Технология Ethernet. Метод доступа CSMA/CD

5​. Технология Ethernet. Метод доступа CSMA/CD. 

Многостанционный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликта (CSMA/CD)

При использовании метода CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - например, в сети Ethernet (будет рассмотрена далее). применяется отсрочка передачи (backoff). Каждая станция посылает кадр, и если среда передачисвободна, то все проходит в обычном режиме и станция заканчивает свою работу. Если в процессе передачи возник конфликт, то передача осуществляется вновь, но для уменьшения вероятности конфликта станция ожидает некоторое время, которое называется время отсрочки передачи. Основной вопрос - чему равна величина этого времени. Наверное, рационально, чтобы станция во второй раз ожидала несколько больше, чем до времени первого конфликта, а после второй передачи - несколько больше, чем до времени второго конфликта, и т. д.

При показательном законе отсрочки принято, что станция должна ждать интервал времени между  и  (максимальное время распространения), где  - число попыток передачи. Другими словами, время ожидания передачи равно:

от  до  (максимальное время распространения) в первый раз;

от  до  (максимальное время распространения) во второй раз и т. д.

Время внутри этого интервала выбирается по случайному закону.

Алгоритм передачи следующий. Если станция имеет информацию для передачи, устанавливается параметр . При возникновении конфликта первая из станций, обнаружившая его, посылает другим станциям сигнал о сетевом конфликте (jam signal).

Станции, получившие этот сигнал:

удаляют полученные кадры;

увеличивают значение параметра отсрочки

Значение параметра отсрочки ограничено (обычно числом 15).

В случае если число попыток не превышено, станция ожидает случайное время, основанное на текущем значении параметра отсрочки передачи.

На рис. 1.6 показан пример передачи информации согласно методу CSMA/CD. Первый канал начал передачу. Вторая станция в это время задерживает передачу (предполагается, что она передавала информацию ранее), после чего начинает передачу снова. Первая станция после некоторой паузы начала передачу, но во время передачи третья станция тоже начала передачу. Станции обнаруживают конфликт, прекращают передачу и возобновляют ее по истечении случайного времени. В данном примере случайное время передачи не вызвало повторного конфликта.

Рис. 1.6. Метод доступа с контролем несущей и обнаружением конфликта (CSMA/CD)

При большой загрузке среды вероятность повторного конфликта велика (возможно поступление информации от другой станции). Поэтому метод CSMA/CD эффективно работает при удельной нагрузке (занятие среды в единицу времени) среды 0,3 (30%), после чего повторение попыток приводит к резкому ухудшению характеристик сети.

Ethernet (эзернет, от лат. aether — эфир) — пакетная технология компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

·  возможность работы в дуплексном режиме;

·  низкая стоимость кабеля «витой пары»;

·  более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле (соединение точка-точка: обрыв кабеля лишает связи два узла. В коаксиале используется топология «шина», обрыв кабеля лишает связи весь сегмент);

·  минимально допустимый радиус изгиба меньше;

·  большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

·  возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

·  гальваническая развязка трансформаторного типа. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 01.01.01 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Кадр. В сети Ethernet имеется один тип кадра, содержащий семь полей: преамбула, начало кадра - SFD, адрес конечного пункта - DA, адрес источника - SA, длина/тип протокольной единицы - PDU и циклический избыточный код.

Локальная сеть Ethernet не обеспечивает механизма для подтверждения получения кадров. Подтверждение реализуется на более высоких уровнях. Формат кадра CSMA/CD MAC показан на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Кадр Ethernet

·  Преамбула. Преамбула кадров содержит 7 байтов (56 битов) чередующихся нулей и единиц, которые приводят в готовность систему для приема прибывающего кадра и подготавливают ее для синхронизации с помощью тактовых импульсов. Преамбула фактически добавляется на физическом уровне и не является (формально) частью кадра.

·  Ограничитель начала кадра (SFD - Start Frame Delimiter). Поле SFD (1 байт: ) отмечает начало кадра и указывает станции на окончание синхронизации. Последние два бита - 11 - сигнал, что следующее поле - адрес получателя.

·  Адрес получателя (DA - Destination Address). Поле DA насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес станции пункта назначения или промежуточного звена.

·  Исходный адрес (SA - Source Address). Поле SA также насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес передающей или промежуточной станции.

·  Длина/тип. Поле типа/длины имеет одно из двух значений. Если значение поля меньше, чем 1518, это - поле длины и определяет длину поля данных, которое следует дальше. Если значение этого поля больше, чем 1536, оно определяет верхний протокол уровня, который используется для обслуживания Internet.

·  Данные. Поле данных переносит данные, инкапсулированные из верхних протоколов уровня. Это минимум 46 и максимум 1500 байтов.

·  Циклический избыточный код (CRC - Cyclical Redundancy Check). Последнее поле в этих кадрах по стандарту 802.3 содержит информацию для обнаружения ошибок, в этом случае CRC – 32.

Адресация. Каждая станция типа PC, рабочая станция или принтер на сети Локальной сети Ethernet имеет ее собственную сетевую интерфейсную карту (NIC - Network Interface Card). NIC размещается внутри станции и обеспечивает станцию 6-байтовым физическим адресом. Адрес Локальной сети Ethernet - 6 байтов (48 битов), он обычно записывается в шестнадцатеричной системе обозначений с дефисом, чтобы отделить байты, как показано ниже:

C4B

Адреса в Локальной сети Ethernet передают байт за байтом, слева направо; однако для каждого байта самый младший бит передают первым, а самый старший бит - последним.

Есть три типа адресов в Локальной сети Ethernet: однонаправленный, групповая рассылка и передача. В однонаправленном адресе самый старший бит в начале байта - 0; в адресе групповой рассылки младший бит - 1. Широковещательный адрес - это поле 48 бит. Исходный адрес всегда однонаправленный. Адрес получателя может быть однонаправленным адресом (один единственный получатель), групповой рассылкой (группа получателей) или широковещательной передачей (все станции, подключенные к LAN).

6​. 100 мегабитный Ethernet.100Base-*. 

Fast Ethernet — общее название для набора стандартов передачи данных в компьютерных сетях по технологии Ethernet со скоростью до 100 Мбит/с, в отличие от исходных 10 Мбит/с.

Длина сегмента кабеля 100BASE-T ограничена 100 метрами (328 футов). В типичной конфигурации, 100BASE-TX использует для передачи данных по одной паре скрученных (витых) проводов в каждом направлении, обеспечивая до 100 Мбит/с пропускной способности в каждом направлении (дуплекс).

100BASE-F

100BASE-FX — вариант Fast Ethernet с использованием волоконно-оптического кабеля. В данном стандарте используется длинноволновая часть спектра (1300 нм) передаваемая по двум жилам, одна для приёма (RX) и одна для передачи (TX). Длина сегмента сети может достигать 400 метровфутов) в полудуплексном режиме (с гарантией обнаруженияколлизий) и двух километровфутов) в полнодуплексном при использовании многомодового волокна. Работа на больших расстояниях возможна при использовании одномодового волокна. 100BASE-FX не совместим с 10BASE-FL, 10 Мбит/с вариантом по волокну.

100BASE-S

100BASE-SX — удешевленная альтернатива 100BASE-FX с использованием многомодового волокна, так как использует недорогую коротковолновую оптику. 100BASE-SX может работать на расстояниях до 300 метров (980 футов). 100BASE-SX использует ту же самую длину волны как и 10BASE-FL. В отличие от 100BASE-FX, это позволяет 100BASE-SX быть обратно-совместимым с 10BASE-FL. Благодаря использованию более коротких волн (850 нм) и небольшой дистанции, на которой он может работать, 100BASE-SX использует менее дорогие оптические компоненты (светодиоды (LED) вместо лазеров). Все это делает данный стандарт привлекательным для тех, кто модернизирует сеть 10BASE-FL и тех, кому не нужна работа на больших расстояниях.

100BASE-B

100BASE-BX — вариант Fast Ethernet по одножильному волокну. Используется одномодовое волокно, наряду со специальным мультиплексором, который разбивает сигнал на передающие и принимающие волны.

100BASE-L

100BASE-LX — 100 Мбит/с Ethernet с помощью оптического кабеля. Максимальная длина сегмента 15 километров в полнодуплексном режиме по паре одномодовых оптических волокон.

100BASE-LX WDM — 100 Мбит/с Ethernet с помощью волоконно-оптического кабеля. Максимальная длина сегмента 15 километров в полнодуплексном режиме по одному одномодовому оптическому волокну на длине волны 1310 нм и 1550 нм. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны), либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой — на 1550 нм.

7​. Gigabit Ethernet. 

Технология Gigabit Ethernet представляет собой дальнейшее развитие стандартов 802.3 для сетей  Ethernet с пропускной способностью 10 и 100 Мбит/с. Основная цель Gigabit Ethernet состоит в значительном повышении скорости передачи данных с сохранением совместимости с уже установленными сетями на базе Ethernet. Необходимо обеспечить возможность пересылки данных между сегментами, работающими на разных скоростях, что, помимо всего прочего, позволило бы упростить архитектуру существующих мостов и коммутаторов, применяющихся в больших промышленных сетях.

  Разработка технологии Gigabit Ethernet началась в ноябре 1995 года, когдабыла сформирована рабочая группа ( IEEE 802.3z ), рассматривающая возможность развития Fast Ethernet до гигабитных скоростей. После утверждения полномочий этой группы работа над стандартом стала продвигаться быстрыми темпами. При разработке этой технологии были поставлены следующие задачи :

Достичь скорости передачи 1 Гбит/с. Использовать формат кадра Ethernet 802.3. Соответствовать функциональным требованиям стандарта 802. Предусмотреть простое взаимодействие между сетями со скоростями 10, 100 и 1000 Мбит/с. Сохранить неизменными минимальный и максимальный размер кадра согласно существующему стандарту. Предоставить поддержку полу - и полнодуплексного режима работы. Поддерживать топологию "звезда". Использовать метод доступа CSMA/CD с поддержкой по крайней мере одного повторителя в домене коллизий ( под доменом коллизий понимается область, в пределах которой кадры от различных станций могут конфликтовать друг с другом ). Поддерживать спецификации ANSI Fibre Channel FC-1 и FC-0 ( оптоволоконный кабель ) и, если возможно, медный кабель. Предоставить семейство спецификаций физического уровня, которые поддерживалибы канал длиною не менее :
500 метров на многомодовом оптоволоконном кабеле; 25 метров на медном проводе; 3000 метров на одномодовом оптоволоконном кабеле.
Определить методы контроля потока. Стандартизировать независимый от среды интерфейс GMII ( Gigabit Ethernet Media Independent Interface ).

  В основном, продукты, поддерживающие технологию Gigabit Ethernet, планируется внедрять в центре корпоративной сети. Наиболее быстрый и простой путь получения отдачи от Gigabit Ethernet состоит в замене традиционных коммутаторов Fast Ethernet на концентраторы или коммутаторы Gigabit Ethernet. Это приводит к тому, что в сети появляется некая иерархия скоростей. Персональные компьютеры могут подключаться со скоростью 10 Мбит/с к коммутаторам рабочих групп, которые затем связываются с коммутаторами Fast Ethernet, имеющими порты для связи со скоростью 1 Гбит/с.

  К недостаткам технологии Gigabit Ethernet можно отнести отсутствие встроенного механизма поддержки качества обслуживания. Как и её предшественники, технология предполагает конкуренцию за доступ к среде передачи без какой-либо гарантии качества обслуживания. Однако пользователи Gigabit Ethernet для обеспечения качества обслуживания могут воспользоваться протоколами на базе IP, такими как RSVP. Они позволяют резервировать ресурсы маршрутизаторов для обеспечения необходимой скорости передачи данных. Достоинство такого подхода заключается в том, что удаётся сохранить основную часть капиталовложений в маршрутизаторы. Но если сеть предназначена для интенсивного трафика с отличающимися характеристиками, то в этом случае технология АТМ сможет обеспечить лучшее качество обслуживания, чем Gigabit Ethernet.

  Очевидно, что с ростом требований приложений загрузка каналов связи корпоративных серверов также возрастает. Для повышения производительности можно подключать серверы  к коммутатору по каналу связи со скоростью 1 Гбит/с. Однако следует убедиться, что сервер способен поддержать такую скорость обмена информацией. Таблица 3 содержит теоретический верхний предел пропускной способности шин для некоторых архитектур серверов.

Таблица 3. Пропускная способность шин серверов

  Самым простым способом получения немедленной выгоды от использования новой технологии является организация её на основе магистрали сети с последующим подключением серверов. Кроме установки новых коммутаторов и сетевых адаптеров, никаких изменений не потребуется. 

·  В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.

·  Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона[6].

Недостатки Wi-Fi 

·  В диапазоне 2.4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др, и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.

·  Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в Wi-Fi сети всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.[7]

·  Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора[8].

·  Как было упомянуто выше — в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации[9].

·  Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.

·  В режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b)[10]. Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.

Bluetooth — международный стандарт беспроводных коммуникаций малого радиуса действия. Основное назначение Bluetooth — обеспечение экономичной радиосвязи между различными типами электронных устройств, причём немалое значение придается компактности электронных компонентов, что даёт возможность применять Bluetooth в малогабаритных приборах.

Создание и развитие технологии

В 1994 году компания Ericsson сформировала рабочую группу по разработке нового радиоинтерфейса, который позволил бы устанавливать связь между сотовым телефоном и беспроводной гарнитурой, и при этом не был бы дорогим и энергоёмким. Согласно проекту, технология должна была обеспечить:

·  использование по всему миру;

·  работу с голосом и передачей данных;

·  возможность установки соединений типа ad hoc;

·  возможность противостоять помехам от других источников в открытой полосе;

·  очень компактный размер для обеспечения удобной интеграции с различными устройствами;

·  ничтожное энергопотребление, в сравнении с другими устройствами, предназначенными для подобных целей;

·  открытый интерфейсный стандарт;

·  низкую стоимость.

В начале 1998 года компании Nokia, IBM, Toshiba, и Intel присоединились к консорциуму по разработке беспроводной связи, создав специальную рабочую группу (Special Interest Group — SIG). В развитии участвовали и другие, менее крупные организации.

В конце 1999 года было опубликовано первое описание новой технологии. Сразу же было объявлено, что созданный вариант стандарта Bluetooth 1.0.B не является окончательным и финальная спецификация должна выйти только после дополнительных проверок и доработок.

Спустя год после выпуска первого варианта стандарта, группа SIG опубликовала версию 1.1 спецификации Bluetooth. В марте 2002 года Палата стандартов IEEE-SA одобрила новый стандарт беспроводных коммуникаций, получивший обозначение IEEE 802.15.1 и созданный на основе спецификации Bluetooth 1.1.

В 2004 году была разработана технология Bluetooth 2.0, которая увеличила скорость передачи данных до 2,1 Мбит/с, а функциональность Bluetooth-устройств была расширена в 2007 году с появлением Bluetooth 2.1.

Последнее обновление Bluetooth было в августе 2008 г., когда Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. В тот раз было снижено энергопотребление и повышен уровень защиты данных.

В настоящее время технология Bluetooth является твердо устоявшимся коммуникационным стандартом для беспроводной связи на малых расстояниях, соединяя устройства посредством одной универсальной радиолинии с малым радиусом действия.

Изначально дальность действия радиоинтерфейса закладывалась равной 10 метрам, однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена и вторая зона — около 100 м. При этом нет необходимости в том, чтобы соединяемые устройства находились в зоне прямой видимости друг друга. К тому же, взаимодействующие между собой приборы могут находиться в движении.

Технические характеристики Bluetooth

Для работы радиоинтерфейса Bluetooth используется так называемый нижний (2,45 ГГц) диапазон ISM (Industrial, Scientific, Medical), предназначенный для работы промышленных, научных и медицинских приборов. Особенностью данного диапазона является то, что почти во всех странах мира (включая Россию), он свободен от лицензирования, то есть для использования сертифицированного передающего оборудования, работающего на этих частотах, не требуется дополнительное разрешение.

Ширина канала для Bluetooth-устройств составляет 723,2 Кбит/с в асинхронном режиме или 433,9 Кбит/с в полностью синхронном режиме. Через Bluetooth-соединение можно передавать аудиоинформацию — через 3 канала по 64 Кбит/сек каждый, в случае, если не передаются другие данные. Возможна и комбинированная передача данных и голоса.

Принцип работы и соединения Bluetooth устройств

Первоначально все Bluetooth-устройства находятся в режиме Standby, в котором они каждые 1,28 секунды прослушивают 32 фиксированные частоты. Устройство, оказавшись в незнакомом окружении, начинает посылать запросы на этих частотах.

При приеме запроса Bluetooth-устройство реагирует на него в соответствии с режимом, в котором оно находится. В режиме отклика (discoverable mode) устройство всегда отвечает на все полученные запросы. Режим ограниченного отклика (limited discoverable mode) подразумевает, что устройство может отвечать на запросы только ограниченное время или при других определенных условиях. Третий режим, отказа в отклике (non-discoverable mode), запрещает устройству отвечать на запрос.

Кроме того, при подключении устройство может быть подключаемым (connectable mode) или недоступным (non-connectable mode). Во втором случае устройство не позволяет настроить ряд параметров соединения и обмениваться данными.

После взаимного обнаружения устройства определяют используемый диапазон частот, размер страниц, количество и порядок смены частот и другие физические параметры соединения.

Каждое Bluetooth-устройство имеет глобальный уникальный адрес (аналог MAC-адресов у сетевых плат), но на уровне пользователя обычно используется имя устройства, которое может быть любым и не быть уникальным. Имя может быть длиной до 248 байт и использовать кодовую страницу в соответствии с Unicode UTF-8.

Bluetooth-устройства могут устанавливать соединения не только типа точка-точка, но, что и является основным, многоточечные соединения. При этом они объединяются в пикосети. Процедура соединения инициируется одним, причем любым, из устройств, которое и становится главным (master) в пикосети. При этом в одной пикосети может быть не более семи ведомых (slave) устройств.

9.​ Коммутаторы. Различные виды. Функции и характеристики. Принципы работы. 

Сетевой коммутатор (жарг. свитч от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узловкомпьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых не известен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Принцип работы коммутатора

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

·  С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.

·  Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.

·  Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные — по технологии cut-through).

Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Симметричная и асимметричная коммутация

Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зрения ширины полосы пропускания для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с.

Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мб/с и 100 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.

Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединен сервер, с целью предотвращения переполнения на этом порте. Для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.

Асимметричный коммутатор также необходим для обеспечения большей ширины полосы пропускания каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения, или каналов между сегментами магистрали.

Буфер памяти

Для временного хранения пакетов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.

Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки пакетов: буферизация по портам и буферизация с общей памятью. При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передается на выходной порт только тогда, когда все пакеты, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, когда один пакет задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка может происходить даже в том случае, когда остальные пакеты могут быть переданы на открытые порты их пунктов назначения.

При буферизации в общей памяти все пакеты хранятся в общем буфере памяти, который используется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого пакеты, находившиеся в буфере, динамически распределяются по выходным портам. Это позволяет получить пакет на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.

Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить пакеты. Очистка этой карты происходит только после того, как пакет успешно отправлен.

Поскольку память буфера является общей, размер пакета ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные пакеты могут быть переданы с меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.

Возможности и разновидности коммутаторов

Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые).

Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например «Layer 3 Switch» или сокращенно «L3 Switch». Управление коммутатором может осуществляться посредством Web-интерфейса, протокола SNMP, RMON и т. п.

Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование.

Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство — стек — с целью увеличения числа портов. Например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с*24)-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).

10​. Маршрутизация. Основные принципы. Маршрутизаторы. Сферы применения. 

Маршрутизация (англ. Routing) — процесс определения маршрута следования информации в сетях связи.

Маршруты могут задаваться административно (статические маршруты), либо вычисляться с помощью алгоритмов маршрутизации, базируясь на информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации (динамические маршруты).

Статическими маршрутами могут быть:

маршруты, не изменяющиеся во времени;

маршруты, изменяющиеся по расписанию;

Маршрутизация в компьютерных сетях типично выполняется специальными программно-аппаратными средствами — маршрутизаторами; в простых конфигурациях может выполняться и компьютерами общего назначения, соответственно настроенными.

Маршрутизируемые протоколы

Протокол маршрутизации может работать только с пакетами, принадлежащими к одному из маршрутизируемых протоколов, например, IP, IPX или Xerox Network System, AppleTalk. Маршрутизируемые протоколы определяют формат пакетов (заголовков), важнейшей информацией из которых для маршрутизации является адрес назначения. Протоколы, не поддерживающие маршрутизацию, могут передаваться между сетями с помощью туннелей. Подобные возможности обычно предоставляют программные маршрутизаторы и некоторые модели аппаратных маршрутизаторов.

Программная и аппаратная маршрутизация

Первые маршрутизаторы представляли собой специализированное ПО, обрабатывающее приходящие IP-пакеты специфичным образом. Это ПО работало на компьютерах, у которых было несколько сетевых интерфейсов, входящих в состав различных сетей (между которыми осуществляется маршрутизация). В дальнейшем появились маршрутизаторы в форме специализированных устройств. Компьютеры с маршрутизирующим ПО называют программные маршрутизаторы, оборудование - аппаратные маршрутизаторы.

В современных аппаратных маршрутизаторах для построения таблиц маршрутизации используется специализированное ПО ("прошивка"), для обработки же IP-пакетов используется коммутационная матрица (или другая технология аппаратной коммутации), расширенная фильтрами адресов в заголовке IP-пакета.

Аппаратная маршрутизация

Выделяют два типа аппаратной маршрутизации: со статическими шаблонами потоков и с динамически адаптируемыми таблицами.

Статические шаблоны потоков подразумевают разделение всех входящих в маршрутизатор IP-пакетов на виртуальные потоки; каждый поток характеризуется набором признаков для пакета такие как: IP-адресами отправителя/получателя, TCP/UDP-порт отправителя/получателя (в случае поддержки маршрутизации на основании информации 4 уровня), порт, через который пришёл пакет. Оптимизация маршрутизации при этом строится на идее, что все пакеты с одинаковыми признаками должны обрабатываться одинаково (по одинаковым правилам), при этом правила проверяются только для первого пакета в потоке (при появлении пакета с набором признаков, не укладывающимся в существующие потоки, создаётся новый поток), по результатам анализа этого пакета формируется статический шаблон, который и используется для определения правил коммутации приходящих пакетов (внутри потока). Обычно время хранения не использующегося шаблона ограничено (для освобождения ресурсов маршрутизатора). Ключевым недостатком подобной схемы является инерционность по отношению к изменению таблицы маршрутизации (в случае существующего потока изменение правил маршрутизации пакетов не будет "замечено" до момента удаления шаблона).

Динамически адаптируемые таблицы используют правила маршрутизации "напрямую", используя маску и номер сети из таблицы маршрутизации для проверки пакета и определения порта, на который нужно передать пакет. При этом изменения в таблице маршрутизации (в результате работы, например, протоколов маршрутизации/резервирования) сразу же влияют на обработку всех новопришедших пакетов. Динамически адаптируемые таблицы также позволяют легко реализовывать быструю (аппаратную) проверку списков доступа.

Программная маршрутизация

Программная маршрутизация выполняется либо специализированным ПО маршрутизаторов (в случае, когда аппаратные методы не могут быть использованы, например, в случае организации туннелей), либо программным обеспечением на компьютере. В общем случае, любой компьютер осуществляет маршрутизацию своих собственных исходящих пакетов (как минимум, для разделения пакетов, отправляемых на шлюз по умолчанию и пакетов, предназначенных узлам в локальном сегменте сети). Для маршрутизации чужих IP-пакетов, а также построения таблиц маршрутизации используется различное ПО:

·  Сервис RRAS (англ. routing and remote access service) в Windows Server

·  Демоны routed, gated, quagga в Unix-подобных операционных системах (Linux, FreeBSD и т. д..)

Маршрутизатор — специализированный сетевой компьютер, имеющий минимум два сетевых интерфейса и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором.

Принцип работы

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетных данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/расшифрование передаваемых данных и т. д.

Таблица маршрутизации

Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты, административное расстояние — степень доверия к источнику маршрута и некоторый вес записи — метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемыхпротоколов маршрутизации, в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная информация. Например:

192.168.64.0/16 [110/49] via 192.168.1.2, 00:34:34, FastEthernet0/0.1

где 192.168.64.0/16 — сеть назначения,

110/- административное расстояние

/49 — метрика маршрута,

192.168.1.2 — адрес следующего маршрутизатора, которому следует

передавать пакеты для сети 192.168.64.0/16,

00:34:34 — время, в течение которого был известен этот маршрут,

FastEthernet0/0.1 — интерфейс маршрутизатора, через который можно

достичь «соседа» 192.168.1.2.

Таблица маршрутизации может составляться двумя способами:

статическая маршрутизация — когда записи в таблице вводятся и изменяются вручную. Такой способ требует вмешательства администратора каждый раз, когда происходят изменения в топологии сети. С другой стороны, он является наиболее стабильным и требующим минимума аппаратных ресурсов маршрутизатора для обслуживания таблицы.

динамическая маршрутизация — когда записи в таблице обновляются автоматически при помощи одного или нескольких протоколов маршрутизации — RIP, OSPF, IGRP, EIGRP,IS-IS, BGP, и др. Кроме того, маршрутизатор строит таблицу оптимальных путей к сетям назначения на основе различных критериев — количества промежуточных узлов, пропускной способности каналов, задержки передачи данных и т. п. Критерии вычисления оптимальных маршрутов чаще всего зависят от протокола маршрутизации, а также задаются конфигурацией маршрутизатора. Такой способ построения таблицы позволяет автоматически держать таблицу маршрутизации в актуальном состоянии и вычислять оптимальные маршруты на основе текущей топологии сети. Однако динамическая маршрутизация оказывает дополнительную нагрузку на устройства, а высокая нестабильность сети может приводить к ситуациям, когда маршрутизаторы не успевают синхронизировать свои таблицы, что приводит к противоречивым сведениям о топологии сети в различных её частях и потере передаваемых данных.

Зачастую для построения таблиц маршрутизации используют теорию графов.

Применение

Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети, благодаря её разделению на домены коллизий или широковещательные домены, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам, например для объединения локальных сетей Ethernet и WAN-соединений, использующих протоколы xDSL, PPP, ATM, Frame relay и т. д. Нередко маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сетьИнтернет, осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана.

В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное (аппаратное) устройство, так и обычный компьютер, выполняющий функции маршрутизатора. Существует несколько пакетов программного обеспечения (на основе ядра Linux, на основе операционных систем BSD) с помощью которого можно превратить ПК в высокопроизводительный и многофункциональный маршрутизатор, например, Quagga, IPFW или простой в применении PF.