Коммутатор. Сети на основе коммутаторов

Коммутатор (switch) – сетевое устройство, предназначенное для объединения сегментов сети в локальную сеть. Коммутатор работает на физическом и канальном уровне. Передает данные непосредственно получателю с помощью коммутационной матрицы и позволяет использовать полнодуплексный режим работы протоколов локальной сети.

Этапы работы коммутатора.

1. Приём первых бит кадра процессором входного порта (до адреса назначения включительно)
2. Поиск адреса назначения по адресной таблице
3. Коммутация портов
4. Приём остальных бит кадра процессором входного порта
5. Приём бит кадра процессором выходного порта через коммутационную матрицу
6. Получение доступа к среде процессором выходного порта
7. Передача бит кадра процессором выходного порта в сеть

Существует несколько типов коммутации (методы обработки пакетов):

1. С промежуточным хранением. Каждый блок принимается целиком, анализируется на наличие ошибок и затем пересылается дальше.

2. Сквозной. При сквозной коммутации коммутатор считывает только адрес поступающего пакета. Пакет передается далее вне зависимости от отсутствия или наличия в нем ошибок. Это позволяет значительно сократить время обработки пакета, так как читаются только несколько первых байт. Поэтому определять дефектные пакеты и запрашивать их повторную передачу должна принимающая сторона.

3. Бесфрагментный. В ней буферизуются только первые 64 байта пакета. Если на этом пакет заканчивается, коммутатор проверяет наличие в нем ошибок по контрольной сумме. Если же пакет оказывается длиннее, он передается на выходной порт без проверки.

4. Адаптивный. Автовыбор из первых трех.

Если мы отсылаем пакет от отправителя получателю, и пакет приходит к коммутатору, то происходит следующее: коммутатор обращается к таблице, в которой записано соответствие MAC-адреса и идентификатора порта. Если соответствие найдено – отправляем пакет на порт адресата. Иначе рассылаем широковещательное сообщение, дополняя его адресом отправителя (к отправителю пакет не отправляется). На n-м шаге таблица MAC-адресов будет заполнена и пакет отправлен.

Замечание: в общем случае таблица МАС-адресов не обязательно будет заполнена полностью. Достаточно узнать соответствие адреса и порта получателя. Таблица будет заполнена в том случае, если каждый компьютер отправит сообщение.

Мониторинг трафика

Зеркалирование портов (только управляемые коммутаторы) – дублирование всех кадров с данного порта на порт мониторинга (зеркальный порт).

Использование промежуточного концентратора (для тиражирования кадров на устройство мониторинга).

Домены коллизий

Домен коллизий (collision domain) – это область сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой области коллизия возникла.

Для разбиения сети на домены коллизий применяются коммутаторы.

Алгоритм STP

Широковещательный шторм

Широковещательный шторм (англ. Broadcast storm) - лавина (всплеск) широковещательных (служебных) пакетов. Размножение некорректно сформированных широковещательных сообщений в каждом узле приводит к экспоненциальному росту их числа и парализует работу сети. Обычно такие пакеты используются сетевыми сервисами для оповещения станций о своем присутствии. Считается нормальным, если широковещательные пакеты составляют около 10% от общего числа пакетов в сети.

Поэтому замкнутые контуры запрещены.

Протокол STP

Основной задачей STP является приведение сети Ethernet с множественными связями к древовидной топологии, исключающей циклы пакетов. Происходит это путём автоматического блокирования избыточных в данный момент связей для полной связности портов. Протокол описан в стандарте IEEE 802.1D. Замкнутые контуры используются для резервирования – один канал функционирует, другой в горячем резерве.

Принцип действия

1. В сети выбирается один корневой коммутатор (англ. Root Bridge). – вручную или автоматически (минимальный MAC-адрес по пакетам BPDU).
2. Далее каждый, отличный от корневого, коммутатор просчитывает кратчайший путь к корневому (чем больше скорость, тем короче). Соответствующий порт называется корневым портом (англ. Root Port). У любого не корневого коммутатора может быть только один корневой порт.
3. После этого для каждого сегмента сети просчитывается кратчайший путь к корневому порту. Мост, через который проходит этот путь, становится назначенным для этой сети (англ. Designated Bridge). Непосредственно подключенный к сети порт моста — назначенным портом.
4. Далее на всех мостах блокируются все порты, не являющиеся корневыми и назначенными. В итоге получается древовидная структура (математический граф) с вершиной в виде корневого коммутатора.

Скорость, Мбит/с	STP Cost
4	5 000 000
10	2 000 000
16	1 250 000
100	200 000
1000	20 000
2000	10 000
10000	2 000

Табл. 1 Зависимость пути от скорости

Корневой порт ищется на каждом КОММУТАТОРЕ, назначенный – на каждом СЕГМЕНТЕ.