Протоколы Internet
Повторители, мосты, мультиплексоры, переключатели и маршрутизаторы
4.1.1.4 Повторители, мосты, мультиплексоры, переключатели и маршрутизаторы
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)
На физическом уровне пакет представляет собой цуг импульсов, распространяющихся по коаксиальному кабелю, скрученной паре или оптическому волокну. За счет дисперсии, частичным отражениям от точек подключения и поглощению в среде импульсы в пакете "расплываются" и искажаются (ухудшается отношение сигнал/шум), это является одной из причин ограничения длин кабельных сегментов. Для преодоления этих ограничений вводятся сетевые повторители (repeater). Повторитель воспринимает входные импульсы, удаляет шумовые сигналы и передает вновь сформированные пакеты в следующий кабельный сегмент или сегменты. Никакого редактирования или анализа поступающих данных не производится. Задержка сигнала повторителем не должна превышать 7,5 тактов (750нсек для обычного Ethernet). Повторители могут иметь коаксиальные входы/выходы, AUI-разъемы для подключения трансиверов или других аналогичных устройств, или каналы для работы со скрученными парами.
Рис. 4.1.1.4.1 Схема сетевого повторителя
Все входы/выходы повторителя с точки зрения пакетов эквивалентны. Если повторитель многовходовый, то пакет пришедший по любому из входов будет ретранслирован на все остальные входы/выходы повторителя. Чем больше кабельных сегментов объединено повторителями, тем больше загрузка всех сегментов. При объединении нескольких сегментов с помощью повторителя загрузка каждого из них становится равной сумме всех загрузок до объединения. Это справедливо как для коаксиальных кабельных сегментов, так и для повторителей, работающих со скрученными парами (хабы - концентраторы). Некоторые повторители контролируют наличие связи между портом и узлом (link status), регистрируют коллизии и затянувшиеся передачи (jabber – узел осуществляет передачу дольше, чем это предусмотрено протоколом), выполняют согласование типа соединения (autonegotiation). В этом случае они обычно снабжены SNMP-поддержкой.
Для преодоления этого нежелательного явления используются сетевые мосты или переключатели. Мост соединяет два сегмента сети, при инициализации он изучает списки адресов устройств, подсоединенных к каждому из сегментов. В дальнейшем мост записывает в свою память эти списки и пропускает из сегмента в сегмент лишь транзитные пакеты. Существуют мосты, которые оперируют с физическими и с IP-адресами (cм. стандарт IEEE 802.1d).
Рис. 4.1.1.4.2. Схема сетевого моста
Мост является активным устройством, которое способно адаптироваться к изменениям в окружающей сетевой среде. При этом пакеты, отправленные из сегмента А и адресованные устройству, которое подключено к этому же сегменту, никогда не попадут в сегмент Б и наоборот. Через мост проходят лишь пакета, отправленные из сети А в Б или из Б в А.
Функцию моста с определенными скоростными ограничениями может выполнять и обычная ЭВМ, имеющая два сетевых интерфейса и соответствующее программное обеспечение. Мосты при разумном перераспределении серверов и рабочих станций по сетевым сегментам позволяют выровнять и даже эффективно снизить среднюю сетевую загрузку. Когда на один из входов моста приходит пакет, производится сравнение адреса получателя с содержимым внутренней базы данных. Если адрес в базе данных отсутствует, мост посылает широковещательный запрос в порт, противоположный тому, откуда получен данный пакет с целью выяснения местоположения адресата. Понятно, что появление в субсетях a и Б двух объектов с идентичными адресами ни к чему хорошему не приведет. При поступлении отклика вносится соответствующая запись в базу данных. Параллельно анализируется и адрес отправителя и, если этот адрес в базе данных отсутствует, производится его запись в банк адресов соответствующего порта. В базу данных записывается также время записи адреса в базу данных. Содержимое базы данных периодически обновляется. К любой подсети может вести несколько путей, но для нормальной работы мостов и переключателей все пути кроме одного должны быть заблокированы. Функциональная схема работы моста показана на рис. 4.1.1.4.3. Сети, между которыми включается мост, не обязательно должны работать согласно идентичным протоколам. Возможны мосты между Ethernet и Token Ring или между Ethernet и ATM.
Рис. 4.1.1.4.3 Блок-схема работы сетевого моста
Мост, имеющий более двух портов, называется переключателем. Первый переключатель был разработан фирмой Калпане в 1991 году. Иногда переключатели называются маршрутизаторами, тем более что некоторые из них поддерживают внутренние протоколы маршрутизации (например, RIP). Переключатели имеют внутреннюю параллельную магистраль очень высокого быстродействия (от десятков мегабайт до гигабайт в сек.). Эта магистраль позволяет переключателю совместить преимущества повторителя (быстродействие) и моста (разделение информационных потоков) в одном устройстве. Схемы реализации переключателей варьируются значительно, каких-либо единых стандартов не существует. Алгоритм работы с адресами здесь тот же, что и в случае мостов. На рис. 4.1.1.4.4 приведена схема 8-входового переключателя. В переключателе все входы идентичны, но внешняя информация, записанная в их память, делает входы неэквивалентными. Определенные проблемы возникают, когда к одному из входов переключателя подключен сервер, с которым работают пользователи подключенные к остальным входам. Если все ЭВМ, подключенные к переключателю, одновременно попытаются обратиться к серверу, переключатель перегрузится и все каналы будут на некоторое время блокированы (будет послан сигнал перегрузки – jam). При данной схеме вероятность таких событий значительна, так как несколько каналов с пропускной способностью 10 Мбит/с работают на один общий канал с той же полосой пропускания. Для преодоления проблем этого рода следует распределять нагрузки между портами переключателя равномерно, а также подключать серверы через полнодуплексные каналы. Полнодуплексные каналы полезны и для соединения переключателей между собой. Современные переключатели имеют много различных возможностей – SNMP поддержка, автоматическая настройка быстродействия и определения типа соединения (дуплексная/полудуплексная). Имеется возможность внешней загрузки программы работа переключателя. Способы проверки производительности переключателей описаны в документах RFC-1242 и RFC-1944 (тесты Бреднера, см. www.wiley.com/compbooks/fastethernet и www.tolly.com).
Рис. 4.1.1.4.4. Схема 8-входового сетевого переключателя
Существуют переключатели, работающие в режиме “на пролет” (cut through). Здесь первые биты пакета поступают на выход переключателя, когда последующие еще только приходят на вход. Задержка в этом случае минимальна, но переключатель пропускает через себя пакеты, поврежденные в результате столкновений. Альтернативой такому режиму является передача через буферную память (схема передачи SAF – Store And Forward). Поврежденные пакеты в этом режиме отбрасываются, но задержка заметно возрастает. Кроме того, буферная память должна иметься на всех входах (или общая многопортовая). При проектировании сетей следует иметь в виду, что переключатели превосходят маршрутизаторы по соотношению производительность/цена.
При проектировании локальной сети следует учитывать то обстоятельство, что узлы с самым напряженным трафиком должны располагаться как можно ближе к повторителю (мосту или переключателю). В этом случае среднее число коллизий в единицу времени будет ниже. По этой причине сервер должен располагаться как можно ближе к повторителю или другому сетевому устройству (см. рис. 4.1.1.4.6).
Схема внутренних связей переключателя может отличаться от приведенной на рис. 4.1.1.4.4 и иметь конфигурацию, показанную на рис. 4.1.1.4.5. Привлекательность такой схемы заключается в возможности реализации обмена по двум непересекающимся направлениям одновременно (См. LAN. Журнал сетевых решений, май 1998, том 4, N5, стр 21. Дмитрий Ганжа). От разделяемых к коммутируемым сетям). При этом эффективная пропускная способность многопортового переключателя может в несколько раз превосходить полосу пропускания сети, например, 10 Мбит/с.
Рис. 4.1.1.4.5. Вариант схемы внутренних связей переключателя.
Рис. 4.1.1.4.6 Схема подключения сервера к переключателю
При использовании в сети большого числа мостов и/или переключателей может сформироваться топология связей, когда от одного сегмента к другому пакет может попасть более чем одним путем (см. рис. 4.1.1.4.7). Приведенная на рисунке схема неработоспособна и некоторые связи должны быть ликвидированы. В данном примере проблема может быть решена удалением мостов BR-2 и BR-3 или разрывом связей, помеченных символом “X”.
Проблему ликвидации связей, способных привести к зацикливанию, решает протокол STP (Spanning Tree Protocol; алгоритм предложен Пёлманом в 1992 году), который автоматически блокирует некоторые соединения, а в случае недоступности основного пути открывает эти заблокированные соединения, обеспечивая высокую надежность сети. STP является частью протокола мостов IEEE 802.1d.
При использовании протокола STP каждой связи присваивается при конфигурации определенный вес (чем меньше, тем выше приоритет). Мосты периодически рассылают специальные сообщения (BPDU - Bridge Protocol Data Unit), которые содержат коды их уникальных идентификаторов, присвоенные им при изготовлении. Мост или переключатель с наименьшим значением такого кода становится корневым ("корень дерева"). Затем выявляется наикратчайшее расстояние от корневого моста/переключателя до любого другого моста в сети. Граф, описывающий дерево наикратчайших связей, и является "расширяющимся деревом". Такое дерево включает все узлы сети, но необязательно все мосты/переключатели. Этот алгоритм функционирует постоянно, отслеживая все топологические изменения.
Современные мосты позволяют создавать виртуальные субсети (VLAN), увеличивающие сетевую безопасность. VLAN позволяет ограничить зону распространения широковещательных пакетов, улучшая эксплуатационные характеристики сети в целом.
Рис. 4.1.1.4.7. Пример реализации алгоритма "расширяющееся дерево"
Некоторые современные мосты используют так называемую маршрутизацию отправителя (source routing). Такая маршрутизация предполагает, что отправитель знает, находится ли адресат в пределах локальной сети и может оптимально определить путь доставки. При посылке кадра другой сети отправитель устанавливает старший бит своего адреса равным единице. Одновременно в заголовке кадра прописывается весь маршрут. Каждой сети присваивается 12-битовый идентификатор, а каждому мосту ставится в соответствие 4-битовый код, уникальный в контексте данной сети. Это означает, что мосты в пределах одной сети должны иметь разные идентификаторы, но их коды могут совпадать, если они находятся в разных сетях. Мост рассматривает только кадры с единицей в старшем бите адреса места назначения. Для этих кадров просматриваются коды сети в списке, записанном в заголовке. Если в списке содержится код, совпадающий с тем, который характеризует сеть, где находится мост, кадр переадресуется в эту сеть. Реализация алгоритма может осуществляться программно или аппаратно. Если путь до места назначения неизвестен, отправитель генерирует специальный пакет, посылаемый широковещательно (discovery frame) и достигающий всех мостов и всех субсетей. Когда приходит отклик от адресата, мосты записывают его идентификатор, а первичный отправитель фиксируют маршрут до адресата. Данный алгоритм достаточно прост, но сопряжен с лавинным размножением "исследовательских" пакетов особенно в случае, когда смежные сети соединяются через несколько мостов/переключателей.
Маршрутизатор отличается от переключателя тем, что поддерживает хотя бы один протокол маршрутизации. Существуют внутренние и внешние протоколы маршрутизации. Если маршрутизатор осуществляет связь данной автономной системы с другими автономными системами, его называют пограничным (border). Маршрутизатор же, который имеет только один внешний канал связи, в литературе часто называют gateway (входной порт сети). Любой маршрутизатор может поддерживать в любой момент только один внутренний и один внешний протокол маршрутизации, выбор этих протоколов осуществляет администратор сети из имеющегося списка. Маршрутизаторы представляют собой наиболее сложные сетевые устройства. Главным достоинством маршрутизаторов в локальной сети является ограничение влияния потоков широковещательных сообщений.
В последнее время заметное распространение получил гибрид маршрутизатора и моста – brouter. Некоторые протоколы (например, NetBIOS) не допускают маршрутизации. Когда необходимо использовать такие протоколы совместно с TCP/IP, необходим brouter. Широко используются такие приборы в сетях Token Ring.
Особый класс образуют мультиплексоры/демультиплексоры, которые используют собственные протоколы и служат для предоставления общего канала большему числу потребителей. Эти устройства широко используются при построении сетей типа Интранет (корпоративные сети, где субсети разных филиалов разнесены на большие расстояния). Такие сети строятся на базе специальных выделенных каналов, а мультиплексоры позволяют использовать эти каналы для предоставления комплексных услуг: телефонной связи, передачи факсов и цифровой информации, экономя значительные средства.
Если перед вами стоит задача создания локальной сети с выходом в Интернет, вам нужно последовательно решить ряд проблем помимо финансовых. Должны быть сформулированы задачи, ради которых эта сеть создается, определена топология сети, число сегментов и характер их связей, число ЭВМ-участников, определен сервис-провайдер, или провайдеры, если вам нужно обеспечить более высокую надежность и живучесть сети. Вам надо оценить требуемую загрузку сегментов сети и внешних каналов связи, выбрать программную среду. После этого вы можете приступить к составлению списка необходимого оборудования и программного обеспечения. Если ваша сеть является оконечной и она имеет только один внешний канал связи, вам не нужен маршрутизатор и вы можете ограничиться ЭВМ-портом (gateway), которая должна иметь необходимый интерфейс. Внешним каналом может стать коммутируемая телефонная сеть, выделенная телефонная линия, оптоволоконный кабель или радиорелейный канал. Во всех перечисленных случаях вам будет необходим соответствующий модем.
