Коммутаторы и мосты сетей Ethernet

ГК по связи и информатизации

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

Хабаровский филиал

 

Коммутаторы и мосты сетей Ethernet

Часть 1. Основные принципы функционирования

Учебное пособие для студентов специальности «Сети и системы коммутации»

 

Ваганов Д.В. СИБГУТИ

 

 

г. Хабаровск 2004 г.

 

Содержание

 

		Стр.
1.	Условные графические обозначения
2.	Принцип коммутации
3.	Основные стандарты обмена информацией в сетях Ethernet
3.1	Стандарты физического уровня
3.2	Стандарты канального уровня
4.	Причины использования мостов и коммутаторов в локальных сетях
5.	Назначение мостов и коммутаторов
6.	Алгоритмы функционирования мостов
6.1.	Режим самообучения
6.2.	Режим фильтрации кадров
6.3.	Режим продвижения кадров
6.4.	Пример реализации процессов обучения, фильтрации и продвижения
6.5.	Таймер неактивности базы данных MAC адресов
7.	Общий алгоритм работы моста и коммутатора
8.	Режимы коммутации
8.1	Режим коммутации с промежуточным хранением
8.2.	Сквозная коммутация
8.3.	Коммутация с контролем фрагментов
	Контрольные вопросы
	Список литературы

 

Условные графические обозначения

 

 

При построении поясняющих схем и рисунков в учебном пособии использованы условные графические обозначения для изображения различных сетевых устройств и сетевых соединений, приведенные в таблице 1.

 

 

Таблица 1. Условные графические обозначения сетевых устройств и линий связи

 

 

 

Принцип коммутации в сетях Ethernet

Коммутатор – специализированное сетевое устройство, служащее для построения сетевой инфраструктуры локальных сетей. Коммутаторы относятся к устройствам, работающим на 1 и 2 уровнях модели взаимосвязи открытых систем. Коммуторы Ethernet служат для быстрого перемещения кадров технологии Ethernet между портами коммутатора в целях доставки пакета к станции назначения.

Основные стандарты обмена информацией в сетях Ethernet

 

Современный этап развития компьютерной индустрии характеризуется широким распространением сетей, построенных на основе технологии Ethernet. Указанная технология основывается на ряде стандартов, позволяющих строить сети масштаба крупного города.

 

Стандарты физического уровня

Стандарты, описывающие принципы функционирования сетей Ethernet, относятся к 1 и 2 уровням модели взаимосвязи открытых систем (физическому и… На 1 (физическом уровне) определяются: - требования к среде передачи (тип среды передачи – оптический кабель, физическая пара, радиоканал), физические…

Стандарты канального уровня

  - Ethernet II; - Ethernet 802.3;

Причины использования коммутаторов в локальных сетях

Основными причинами использования коммутаторов и мостов в локальных сетях являются: - резкое снижение производительности метода доступа к среде CSMA/CD при… - ограничения на максимальное расстояние между двумя наиболее удаленными станциями в сети, вызванное потребностью…

Назначение мостов и коммутаторов

   

Алгоритмы функционирования мостов

Основной принцип работы прозрачных мостов заключается в автоматическом формировании наборов MAC адресов, ассоциированных с определенным портом… Термин «прозрачный мост» означает, что рассматриваемое устройство при… Основная информация, используемая мостом и коммутатором – информация о MAC адресах пакетов, появляющихся на портах…

Самообучение мостов

Все порты моста работают в так называемом "неразборчивом" (promisquous) режиме захвата пакетов, то есть все поступающие на порт пакеты…  

Режим фильтрации кадров

Кроме адреса источника мост просматривает и адрес назначения кадра, чтобы принять решение о его дальнейшем продвижении. Мост сравнивает адрес… Обратимся за иллюстрацией описанного процесса к рисунку 6.1. Предположим, что…  

Режим продвижения кадров

Если адрес назначения присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту по сравнению с сегментом адреса источника, то мост определяет, какой… Если же адрес назначения отсутствует в базе или же это широковещательный…  

Пример реализации процессов обучения, фильтрации и продвижения

 

Следующий пример иллюстрирует процессы обучения, фильтрации и продвижения. Предположим, что сеть выглядит следующим образом:

 

Рис. 6.2 Начальное состояние моста B1

 

Мост первоначально ( при включении) ничего не знает о станциях, подключенных к его портам. Теперь предположим, что станция 17 передает пакет в сеть и указывает в пакете в качестве адреса назначения станцию с адресом 80. Пакет будет выглядеть следующим образом:

 

 

Рис. 6.2 Упрощенная структура пакета (отправлен станцией 17 к станции 80)

 

Мост, приняв данный пакет и просмотрев содержимое адреса отправителя (17), делает заключение о том, что станция с адресом 80 «проживает» в сегменте сети, подключенном к порту 1. Поэтому мост вносит в свою базу данных запись о том, что станция с номером 17 принадлежит порту 1. База данных принимает следующий вид, показанный на рисунке 6.3.

Мост не знает, где расположена станция с номером 80, поэтому он пропускает (forwards) пакет на порт 2. Если бы мост имел более 2-х портов, то он бы передал данный пакет на все порты (за исключением порта1), реализуя при этом режим «затопления» (flooding).

Теперь предположим, что станция с адресом 80 передает пакет станции с адресом 17. Пакет будет выглядеть так, как показано на рис. 6.4.

 

 

Рис. 6.2 Упрощенная структура пакета (отправлен станцией 80 к станции 17)

 

 

 

Рис. 6.3 Станция с номером 17 передает пакет станции с номеров 80

 

Мост, приняв данный пакет и просмотрев содержимое адреса отправителя (80), делает заключение о том, что станция с адресом 80 «проживает» в сегменте сети, подключенном к порту 2. Поэтому мост вносит в свою базу данных запись о том, что станция с номером 80 принадлежит порту 2. База данных принимает следующий вид, показанный на рисунке 6.5

Мост уже имеет в базе данных запись о том, что порт станция с номером 17 «проживает» в сегменте сети подключенном к порту 1, т.е. мост уже «обучен» и «знает» расположение станции с адресом 17. Поэтому он направляет пакет, полученный с порта 2 на порт 1, для того чтобы станция с адресом 17 его получила.

 

Рис. 6.5 Станция с номером 80 передает пакет станции с номером 17

 

 

Теперь предположим, что станция с адресом 5 передает пакет для станции с номером 17. Мост, приняв данный пакет и просмотрев содержимое адреса отправителя (5), делает заключение о том, что станция с адресом 5 «проживает» в сегменте сети, подключенном к порту 1. Поэтому мост вносит в свою базу данных запись о том, что станция с номером 5 принадлежит порту 1. База данных принимает следующий вид (рис.6.6).

 

 

Рис. 6.6 Станция с номером 5 передает пакет станции с номером 17 (режим фильтрации)

 

Просматривая базу данных, мост делает вывод о том, что пакет никуда перенаправлять не следует, так как обе станции подключены к одному и тому же порту № 1, т.е. реализует режим фильтрации пакета (рис.6.6).

Технология применения мостов также работает для многих топологий. Предположим, что мост имеет 3 порта как показано на следующем рисунке (рис.6.7.)

 

 

Рис. 6.7 Конфигурация сети с 3 мостами

 

При инициализации мост «знает» только то, что он имеет 3 порта. Предположим, что станция с адресом 17 передает пакет станции с адресом 80. Так как мост не знает, где расположена станция с номером 80, то он перенаправляет пакет в порт 2 и 3 (реализует режим затопления) После этой операции состояние моста будет выглядеть так, как показано на рис. 6.8.

 

 

 

 

Рис. 6.8 Реализация режима затопления.

 

Предположим, что станция с адресом 80 передает пакет станции с адресом 17. Мост узнает, что станция с адресом 80 располагается на 2 порту, а станция 17 на порту 1, поэтому мост перенаправлет пакет только на 1 порт.

Теперь предположим, что станция с адресом 5 передает пакет станции с адресом 17. Мост «знает», что станция с адресом 17 располагается на 1 порту, поэтому мосту нет необходимости перенаправлять пакет.

Пусть станция с адресом 25 направляет пакет станции с адресом 41. Мост узнает, что станция с адресом 25 расположена на 3 порту, но так как он не знает местонахождение станции с номером 41 он должен направить пакет в порт 1 и 2 (реализация режима затопления). Мост будет поступать так всякий раз, пока станция с номером 41 не проявит активности и не будет скорректирована внутренняя база данных моста. На практике случаи постоянного перенаправления пакетов не по адресу встречаются редко, так как протоколы верхнего уровня обычно реализуют диалог между двумя станциями, т.е. «симплексный» способ обмена не используется.

На рисунке 6.9. показано состояние сети после 3-х переданных пакетов.

Теперь видно, что концепция использования «работает» с числом портом больше 2.

Рассмотрим случай функционирования сети, в которой работает несколько мостов (рис.6.10). Мост B1 ничего не знает о существовании моста B2, аналогичного мост B2 не имеет возможность распознать присутствие моста B1. Единственное, что может «сказать» мост В1 это то, что он подключен к 2 сетям, расположенным на 1 и 2 порту.

Пусть в данной сети произошла передача пакетов, так что состояние баз данных принято вид, показанный на рисунке 6.11. Топология, показанная на данном рисунке для моста В1 выглядит так, как показано на рис 6.12. В свою очередь мост В2 видит другую конфигурацию сети, представленную на рисунке 6.13.

 

 

 

Рис. 6.9 Состояние базы данных моста после 3-х переданных пакетов

 

 

Рис. 6.10 Конфигурация сети с 2-мя мостами

 

 

 

Рис. 6.11 Состояние внутренних баз данных мостов после обмена пакетами

 

 

Рис. 6.12 Конфигурация сети с точки зрения моста B1

 

 

 

 

Рис. 6.13 Конфигурация сети с точки зрения моста B2

 

Как видно из представленных выше рисунков 6.12. и 6.13. мосты не имеют возможности изучать действительную топологию сети и представляют сеть в упрощенном виде.

Мосты, работающие по описанному алгоритму, прозрачны не только для протоколов всех уровней, выше канального, но и для конечных узлов сети. Эта прозрачность состоит в том, что узлы не посылают мосту свои кадры специальным образом, указывая в них адрес порта моста. Даже при наличии моста в сети конечные узлы продолжают посылать кадры данных непосредственно другим узлам, указывая их адреса в качестве адресов назначения кадров. Поэтому порты мостов вообще не имеют МАС-адресов, работая в режиме "неразборчивого" захвата всех кадров. Такая прозрачность моста упрощает работу конечных узлов, и это свойство коренным образом отличает мост от маршрутизатора, которому узел отправляет кадр явным образом, указывая МАС-адрес порта маршрутизатора в своем кадре.

 

Таймер неактивности базы данных MAC адресов

Описанная процедура хорошо работает до тех пор, пока пользователи не переносят свои компьютеры из одного логического сегмента в другой. Так как… С каждой динамической записью связан таймер неактивности. Когда мост принимает… Другая причина заключается в том, что мосты имеют конечный объем памяти для хранения MAC адресов сетевых устройств.…

Общий алгоритм работы моста и коммутатора

Общий алгоритм работы моста и коммутатора приведен на рисунке 7.1. Данный рисунок отражает все режимы работы моста и коммутатора, а именно режимы фильтрации продвижения и затопления.

Режимы коммутации

Существует несколько различных режимов коммутации, чтобы определить, когда именно необходимо коммутировать кадр. Наиболее употребительными являются… - режим с промежуточным хранением I (store-and-forward); - сквозная коммутация (cut-through);

Режим коммутации с промежуточным хранением

При обнаружении ошибок контрольной суммы пакета коммутатор реализует режим фильтрации (отбрасывает фрейм), тем самым предотвращая затраты пропускной…    

Сквозная коммутация

Несмотря на высокую скорость обработки рассматриваемый режим имеет существенный недостаток - в данном режиме коммутатор не проверяет пакет на… При увеличении пропускной способности сети и скорости процессоров проблема… Существуют модели коммутаторов, которые поддерживают как режим сквозной коммутации, так и; режим коммутации с…

Коммутация с контролем фрагментов

   

Контрольные вопросы

1. Каково максимальное расстояние между сетевым устройствами, объединенными с использованием оптического кабеля и коммутаторов?

2. Назовите максимальное значение величины канальной скорости порта коммутатора Ethernet.

3. В чем заключается отличие моста и коммутатора?

4. Какие поля Ethernet пакета использует коммутатор (мост) для принятия решения о продвижении пакета?

5. Какие поля Ethernet пакета использует коммутатор (мост) для принятия решения о фильтарции пакета?

6. В каких случаях в коммутаторе выполняется режим фильтрации пакетов ?

7. В каких случаях в коммутаторе выполняется режим провдвижения пакетов ?

8. Как использует коммутатор поля пакетов сетевого уровня?

9. Почему коммутаторы не могут выполнять функцию маршрутизации ?

10. Какая связь существует между топологией сети и алгоритмом работы коммутатора?

11. Какое среднее время нахождения записи о MAC адресе в таблице коммутации?

12. Поясните разницу в способе доставки пакетов с использованием коммутации и маршрутизации?

13. Какой режим коммутации обеспечивает максимальную скорость коммутации?

14. Какой режим коммутации обеспечивает максимальную надежность доставки пакетов?

 

Список литературы

1) Perlman Radia. Interconnections: briges and routers. Corporate & Professional Publishing Company. Addison-Wesley Publishing Company/Massachusets.,1993.

2) Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия – Спб.: Издательство «Питер», 1999 г.

3) Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы./ В.Г. Олифер., Н.А. Олифер.- Спб.: Издательство «Питер», 2000 г.

4) Кеннеди Кларк, Кевин Гамильтон. Принципы коммутации в локальных сетях CISCO. Indianapolis: Cisco Press, 2003 г.

 

 

[1] Здесь и далее по тексту, если не оговорено иное информация по алгоритмам работы относится как к принципам работы мостов, так и к принципам работы коммутаторов.