Тема 2.3. Особливості технології Ethernet

План.

1. Особливості комутації.
2. Надлишкові зв’язки і алгоритм Spanning Tree.
3. Дублюючі лінії.
4. Об’єднання портів

 

Особливості комутації.

Для об’єднання комп’ютерів найбільш часто використовуються комутатори, які, як ми говорили на попередніх заняттях можна розподілити на некеруємі та інтелектуальні або керуємі. Незалежно від типу комутатора всі вони використовують схожі технології.

Комутатори обробку пакетів можуть виконувати кількома способами;

- Технологія з проміжним збереженням (store and forward) вважає, що кожен кадр, котрий прийшов на порт, цілком приймається в буферну пам'ять. Потім аналізується заголовок і перенаправляється. Після успішної передачі кадр удаляється із пам'яті. Затримка до 1,22 мс.

- Комутація на льоту (on-the-fly) – виконується по можливості без проміжного збереження. Як тільки пройдуть біти адрес призначення, виконується перенаправлення кадра. Якщо порт занятий, то приймається повністю. Затримка -11,2 мкс.

Комутатори в залежності від продуктивності ділять на блокуючі та неблокуючі (обробляє всі кадри з мах швидкістю). З'єднання між портами можуть організуватися наступними способами:

-комутаційна матриця (апаратна схема)

-об'єднуюча шина високої продуктивності, (зв'язує процеси всіх портів)

-розподіляєма пам'ять (єдина буферна пам'ять)

Конструктивно комутатори бувають наступні:

-Комутатори з фіксованою кількістю портів (до 24-30)

-Модульні комутатори – мають сотні портів, збирають на спеціальному шасі.

-Стекові комутатори.

Також можуть мати наступні можливості:

- Індикація рівне завантаженості і колізій;

- Індикація стану портів;

- Керуємість;

- Моніторинг;

- Сегментуємість повторювача;

- Підтримка двох швидкостей;

- Автовибір швидкості і режиму;

- Автоматична корекція полярності пар;

- Можливість об'єднання в стек;

- Захист ві несанкціонованого доступу.

 

2. Надлишкові зв'язки.

Однією з проблем, що виникають під час побудови складних мереж з багатьма комута­торами, є можливість виникнення циклів передавання інформації, що приводить до зупинки роботи мережі. Вирішити дає змогу про­токол залишкового (покриваючого, стержневого) дерева STP (Spanning Tree Protocol), інколи його називають ще 'алгорит­мом' (STA). Протокол STP розроблений DEC та стандартизований ІЕЕЕ-802. 1d. Він дає змогу ліквідувати фізичні та логічні петлі в мережах, побудованих з використанням комутаторів, а крім того, автоматично переконфігуровувати систему у випадку збоїв обладнання. Сьогодні підтримка STP реалізована в інтелектуальних комутаторах багатьох фірм.

Ідея його заключається в виділені із мережі з надлишковими зв'язками дерева, що з'єднує всі вузли і є оптимальним по певних критеріях. За нормальних умов комутатори знають про всі з'єднання але використовують гілки дерева, якщо ж із за аварії зв'язок обривається, то комутатори перераховують і будують нове дерево з резервних зв'язків. При цьому всі порти обмінюються кадрами з блоками BPDU (Bridge Protocol Data Unit).). Блоки розміщуються у складі кадрів канального рівня.

Розглянемо мережу з трьох комутаторів, сполучених між собою (рис. 2.3.1). Нехай станція А генерує широкомовне повідомлення. Його одержать комутатори Б та В, обміняються ним і знову перешлють комутатору А (оскільки широкомовні повідомлення передаються у всі вихідні пор­ти, крім того порту, з якого вони прийняті). Утворюється 'шторм повідомлень' або широкомовний шторм (broadcast storm). Аналогічна проблема виникає і на етані, коли комутатори ще не побудували свої маршрутні таблиці. Нехай станція А передає повідомлення станції Б. Унаслідок цього комутатори Б та В одержать пові­домлення від А, змінять свої маршрутні таблиці, передадуть повідомлення один одному, знову змінять свої таблиці і так далі. У результаті таблиці будуть некоректними. Вирішити проблему циклів можна, якщо визначити тільки один шлях між кожною парою комутаторів.

Рис. 2.3.1. Виникнення 'шторму повідомлень'

Для успішної роботи протоколу адміністратор попередньо пови­нен визначити два типи параметрів: ідентифікатор комутатора та вартість кожного його порту. Вартість портів можна задавати вручну або автоматично, присвоюючи довільне число від 0 до 65535, що зворотно пропорційне до швидкості передавання порту. Це число обчислюють за формулою

Вартість порту = 1000/(швидкість передавання порту, Мбіт/с).

Наприклад, вартість порту 10Base-T - 100, 100Base-TX -10, FDDI - 10, Token Ring - 250 або 63, Т1 - 651, RS232C зі швидкістю 56 Кбіт/с -17857.

На початку роботи алгоритму вибирають кореневий комутатор шляхом широкомовного розсилання BPDU-пакетів на всі порти комутатора. Кожен комутатор рекламує себе як кореневий і розміщує свій ідентифі­катор у полях кореневий ідентифікатор та ідентифікатор комутатора.

Будь-який комутатор, одержавши пакет з ідентифікатором, що менший від його власного, починає розсилати пакети з цим ідентифікатором, припинивши розсилати зі своїм. У результаті кореневим стає комутатор з найменшим ідентифікатором.

Комутатор А

 

Рис. 2.3.2 Алгоритм залишкового дерева.

Другим кроком роботи алгоритму є визначення вартості портів. Кореневий комутатор починає надсилати BPDU-пакети на всі вихідні порти. У їхньому полі вартість шляху до кореня спочатку є нуль. Інші комутатори додають вартості своїх портів і розсилають пакети далі. Це дає змогу кожному комутатору визначити свій кореневий порт, через який можна потрапити в кореневий комутатор з найменшою вартістю. У наведеному вище прикладі комутатори Б та В додають вартості своїх портів (35 та 40) та пересилають повідомлення один одному. Після аналізу цих повідомлень комутатор з найбільшою вартістю шляху до кореня переводить свій порт у блокований стан. Порт, що перебуває в цьому стані, не передає кадри, однак продовжує приймати та опрацьовувати BPDU-пакети. Порт 2 комутатора Б стає призначеним (designated). Отже, незважаючи на те, що Б передаватиме кадри через порт 2, їх відсікатиме комутатор В. Усі порти кореневого комутатора є призначені.

Загалом порт комутатора, що працює згідно зі стандартом ІЕЕЕ-802. 1d, може перебувати в одному з чотирьох станів.

Блокований (blocking state) порт не бере участі в нормальних операціях навчання, фільтрування та передавання, не передає трафік. Однак він приймає та аналізує BPDU-пакети, однак не передає їх далі. Якщо порт не одержить повідомлення протягом визначеного часу, він перейде у стан прослуховування. Кореневі та призначені порти у блокованому стані не бувають.

Прослуховування (listening state). Порт прослуховує BPDU-пакети для з'ясування потреби переходу в блокований стан або у стан навчання. Порт не бере участі в операціях з визначення розміщень станцій, фільтрування та передавання інформації користувачів. Стан прослуховування є тимчасовим і потрібний для мінімізації некоректної інформації у випадку переконфігурації STP. Тривалість перебування порту в цьому стані дорівнює значенню поля затримка переходу (за замовчуванням 15 с).

Навчання (learning state). Порт готується до переходу у стан передавання. Комутатор запам 'ятовує розміщення станцій та оновлює адресну таблицю. Тривалість навчання дорівнює тривалості прослуховування.

Передавання (forwarding state). Порт бере участь у всіх діях комутатора. Він аналізує розміщення станцій, фільтрує дані, передає трафік користувача в обох напрямах. У цьому ста­ні можуть перебувати тільки кореневі та призначені порти.

Після створення нової топології комутатор починає періодично розсилати BPDU-пакети. Інтервал між розсиланнями задає адміністратор під час налаштування (за замовчуванням — 2 с). Інші комутатори, що одержали цей пакет, збільшують поле вік повідомлення, доки воно не набуде максимального значення (максимальний вік) і тоді пакет знищується.

Протокол STP виконуватиме переконфігурацію у таких випадках: вийде з ладу кореневий комутатор або лінія зв'язку, своєчасно не одержане повідомлення від кореневого комутатора та ін. Кожен комутатор очікує одержання BPDU-пакета до закінчення 'максимального віку', в іншому випадку відбувається переконфігурація. Комутатор генерує BPDU-пакети з типом 80h. Крім того, відбуваються процеси вибору кореневого комутатора, призначених та блокованих портів, приєднання резервних ліній.

Варіанти резервування: це використання резервних ліній або резервних комутаторів.

Одним з недоліків класичного протоколу STP є непристосованість до архітектури вірту­альних мереж. Єдиний шлях, який регламентує цей протокол, не задовольняє вимог різних віртуальних мереж. Фірма Cisco запропонувала варіант протоколу Autonomous Spanning Tree, який дає змогу для кожної віртуальної мережі підтримувати окреме дерево. Водночас, доки не прийняті стандарти щодо віртуальних мереж, такі розробки становлять тільки академічний інтерес.

Переваги протоколу STP такі:

- він дає змогу створювати великі стійкі до збоїв мережі;

- підтримує тільки один шлях між кожною парою станцій;

- гарантує надходження кадрів у послі­довності передавання;

- ліквідує широкомовне передавання та зациклювання;

- займає невеликий відсоток смуги перепускання.

Його недоліки:

- вартість комутаторів з STP велика;

- він задіює додаткові порти комутато­рів;

- під час реконфігурації мережа не передає інформацію;

- між довільною парою станцій мо­же бути не більше семи комутаторів.

 

Дублюючі лінії.

Головний недолік STP - великий час відновлення - усувається в фірменних технологіях Resilent Link (3Com) та LinkSafe (Bay). Ідея заключається у прокладці не однієї, а двох ліній чи більше ліній, тобто дублюванням звязків.

Пара фізичних інтерфейсів комутатора, сконфігурованих на дублювання, розглядаються як один порт, але передача виконується тільки по одному (головному) каналу. В разі відмови перемикання виконується на фізичному рівні, що значно швидше роботи протокола STP і наближено дорівнює часу обробки одного кадру.

Недолік – топологічна обмеженість, оскільки дві чи більше лінії з'єднують однакові комутатори. Окрім того використовується значно більше матеріалів, що приводить до значних економічних затрат.