Поддержка алгоритма Spanning Tree

Дополнительные функции коммутаторов

Объем буфера кадров

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кад­ров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика. Ведь даже если трафик хорошо сбалансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений трафика, это не гарантирует, что их производительно­сти хватит при пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все входы коммута­тора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты.

Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном пре­вышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таб­лиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполнится.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Хоро­шо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими пор­тами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.

Так как коммутатор представляет собой сложное вычислительное устройство, име­ющее несколько процессорных модулей, то естественно нагрузить его помимо вы­полнения основной функции передачи кадров с порта на порт по алгоритму моста и некоторыми дополнительными функциями, полезными при построении надеж­ных и гибких сетей. Ниже описываются наиболее распространенные дополнительные функции коммутаторов, которые поддерживаются большинством производителей коммуникационного оборудования.

Алгоритм покрывающего дерева — Spanning Tree Algorithm (STA) позволяет коммута­торам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой. Как уже отмечалось, для нормаль­ной работы коммутатора требуется отсутствие замкнутых маршрутов в сети. Эти маршруты могут создаваться администратором специально для образования ре­зервных связей или же возникать случайным образом, что вполне возможно, если сеть имеет многочисленные связи, а кабельная система плохо структурирована или документирована.

Поддерживающие алгоритм STA коммутаторы автоматически создают актив­ную древовидную конфигурацию связей (то есть связную конфигурацию без пе­тель) на множестве всех связей сети. Такая конфигурация называется покрывающим деревом — Spanning Tree (иногда ее называют остовным деревом), и ее название дало имя всему алгоритму. Алгоритм Spanning Tree описан в стандарте IEEE 802.1D, том же стандарте, который определяет принципы работы прозрачных мостов.

Коммутаторы находят покрывающее дерево адаптивно, с помощью обмена слу­жебными пакетами. Реализация в коммутаторе алгоритма STA очень важна для работы в больших сетях — если коммутатор не поддерживает этот алгоритм, то администратор должен самостоятельно определить, какие порты нужно перевести в заблокированное состояние, чтобы исключить петли. К тому же при отказе какого-либо кабеля, порта или коммутатора администратор должен, во-первых, обнаружить факт отказа, а во-вторых, ликвидировать последствия: отказа, переведя резервную связь в рабочий режим путем активизации некоторых портов. При поддержке ком­мутаторами сети протокола Spanning Tree отказы обнаруживаются автоматически, за счет постоянного тестирования связности сети служебными пакетами. После об­наружения потери связности протокол строит новое покрывающее дерево, если это возможно, и сеть автоматически восстанавливает работоспособность.

Алгоритм Spanning Tree определяет активную конфигурацию сети за три этапа.

· Сначала в сети определяется корневой коммутатор (root switch), от которого строится дерево. Корневой коммутатор может быть выбран автоматически или назначен администратором. При автоматическом выборе корневым становится коммутатор с меньшим значением МАС-адреса его блока управления.

· Затем, на втором этапе, для каждого коммутатора определяется корневой порт (root port) — это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до кор­невого коммутатора (точнее, до любого из портов корневого коммутатора).

· И наконец, на третьем этапе для каждого сегмента сети выбирается так называ­емый назначенный порт (designated port) — это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. После определения корневых и назначенных портов каждый коммутатор блокирует остальные пор­ты, которые не попали в эти два класса портов. Можно математически доказать, что при таком выборе активных портов в сети исключаются петли и оставшиеся связи образуют покрывающее дерево (если оно может быть построено при су­ществующих связях в сети).

Понятие расстояния играет важную роль в построении покрывающего дерева. Именно по этому критерию выбирается единственный порт, соединяющий каж­дый коммутатор с корневым коммутатором, и единственный порт, соединяющий каждый сегмент сети с корневым коммутатором.

На рис. показан пример построения конфигурации покрывающего дерева для сети, состоящей из 5 сегментов и 5 коммутаторов. Корневые порты закрашены темным цветом, назначенные порты не закрашены, а заблокированные порты пере­черкнуты. В активной конфигурации коммутаторы 2 и 4 не имеют портов, переда­ющих кадры данных, поэтому они закрашены как резервные.

Расстояние до корня определяется как суммарное условное время на передачу одного бита данных от порта данного коммутатора до порта корневого коммутато­ра. При этом считается, что время внутренних передач данных (с порта на порт) коммутатором пренебрежимо мало, а учитывается только время на передачу дан­ных по сегментам сети, соединяющим коммутаторы. Условное время сегмента рас­считывается как время, затрачиваемое на передачу одного бита информации в 10 наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам, а для сегмента Token Ring 16 Мбит/с - 6,25. (Алгоритм STA не связан с каким-либо определенным стандартом канального уровня, он может применяться к коммута­торам, соединяющим сети различных технологий.)

В приведенном примере предполагается, что все сегменты работают на одной скорости, поэтому они имеют одинаковые условные расстояния, которые поэтому не показаны на рисунке.

Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева все коммутаторы сети после их инициализации начинают периодически обмени­ваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных мо­ста — BPDU (Bridge Protocol Data Unit), что отражает факт первоначальной разработки алгоритма STA для мостов.

Пакеты BPDU помещаются в поле данных кадров канального уровня, напри­мер кадров Ethernet или FDDI. Желательно, чтобы все коммутаторы поддержива­ли общий групповой адрес, с помощью которого кадры, содержащие пакеты BPDU, могли бы одновременно передаваться всем коммутаторам сети. Иначе пакеты BPDU рассылаются широковещательно.

Поля пакета BPDU перечислены ниже.

· Идентификатор версии протокола STA — 2 байта. Коммутаторы должны поддерживать одну и ту же версию протокола STA, иначе может установиться ак­тивная конфигурация с петлями.

· Тип BPDU — 1 байт. Существуют два типа BPDU — конфигурационный BPDU, то есть заявка на возможность стать корневым коммутатором, на основании которой происходит определение активной конфигурации, и BPDU уведомле­ния о реконфигурации, которое посылается коммутатором, обнаружившим со­бытие, требующее проведения реконфигурации — отказ линии связи, отказ порта, изменение приоритетов коммутатора или портов.

· Флаги — 1 байт. Один бит содержит флаг изменения конфигурации, второй — флаг подтверждения изменения конфигурации.

· Идентификатор корневого коммутатора — 8 байт.

· Расстояние до корня — 2 байта.

· Идентификатор коммутатора — 8 байт.

· Идентификатор порта — 2 байта.

· Время жизни сообщения — 2 байта. Измеряется в единицах по 0,5 с, служит для выявления устаревших сообщений. Когда пакет BPDU проходит через коммутатор, тот добавляет ко времени жизни пакета время его задержки данным ком­мутатором.

· Максимальное время жизни сообщения — 2 байта. Если пакет BPDU имеет вре­мя жизни, превышающее максимальное, то он игнорируется коммутаторами.

· Интервал hello, через который посылаются пакеты BPDU.

· Задержка смены состояний — 2 байта. Задержка определяет минимальное вре­мя перехода портов коммутатора в активное состояние. Такая задержка необ­ходима, чтобы исключить возможность временного возникновения петель при неодновременной смене состояний портов во время реконфигурации.

У пакета BPDU уведомления о реконфигурации отсутствуют все поля, кроме двух первых.

Идентификаторы коммутаторов состоят из 8 байт, причем младшие 6 являются МАС-адресом блока управления коммутатора. Старшие 2 байта в исходном состо­янии заполнены нулями, но администратор может изменить значение этих байтов, тем самым, назначив определенный коммутатор корневым.

После инициализации каждый коммутатор сначала считает себя корневым. Поэтому он начинает через интервал hello генерировать через все свои порты сооб­щения BPDU конфигурационного типа. В них он указывает свой идентификатор в качестве идентификатора корневого коммутатора (и в качестве идентификатора данного коммутатора также), расстояние до корня устанавливается в 0, а в каче­стве идентификатора порта указывается идентификатор того порта, через который передается BPDU. Как только коммутатор получает BPDU, в котором имеется идентификатор корневого коммутатора, со значением, меньшим его собственного, он перестает генерировать свои собственные кадры BPDU, а начинает ретрансли­ровать только кадры нового претендента на звание корневого коммутатора. На рис. 4.38 у коммутатора 1 идентификатор имеет наименьшее значение, раз он стал в результате обмена кадрами корневым.

При ретрансляции кадров каждый коммутатор наращивает расстояние до корня, указанное в пришедшем BPDU, на условное время сегмента, по которому принят данный кадр. Тем самым в кадре BPDU, по мере прохождения через коммутаторы, накапливается расстояние до корневого коммутатора. Если считать, что все сег­менты рассматриваемого примера являются сегментами Ethernet, то коммутатор 2, приняв от коммутатора BPDU по сегменту 1 с расстоянием, равным 0, наращивает его на 10 единиц.

Ретранслируя кадры, каждый коммутатор для каждого своего порта запомина­ет минимальное расстояние до корня, встретившееся во всех принятых этим пор­том кадрах BPDU. При завершении процедуры установления конфигурации покрывающего дерева (по времени) каждый коммутатор находит свой корневой порт — это порт, для которого минимальное расстояние до корня оказалось мень­ше, чем у других портов. Так, коммутатор 3 выбирает порт А в качестве корневого, поскольку по порту А минимальное расстояние до корня равно 10 (BPDU с таким расстоянием принят от корневого коммутатора через сегмент 1). Порт В коммута­тора 3 обнаружил в принимаемых кадрах минимальное расстояние в 20 единиц — это соответствовало случаю прохождения кадра от порта В корневого моста через сегмент 2, затем через мост 4 и сегмент 3.

Кроме корневого порта коммутаторы распределенным образом выбирают для каждого сегмента сети назначенный порт. Для этого они исключают из рассмотрения свой корневой порт (для сегмента, к которому он подключен, всегда существу­ет другой коммутатор, который ближе расположен к корню), а для всех своих оставшихся портов сравнивают принятые по ним минимальные расстояния до корня с расстоянием до корня своего корневого порта. Если у какого-либо своего порта принятые им расстояния до корня больше, чем расстояние маршрута, пролегающе­го через свой корневой порт, то это значит, что для сегмента, к которому подклю­чен данный порт, кратчайшее расстояние к корневому коммутатору ведет именно через данный порт. Коммутатор делает все свои шорты, у которых такое условие выполняется, назначенными.

Если в процессе выбора корневого порта или назначенного порта несколько портов оказываются равными по критерию кратчайшего расстояния до корневого коммутатора, то выбирается порт с наименьшим идентификатором.

В качестве примера рассмотрим выбор корневого порта для коммутатора 2 и назначенного порта для сегмента 2. Мост 2 при выборе корневого порта столк­нулся с ситуацией, когда порт А и порт В имеют равное расстояние до корня — по 10 единиц (порт А принимает кадры от порта В корневого коммутатора через один промежуточный сегмент — сегмент 1, а порт В принимает кадры от порта А корневого коммутатора также через один промежуточный сегмент — через сег­мент 2). Идентификатор А имеет меньшее числовое значение, чем В (в силу упорядоченности кодов символов), поэтому порт А стал корневым портом ком­мутатора 2.

При проверке порта В на случай, не является дли он назначенным для сегмен­та 2, коммутатор 2 обнаружил, что через этот порт он принимал кадры с указан­ным в них минимальным расстоянием 0 (это были кадры от порта В корневого коммутатора 1). Так как собственный корневой порт у коммутатора 2 имеет рас­стояние до корня 10, то порт В не является назначенным для сегмента 2.

Затем все порты, кроме корневого и назначенных, переводятся каждым комму­татором в заблокированное состояние. На этом построение покрывающего дерева заканчивается.

В процессе нормальной работы корневой коммутатор продолжает генерировать служебные кадры BPDU, а остальные коммутаторы продолжают их принимать своими корневыми портами и ретранслировать назначенными. Если у коммутато­ра нет назначенных портов, как у коммутаторов 2 и 4, то они все равно продолжа­ют принимать участие в работе протокола Spanning Tree, принимая служебные кадры корневым портом. Если по истечении тайм-аута корневой порт любого ком­мутатора сети не получает служебный кадр BPDU, то он инициализирует новую процедуру построения покрывающего дерева, оповещая об этом другие коммута­торы BPDU уведомления о реконфигурации. Получив такой кадр, все коммутато­ры начинают снова генерировать BDPU конфигурационного типа, в результате чего устанавливается новая активная конфигурация.

Дата добавления: 2014-01-14