Технология Gigabit Ethernet.

В 1998 году, был принят стандарт 802.3Z для протокола Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с на основе многомодового и одномодовго оптического волокна и чуть позже станадарт 802.3аb для витой пары категории 5е.

1000BASE-SX, IEEE 802.3z – стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.

1000BASE-LX, IEEE 802.3z – стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя зависит только от типа используемых приемопередатчиков и, как правило, составляет от 5 до 50 километров.

1000BASE-LH (Long Haul) – стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров. Два последних стандарта отличаются длиной волны.

1000BASE-Т – стандарт, использующий витую пару категорий 5e.. Расстояние до 100 метров

В технологии Gigabit Ethernet:

– сохраняются все форматы кадров Ethernet;

– для повышения скорости передачи использовали технологию специального избыточного кодирования 8В/10В;

– сохраняется полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами – поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5е.Для передачи по витой паре категории 5 данных со скоростью 1000 Мбит/с организуется параллельная передача одновременно по всем 4 парам кабеля.

Для обеспечения на витой паре расстояния между узлами 100м разработчики технологии пошли на увеличение минимального размера кадра с 64 до 512 байт. Максимальный размер кадра остался неизменным.

При передаче по витой паре используется код РАМ5 с пятью уровнями потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. В этом случае, при тактовой частоте 125 МГц за один такт по одной паре передается 2, а по четырем 8 бит информации). Это и дает искомую суммарную скорость 1000 Мбит/с(8*125). При такой тактовой частоте код РАМ5 имеет спектр уже, чем 100 МГц, то есть он может быть передан без искажений по кабелю категории 5.

При работе в режиме полудуплекса, информация передается параллельно, по четырем парам в прямом или обратном направлении со скоростью 250 Мбит/сек по каждой паре.

Для организации дуплексного режима используется техника выделения принимаемого сигнала из суммарного. Два передатчика работают одновременно навстречу друг другу по каждой из четырех пар в одном и том же диапазоне частот (рис. 29). Н-образная схема гибридной развязки позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема, и для передачи.

 

Рис. 29. – Двунаправленная передача по четырем витым парам

 

Для отделения принимаемого сигнала от собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Для этой сложной операции используются специальные процессоры цифровой обработки сигнала (Digital Signal Processor, DSP).

Следует отметить, что порты большинства коммутаторов Gigabit Ethernet на витой паре являются универсальными и могут работать на любой из трех скоростей (10,100 или 1000 Мбит/с).

 

Технология Ethernet 10G

Формально этот стандарт имеет обозначение IEEE 802.Зае. Формат кадра остался неизменным, при этом расширение кадра, введенное в стандарте Gigabit Ethernet, не используется, так как нет необходимости обеспечивать распознавание коллизий, потому что передача осуществляется только в дуплексном режиме, т.е. прием и передача происходит одновременно по разным каналам(общая разделяемая среда отсутствует).

Существуют три основные группы физических интерфейсов(рис. 30) 10G: 10GBASE – X, 10GBASE –R, 10GBASE – W. Они отличаются способом кодирования данных. В 10BASE – X используется кодирование 64В/66В. Все они для передачи используют волоконно-оптический кабель. Отличие между ними в разной длине волны передаваемого светового сигнала.

Физический уровень сетей 10G связывается с МАС уровнем с помощью специального интерфейса состоящего из четырех независимых потоков данных XGMII(eXtended Gigabit Medium Independent Interface – расширенный интерфейс независимого доступа к гигабитной среде).

В группе 10BASE – X имеется только один интерфейс 10BASE – LX4 в котором используется многомодоговое оптоволокна и применяется уплотнение(рис.30) по длине волны и поэтому данные предаются одновременно с помощью четырех волн. Каждый поток интерфейса XGMII в этом стандарте передается в оптическом волокне со скоростью 2,5Гбит/сек. Расстояние между узлами при многомодовом волокне до 300м. При одномодовом волокне до 10км.

 

 

Рис. 30. Физические интерфейсы 10G Etherne

 

В стандартах 10BASE –R, 10BASE – W используется одномодовое волокно. При этом расстояние между узлами составляет от 10 до 40 км. Стандарт 10BASE – W имеет скорость передачи данных 9,95328 Гбит/сек и формат данных, совместимый с технологией SONET STS-192/SDH.Эта технология используемой для построения глобальных сетей. Поэтому сети 10G могут связываться между собой через сети SONET с помощью специальных интерфейсов.

В 2006 году была принята спецификация 10GBase-T, которая дает возможность использовать для передачи кабели на витой паре. Обязательным требованием является применение кабелей категории 6 или 6а: в первом случае максимальная длина кабеля не должна превышать 55 м, во втором - 100 м, что является традиционным для локальных сетей. Однако этот стандарт из-за определенных технических проблем пока не получил широкой реализации.

 

 

Рис. 31. Технология уплотнения в 10BASE – LX4

 

4.3.2 Технология Token Ring

Token Ring это сети с маркерным методом доступа к среде и кольцевой топологии. Первый вариант такой сети был разработан IBM в 1984г. На базе мини и больших ЭВМ, со скоростью передачи 4 Мбит/с.
В 1989г. появился стандарт 16Мбит/с с использованием оптоволоконного кабеля.
В 1995г. появился стандарт 802.5 по которому скорость составилат 16Мбит/с с использованием витой пары. Позже появился стандарт 802.5v со скоростью передачи 1Гбит/с – Gigabit Token Ring.

Все стандарты определяют один и тот же детерминированный метод доступа (с помощью маркера)

В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станциями и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения – маркер

Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде для передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер, давая другим станциям сети возможность передавать данные. На рис. 32 показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 стан­ций, от станции 1 к станции 3.

 

 

Рис. 32. Принцип маркерного доступа

 

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера {token holding time), после истечения которого станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания маркера. Обычно время удержания маркера по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он обычно равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с — 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания маркера станция должна успеть передать хотя бы один кадр.

Стандартом 802.5 в сетях Token Ring предусмотрено 3 типа кадров: кадр маркер; кадр данные; кадр прерывающая последовательность.

Кадр прерывающая последовательность использует сетевая карта в случае обнаружения сбоя при передаче пакета данных для оповещения об ошибке.

Каждый кадр данных или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами приоритета. Станция может воспользоваться маркером, только если у нее есть кадры для передачи с приоритетом равным или большим, чем приоритет маркера.

 

Сеть Token Ring может включать до 260 узлов. Использование концентраторов приводит к тому, что сети Token Ring имеют физическую топологию звезда, а логическую топологию – кольцо (рис. 33).

 

 

Рис. 33. Топология сети Token Ring

 

В отличие от сетей Ethernet, сети с передачей маркера обеспечивают постоянную пропускную способность. Эта характеристика, а также некоторые характеристики надежности, делали сеть Token Ring идеальной для применений, где есть ответственные приложения, для которых важна не столько скорость, сколько надёжная доставка информации. Примерами таких применений являлись банковские системы и системы управления предприятием.

Однако, в настоящее время сети Ethernet по надёжности не уступает Token Ring и существенно выше по производительности и оптимальны по стоимости. В связи с этим сети Token Ring применяются довольно редко.

 

4.3.3. Технология FDDI

FDDI (Fiber Distributed Data Interface — Волоконно-оптический интерфейс передачи данных явился первой технологией локальных сетей со скоростью передачи данных 100Мбит/с.) В качестве сети передачи данных используется волоконно-оптический кабель, впервые эта технология была опубликована в 1985г. комитетом X3T9.5. В 1986 году стандарт был усовершенствован – FDDI – II. В последствии стандарт был доработан и принят IEEE 802.8 и ISO 9314..
FDDI развивает технологию сетей Token Ring, совершенствует некоторые характеристики этой сети, в ней используется не просто маркерный способ, а маркерно-временной, т.е. время удержания маркера не фиксировано, а зависит от времени прохождения маркером кольца.

.

 

 

Рис. 34. Подключение узлов к сети FDDI

 

По способу подключения имеются стандарты на два класса станций и концентраторов-одиночный и двойной:
SAS–Single Attachment Station;

DAS–Dual Attachment Station;

SAC–Single Attachment Concentrator;

DAC – Dual Attachment Concentrator.

 

Сеть строится на основе двух оптоволоконных колец (рис.34), которые образуют основной и резервный пути передачи данных. Если какая-нибудь станция, подключенная к двойной кольцевой сети, отказывает, или у нее отключается питание, или поврежден кабель, то двойная кольцевая сеть автоматически "свертывается" ("подгибается" внутрь) в одно кольцо, как показано на рисунке 35. Конфигурация восстановления кольца при отказе станции 3, изображенной на рисунке, двойное кольцо автоматически свертывается в станциях 2 и 4, образуя одинарное кольцо. Хотя станция 3 больше не подключена к кольцу, сеть продолжает работать для оставшихся станций.

 

Рис. 35. Конфигурация восстановления кольца при отказе станции

 

На рисунке 36 показано, как FDDI компенсирует отказ в кабеле. Станции 3 и 4 свертывают кольцо внутрь себя при отказе кабеля между этими станциями.

Рис. 36. Конфигурация восстановления сети при отказе кабеля

 

FDDI может работать в двух режимах: синхронном и асинхронном. В синхронном режиме станция всегда может захватить пришедший маркер на фиксированное время и передавать за это время данные. В асинхронном режиме станция может захватить маркер только в том случае, если маркер выполнил оборот по кольцу достаточно быстро, что говорит об отсутствии перегрузок кольца.

В технологии FDDI для передачи световых сигналов по оптическим волокнам реализовано избыточное кодирование 4В/5В в сочетании с физическим кодированием NRZI. FDDI поддерживает две физические среды передачи: для волоконно-оптического кабеля и для неэкранированной витой пары категории 5. Максимальный диаметр двойного кольца на оптоволокне составляет 100км.

Значительная стоимость и сложность оборудования сетей FDDI, а также активное продвижение технологии Ethernet на оптическом кабеле привели к ограниченному использованию сетей FDDI.

4.3.4. Технология беспроводных сетей

До недавнего времени беспроводная связь в локальных сетях практически не применялась. Однако с конца 90-х годов 20 века наблюдается бурный рост беспроводных сетей. Это связано с успехами технологии и с теми удобствами, которые способны предоставить беспроводные сети. Основные стандарты беспроводных сетей приведены в таблице.

Таблица 2

Стандарты беспроводных сетей

Технология	Стандарт	Использова ние	Пропускная способность	Радиус действия	Частоты
Wi-Fi	802.11a	WLAN	до 54 Мбит/с	до 100 метров	5,0 ГГц
Wi-Fi	802.11b	WLAN	до 11 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11g	WLAN	до 108 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11n	WLAN	до 300 Мбит/с (в перспективе до 450, а затем до 600 Мбит/с)	до 100 метров	2,4 — 2,5 или 5,0 ГГц
WiMax	802.16d	WLAN	до 75 Мбит/с	6-10 км	1,5-11 ГГц
WiMax	802.16e	Mobile WMAN	до 30 Мбит/с	1-5 км	2-6 ГГц
WiMax	802.16m	WLAN, Mobile WMAN	до 1 Гбит/с (WMAN), до 100 Мбит/с (Mobile WMAN)	н/д (стандарт в разработке)	н/д (стандарт в разработке)
Bluetooth v. 1.1.	802.15.1	WPAN	до 1 Мбит/с	до 10 метров	2,4 ГГц
Bluetooth v. 1.3.	802.15.3	WPAN	от 11 до 55 Мбит/с	до 100 метров	2,4 ГГц
UWB	802.15.3a	WPAN	110-480 Мбит/с	до 10 метров	7,5 ГГц
ZigBee	802.15.4	WPAN	от 20 до 250 Кбит/с	1-100 м	2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов), 868 МГц (один канал)
Инфракрасный порт	IrDa	WPAN	115,2 Кбит/с	от 5 до 50 сантиметров, односторонняя связь — до 10 метров

 

Wi-Fi Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «высокая точность беспроводной передачи

WMAN W orldwide I nteroperability for M icrowave A ccess W ireless M etropolitan A rea N etworks) — беспроводные сети масштаба города. это так называемая технология «последней мили», которая использует диапазон частот от 10 до 66 GHz. Последняя миля — канал, соединяющий конечное (клиентское) оборудование с узлом доступа провайдера

WPAN Беспроводные персональные сети (англ. Wireless personal area network, WPAN) — сети, стандарт которых разработан рабочей группой IEEE 802.15.

WPAN применяются для связи различных устройств, включая компьютерную, бытовую и оргтехнику, средства связи и т. д. Радиус действия WPAN составляет от нескольких метров до нескольких десятков сантиметров. WPAN используется как для объединения отдельных устройств между собой так и для связи их с сетями более высокого уровня, например, глобальной сетью интернет.WPAN может быть развёрнута с использованием различных сетевых технологий, например, Bluetooth, ZigBee

 

• WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с Интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).
• Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.
• WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

 

Особенно быстро идет развитие беспроводных локальных сетей, или так называемых WLAN-сетей (Wireless Local Area Network).

WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными сетями:

пользователи мобильных устройств, при подключении к локальным беспроводным сетям могут легко перемещаться в рамках действующих зон сети (между точками доступа) Благодаря функции роуминга между точками доступа;

скорость современных сетей довольно высока (до 300 Мб/с), что позволяет использовать их для решения очень широкого спектра задач;

WLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети.

Cтек протоколов стандарта IEEE 802.11 соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть состоит из физического уровня и канального уровня с подуровнями управления доступом к среде MAC (Media Access Control) и логической передачи данных LLC (Logical Link Control) (рис.37).

 

 

Рис. 37. Стек протоколов беспроводной связи

 

Уровень MAC выполняет в беспроводных сетях больше функций, чем в проводных сетях. Функции уровня MAC в стандарте 802.11 включают:

– доступ к разделяемой среде;

– обеспечение мобильности станций при наличии нескольких базовых станций;

– обеспечение безопасности, эквивалентной безопасности проводных локальных сетей.

В сетях 802.11 уровень MAC поддерживает два режима доступа к разделяемой среде: распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function) и централизованный режим PCF (Point Coordination Function).

В режиме DCF реализуется алгоритм CSMA/CA, описанный в пункте 4.1.2.

В централизованном режиме PCF точка доступа, обеспечивает приоритетное обслуживание трафика. В этом случае точка доступа играет роль арбитра среды.

Оборудование беспроводных сетей включает в себя точки беспроводного доступа (Access Point) и беспроводные адаптеры для каждого абонента.

Можно выделить следующие основные режимы работы беспроводных сетей

Одноранговый режим Ad Hoc (рис. 38) клиенты устанавливают связь непосредственно друг с другом. Устанавливается одноранговое взаимодействие по типу «точка-точка», и компьютеры взаимодействуют напрямую без применения точек доступа. При этом создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.

 

Рис. 38. Одноранговый режим Ad Hoc

 

Достоинство данного режима – простота организации: он не требует

дополнительного оборудования (точки доступа). Режим позволяет устанавливать соединение на скорости не более 11 Мбит/с, независимо от используемого оборудования. Реальная скорость обмена данных будет ниже, и составит не более 11/N Мбит/с, где N –число устройств в сети. Дальность связи составляет не более ста метров, а скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния.

Инфраструктурный режим

В этом режиме точки доступа обеспечивают связь клиентских компьютеров (рис. 39). Точку доступа можно рассматривать как беспроводный коммутатор.

 

 

 

Рис. 39. Инфраструктурный режим

 

Точка доступа имеет порт Ethernet, через который базовая зона обслуживания подключается к проводной или смешанной сети – к сетевой инфраструктуре.

 

Мостовой режим WDS

WDS (Wireless Distribution System) «распределённая беспроводная система» (рис. 40). В этом режиме точки доступа соединяются только между собой, образуя мостовое соединение. При этом каждая точка может соединяться с несколькими другими точками. Все точки в этом режиме должны использовать одинаковый канал, поэтому количество точек, участвующих в образовании моста, не должно быть чрезмерно большим.

Подключение клиентов осуществляется только по проводной сети. Режим беспроводного моста, аналогично проводным мостам, служит для объединения подсетей в общую сеть. С помощью беспроводных мостов можно

объединять проводные LAN, находящиеся как на небольшом расстоянии в соседних зданиях, так и на расстояниях до нескольких километров. Это позволяет объединить в сеть филиалы и центральный офис, а также подключать клиентов к сети провайдера Интернет.

 

 

 

Рис. 40. Мостовой режим

 

Режим WDS with AP (WDS with Access Point) обозначает распределённая беспроводная система, включая точку доступа», т.е. с помощью этого режима можно организовать не только мостовую связь между точками доступа, но и одновременно подключить клиентские компьютеры (рис. 41). Это позволяет достичь существенной экономии оборудования и упростить топологию сети. Данная технология поддерживается большинством современных точек доступа

Рис. 41. Режим WDS with Access Point

Тем не менее, необходимо помнить, что все устройства в составе одной WDS with AP работают на одной частоте и создают взаимные помехи, что ограничивает количество клиентов до 15-20 узлов.

Режим повторителя. Аналогично проводному повторителю, беспроводный повторитель просто ретранслирует все пакеты(Рис. 42), поступившие на его беспроводный интерфейс. Эта ретрансляция осуществляется через тот же канал, через который они были получены.

 

Рис. 42. Режим повторителя

 

Беспроводные сети строится по сотовому принципу, обеспечивая механизм роуминга, то есть поддерживается автоматическое подключение к точке доступа и переключение между точками доступа при перемещении абонентов.

Поскольку радиоканал не обеспечивает высокой степени защиты от прослушивания, в сети Wi-Fi используется специальный встроенный механизм защиты информации. Он включает средства и процедуры аутентификации для противодействия несанкционированному доступу к сети и шифрование для предотвращения перехвата информации. Для этой цели используется WEP-шифровани, (Wired Equivalent Privacy - секретность на уровне проводной связи), кторое основано на алгоритме RC4 (Rivest's Cipher v.4 - код Ривеста), который представляет собой симметричное потоковое шифрование

4.4 Устройства канального уровня

4.4.1. Мосты

Так как в настоящее время самой распространенной технологией локальных сетей является Ethernet, то будем рассматривать устройства типичные для этой технологии.

Для ограничения домена коллизий, существующего в этих сетях используется их разделение на отдельные сегменты с помощью устройств – мостов и коммутаторов.

Мост используют для связи двух локальных сетей по средствам трансляции кадров МАС уровня из одной сети в другую. В отличие от концентратора или повторителя мост не повторяет кадр на другом сегменте, если данный кадр не предназначен абоненту другого сегмента. Мост передает кадр не побитно, а с буферизацией. Буферизация разрывает логику работы всех сегментов как единой разделяемой среды.

Прозрачный мост строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах (рис. 43).

Рис. 43. Принцип работы прозрачного моста

 

В исходном состоянии мост ничего не знает о том, компьютеры с какими МАС - адресами подключены к каждому из его портов. В этом случае мост просто передает любой захваченный и буферизованный кадр на все свои порты за исключением того, от которого этот кадр получен (передается широковещательный кадр). Одновременно с передачей кадра на все порты мост изучает адрес источника кадра и делает запись о его принадлежности в своей адресной таблице, которую также называют таблицей фильтрации или маршрутизации. Например, получив на свой порт 1 кадр от компьютера 1, мост делает первую запись в своей адресной таблице: МАС - адрес 1 - порт 1. Если все четыре компьютера данной сети проявляют активность и посылают друг другу кадры, то скоро мост построит полную адресную таблицу сети, состоящую из 4 записей - по одной записи на узел.

После того как мост прошел этап обучения, он может работать более рационально. При получении кадра, направленного, например, от компьютера 1 компьютеру 3, он просматривает адресную таблицу на предмет совпадения ее адресов с адресом назначения 3. Поскольку такая запись есть, то мост проверяет, находятся ли компьютеры с адресами источника (в нашем случае - это адрес 1) и адресом назначения (адрес 3) в одном сегменте. Так как в нашем примере они находятся в разных сегментах, то мост выполняет операцию продвижения (forwarding) кадра - передает кадр на другой порт, предварительно получив доступ к другому сегменту.

Если бы оказалось, что компьютеры принадлежат одному сегменту, то кадр просто был бы удален из буфера и работа с ним на этом бы закончилась. Такая операция называется фильтрацией (filtering).

Если же адрес назначения неизвестен, то мост передает кадр на все свои порты, кроме порта - источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения.

Процесс обучения моста никогда не заканчивается. Мост постоянно следит за адресами источника буферизуемых кадров, чтобы быть в состоянии автоматически приспосабливаться к изменениям, происходящим в сети, - перемещениям компьютеров из одного сегмента сети в другой, появлению новых компьютеров.

Записи адресной таблицы могут быть динамическими, создаваемыми в процессе самообучения моста, и статическими, создаваемыми вручную администратором сети. Динамические входы имеют срок жизни - при создании или обновлении записи в адресной таблице с ней связывается отметка времени. По истечении определенного тайм-аута запись помечается как недействительная, если за это время мост не принял ни одного кадра с данным адресом в поле адреса источника. Это дает возможность автоматически реагировать на перемещения компьютера из сегмента в сегмент - при его отключении от старого сегмента запись о его принадлежности к нему со временем вычеркивается из адресной таблицы. После включения этого компьютера в работу в другом сегменте его кадры начнут попадать в буфер моста через другой порт, и в адресной таблице появится новая запись, соответствующая текущему состоянию сети.

Статические записи не имеют срока жизни, что дает администратору возможность управлять работой моста..

Кадры с широковещательными МАС - адресами передаются мостом на все его порты, как и кадры с неизвестным адресом назначения. Такой режим распространения кадров называется затоплением сети (flood). Наличие мостов и коммутаторов не препятствует распространению широковещательных кадров по всем сегментам сети, сохраняя ее прозрачность. Однако это является достоинством только в том случае, когда широковещательный адрес выработан корректно работающим узлом. Однако часто случается так, что в результате каких-либо программных или аппаратных сбоев протокол верхнего уровня или сам сетевой адаптер начинают работать некорректно и постоянно с высокой интенсивностью генерировать кадры с широковещательным адресом в течение длительного промежутка времени. Мост в этом случае передает эти кадры во все сегменты, затапливая сеть ошибочным трафиком. Такая ситуация называется широковещательным штормом (broadcast storm).

Максимум, что может сделать администратор с помощью моста для борьбы с широковещательным штормом - установить для каждого узла предельно допустимую интенсивность генерации кадров с широковещательным адресом. Но при этом нужно точно знать, какая интенсивность является нормальной, а какая - ошибочной. При смене протоколов ситуация в сети может измениться, и то, что вчера считалось ошибочным, сегодня может оказаться нормой. Таким образом, мосты располагают весьма грубыми средствами борьбы с широковещательным штормом.(Для решения проблемы используются маршрутизаторы или виртуальные сети.)

 

 

4.4.2. Коммутаторы

Для связи значительного количества сетей несколько мостов стали конструктивно объединять в одно устройство – коммутатор. Таким образом коммутатор – это набор мостов. Обобщенная структурная схема коммутатора, представлена на рис.44.

Рис. 44. Структура коммутатора

 

Каждый из портов обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица. Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Так для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

Существует три режима работы коммутаторов:

1. С промежуточным хранением (буферизацией(Store and Forward). Коммутатор помещает весь кадр в буфер, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.

2. «На лету» («on-the-fly») или Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.

3. Гибридные. Некоторые кадры обрабатываются по технологии Store and Forward, а некоторые по cut-through

Алгоритм работы коммутатора во втором режиме представляет собой конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи и состоит из следующих шагов:

· Прием и анализ первых байтов кадра процессором входного порта, включая прием байтов адреса назначения.

· Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора входного порта или в общей таблице системного модуля).

· Коммутация матрицы. Если канал свободен, начинается передача буферизированных данных из процессора входного порта в процессор выходного порта.

· Прием остальных байтов кадра процессором входного порта.

· Получение доступа к среде процессором выходного порта.

· Передача байтов кадра процессором выходного порта в сеть.

Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, это его высокая производительность, то разработчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (non-blocking) модели коммутаторов.

Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают.

В качестве элементной базы используются заказные специализированные СБИС –ASIC(Application-specific integrated circuit)

Порты коммутатора могут работать в полудуплексном и дуплексном режимах.

При использовании полудуплексного режима домен коллизий сокращается и его можно представить:

 

Рис. 45. Домен коллизий порта коммутатора

 

Доменом коллизий в этом режиме является участок сети, включающий передатчик коммутатора, приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера компьютера, приемник сетевого адаптера компьютера и две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками. Таким образом в полудуплексном режиме. прием и передача информации происходит поочередно по одной паре т.е. имеет место разделяемая среда доступ, к которой осуществляется по алгоритму CSMA/CD.

В дуплексном режиме передача и прием информации между узлом и портом или межу портом одного коммутатора и портом другого осуществляется по двум отдельным линиям связи. При таком соединении пути передачи и приема полностью разделены, нет разделяемой среды, нет коллизий. Механизм CSMA/CD отключен. Скорость передачи наивысшая. Этот режим постепенно становится основным. Так в технологиях 100Ethernet и 1000Ethernet этот режим используется наряду с полудуплексным, а в технологии 10GEthernet присутствует только дуплексный режим.

Кроме основной функции разделения сети(домена коллизий) на сегменты (поддомены) с помощью механизма коммутации кадров, коммутаторы выполняют дополнительные функции:

· Фильтрация кадров,(не нужные отбрасываются)

· Трансляцию одного протокола канального уровня в другой например, Ethernet в FDDI.

Основные характеристики коммутаторов:

· Задержка передачи кадра – время с момента прихода первого байта кадра на одном порту до момента его появления на другом порту;(скорость передачи /фильтрации кадров == пакетов в секунду)

· Производительность коммутатора – количество пользовательских данных, переданных через порты коммутатора за единицу времени (Мбит/сек.);

· Максимальная емкость адресной таблицы – количество МАС-адресов, с которыми может одновременно работать коммутатор.

Недостатки коммутаторов:

1. Не ограничивают распространение широковещательных пакетов;

2. Невозможность поддержки петлеобразных конфигураций сети, которые образуются избыточными связями (рис. 46).

 

 

 

Рис. 46. Образование петель коммутаторов/мостов

Коммутатор DGS1024D неблокирующий,с буферизацией(Store and forward), емкость адресной таблицы 8000 МАС-адресов,размер буфера каждого порта 8000 адресов,коммутир. Матрица 48Гбит сек.

 

На этапе 1 станция посылает первый кадр с широковещательным адресом назна­чения и адресом источника 10 в свой сегмент. Кадр попадает как в мост 1, так и в мост 2. В обоих мостах новый адрес источника 10 заносится в адресную таблицу с пометкой о его принадлежности сегменту 1, то есть создается новая запись вида.