Локальные сети на основе коммутаторов
Содержание
Введение. Тенденция вытеснения концентраторов и маршрутизаторов коммутаторами
Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях
Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных
Локальные мосты - предшественники коммутаторов
Принципы коммутации сегментов и узлов локальных сетей, использующих традиционные технологии
Полнодуплексные (full-duplex) протоколы локальных сетей - ориентация исключительно на коммутацию кадров
ATM-коммутация
Особенности коммутаторов локальных сетей
Техническая реализация коммутаторов
Коммутаторы на основе коммутационной матрицы
Коммутаторы с общей шиной
Коммутаторы с разделяемой памятью
Комбинированные коммутаторы
Модульные и стековые коммутаторы
Характеристики производительности коммутаторов
Скорость фильтрации и скорость продвижения
Оценка необходимой общей производительности коммутатора
Размер адресной таблицы
Объем буфера
Дополнительные возможности коммутаторов
Трансляция протоколов канального уровня
Поддержка алгоритма Spanning Tree
Способы управления потоком кадров
Возможности коммутаторов по фильтрации трафика
Коммутация "на лету" или с буферизацией
Использование различных классов сервиса (class-of-service)
Поддержка виртуальных сетей
Управление коммутируемыми сетями
Типовые схемы применения коммутаторов в локальных сетях
Коммутатор или концентратор?
Коммутатор или маршрутизатор?
Стянутая в точку магистраль на коммутаторе
Распределенная магистраль на коммутаторах
Обзор моделей коммутаторов
Коммутаторы Catalyst компании Cisco Systems
Коммутатор EliteSwitch ES/1 компании SMC
Коммутаторы локальных сетей компании 3Com
Примеры АТМ-коммутаторов для локальных сетей
Средняя цена за порт концентратора
Средняя цена за порт коммутатора
Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях
Требования к пропускной способности моста
До сих пор мы предполагали, что при использовании моста для связи двух сегментов вместо повторителя общая производительность сети всегда повышается, так как уменьшается количество узлов в каждом сегменте и загрузка сегмента уменьшается на ту долю трафика, который теперь является внутренним трафиком другого сегмента. Это действительно так, но при условии что мост передает межсегментный трафик без значительных задержек и без потерь кадров. Однако, анализ рассмотренного алгоритма работы моста говорит о том, что мост может и задерживать кадры и, при определенных условиях, терять их. Задержка, вносимая мостом, равна по крайней мере времени записи кадра в буфер. Как правило, после записи кадра на обработку адресов также уходит некоторое время, особенно если размер адресной таблицы велик. Поэтому задержка увеличивается на время обработки кадра.
Время обработки кадра влияет не только на задержку, но и на вероятность потери кадров. Если время обработки кадра окажется меньше интервала до поступления следующего кадра, то следующий кадр будет помещен в буфер и будет ожидать там, пока процессор моста не освободиться и не займется обработкой поступившего кадра. Если средняя интенсивность поступления кадров будет в течение длительного времени превышать производительность моста, то есть величину, обратную среднему времени обработки кадра, то буферная память, имеющаяся у моста для хранения необработанных кадров, может переполниться. В такой ситуации мосту некуда будет записывать поступающие кадры и он начнет их терять, то есть просто отбрасывать.
Потеря кадра - ситуация очень нежелательная, так как ее последствия не ликвидируются протоколами локальных сетей. Потеря кадра будет исправлена только протоколами транспортного или прикладного уровней, которые заметят потерю части своих данных и организуют их повторную пересылку. Однако, при регулярных потерях кадров канального уровня производительность сети может уменьшится в несколько раз, так как тайм-ауты, используемые в протоколах верхних уровней, существенно превышают времена передачи кадров на канальном уровне, и повторная передача кадра может состояться через десятки секунд.
Для предотвращения потерь кадров мост должен обладать производительностью, превышающую среднюю интенсивность межсегментного трафика и большой буфер для хранения кадров, передаваемых в периоды пиковой нагрузки.
В локальных сетях часто оказывается справедливым эмпирическое правило 80/20, говорящее о том, что при правильном разбиении сети на сегменты 80% трафика оказывается внутренним трафиком сегмента, и только 20% выходит за его пределы. Если считать, что это правило действует по отношению к конкретной сети, то мост должен обладать производительностью в 20 % от максимальной пропускной способности сегмента Ethernet, то есть производительностью 0.2 ( 14880 = 3000 кадра в секунду. Обычно локальные мосты обладают производительностью от 3000 кадров в секунду и выше.
Однако, гарантий на доставку кадров в любых ситуациях мост, в отличие от повторителя, не дает. Это его принципиальный недостаток, с которым приходится мириться.
ATM-коммутация
Кроме коммутаторов, поддерживающих стандартные протоколы локальных сетей и передающих кадры с порта на порт по алгоритмам моста, в локальных сетях стали применяться коммутаторы другого вида, а именно коммутаторы технологии АТМ. В связи с этим коротко рассмотрим основные принципы работы таких коммутаторов и способы их взаимодействия с коммутаторами технологий локальных сетей.
Технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной передачи) разрабатывалась изначально для совмещения синхронного голосового трафика и асинхронного компьютерного трафика в рамках одной территориальной сети. Затем сфера применения технологии АТМ была расширена и на локальные сети. В данном курсе мы не будем рассматривать все аспекты технологии АТМ, а ограничимся изучением способов коммутации данных в сетях АТМ, которые используются в коммутаторах АТМ, применяемых в локальных сетях. Такие АТМ-коммутаторы чаще всего не используют все возможности технологии, в частности поддержку синхронного трафика, в основном из-за отсутствия приложений, которые могли бы воспользоваться таким сервисом.
Сеть АТМ изначально разрабатывалась для поддержки полнодуплексного высокоскоростного режима обмена как между узлами сети, так и между ее коммутаторами (рисунок 3.1).
Рис. 3.1. Структура сети АТМ
АТМ-станции и АТМ-коммутаторы обмениваются между собой кадрами фиксированного размера в 53 байта. Эти кадры принято называть ячейками. Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок - 5 байт. Адреса конечных узлов локальных сетях АТМ составляют 20 байт.
Для того, чтобы пакеты содержали адрес узла назначения, и в то же время процент служебной информации не был большим по сравнению с размером поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием - передача ячеек по виртуальным каналам. Техника коммутации данных в соответствии с номерами их виртуальных каналов давно использовалась в сетях Х.25, а затем нашла применение и в новых технологиях территориальных сетей - frame relay и АТМ.
Принцип коммутации пакетов на основе виртуальных каналов поясняется рисунком 3.2. Конечные узлы не могут просто начать обмениваться данными, как это принято в большинстве протоколов канального уровня локальных сетей. Они должны перед обменом установить между собой логическое соединение. При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета - запрос на установление соединения - который содержит многоразрядный адрес узла-адресата, а также номер виртуального соединения, присвоенного данному соединению в узле-отправителе, например, 15. Ячейки АТМ имеют 3-х байтное поле номера виртуального соединения, что позволяет коммутаторам и конечным узлам поддерживать одновременно очень большое количество виртуальных соединений.
Рис. 3.2. Коммутация в сетях с виртуальными соединениями
Адрес назначения используется для маршрутизации запроса на установление соединения на основании таблиц маршрутизации, аналогичных тем, которые используются маршрутизаторами IP или IPX. В этих таблицах для каждого адреса назначения (или для группы адресов, имеющих общую старшую часть, соответствующую адресу сети) указывается номер порта, на который нужно передать приходящий пакет. Таблица маршрутизации по назначению аналогична адресной таблице коммутатора, но образуется она не путем изучения адресов проходящего трафика, а либо вручную администратором, либо с помощью обмена между коммутаторами АТМ специальных служебных данных о топологии связей сети. Протокол обмена топологической информацией для сетей АТМ имеет название PNNI - Private Network to Network Interface. Он разработан и принят в качестве стандарта, хотя не все АТМ-коммутаторы пока его поддерживают.
В приведенном примере в соответствии с таблицей маршрутизации оказалось необходимым передать пакет запроса на установление соединения с порта 1 на порт 0. Одновременно с передачей пакета маршрутизатор изменяет у пакета номер виртуального соединения - он присваивает пакету первый не использованный номер виртуального канала для данного порта данного коммутатора. Каждый конечный узел и каждый коммутатор ведет свой список использованных и свободных номеров виртуальных соединений для своих портов.
Кроме таблицы маршрутизации для каждого порта составляется таблица коммутации. В таблице коммутации входного порта маршрутизатор отмечает, что в дальнейшем пакеты, прибывшие на этот порт с номером 15, должны передаваться на порт 0, причем номер виртуального канала должен быть изменен на 10. Одновременно делается и соответствующая запись в таблице коммутации порта 0 - пакеты, пришедшие по виртуальному каналу 10 в обратном направлении нужно передавать на порт с номером 1, меняя номер виртуального канала на 15.
В результате действия такой схемы пакеты данных уже не несут длинные адреса конечных узлов, а имеют в служебном поле только номер виртуального канала, на основании которого и производится маршрутизация всех пакетов, кроме пакета запроса на установление соединения. В сети прокладывается виртуальный канал, который не изменяется в течение всего времени существования соединения. Пакеты в виртуальном канале циркулируют в двух направлениях, то есть в полнодуплексном режиме, причем, конечные узлы не замечают изменений номеров виртуальных каналов при прохождении пакетов через сеть.
После образования таблицы коммутации, ячейки АТМ обрабатываются коммутаторами АТМ примерно так же, как и коммутаторами технологий локальных сетей. Исключение составляет только режим фильтрации - он отсутствует, так как в АТМ нет разделяемых сред и переданную коммутатору ячейку всегда нужно передать на какой-либо порт.
Виртуальные каналы бывают коммутируемыми (Switched Virtual Channel) и постоянными (Permanent Virtual Channel). Коммутируемые виртуальные каналы устанавливаются узлами динамически, в процессе работы, а постоянные виртуальные каналы образуются администратором на продолжительный срок. Для постоянных виртуальных каналов не нужно выполнять процедуру установления соединения, так как коммутаторы уже настроены на их обработку - соответствующие таблицы коммутации уже сформированы администратором.
Коммутаторы АТМ, работающие с компьютерным трафиком, предоставляют конечным узлам два вида сервиса. Сервис с неопределенной пропускной способностью (Unspecified Bit Rate) подобен сервису коммутаторов локальных сетей - он не гарантирует конечному узлу какой-то определенной доли пропускной способности сети и не гарантирует, что все ячейки конечного узла будут доставлены по назначению. Это самый простой вид сервиса и он не использует какие-либо процедуры управления потоком, а при переполнении буферов коммутатора приходящие ячейки отбрасываются точно так же, как это делают коммутаторы локальных сетей.
Сервис ABR (Available Bit Rate) в отличие от сервиса UBR использует технику управления потоком для предотвращения перегрузок сети и дает некоторые гарантии доставки ячеек узлу назначения.
Для этого при установлении соединения ABR между конечным узлом и коммутаторами сети заключается соглашение о двух скоростях передачи данных - пиковой скорости и минимальной скорости. Заключение соглашения о параметрах трафика - прием, в локальных сетях обычно не применяющийся. Пользователь соединения ABR соглашается не передавать данные со скоростью, выше пиковой, то есть PCR, а сеть соглашается всегда обеспечивать минимальную скорость передачи ячеек - MCR.
Если приложение при установлении ABR-соединения не определяет максимальную и минимальную скорости, то по умолчанию считается, что максимальная скорость совпадает со скоростью линии доступа станции к сети, а минимальная скорость считается равной нулю.
Пользователь соединения ABR получает гарантированное качество сервиса в отношении потери ячеек и пропускной способности, а сеть при использовании трафика ABR не переполняется.
Для преобразования кадров, циркулирующих в локальных сетях, в 53-байтные ячейки, в технологии АТМ определены функции сегментации и сборки (Segmentation And Reassembling). Когда кадр поступает в коммутатор АТМ, то он с помощью функции сегментации разделить его на последовательность ячеек. После передачи ячеек по сети коммутаторов АТМ они вновь собираются в последнем коммутаторе с помощью функции реассемблирования в исходный кадр.
Технология АТМ работает с несколькими скоростями доступа конечных узлов к сети. Чаще всего используется скорость 155 Мб/c, более редкой является скорость доступа в 622 Мб/с. Существует и низкоскоростной доступ по линии в 25 Мб/с. Иерархия скоростей доступа - это также одна из особенностей технологии АТМ, делающей ее очень удобной для применения в сложных сетях. При насыщении какой-либо части сети слишком интенсивным трафиком конечных узлов не нужно переходить на принципиально новую технологию, достаточно просто установить новый, более скоростной интерфейсный модуль коммутатора.
Очевидно, что различные принципы коммутации кадров в коммутаторах локальных сетей и в коммутаторах АТМ требуют использования каких-то устройств, согласующих работу этих коммутаторов. Одной функции преобразования кадров и ячеек с помощью функций SAR явно недостаточно, так как нужно на основании МАС-адресов конечных узлов сети устанавливать виртуальные пути ячеек через АТМ-коммутаторы.
Существуют частные решения отдельных производителей, позволяющие в рамках одного коммутатора совмещать обе технологии. Обычно, для подключения конечных пользователей используются порты традиционных технологий локальных сетей, например, Ethernet, а коммутаторы используют для обмена между собой технологию АТМ, более масштабируемую.
Имеется и стандартный вариант решения этой задачи. Он носит название LAN Emulation - эмуляции локальных сетей и рассматривается далее.
Коммутаторы с общей шиной
Коммутаторы с общей шиной используют для связи процессоров портов высокоскоростную шину, используемую в режиме разделения времени. Эта архитектура похожа на изображенную на рисунке 4.1 архитектуру коммутаторов на основе универсального процессора, но отличается тем, что шина здесь пассивна, а активную роль выполняют специализированные процессоры портов.
Пример такой архитектуры приведен на рисунке 4.4. Для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть по крайней мере в N/2 раз выше скорости поступления данных во входные блоки процессоров портов. Кроме этого, кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например, LANNET (сейчас подразделение компании Madge Networks), выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку АТМ с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол АТМ, если коммутатор поддерживает эти технологии.
Рис. 4.4. Архитектура общей шины
Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тэг, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту.
Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет.
Комбинированные коммутаторы
У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и недостатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются в комбинации друг с другом. Пример такого комбинирования приведен на рисунке 4.6.
Коммутатор состоит из модулей с фиксированным количеством портов (2 - 8), выполненных на основе специализированной БИС (ASIC), реализующей архитектуру коммутационной матрицы. Если порты, между которыми нужно передать кадр данных, принадлежат одному модулю, то передача кадра осуществляется процессорами модуля на основе имеющейся в модуле коммутационной матрицы. Если же порты принадлежат разным модулям, то процессоры общаются по общей шине. При такой архитектуре передача кадров внутри модуля будет происходить чаще всего быстрее, чем при межмодульной передаче, так как коммутационная матрица - наиболее быстрый, хотя и наименее масштабируемый способ взаимодействия портов. Скорость внутренней шины коммутаторов может достигать нескольких Гб/c, а у наиболее мощных моделей - до 10 - 14 Гб/с.
Рис. 4.6. Комбинирование архитектур коммутационной матрицы и общей шины
Можно представить и другие способы комбинировании архитектур, например, использование для взаимодействия модулей разделяемой памяти.
Размер адресной таблицы
Максимальная емкость адресной таблицы определяет максимальное количество MAC-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт. Экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей не обязательно содержат одну и ту же адресную информацию - скорее всего повторяющихся адресов будет не так много, если только распределение трафика каждого порта не полностью равновероятное между остальными портами. Каждый порт хранит только те наборы адресов, которыми он пользуется в последнее время.
Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей - до нескольких тысяч, обычно 4К - 8К адресов.
Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, то он должен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем необязательны.
Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом. В маршрутизаторах такой прием применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц в сетях, организованных по иерархическому принципу.
Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору, который имеет достаточную емкость адресной таблицы и знает, куда нужно передать любой кадр. Пример успешной передачи кадра при использовании магистрального порта приведен на рисунке 4.10. Коммутатор верхнего уровня имеет информацию о всех узлах сети, поэтому кадр с адресом назначения МАС3, переданный ему через магистральный порт, он передает через порт 2 коммутатору, к которому подключен узел с адресом МАС3.
Рис. 4.10. Использование магистрального порта для доставки кадров
с неизвестным адресом назначения
Хотя метод магистрального порта и будет работать эффективно во многих случаях, но можно представить такие ситуации, когда кадры будут просто теряться. Одна из таких ситуаций изображена на рисунке 4.11. Коммутатор нижнего уровня удалил из своей адресной таблицы адрес МАС8, который подключен к его порту 4, для того, чтобы освободить место для нового адреса МАС3. При поступлении кадра с адресом назначения МАС8, коммутатор передает его на магистральный порт 5, через который кадр попадает в коммутатор верхнего уровня. Этот коммутатор видит по своей адресной таблице, что адрес МАС8 принадлежит его порту 1, через который он и поступил в коммутатор. Поэтому кадр далее не обрабатывается и просто отфильтровывается, а, следовательно, не доходит до адресата. Поэтому более надежным является использование коммутаторов с достаточным количеством адресной таблицы для каждого порта, а также с поддержкой общей адресной таблицы модулем управления коммутатором.
Рис. 4.11. Потеря кадра при использовании магистрального порта
Объем буфера
Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика. Ведь даже если трафик хорошо сбалансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений трафика, то это не гарантирует, что их производительности хватит при очень больших пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты.
Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50 - 100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполниться.
Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Хорошо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.
Поддержка виртуальных сетей
Кроме своего основного назначения - повышения пропускной способности связей в сети - коммутатор позволяет локализовывать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, используя пользовательские фильтры. Однако, пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адресам, а широковещательный трафик он передает всем сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в коммутаторе, поэтому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов иногда называют плоскими - из-за отсутствия барьеров на пути широковещательного трафика.
Технология виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, то есть только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра.
Говорят, что виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика (broadcast domain), по аналогии с доменом коллизий, который образуется повторителями сетей Ethernet.
Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания независимых сетей, которые затем должны связываться с помощью протоколов сетевого уровня. Для решения этой задачи до появления технологии виртуальных сетей использовались отдельные повторители, каждый из которых образовывал независимую сеть. Затем эти сети связывались маршрутизаторами в единую интерсеть (рисунок 4.15).
Рис. 4.15. Интерсеть, состоящая из сетей, построенных на основе повторителей
При изменении состава сегментов (переход пользователя в другую сеть, дробление крупных сегментов) при таком подходе приходится производить физическую перекоммутацию разъемов на передних панелях повторителей или в кроссовых панелях, что не очень удобно в больших сетях - много физической работы, к тому же высока вероятность ошибки.
Поэтому для устранения необходимости физической перекоммутации узлов стали применять многосегментные повторители (рисунок 4.16). В наиболее совершенных моделях таких повторителей приписывание отдельного порта к любому из внутренних сегментов производится программным путем, обычно с помощью удобного графического интерфейса. Примерами таких повторителей могут служить концентратор Distributed 5000 компании Bay Networks и концентратор PortSwitch компании 3Com. Программное приписывание порта сегменту часто называют статической или конфигурационной коммутацией.
Рис. 4.16. Многосегментный повторитель с конфигурационной коммутацией
Однако, решение задачи изменения состава сегментов с помощью повторителей накладывает некоторые ограничения на структуру сети - количество сегментов такого повторителя обычно невелико, поэтому выделить каждому узлу свой сегмент, как это можно сделать с помощью коммутатора, нереально. Поэтому сети, построенные на основе повторителей с конфигурационной коммутацией, по-прежнему основаны на разделении среды передачи данных между большим количеством узлов, и, следовательно, обладают гораздо меньшей производительностью по сравнению с сетями, построенными на основе коммутаторов.
При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновременно решаются две задачи:
· повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;
· изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.
Для связи виртуальных сетей в интерсеть требуется привлечение сетевого уровня. Он может быть реализован в отдельном маршрутизаторе, а может работать и в составе программного обеспечения коммутатора.
Технология образования и работы виртуальных сетей с помощью коммутаторов пока не стандартизована, хотя и реализуется в очень широком спектре моделей коммутаторов разных производителей. Положение может скоро измениться, если будет принят стандарт 802.1Q, разрабатываемый в рамках института IEEE.
В виду отсутствия стандарта каждый производитель имеет свою технологию виртуальных сетей, которая, как правило, несовместима с технологией других производителей. Поэтому виртуальные сети можно создавать пока на оборудовании одного производителя. Исключение составляют только виртуальные сети, построенные на основе спецификации LANE (LAN Emulation), предназначенной для обеспечения взаимодействия АТМ-коммутаторов с традиционным оборудованием локальных сетей.
При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в сети портов коммутатора (рисунок 4.17).
Рис. 4.17. Виртуальные сети, построенные на одном коммутаторе
Это логично, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов. Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети - все равно трафик этих узлов будет общим.
Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы - достаточно каждый порт приписать к нескольким заранее поименованным виртуальным сетям. Обычно такая операция выполняется путем перетаскивания мышью графических символов портов на графические символы сетей.
Второй способ, который используется для образования виртуальных сетей основан на группировании МАС-адресов. При существовании в сети большого количества узлов этот способ требует выполнения большого количества ручных операций от администратора. Однако, он оказывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, чем способ группирования портов.
Рис. 4.18. Построение виртуальных сетей на нескольких
коммутаторах с группировкой портов
Рисунок 4.18 иллюстрирует проблему, возникающую при создании виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, поддерживающих технику группирования портов. Если узлы какой-либо виртуальной сети подключены к разным коммутаторам, то для соединения коммутаторов каждой такой сети должна быть выделена своя пара портов. В противном случае, если коммутаторы будут связаны только одной парой портов, информация о принадлежности кадра той или иной виртуальной сети при передаче из коммутатора в коммутатор будет утеряна. Таким образом, коммутаторы с группировкой портов требуют для своего соединения столько портов, сколько виртуальных сетей они поддерживают. Порты и кабели используются при таком способе очень расточительно. Кроме того, при соединении виртуальных сетей через маршрутизатор для каждой виртуальной сети выделяется в этом случае отдельный кабель, что затрудняет вертикальную разводку, особенно если узлы виртуальной сети присутствуют на нескольких этажах (рисунок 4.19).
Рис. 4.19. Соединение виртуальных сетей, построенных на группировании портов,
через маршрутизатор
Группирование МАС-адресов в сеть на каждом коммутаторе избавляет от необходимости их связи несколькими портами, однако требует выполнения большого количества ручных операций по маркировке МАС-адресов на каждом коммутаторе сети.
Описанные два подхода основаны только на добавлении дополнительной информации к адресным таблицам моста и не используют возможности встраивания информации о принадлежности кадра к виртуальной сети в передаваемый кадр. Остальные подходы используют имеющиеся или дополнительные поля кадра для сохранения информации и принадлежности кадра при его перемещениях между коммутаторами сети. При этом нет необходимости запоминать в каждом коммутаторе принадлежность всех МАС-адресов интерсети виртуальным сетям.
Если используется дополнительное поле с пометкой о номере виртуальной сети, то оно используется только тогда, когда кадр передается от коммутатора к коммутатору, а при передаче кадра конечному узлу оно удаляется. При этом модифицируется протокол взаимодействия "коммутатор-коммутатор", а программное и аппаратное обеспечение конечных узлов остается неизменным. Примеров таких фирменных протоколов много, но общий недостаток у них один - они не поддерживаются другими производителями. Компания Cisco предложила использовать в качестве стандартной добавки к кадрам любых протоколов локальных сетей заголовок протокола 802.10, предназначенного для поддержки функций безопасности вычислительных сетей. Сама компания использует этот метод в тех случаях, когда коммутаторы объединяются между собой по протоколу FDDI. Однако, эта инициатива не была поддержана другими ведущими производителями коммутаторов, поэтому до принятия стандарта 802.1Q фирменные протоколы маркировки виртуальных сетей будут преобладать.
Существует два способа построения виртуальных сетей, которые используют уже имеющиеся поля для маркировки принадлежности кадра виртуальной сети, однако эти поля принадлежат не кадрам канальных протоколов, а пакетам сетевого уровня или ячейкам технологии АТМ.
В первом случае виртуальные сети образуются на основе сетевых адресов, то есть той же информации, которая используется при построении интерсетей традиционным способом - с помощью физически отдельных сетей, подключаемых к разным портам маршрутизатора.
Когда виртуальная сеть образуется на основе номеров сетей, то каждому порту коммутатора присваивается один или несколько номеров сетей, например, номеров IP-сетей. (рисунок 4.20). Каждый номер IP-сети соответствует одной виртуальной сети. Конечные узлы также должны в этом случае поддерживать протокол IP. При передаче кадров между узлами, принадлежащими одной виртуальной сети, конечные узлы посылают данные непосредственно по МАС-адресу узла назначения, а в пакете сетевого уровня указывают IP-адрес своей виртуальной сети. Коммутатор в этом случае передает кадры на основе МАС-адреса назначения по адресной таблице, проверяя при этом допустимость передач по совпадению IP-номера сети пакета, содержащегося в кадре, и IP-адресу порта назначения, найденному по адресной таблице. При передачах кадра из одного коммутатора в другой, его IP-адрес переносится вместе с кадром, а значит коммутаторы могут быть связаны только одной парой портов для поддержки виртуальных сетей, распределенных между несколькими коммутаторами.
Рис. 4.20. Построение виртуальных сетей на основе сетевых адресов
В случае, когда нужно произвести обмен информацией между узлами, принадлежащими разным виртуальным сетям, конечный узел работает так же, как если бы он находился в сетях, разделенных обычным маршрутизатором. Конечный узел направляет кадр маршрутизатору по умолчанию, указывая его МАС-адрес в кадре, а IP-адрес узла назначения - в пакете сетевого уровня. Маршрутизатором по умолчанию должен быть внутренний блок коммутатора, который имеет определенный МАС-адрес и IP-адрес, как и традиционный маршрутизатор. Кроме того, он должен иметь таблицу маршрутизации, в которой указывается выходной порт для всех номеров сетей, которые существуют в общей интерсети.
В отличие от традиционных маршрутизаторов, у которых каждый порт имеет свой номер сети, коммутаторы, поддерживающие сетевой протокол для образования виртуальных сетей, назначают один и тот же номер сети нескольким портам. Кроме того, один и тот же порт может быть связан с несколькими номерами сетей, если через него связываются коммутаторы.
Часто коммутаторы не поддерживают функции автоматического построения таблиц маршрутизации, которые поддерживаются протоколами маршрутизации. такими как RIP или OSPF. Такие коммутаторы называют коммутаторами 3-го уровня, чтобы подчеркнуть их отличие от традиционных маршрутизаторов. При использовании коммутаторов 3-го уровня таблицы маршрутизации либо создаются администратором вручную (это тоже часто приемлемо при небольшом количестве виртуальных сетей и маршруте по умолчанию к полноценному маршрутизатору), либо загружаются из маршрутизатора. По последней схеме взаимодействует коммутатор Catalist 5000 компании Cisco с маршрутизаторами этой же компании.
Если же коммутатор не поддерживает функций сетевого уровня, то его виртуальные сети могут быть объединены только с помощью внешнего маршрутизатора. Некоторые компании выпускают специальные маршрутизаторы для применения совместно с коммутаторами. Примером такого маршрутизатора служит маршрутизатор Vgate компании RND, изображенный на рисунке 4.21.
Рис. 4.21. Маршрутизатор Vgate, разработанный специально для объединения виртуальных сетей
Этот маршрутизатор имеет один физический порт для связи с портом коммутатора, но этот порт может поддерживать до 64 МАС-адресов, что позволяет маршрутизатору объединять до 64 виртуальных сетей.
Последний способ организации виртуальных сетей связан с применением в сети АТМ-коммутаторов. Этот способ основан на использовании для передачи кадров каждой виртуальной сети через коммутаторы АТМ с помощью отдельного виртуального соединения. На рисунке 4.22 показан пример сети, в которой две виртуальные сети объединены с помощью АТМ-сети, состоящей из трех коммутаторов. Так как для передачи кадров каждой виртуальной сети используется отдельный виртуальный канал со своим номером SVC, то коммутатор К2, собирая переданный кадр из ячеек АТМ, знает о принадлежности кадра к той или иной виртуальной сети, а далее на основе его МАС-адреса принимает решение о передаче его на определенный порт.
Рис. 4.22. Использование отдельных виртуальных каналов в ATM-сетях
для передачи информации о виртуальных сетях
Коммутаторы К1 и К2, изображенные на рисунке, должны иметь АТМ-порты и поддерживать для реализации взаимодействия локальных сетей с сетью АТМ спецификацию LANE. Эту спецификацию должен поддерживать также хотя бы один из АТМ-коммутаторов. Так как спецификация LANE достаточно подробно описывает способ поддержки виртуальных сетей сетью АТМ-коммутаторов и пограничных коммутаторов, имеющих клиентскую часть протокола LANE, то оборудование разных производителей может работать в одной сети, образуя виртуальные сети с помощью АТМ-технологии. Спецификация LANE описывает способ взаимодействия локальных сетей и сетей АТМ на основе МАС-адресов и АТМ-адресов, не привлекая протоколы сетевого уровня. Поэтому она может быть реализована в коммутаторах, работающих только на канальном уровне. Для объединения виртуальных сетей, построенных с помощью спецификации LANE, нужны маршрутизаторы с АТМ-портами.
Наблюдение за трафиком
Так как перегрузки процессоров портов и других обрабатывающих элементов коммутатора могут приводить к потерям кадров, то функция наблюдения за распределением трафика в сети, построенной на основе коммутаторов, очень важна.
Однако, если сам коммутатор не имеет отдельного агента для каждого своего порта, то задача слежения за трафиком, традиционно решаемая в сетях с разделяемыми средами с помощью установки в сеть внешнего анализатора протоколов, очень усложняется.
Обычно в традиционных сетях анализатор протоколов (например, Sniffer компании Network General) подключался к свободному порту концентратора и видел весь трафик, передаваемый между любыми узлами сети.
Если же анализатор протокола подключить к свободному порту коммутатора, то он не увидит почти ничего, так как ему кадры передавать никто не будет, а чужие кадры в его порт также направляться не будут. Единственный вид трафика, который будет видеть анализатор - это трафик широковещательных пакетов, которые будут передаваться всем узлам сети. В случае, когда сеть разделена на виртуальные сети, анализатор протоколов будет видеть только широковещательный трафик своей виртуальной сети.
Для того, чтобы анализаторами протоколов можно было по-прежнему пользоваться и в коммутируемых сетях, производители коммутаторов снабжают свои устройства функцией зеркального отображения трафика любого порта на специальный порт. К специальному порту подключается анализатор протоколов, а затем на коммутатор подается команда через его модуль SNMP-управления для отображения трафика какого-либо порта на специальный порт.
Наличие функции зеркализации портов частично снимает проблему, но оставляет некоторые вопросы. Например, как просмотреть одновременно трафик двух портов, или как просматривать трафик порта, работающего в полнодуплексном режиме.
Более надежным способом слежения за трафиком, проходящим через порты коммутатора, является замена анализатора протокола на агенты RMON MIB для каждого порта коммутатора.
Агент RMON выполняет все функции хорошего анализатора протокола для протоколов Ethernet и Token Ring, собирая детальную информацию об интенсивности трафика, различных типах плохих кадров, о потерянных кадрах, причем самостоятельно строя временные ряды для каждого фиксируемого параметра. Кроме того, агент RMON может самостоятельно строить матрицы перекрестного трафика между узлами сети, которые очень нужны для анализа эффективности применения коммутатора.
Так как агент RMON, реализующий все 9 групп объектов Ethernet, стоит весьма дорого, то производители для снижения стоимости коммутатора часто реализуют только первые несколько групп объектов RMON MIB.
Обзор моделей коммутаторов
Рынок коммутаторов сегодня очень обширен, поэтому в этом кратком обзоре остановимся только на некоторых популярных моделях коммутаторов различного класса. Обычно коммутаторы делят в первую очередь на классы в соответствии с их областями применения - настольные коммутаторы, коммутаторы рабочих групп, коммутаторы отделов и магистральные (корпоративные коммутаторы). У каждого класса коммутаторов есть свои отличительные признаки.
Настольные коммутаторы
· Фиксированное количество портов;
· Все порты работают на одной скорости;
· Используются для организации одноранговых связей высокоскоростных рабочих станций;
· Режим коммутации - "на лету";
· Чаще всего не содержат модуля SNMP-управления, а также не поддерживают алгоритм Spanning Tree.
Пример: 3Com LinkSwitch 500.
Коммутаторы рабочих групп
· Имеют по крайней мере 1 высокоскоростной порт (FDDI, Fast Ethernet, ATM);
· Транслируют протоколы;
· Как правило, управляемы по SNMP, поддерживают алгоритм Spanning Tree;
· Режим коммутации - с буферизацией.
Примеры: семейство 3Com LinkSwitch (кроме модели 500), SMC TigerSwitch XE, Bay Networks Ethernet Workgroup Switch.
Коммутаторы отделов и центров обработки данных
· Модульное исполнение;
· Поддержка нескольких протоколов;
· Встроенные средства обеспечения отказоустойчивости:
· избыточные источники питания;
· модули hot-swap.
· Пользовательские фильтры;
· Поддержка виртуальных сегментов;
Примеры: 3Com LANplex 2500, SMC ES/1, Bay Networks LattisSwitch System 28115.
Коммутаторы магистралей зданий/кампусов
· Те же свойства, что и у коммутаторов отделов;
· Шасси с большим количеством слотов (10 - 14);
· Внутренняя пропускная способность 1 - 10 Гб/с;
· Поддержка 1 - 2 протоколов маршрутизации (локальные интерфейсы) для образования виртуальных сетей.
Примеры: 3Com LANplex 6000, Cabletron MMAC Plus, LANNET LET-36, Cisco Catalist 5000, Bay Networks System 5000.
SNMP-управляемость
Модульный концентратор ES/1 может управляться с помощью любой стандартной системы управления, базирующейся на SNMP-протоколе, в том числе: HP OpenView, IBM NetView/6000, Sun NetManager и др. Для графического представления передней панели концентратора к перечисленным консолям управления добавляются специальные программные модули компании SMC семейства EliteView. Кроме того, имеется версия программного обеспечения мониторинга и управления, работающая под Windows: EliteView for Windows.
Примеры АТМ-коммутаторов для локальных сетей
Локальные сети на основе коммутаторов
Содержание
Введение. Тенденция вытеснения концентраторов и маршрутизаторов коммутаторами
Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях
Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных
Локальные мосты - предшественники коммутаторов
Принципы коммутации сегментов и узлов локальных сетей, использующих традиционные технологии
Полнодуплексные (full-duplex) протоколы локальных сетей - ориентация исключительно на коммутацию кадров
ATM-коммутация
Особенности коммутаторов локальных сетей
Техническая реализация коммутаторов
Коммутаторы на основе коммутационной матрицы
Коммутаторы с общей шиной
Коммутаторы с разделяемой памятью
Комбинированные коммутаторы
Модульные и стековые коммутаторы
Характеристики производительности коммутаторов
Скорость фильтрации и скорость продвижения
Оценка необходимой общей производительности коммутатора
Размер адресной таблицы
Объем буфера
Дополнительные возможности коммутаторов
Трансляция протоколов канального уровня
Поддержка алгоритма Spanning Tree
Способы управления потоком кадров
Возможности коммутаторов по фильтрации трафика
Коммутация "на лету" или с буферизацией
Использование различных классов сервиса (class-of-service)
Поддержка виртуальных сетей
Управление коммутируемыми сетями
Типовые схемы применения коммутаторов в локальных сетях
Коммутатор или концентратор?
Коммутатор или маршрутизатор?
Стянутая в точку магистраль на коммутаторе
Распределенная магистраль на коммутаторах
Обзор моделей коммутаторов
Коммутаторы Catalyst компании Cisco Systems
Коммутатор EliteSwitch ES/1 компании SMC
Коммутаторы локальных сетей компании 3Com
Примеры АТМ-коммутаторов для локальных сетей
Дата: 2019-05-29, просмотров: 259.
