньо здійснюючи їх проміжну буферизацию. Міст, на відміну від повторювача, не підтримує побітовий синхронізм в обох поєднуваних мережах. Він виступає стосовно кожної з мереж як кінцевий вузол. Міст приймає кадр, буферизует його, аналізує адресу призначення кадру, і тільки в тому випадку, коли адресуемый вузол дійсно належить іншій мережі, він передає кадр у цю мережу.

Мости функціонують на канальному рівні й застосовуються для рішення наступних завдань у локальних мережах:

• збільшення максимальної кількості комп'ютерів у мережі;

• поділу перевантаженої мережі на окремі сегменти зі зменшеним трафиком, у результаті чого кожна подсеть працює більш ефективно;

• з'єднання різнорідних фізичних середовищ (кручена пари - коаксіальний кабель).

Принципи роботи моста. Мости допускають використання в мережі всіх протоколів мережного рівня, не відрізняючи при цьому один протокол від іншого з тієї причини, що вони працюють на канальному рівні і їм не доступна інформація, що втримується на більше високих рівнях цієї моделі. Мости працюють на подуровне керування доступом до середовища. Тому в їхній функції входить «прослуховування» усього трафика сегментів, підключених до їхніх портів; перевірка адрес джерела й одержувача кожного пакета; побудова таблиці адресації; передача пакетів.

Передача фреймів здійснюється в такий спосіб. Якщо одержувач не зазначений у таблиці адресації, міст передає кадр в усі сегменти (хвильова маршрутизація), а якщо адресат утримується в таблиці, то міст передає кадр у зазначений сегмент.

Робота моста заснована на принципі, відповідно до якого кожний вузол мережі має власний Мас-адрес. Міст передає блоки, виходячи з фізичної адреси вузла призначення. На початку роботи таблиця адресації моста порожня й у ній перебуває тільки база даних користувачів мережі. У процесі проходження, кадрів через вузол адреси джерел копіюється в таблицю. Таким чином, міст вивчає розташування комп'ютерів у сегментах мережі.

Приймаючи блок, міст шукає Мас-адрес джерела у своїй таблиці адресації. У випадку якщо адреса джерела не знайдений, вона додається в базу дані таблиці. При наявності адреси одержувача в таблиці адресації, якщо адресат розташовується в одному сегменті із джерелом, то блок відкидається. Така фільтрація зменшує мережний трафик і ізолює сегменти мережі. У противному випадку міст передає кадр адресатові через відповідний порт. У випадку відсутності адреси одержувача в таблиці, міст передає кадр в усі свої вихідні порти, за винятком того номера порту, з якого блок був прийнятий.

Більша комп'ютерна мережа не обмежується одним мостом. Якщо між вузлами є кілька колій, то визначається самий короткий з них. Міст може працювати як автономний пристрій (зовнішній міст), так і на сервері (внутрішній), якщо мережна ОС допускає установку на сервері декількох мережних плат.

З електричної точки зору міст являє собою многопроцессорное комунікаційний пристрій, блоки якого об'єднані внутрішньою системною шиною (малюнок 7.1). Блоки MAC здійснюють доступ до середовища й виконують функції портів моста. Вони є високошвидкісними процесорами уведення/висновку. На схемі показано два порти. У загальному випадку їх може бути й більше.

Мал. 7.1 - Структура мережного моста з таблицею адресації

Як і повторювач, міст не проводить ніякої обробки кадру по зміні його змісту. Він здійснює тільки регенерацію сигналів даних і контроль кадрів на наявність помилок (властиво помилок кадру й виходу розміру кадрів за припустимі межі). При виявленні помилок кадр не транслюється в сегмент кабелю, до якого підключений адресат. Така функція моста захищає сегмент одержувача від ушкоджених кадрів, тому що вони вимагають витрат ресурсів сегмента, а устрій-одержувач у кожному разі відкине ушкоджений кадр.

Комутатор (Switch) являє собою мультипроцесорний міст, здатний незалежно транслювати кадри між всіма парами своїх портів. Обоє пристрою, міст і комутатор, передають кадри на підставі того самого алгоритму, називаного алгоритмом прозорого моста, викладеного в стандарті IEЕЕ 802.1D. Поняття "прозорий міст" означає, що мости й комутатори в процесі функціонування не враховують існування в мережі адаптерів, повторювачів і концентраторів. З іншого боку й перераховані мережні пристрої "не зауважують" присутності в мережі мостів і комутаторів. Відмінність багатопроцесорного комутатора від моста складається в установці в комутаторі комутаційної матриці, що зв'язує між собою порти пристрою. Існують два способи передачі кадрів через комутатор.

1. Запам’ятовування кадру й наступна передача (Store-and-Forward). При цьому аналізується адресу джерела й одержувача, можливе використання фільтрації кадрів по певних ознаках, а також контроль наявності помилок. Недолік такого способу - затримка кадрів, що росте зі збільшенням їхніх розмірів, перевага - висока ймовірність виявлення помилок.

2. Комутація "на лету" (On The Fly). Дані передаються у вихідний порт після зчитування адреси призначення, не чекаючи закінчення приймання всього кадру. При такому способі затримка кадрів істотно менше, але практично виключена можливість контролювати помилки. Варто помітити, що при передачі пакетів з низько швидкісного порту у високошвидкісний, наприклад, з порту 10 Мбіт/с у порт 100 Мбіт/с, комутацію "на лету" використати взагалі неможливо, тому що при організації з'єднання між портами з різною швидкістю потрібна буферизація пакетів.

Структурна схема комутатора ЛКС зображена на малюнку 3.27.

Мал. 7.2 - Структура мережного комутатора

Кожний з 8 портів обслуговується одним процесором уведення/висновку (лінійний процесор). Передавач і приймач процесора працюють незалежно один від одного й можуть реалізувати дуплексний режим обміну. Системний процесорний модуль підтримує загальну адресну таблицю комутатора й управляє комутаційною матрицею. Цей модуль працює в багатозадачном режимі, паралельно обслуговуючи запити всіх процесорів уведення/висновку. Комутаційна матриця функціонує за принципом комутації каналів, розглянутому в першому розділі.

При надходженні кадру в який-небудь порт лінійний процесор буферизує трохи перших байтів кадру, щоб прочитати адреса призначення. Після дешифрації адреси процесор ухвалює рішення щодо передачі пакета, не чекаючи приходу наступних байтів кадру. Для цього він переглядає свій власний кэш адресної таблиці, а якщо не знаходить там потрібної адреси, звертається до системного процесорного модуля. Системний модуль робить перегляд загальної адресної таблиці й повертає лінійному процесору знайдений рядок, що той буферизує у своєму кеші до наступного використання. Під час цих дій триває процес буферизує вступника кадру. Якщо кадр потрібно від фільтрувати (не пропустити), процесор просто припиняє запис, очищає буфер і чекає надходження нового кадру.

Якщо буде потреба передачі кадру в інший порт лінійний процесор намагається за допомогою комутаційної матриці з'єднатися з вихідним портом призначення. Ця процедура можлива, якщо порт призначення вільний. У випадку зайнятості порту кадр буферизується повністю, а процесор очікує звільнення необхідного вихідного порту. Спосіб комутації кадру "на лету" реалізує конвеєрну обробку кадрів, що істотно підвищує швидкодію комутатора мережі.

Незважаючи на малу вартість і високу продуктивність, комутатори на основі комутаційної матриці занадто примітивні для ефективної трансляції між низькоскоросними інтерфейсами Ethernet або Token Ring і високошвидкісними портами мереж ATM і FDDI.

Іншим варіантом реалізації мережного комутатора є використання замість комутаційної матриці поділюваної системної пам'яті (мал. 7.3). Принцип з'єднання портів у такому комутаторі аналогічний принципу комутації в системах з тимчасовим поділом каналів. Приймання запитів на встановлення з'єднання й керування буферами поділюваної пам'яті здійснює системний процесорний модуль.

Залежно від співвідношення швидкостей уведення й висновку розрізняють комутатори із симетричною й асиметричною комутацією. Всі порти симетричного комутатора мають однакову пропускну здатність, наприклад 10 або 100 Мбіт/с. В асиметричних комутаторах дані можуть передаватися як між портами з рівними швидкостями передачі, так і з різними (10/100 Мбіт/с). У таких комутаторах виробляється мультиплексування/демультиплексування декількох низькоскоросних потоків. Якщо буде потреба передачі пакета, що надійшов через порт із більше високою швидкістю на порт із меншою пропускною здатністю, наприклад 100/10, виробляється буферизація пакета, що надійшов, і наступна видача його з меншою швидкістю.

Мал. 7.3 - Мережний комутатор з поділюваною пам'яттю

Висока продуктивність комутаторів і можливість паралельної передачі кадрів привели до того, що вони практично повністю витиснули однопроцесорні мости. Основним параметром комутатора є його продуктивність. Для того щоб охарактеризувати її використаються кілька параметрів:

• швидкість передачі між портами, вимірювана в пакетах/с;

• загальна пропускна здатність, що характеризує максимальну сумарну швидкість, з якої пакети можуть передаватися адресатам через комутатор;

• затримка - проміжок часу між одержанням пакета від відправника й передачею його одержувачеві. Звичайно затримку вимірюють щодо першого біта пакета.

Залежно від виду розв'язуваних завдань комутатори підрозділяють на три класи: комутатори рівня доступу, комутатори для робочих груп і магістральні комутатори.

Рівень доступу є найближчим до користувача рівнем і надає йому доступ до ресурсів мережі. Працюючі на цьому рівні комутатори повинні підтримувати підключення окремих комп'ютерів до об'єднаної мережі.

Комутатори для робочих груп забезпечують зв'язок між групою комп'ютерів однієї мережі. Вони є точкою концентрації для декількох комутаторів рівня доступу й повинні справлятися з більшими обсягами переданих даних. Залежно від способу реалізації, на рівні доступу можуть виконуватися наступні функції:

• забезпечення маршрутизації, якості обслуговування й безпеки мережі;

• перехід від однієї технології до іншої (наприклад, від 10BASE-T до 100BASE-TX або від 100BASE-TX до 1000BASE-T) і т.п.;

• об'єднання пропускних здатностей низкоскоростных каналів доступу у високошвидкісні магістральні канали.

Комутатори, що випускають промисловістю, для робочих груп являють собою комутатори, які забезпечують комутацію каналів, 10/100 Мбіт/с і 10/100/1000Мбіт/с і підтримують до 24 користувачів і 2 порти Gigabit Ethernet для серверів. Комутатори для робочих груп дозволяють повністю зберегти мережну інфраструктуру з боку клієнтів, включаючи програми, мережні адаптери, кабелі.

Магістральні комутатори служать для передачі даних між окремими сегментами комп'ютерних мереж. Вони виконуються переважно у вигляді модульних пристроїв і призначені для роботи в мережах операторів зв'язку. Основна їхня відмінність - здатність здійснювати комутацію на надвисоких швидкостях (до 10 Гбіт/с). Магістральні комутатори звичайно мають у своєму составі від 8 до 16 портів зі швидкістю 10, 100 або 1000 Мбіт/с, використовуваних для підключення сегментів робочих груп, і кілька магістральних портів зі швидкістю передачі до 10 Гбіт/с. Промисловістю випускаються комутатори у виконанні для одного певного середовища передачі з оптоволоконними портами 1000ВASE-SX, так і в універсальному виконанні з портами 100/1000BASE-T для мідного кабелю й декількома портами для оптоволоконних ліній зв'язку.

Комбіновані комутатори, здатні крім комутації на канальному рівні виконувати функції маршрутизаторів, а в ряді варіантів і функції транспортного рівня. Такі пристрої одержали назву відповідно "комутатори 3-го" або "4-го рівня".

Комутатори 3-го рівня приймають рішення на основі інформації мережного рівня, а не на основі МАС-адресів. Основна мета комутації такого типу - одержати швидкість комутації 2-го рівня й масштабованість маршрутизації. Обробку пакетів комутатор 3-го рівня виконує в такий же спосіб, як і маршрутизатор:

• на основі інформації 3-го рівня (мережних адрес) визначає колія до місця призначення пакета;

• перевіряє цілісність заголовка 3-рівня шляхом обчислення контрольної суми;

• контролює час життя пакета;

• обновляє статистику в Інформаційній базі керування MIB (Management Information Base);

• забезпечує необхідна якість сервісу (Qo) для мультимедійних додатків, чутливих до затримкам передачі.

Основна відмінність між маршрутизаторами й комутаторами третього рівня полягає в тім, що в основі комутації 3-го рівня лежить апаратна реалізація. У маршрутизаторах загального призначення комутація пакетів звичайно виконується програмним образом. У зв'язку з тим, що комутатори 3-го рівня звичайно швидше й дешевше маршрутизаторів, те їхнє використання в локальних мережах переважніше.

Під комутацією 4-го рівня розуміють можливість комутатора ухвалювати рішення щодо передачі пакета, ґрунтуючись не тільки на MAC- або IP-адресах, але й на параметрах четвертого рівня, таких як номер порту TCP/UDP. При виконанні функції 4-го рівня, комутатор читає поля TCP- і UDP-заголовка й визначають, який тип інформації передається в цьому пакеті. Адміністратор мережі також може запрограмувати комутатор обробляти трафік відповідно до пріоритету додатків. Ця функція дозволяє задавати якість сервісу для кінцевих користувачів. При вказівці якості обслуговування комутатор 4-го рівня буде виділяти, наприклад, трафік відео конференції, більшу смугу пропущення в порівнянні з поштовим повідомленням або пакетом FTP.

Для настроювання комутатора необхідно встановити фізичне з'єднання між комутатором і робочою станцією. Існують два типи кабельного з'єднання, використовуваних для керування комутатором. Перший тип - через консольний порт (інтерфейс RS-232C, якщо він є в пристрою), другий - через порт Ethernet (по протоколі Telnet або через Web-інтерфейс). Консольний порт використається для первісної конфігурації комутатора й звичайно не вимагає настроювання. Для того щоб одержати доступ до комутатора через порт Ethernet, пристрою необхідно призначити IP-адресу.

Маршрутизатори (Routers) працюють на мережному рівні. Це означає, що вони можуть переадресовувати й маршрутизировать пакети через безліч мереж, обмінюючись службовою інформацією, що залежить від протоколу між різними мережами. Електрична схема маршрутизатора відрізняється від схеми моста наявністю не менш трьох портів і алгоритмом перенапрямку кадрів між портами. Маршрутизатори можуть також виконувати функції мостів, зокрема фільтрувати й ізолювати трафик, з'єднувати сегменти мережі. Однак маршрутизаторам доступний більший обсяг керуючої інформації, чим мостам, і вони використають неї для оптимізації доставки пакетів.

Таблица маршрутизації, розташовувана в маршрутизаторі, містить мережні адреси. Для кожного протоколу, використовуваного в мережі, будується своя таблиця, що допомагає маршрутизатору визначити адреси призначення для даних, що надходять,. Вона включає наступну інформацію:

• всі відомі мережні адреси;

• способи зв'язку з іншими мережами;

• можливі колії між маршрутизаторами;

• вартість передачі даних по цих коліях.

Маршрутизатор вибирає найкращий маршрут для пакетів, порівнюючи вартість і доступність різних колій. Варто помітити, що таблиця маршрутизації існує й для мостів, однак вона містить адреси подуровня керування доступом до середовища, тоді як таблиця маршрутизатора містить номера мереж. Тому термін «таблиця маршрутизації» для мостів і маршрутизаторів має різний сенс. Маршрутизатори взаємодіють тільки з іншими маршрутизаторами, а не з робочими станціями.

У зв'язку з тим, що маршрутизатори виконують більше складну обробку пакета, вони мають меншу швидкодію в порівнянні з мостами. Коли пакети передаються від одного маршрутизатора до іншого, адреси джерела й одержувача канального рівня маршрутизатором відтинаються, а потім створюються заново. Це дозволяє передавати повідомлення між різнотипними мережами, наприклад TCP/IP - Ethernet або TCP/IP -Token Ring.

Сприймаючи тільки адресовані мережні пакети, маршрутизатори перешкоджають проникненню в мережу некоректних пакетів. Вони не пропускають також широкомовні повідомлення. Все це зменшує межсетевой трафик і підвищує ефективність мереж.

Маршрутизатори здатні з'єднувати сегменти з абсолютно різними схемами впаковки даних у пакети й доступу до середовища, їм часто доступні кілька колій. При відмові одного з маршрутизаторів, дані будуть передаватися по іншимі. Використовуючи відомості про завантаженість ділянок мережі й про вартість колії, маршрутизатор вибирає оптимальна колія. Маршрутизатори підрозділяються на два основних види:

• статичні, коли адміністратор вручну створює й конфігурує таблицю маршрутизації, а також указує кожний маршрут;

• динамічні, у яких маршрути визначаються автоматично на основі аналізу інформації від сусідніх маршрутизаторів.

Маршрутизатори щонайкраще підходять для з'єднання вилучених мереж, тому що передають по каналі зв'язку тільки ті дані, які призначені для цих мереж.

Маршрутизатори мають власну операційну систему. Управляти ними можна шляхом завдання інструкцій у командному рядку даної операційної системи за допомогою будь-якої термінальної програми через послідовний порт комп'ютера, пов'язаного з консольним портом маршрутизатора. Конфігурація маршрутизатора можлива й дистанційним способом за допомогою програми Telnet на IP-адресу кожного з його інтерфейсів.

Мости-маршрутизатори (Brouters) з'єднали краще властивості моста й маршрутизатора. Для одних протоколів вони можуть діяти як міст, а для інших - як маршрутизатор.

З маршрутизаторами працюють не всі протоколи. Тому якщо їсти необхідність застосувати в мережі маршрутизатори, варто переконатися, що в мережі не використаються немаршрутизируемые протоколи. До маршрутизируемым протоколів ставляться: IP, IPX XNS, DECnet; до немаршрутизируемым - протокол NetBEUI.

Шлюзи (Gateways). Цим терміном раніше називали маршрутизирующее пристрій. У цей час вузли, що виконують ці функції, називаються маршрутизаторами. Під шлюзами (у вузькому змісті слова) розуміють пристрої, що забезпечують взаємодію між мережами різного типу, зокрема, шлюзи зв'язують дві системи, які використають різні комунікаційні протоколи, структури й формати даних, мови, архітектури.

Шлюзи створюються для виконання певного типу завдань, тобто для конкретного типу перетворення даних, наприклад, шлюз Windows NT Server to SNA Gateway. Шлюз приймає дані з одного середовища, видаляє старий протокольний стек і переупаковує їх у протокольний стек системи призначення. Деякі шлюзи використають всі сім рівнів моделі ВОС, однак, частіше шлюзи виконують перетворення на прикладному рівні. Звичайно функції шлюзів у мережі реалізують виділені сервери.

Шлюзи здійснюють перетворення протоколів даних. Однак вони мають деякі обмеження, а саме:

• призначені для виконання одного конкретного завдання;

• часто працюють із низькою продуктивністю;

• мають досить високу вартість.

Таким чином, шлюзи варто використати, якщо необхідно встановити зв'язок між різними мережами.

Дата добавления: 2014-01-11