Структуризация с помощью мостов и коммутаторов

В данной главе рассматриваются устройства логической структуризации сетей, работающие на канальном уровне стека протоколов, а именно — мосты и коммутаторы. Структуризация сети возможна также на основе маршрутизаторов, которые для выполнения этой задачи привлекают протоколы сетевого уровня. Каждый спо­соб структуризации — с помощью канального протокола и с помощью сетевого протокола — имеет свои преимущества и недостатки. В современных сетях часто используют комбинированный способ логической структуризации — небольшие сегменты объединяются устройствами канального уровня в более крупные подсети, которые, в свою очередь, соединяются маршрутизаторами. - Итак, сеть можно разделить на логические сегменты с помощью устройств двух типов — мостов (bridge) и/или коммутаторов (switch, switching hub). Сразу после появления коммутаторов в начале 90-х годов сложилось мнение, что мост и коммутатор — это принципиально различные устройства. И хотя постепенно представ­ление о коммутаторах изменилось, это мнение можно услышать и сегодня. Тем не менее мост и коммутатор — это функциональные близнецы. Оба эти Устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов. Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), описанного в стандарте IEEE 802. ID, либо алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge) компании IBM для сетей Token Ring. Эти стандарты были разработаны задолго до появления первого коммутатора, поэтому в них используется термин «мост». Когда же на свет появилась рервая промышленная модель коммутатора для технологии Ethernet, то она вы­полняла тот же алгоритм продвижения кадров IEEE 802.1D, который был с десяток лет отработан мостами локальных и глобальных сетей. Точно так же поступают и все современные коммутаторы. Коммутаторы, которые продвигают кадры протокола Token Ring, работают по алгоритму Source Routing, характерному для мостов IBM.

Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабаты­вает кадры последовательно, а коммутатор — параллельно. Это обстоятельство свя­зано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим (он подчинялся правилу 80 на 20 %). Сеть чаще всего делили на два сегмента, поэтому и термин был выбран соответствующий — мост. Для обработки потока данных со средней интенсивностью 1 Мбит/с. мосту вполне хватало производительности одного про­цессорного блока.

При изменении ситуации в конце 80-х — начале 90-х годов — появлении быст­рых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации, разделении сети на большое количество сегментов — классические мосты перестали справляться с работой. Обслуживание потоков кадров между те­перь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоя­щее решение.

Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы:

для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм мос­та. По сути, коммутатор — это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Но если при добавле­нии процессорных блоков компьютер не перестали называть компьютером, а доба­вили только прилагательное «мультипроцессорный», то с мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза — они превратились в коммутаторы. Этому спо­собствовал способ связи между отдельными процессорами коммутатора — они свя­зывались коммутационной матрицей, похожей на матрицы мультипроцессорных компьютеров, связывающие процессоры с блоками памяти.

Постепенно коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические одно­процессорные мосты. Основная причина этого — очень высокая производитель­ность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, когда их производительность оказывалась меньше интенсивности межсегментного потока кадров, то коммутаторы всегда выпускают­ся с процессорами портов, которые могут передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Добавление к этому параллельной пе­редачи кадров между портами сделало производительность коммутаторов на не­сколько порядков выше, чем мостов — коммутаторы могут передавать до нескольких миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 ты­сяч кадров в секунду. Это и предопределило судьбу мостов и коммутаторов.

Процесс вытеснения мостов начал протекать достаточно быстро с 1994 года, и сегодня локальные мосты практически не производятся сетевой индустрией. За время своего существования уже без конкурентов-мостов коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции, которые появлялись в результате естест­венного развития сетевых технологий. К этим функциям относятся, например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), приоритезация графика, использование магистрального порта по умолчанию и т. п.

Сегодня мосты по-прежнему работают в сетях, но только на достаточно медлен­ных глобальных связях между двумя удаленными локальными сетями. Такие мос­ты называются удаленными мостами (remote bridge), и алгоритм их работы ничем не отличается от стандарта 802. ID или Source Routing.

Прозрачные мосты умеют, кроме передачи кадров в рамках одной технологии, транслировать протоколы локальных сетей, например Ethernet в Token Ring, FDDI в Ethemet и т. п. Это свойство прозрачных мостов описано в стандарте IEEE 802.1Н.

В дальнейшем будем называть устройство, которое продвигает кадры по алгоритму моста и работает в локальной сети, современным термином «коммутатор». При описании же самих алгоритмов 802. ID и Source Routing в следующем разделе будем по традиции называть устройство мостом, как собственно оно в этих стандартах и называется.

Принципы работы мостов