2018-02-13
620
Основы коммутации
1.1 Эволюция локальных сетей (слайд 1-7)
Эволюция локальных сетей неразрывно связана с историей развития технологии Ethernet, которая по сей день остается самой распространенной технологией локальных сетей.
Первоначально технология локальных сетей рассматривалась как времясберегающая и экономичная технология, обеспечивающая совместное использование данных, дискового пространства и дорогостоящих периферийных устройств. Снижение стоимости персональных компьютеров и периферии привело к их широкому распространению в бизнесе, и количество сетевых пользователей резко возросло. Одновременно изменились архитектура приложений (клиент/сервер) и их требования к вычислительным ресурсам, а также архитектура вычислений (распределенные вычисления). Стал популярным downsizing (разукрупнение) – перенос информационных систем и приложений с мэйнфреймов на сетевые платформы. Все это привело к смещению акцентов в использовании сетей: они стали обязательным инструментом в бизнесе, обеспечив наиболее эффективную обработку информации.
В первых сетях Ethernet (10Base-2 и 10Base-5) использовалась шинная топология, когда каждый компьютер соединялся с другими устройствами с помощью единого коаксиального кабеля, используемого в качестве среды передачи данных. Сетевая среда была разделяемой и устройства, прежде чем начать передавать пакеты данных, должны были убедиться, что она свободна. Несмотря на то, что такие сети были простыми в установке, они обладали существенными недостатками, заключающимися в ограничениях по размеру, функциональности и расширяемости, недостаточной надежности, а также неспособностью справляться с экспоненциальным увеличением сетевого трафика. Для повышения эффективности работы локальных сетей требовались новые решения.
Следующим шагом стала разработка стандарта 10Base-T с топологией типа «звезда», в которой каждый узел подключался отдельным кабелем к центральному устройству – концентратору (hub). Концентратор работал на физическом уровне модели OSI и повторял сигналы, поступавшие с одного из его портов на все остальные активные порты, предварительно восстанавливая их. Использование концентраторов позволило повысить надежность сети, т.к. обрыв какого-нибудь кабеля не влек за собой сбой в работе всей сети. Однако, несмотря на то, что использование концентраторов в сети упростило задачи ее управления и сопровождения, среда передачи оставалась разделяемой (все устройства находились в одном домене коллизий). Помимо этого общее количество концентраторов и соединяемых ими сегментов сети было ограничено из-за временных задержек и других причин.
Задача сегментации сети, т.е. разделения пользователей на группы (сегменты) в соответствии с их физическим размещением с целью уменьшения количества клиентов соперничающих за полосу пропускания была решена с помощью устройства, называемого мостом (bridge). Мост был разработан компанией DigitalEquipmentCorporation (DEC) в начале 1980-х годов и представлял собой устройство канального уровня модели OSI (обычно двухпортовое), предназначенное для объединения сегментов сети. В отличие от концентратора, мост не просто пересылал пакеты данных из одного сегмента в другой, а анализировал и передавал их только в том случае, если такая передача действительно была необходима, то есть адрес рабочей станции назначения принадлежал другому сегменту. Таким образом, мост изолировал трафик одного сегмента от трафика другого, уменьшая домен коллизий и повышая общую производительность сети. Однако мосты были эффективны лишь до тех пор, пока количество рабочих станций в сегменте оставалось относительно невелико. Как только оно увеличивалось, в сетях возникала перегрузка (переполнение приемных буферов сетевых устройств), которая приводила к потере пакетов.
Увеличение количества устройств, объединяемых в сети, повышение мощности процессоров рабочих станций, появление мультимедийных приложений и приложений клиент-сервер требовали большей полосы пропускания. В ответ на эти растущие требования фирмой Kalpana в 1990 г. на рынок был выпущен первый коммутатор (switch), получивший название EtherSwitch.
Коммутатор представлял собой многопортовый мост и также функционировал на канальном уровне модели OSI. Основное отличие коммутатора от моста заключалось в том, что он мог устанавливать одновременно несколько соединений между разными парами портов. При передаче пакета через коммутатор в нем создавался отдельный виртуальный (либо реальный, в зависимости от архитектуры) канал, по которому данные пересылались «напрямую» от порта-источника к порту-получателю с максимально возможной для используемой технологии скоростью. Такой принцип работы получил название микросегментация.
В настоящее время коммутаторы являются основным строительным блоком длясоздания локальных сетей. Современные коммутаторы Ethernet превратились винтеллектуальные устройства со специализированными процессорами для обработки иперенаправления пакетов на высоких скоростях, и реализации таких функций, какорганизация резервирования и повышения отказоустойчивости сети, агрегирование каналов,создание виртуальных локальных сетей (VLAN), маршрутизация, управление качествомобслуживания (Quality of Service, QoS), обеспечение безопасности и многих других. Такжеусовершенствовались функции управления коммутаторов, благодаря чему системныеадминистраторы получили удобные средства настройки сетевых параметров, мониторинга ианализа трафика.
1.2 Функционирование коммутаторов локальной сети ( слайд 8 )
Изначально таблица коммутации пуста. При включении питания, одновременно с передачей данных, коммутатор начинает изучать расположение подключенных к нему сетевых устройств, путем анализа МАС-адресов источников получаемых кадров. Например, если на порт 1 коммутатора, показанного на рисунке 3, поступает кадр от узла А, то он создает в таблице коммутации запись, ассоциирующую МАС-адрес узла А с номером входного порта. Записи в таблице коммутации создаются динамически. Это означает, что, как только будет прочитан новый МАС-адрес, то он сразу будет занесен в таблицу коммутации. Дополнительно к МАС-адресу и ассоциированному с ним порту в таблицу коммутации для каждой записи заносится временной штамп (aging). Временной штамп позволяет коммутатору автоматически реагировать на перемещение, добавление или удаление сетевых устройств. Каждый раз, когда идет обращение по какому-либо МАС- адресу, соответствующая запись получает новый временной штамп. Записи, по которым не обращались долгое время, из таблицы удаляются. Это позволяет хранить записи в таблице коммутации в течение определенного времени и гарантирует, что она не будет использовать слишком много системной памяти.
Как только в таблице коммутации появляется хотя бы одна запись, коммутаторначинает использовать ее для пересылки кадров. Рассмотрим пример, показанный на рисунке, описывающий процесс пересылки кадров между портами коммутатора.Когда коммутатор получает кадр, отправленный компьютером А компьютеру В, онизвлекает из него МАС-адрес приемника и ищет этот МАС-адрес в своей таблицекоммутации. Как только в таблице коммутации будет найдена запись, ассоциирующая МАС-адрес приемника (компьютера В) с одним из портов коммутатора, за исключением порта-источника, кадр будет передан через соответствующий выходной порт (в приведенномпримере – порт 2). Этот процесс называется продвижением (forwarding) кадра.Если бы оказалось, что выходной порт и порт-источник совпадают, то передаваемыйкадр был бы отброшен коммутатором. Этот процесс называется фильтрацией (filtering).В том случае, если МАС-адрес приемника в поступившем кадре неизвестен (в таблицекоммутации отсутствует соответствующая запись), коммутатор создает множество копийэтого кадра и передает их через все свои порты, за исключением того, на который онпоступил. Этот процесс называется лавинной маршрутизацией (flooding).
1.3 Методы коммутации (слайд 10)
Первым шагом, который выполняет коммутатор, прежде чем принять решение опередаче кадра, является его получение и анализ содержимого. В коммутаторе может бытьреализован один из трех режимов работы, определяющих его поведение при получениикадра:
· коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward);
· коммутация без буферизации (cut-through);
· коммутация с исключением фрагментов (fragment-free switching).
При коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward) коммутатор,прежде чем передать кадр, полностью копирует его в буфер и производит проверку наналичие ошибок. Если кадр содержит ошибки (не совпадает контрольная сумма, или кадрменьше 64 байт или больше 1518 байт), то он отбрасывается. Если кадр не содержит ошибок,то коммутатор находит МАС-адрес приемника в своей таблице коммутации и определяетвыходной порт. Затем, если не определены никакие фильтры, коммутатор передает кадрчерез соответствующий порт устройству назначения.Несмотря на то, что этот способ передачи связан с задержками (чем больше размеркадра, тем больше времени требуется на его прием и проверку на наличие ошибок), онобладает двумя существенными преимуществами:
- коммутатор может быть оснащен портами, поддерживающими разные технологии искорости передачи, например, 10/100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и 10 Гбит/с;
- коммутатор может проверять целостность кадра, благодаря чему поврежденныекадры не будут передаваться в соответствующие сегменты.
В коммутаторах D-Link реализован этот метод коммутации. Благодаря использованиюв устройствах высокопроизводительных процессоров и контроллеров ASIC (Application-SpecificIntegratedCircuit), задержка, вносимая коммутацией store-and-forward при передачепакетов, оказывается незначительной.
Коммутация без буферизации (cut-through) была реализована в первом коммутатореEthernet, разработанном фирмой Kalpana в 1990 г. При работе в этом режиме коммутаторкопирует в буфер только МАС-адрес приемника (первые 6 байт после префикса) и сразуначинает передавать кадр, не дожидаясь его полного приема. Коммутация без буферизацииуменьшает задержку, но проверку на ошибки не выполняет. Данный метод коммутацииможет использоваться только в том случае, когда порты коммутатора поддерживаютодинаковую скорость.
Коммутация с исключением фрагментов (fragment-free switching) являетсякомпромиссным решением между методами store-and-forward и cut-through. При этом методекоммутации коммутатор принимает в буфер первые 64 байт кадра, что позволяет емуотфильтровывать коллизионные кадры перед их передачей. В соответствии соспецификацией Ethernet, коллизия может произойти во время передачи первых 64 байт.
Поэтому, все кадры, с длиной больше 64 байт считаются правильными. Этот методкоммутации ожидает, пока полученный кадр не будет проверен на предмет коллизии, итолько после этого, начинает его передачу.
1.4 Конструктивное исполнение коммутаторов (11-14)
В зависимости от конструктивного исполнения (габаритных размеров), можно выделить три группы коммутаторов:
· настольные коммутаторы (Desktopswitch);
· автономные коммутаторы, монтируемые в телекоммуникационную стойку (Rackmountedswitch);
· коммутаторы на основе шасси (Chassisswitch).
Как следует из названия, настольные коммутаторы предназначены для размещения на столах, иногда они могут оснащаться, входящими в комплект поставки, скобами для крепления на стену. Обычно такие коммутаторы обладают корпусом обтекаемой формы с относительно небольшим количеством фиксированных портов (у коммутаторов D-Link количество портов варьируется от 5 до 16), внешним блоком питания и небольшими ножками (обычно резиновыми) для обеспечения вентиляции нижней поверхности устройства. Чаще всего коммутаторы настольного форм-фактора используются в сетях класса SOHO (SmallOffice, HomeOffice), где не требуется высокая производительность и надежность. В качестве примера коммутатора в настольном исполнении можно привестикоммутатор D-Link модели DES-1008А.
Автономные коммутаторы в стоечном исполнении высотой 1U обладают корпусом для монтажа в 19” стойку, встроенным блоком питания и фиксированным количеством портов (у коммутаторов D-Link количество портов может достигать 52-х штук). По сравнению с настольными коммутаторами, коммутаторы, монтируемые в стойку, обеспечивают более высокую производительность и надежность, а также предлагают широкий набор сетевых функций и интерфейсов. Как правило, такие коммутаторы используются на уровнях доступа и распределения сетей малых и средних предприятий (SmalltoMediumBusiness, SMB), корпоративных сетей и сетей провайдеров услуг (InternetServiceProvider, ISP). Среди коммутаторов в стоечном исполнении с фиксированным количеством портов можно выделить отдельную группу устройств – стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работать как автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, так и совместно, благодаря наличию специальных интерфейсов, позволяющих объединять коммутаторы в одно логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления и мониторинга. Говорится, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.
Коммутаторы на основе шасси содержат слоты, которые могут быть использованы для установки интерфейсных модулей расширения, резервных источников питания и процессорных модулей. Модульное решение обеспечивает гибкость применения, высокую плотность портов и возможность резервирования критичных для функционирования коммутатора компонентов. Модули такого коммутатора поддерживают технологию «hotswap» (горячая замена), то есть допускают замену на ходу, без выключения питания коммутатора. Коммутаторы на основе шасси предназначены для применения на магистралисети крупных корпоративных сетей, городских сетей или сетей операторов связи.
Физическое стекирование коммутаторов (15-16)
Под стекированием понимается объединение нескольких коммутаторов в одно
логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления имониторинга.В коммутаторах D-Link используются 2 топологии стекирования: «кольцо» (ring) и«цепочка» (chain).
Стек типа «кольцо» (кольцевая топология) строится по следующей схеме: каждое устройство в стеке подключается к вышележащему и нижележащему, при этом самый нижний и самый верхний коммутатор в стеке также соединяются. При передаче данных пакет последовательно передается от одного устройства стека к другому до тех пор, пока не достигнет порта назначения. Система автоматически определяет оптимальный путь передачи трафика. Преимуществом топологии «кольцо» является то, что при выходе одного устройства из строя или обрыве связи, остальные устройства стека будут продолжать функционировать в обычном режиме.
В стеке типа «цепочка» (линейная топология) каждое устройство соединено с вышележащим и нижележащим. Самый верхний и самый нижний коммутаторы не соединяются.
Физическое стекирование по линейной и кольцевой топологии реализовано в семи сериях коммутаторов D-Link. Коммутаторы серии DGS-3120 позволяют объединить в стек до 6 устройств, коммутаторы серии DGS-3610 – до 8 устройств, а коммутаторы серий DGS-3400 и DGS-3600, DGS-3620 – до 12 устройств, используя интерфейсы 10 GigabitEthernet (10GE).
Коммутаторы серии DGS-3100 объединяются в стек через интерфейсы HDMI. Максимальное количество коммутаторов в стеке равно 6. Коммутаторы серии DES-3528/3552 поддерживают физическое стекирование через интерфейсы GigabitEthernet и позволяют объединить в стек до 8 устройств.
Все устройства стека управляются через один IP-адрес. Передача данных между ними ведется в полнодуплексном режиме. Одним из преимуществ стека кольцевой топологии над стеком линейной топологии является поддержка технологии определения оптимального пути передачи пакетов. Эта технология позволяет достичь полного использования полосы пропускания и повысить отказоустойчивость стека.
