Ethernet-коммутация 2 уровня

Устройства 1 и 2 уровня Ethernet

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Сети связи и системы коммутации».

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

УСТРОЙСТВА 1 И 2 УРОВНЯ ETHERNET

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Сети связи и системы коммутации».

УДК ______________

ББК ____________

Данилов А. Я.

Устройства 1 и 2 уровня Ethernet: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Сети связи и системы коммутации». / А. Я. Данилов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2007. – 20 с.

ISBN ________________

ББК _____________

Научный редактор д-р техн. наук, проф. А.Х. Султанов

Рецензенты: директор филиала «Энергосвязь» ОАО «Башкирэнерго» канд. техн. наук Усманов Р.Г.;

кафедра общей физики Башкирского государственного университета

ISBN ____________                        Ó Уфимский государственный

авиационный технический университет, 2007

Введение

Сетевая модель TCP/IP

Эталонная модель OSI в настоящее время является общепри­знанной, исторически и технически открытым стандартом сети Internet являются протокол управления передачей (Transmission Control Protocol — TCP) и Internet-протокол (IP), которые обычно рассматриваются как одно целое и обозначаются TCP/IP. Эталонная модель TCP/IP и стек протоколов TCP/IP позволяют организо­вать связь между двумя компьютерами, расположенными в любых точках земного шара, со скоростью, близкой к скорости света. Модель TCP/IP стала стандартом, на базе которого выросла гло­бальная сеть Internet. Как показано на рис. 1, сетевая модель TCP/IP имеет четыре уровня:

■ уровень приложений;

■ транспортный уровень;

■ Internet-уровень;

■ уровень доступа к сети.

Рис. 1

Необходимо отметить, что некоторые уровни модели TCP/IP имеют те же назва­ния, что и у уровней эталонной модели OSI. Однако не следует отождествлять одно­именные уровни этих двух моделей. Функции одноименных уровней обеих моделей могут совпадать, но могут и различаться.

Оборудование 1 уровня

Сети LAN объединяют между собой много устройств различных типов. Они на­зываются аппаратными компонентами локальных сетей. Устройства сетей LAN 1 уровня могут включать в себя повторители и концентраторы.

Повторители

Назначение повторителей (П), показанных на рис. 2 и 3, состоит в регенерации и ресинхронизации сетевых сигналов на битовом уровне для того, чтобы они могли пройти большее расстояние по передающей среде. Повторители обычно использу­ются в тех случаях, когда в сети имеется слишком много узлов или длины имеюще­гося кабеля (для UTP – более 100 м) недостаточно для достижения удаленных точек. Правило четырех повто­рителей для шинной топологии Ethernet 10 Мбит/с, также известное как правило 5-4-3, используется в качестве стандарта при расширении сегментов локальных се­тей LAN. Это правило утверждает, что не более пяти сегментов сети могут быть со­единены друг с другом с помощью четырех повторителей, но только три сегмента могут при этом иметь подключенные к ним рабочие станции (компьютеры).

Рис. 2

Рис. 3

Концентраторы

Использование концентраторов (hub) обусловлено необходимостью в регенерации и ресинхронизации сетевых сигналов. Характеристики концентратора аналогичны характеристикам повторителя. Как показано на рис. 4, концентратор является общей точкой для нескольких сетевых соединений. Концентраторы обычно соединяют между собой несколько сегментов локальной сети LAN. Концентратор имеет несколько портов. Когда на порт концентратора поступают пакеты, они копируются на все остальные порты и в результате могут быть просмотрены всеми сегментами LAN-сети.

Рис. 4

Поскольку концентраторы и повторители имеют похожие характеристики, первые часто называют многопортовыми повторителями (тиltiport repeater). Разница между повторителем и концентратором состоит лишь в количестве кабелей, подсоединенных к устройству. В то время как повторитель имеет только два порта, концентратор обычно имеет от 4 до 20 и более портов, как показано на рис. 5.

Ниже приведены наиболее важные свойства устройств данного типа:

• концентраторы усиливают сигналы;

• концентраторы распространяют сигналы по сети;

• концентраторам не требуется фильтрация;

• концентраторам не требуется определение маршрутов и коммутации пакетов;

• концентраторы используются как точки объединения трафика в сети.

Рис. 5

Как правило, концентраторы используются в сетях 10BASE-T или 100BASE-T. Концен­траторы создают центральную точку соединений для кабельной среды. Они также повышают надежность сети, поскольку обрыв одного из кабелей не нарушает работу всей сети. Эта функция устройства отличает сети с концентраторами от сетей с шинной топологией, в которых обрыв одного из кабелей выводит из строя всю сеть. Концентраторы счита­ются устройствами первого уровня, поскольку они всего лишь регенерируют сигнал и повторяют его на всех своих портах (на выходных сетевых соединениях). В сетях Ethernet все рабочие станции подсоединены к одной и той же физической передаю­щей среде. Сигналы, передаваемые по этой общей среде, принимаются другими уст­ройствами сети. Коллизия (collision) представляет собой ситуацию, в которой два или более битов распространяются по одной и той же сети одновременно. Область сети, в которой создаваемые пакеты могут испытать коллизию, называется доменом кол­лизий (collision domain). Сеть с совместно используемой средой передачи данных яв­ляется доменом коллизий, называемым также доменом разделяемой полосы пропус­кания (bandwidth domain).

Как уже говорилось, функция устройств первого уровня состоит лишь в содейст­вии передаче сигнала по сети. Такие устройства не распознают ни информационные модели сигналов, ни адреса, ни данные. В случае, когда кабели соединены с помо­щью концентратора или повторителя, все их соединения являются частью коллизи­онного домена.

Оборудование 2 уровня

Устройства сетей LAN 2 уровня включают в себя мосты, а также коммутаторы, которые преобла­дают в современных локальных сетях.

Мосты

Иногда требуется разделить большую локальную сеть LAN на меньшие, легче управляемые сегменты. Такая стратегия позволяет ограничить поток данных через отдельную часть LAN и расширить поддерживаемую сетью географическую область, как показано на рис. 6.

Рис. 6

В качестве устройств, которые могут быть использованы для соединения между собой сетевых сегментов, могут быть использованы мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы. Коммутаторы и мосты функционируют на канальном уровне модели OSI. Функция моста состоит в определении (принятии «осмысленного» решения) того, требуется ли отправлять поступившие на него сигна­лы в другой сегмент сети. Мосты могут также быть использованы для соединения се­тей, использующих различные протоколы или различные передающие среды, как, например, в случае беспроводных мостов, соединяющих сети LAN Ethernet в сеть городского масштаба [1].

Когда мост получает фрейм, он сравнивает МАС-адрес отправителя с имеющейся у него адресной таблицей для определения того, следует ли отфильтровать этот фрейм (отбросить), разослать его лавинным способом или скопировать фрейм в другой сегмент. Принятие такого решения происходит следующим образом:

■ если устройство-получатель находится в том же сегменте, из которого этот фрейм был получен, то мост предотвращает его передачу в другие сегменты. Этот процесс называется фильтрацией (filtering) [1];

■ если устройство-получатель находится в другом сегменте и его адрес присут­ствует в адресной таблице, то мост пересылает фрейм в соответствующий сег­мент;

■ если устройство-получатель отсутствует в таблице адресов (т.е. "неизвестно" мосту), то мост рассылает фрейм во все сегменты за исключением того, откуда был получен фрейм. Такое поведение называют лавинной рассылкой сообщений.

Стратегически правильно установленный мост может значительно увеличить производительность сети.

Коммутаторы

Коммутатор иногда называют многопортовым мостом [1]. В то время как типичный мост имеет только два порта (соединяет два сетевых сегмента), коммутатор может иметь несколько портов, в зависимости от количества сетевых сегментов, которые необходимо соединить. Как и мосты, коммутаторы извлекают определенную ин­формацию из пакетов данных, которые они получают от различных компьютеров се­ти. В дальнейшем эта информация используется для построения таблиц коммутации данных, которые затем используются для определения направления потоков дан­ных, отправляемых одним из компьютеров сети другому, как показано на рис. 7.

Рис. 7

Хотя в работе мостов и коммутаторов есть много общего, коммутатор представляет собой более сложное устройство, чем мост. Мост определяет, направляется ли фрейм в другой сетевой сегмент, на основе МАС-адреса получателя. Коммутатор имеет несколько портов, к которым подсоединены сегменты сети. Коммутатор выбирает порт, к которому подсоединено устройство-получатель или рабочая станция, коммутаторы Ethernet становятся все более популярными, поскольку, как и мосты, рачительно повышают производительность сети (скорость передачи и полосу пропускания).

Коммутация представляет собой технологию, снижающую вероятность возникновения в сетях Ethernet LAN заторов за счет уменьшения объемов передаваемых по сети данных и увеличения полосы пропускания. Коммутаторы часто используются для замены концентраторов, поскольку не требуют изменения существующей кабельной инфраструктуры, что позволяет повысить производительность сети с минимальным количеством изменений в уже существующей сети. В настоящее время в сфере передачи данных все коммутирующее оборудование выполняет две основные операции:

■ коммутацию фреймов данных.Под этим термином понимается процесс переда­чи фрейма, полученного из одной сетевой среды, в другую (выходную) среду;

■ поддержку коммутации.Для выполнения этой функции коммутаторы строят и поддерживают таблицы коммутации и следят за возможным образованием маршрутных петель [1]. При построении таблицы коммутации коммутаторы стирают из нее адреса портов, с которых (или на которые) в течение продолжительного интервала времени не поступают фреймы данных.

Коммутаторы работают с большими скоростями, чем мосты, а также могут под­держивать дополнительные и достаточно важные функции, такие, как виртуальные локальные сети VLAN (Virtual LAN).

Ethernet-коммутация 2 уровня

Виды коммутации

Режимы коммутации

Способ, которым содержимое фрейма коммутируется в порт назначения, обычно является компромиссом между временем ожидания и надежностью передачи. Три различных режима коммутации — с промежуточным хранением (store-and-forward), сквозной (cut-through) и бесфрагментный (fragment-free) характеризуются различной надежностью и задержками передачи данных в сети.

Режим коммутации с промежуточным хранением

При использовании режима коммутации с промежуточным хранением информа­ции коммутатор читает всю информацию во фрейме, проверяет его на отсутствие ошибок, принимает решение о коммутации в соответствующий порт и после этого пересылает фрейм в нужном направлении. На рис. 8 показана работа коммутатора в таком режиме. Очевидно, что коммутатору приходится тратить больше времени на чтение всего фрейма. Если фрейм содержит ошибки, он не передается и будет от­брошен. Несмотря на то что сквозной режим коммутации быстрее, он не предостав­ляет механизм обнаружения ошибок. Задержки, вносимые при работе устройства в режиме с промежуточным хранением, обычно не представляют проблемы, тем не менее, данному режиму присуща максимальная величина задержки.

Рис. 8

Режим сквозной коммутации

В этом режиме коммутатор при прохождении через него трафика считывает нача­ло фрейма до адреса получателя и "перебрасывает" его получателю, не читая остаток Фрейма (рис. 9). Этот режим коммутации уменьшает задержки при передаче, однако в нем нет ме­ханизмов обнаружения ошибок.

Рис. 9

Бесфрагментный режим коммутации

Этот режим является модифицированной формой сквозного режима. В нем пе­редача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий, к которым отно­сится подавляющее число ошибочных пакетов. Коммутатор в этом режиме ждет окончания проверки, не является ли полученный пакет коллизионным фрагментом, и только после этого передает его.

При использовании режимов сквозной и бесфрагментной коммутации порт от­правителя и порт получателя должны работать на одной скорости, чтобы не проис­ходило преобразование фрейма. Такой режим работы называется синхронной, или симметричной, коммутацией (synchronous switching). Если скорости портов разные, фрейм должен быть полностью сохранен для технологии одной скорости, прежде чем он будет передан на другой. Такая схема называется асинхронной коммутацией (asynchronous switching). Для асинхронной коммутации должен использоваться режим с промежуточным хранением данных. Асинхронная (часто называемая также асим­метричной) коммутация обеспечивает коммутируемые соединения между портами разной пропускной способности, например, 100 и 1000 Мбит/с. Асимметричная коммутация оптимизирована для клиент-серверного трафика, при котором множе­ство клиентов одновременно общается с сервером, что требует выделения большей полосы пропускания для серверного порта с целью устранения узкого места в сети.