Особенности технической реализации коммутаторов.

Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, то есть основывались на центральном процессоре общего назначения, связанном с интерфейсными портами по внутренней скоростной шине . Однако это были скорее пробные устройства, предназначенные для освоения самой компанией технологии коммутации, а не для завоевания рынка.

Основным недостатком таких коммутаторов была их низкая скорость. Универсальный процессор никак не мог справиться с большим объемом специализированных операций по пересылке кадров между интерфейсными модулями.

Для ускорения операций коммутации нужны были специализированные процессоры со специализированными средствами обмена данными и они вскоре появились. Сегодня все коммутаторы используют заказные специализированные БИС - ASIC, которые оптимизированы для выполнения основных операций коммутации. Часто в одном коммутаторе используется несколько специализированных БИС, каждая из которых выполняет функционально законченную часть операций. Сравнительно низкая стоимость современных коммутаторов по сравнению с их предшественниками 3-5-летней давности объясняется массовым характером производства основных БИС, на которых каждая компания строит свои коммутаторы.

Кроме процессорных микросхем для успешной неблокирующей работы коммутатору нужно также иметь быстродействующий узел для передачи кадров между процессорными микросхемами портов.

В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем, на которой строится такой узел обмена:

· коммутационная матрица;

· разделяемая многовходовая память;

· общая шина.

Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.

Виртуальные локальные сети.

Виртуальной локальной сетью называется логическая 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 сетями на основании MAC-адреса 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. Таким образом с помощью виртуальных сетей решается проблема распространения широковещательных кадров и вызываемых ими следствий, которые могут развиться в широковещательные штормы и существенно снизить производительность сети. VLAN обладают следующими преимуществами: гибкость внедрения. VLAN являются эффективным способом группировки сетевых пользователей в виртуальные рабочие группы, несмотря на их физическое размещение в сети; VLAN обеспечивают возможность контроля широковещательных сообщений, что увеличивает полосу пропускания, доступную для пользователя; VLAN позволяют повысить безопасность сети, определив с помощью фильтров, настроенных на коммутаторе или маршрутизаторе, политику взаимодействия пользователей из разных виртуальных сетей. В коммутаторах могут быть реализованы следующие типы VLAN: на основе портов; на основе стандарта IEEE 802.1Q; на основе стандарта IEEE 802.1ad (Q-in-Q VLAN); на основе портов и протоколов IEEE 802.1v; на основе MAC-адресов; асимметричные. Также для сегментирования сети на канальном уровне модели OSI в коммутаторах могут использоваться другие функции, например, функция TrafficSegmentation. VLAN на основе портов При использовании VLAN на основе портов (Port-based VLAN) каждый порт назначается в определенную VLAN, независимо от того, какой пользователь или компьютер подключен к этому порту. Это означает, что все пользователи, подключенные к этому порту, будут членами одной VLAN. Конфигурация портов статическая и может быть изменена только вручную. Объединение VLAN с помощью маршрутизирующего устройства Основные характеристики VLAN на основе портов: Применяются в пределах одного коммутатора. Если необходимо организовать несколько рабочих групп в пределах небольшой сети на основе одного коммутатора, например, необходимо разнести технический отдел и отдел продаж, то решение VLAN на базе портов оптимально подходит для данной задачи. Простота настройки. Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы — достаточно всем портам, помещаемым в одну VLAN, присвоить одинаковый идентификатор VLAN (VLAN ID). Возможность изменения логической топологии сети без физического перемещения станций. Достаточно всего лишь изменить настройки порта с одной VLAN (например, VLAN технического отдела) на другую (VLAN отдела продаж), и рабочая станция сразу же получает возможность совместно использовать ресурсы с членами новой VLAN. Таким образом, VLAN обеспечивают гибкость при перемещениях, изменениях и наращивании сети. Каждый порт может входить только в одну VLAN. Для объединения виртуальных подсетей как внутри одного коммутатора, так и между двумя коммутаторами нужно использовать сетевой уровень OSI-модели.

39.

Принципы маршрутизации.

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация – организация доставки пакетов по назначению.

Маршрутизаторы имеют по несколько портов (не менее двух), к которым присоединяются сети. Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдельный узел сети: он имеет собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена.

Маршрутизатор можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство маршрутизатор не имеет отдельного сетевого или локального адреса.

Маршрут – это последовательность марщрутизаторов, которые должен пройти пакет. В сложных сетях обычно существует несколько альтернативных маршрутов.

Каждый маршрутизатор выбирает маршрут дальнейшего следования пакета. Для этого он использует таблицу маршрутизации и указанный критерий выбора маршрута.

Описание таблицы маршрутизации по столбцам слева направо:

· номер сети назначения;

· сетевой адрес следующего маршрутизатора (то есть адрес соответствующего порта следующего маршрутизатора), на который следует направить пакет, чтобы тот передавался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту;

· сетевой адрес выходного порта – на какой из собственных портов маршрутизатор должен направить пакет;

· расстояние до сети назначения – используется, если в таблице маршрутизации есть несколько строк, соответствующих некоторому адресу сети назначения.

Под расстоянием понимается значение, определенное при некоторой метрике и используемое в соответствии с заданным в сетевом пакете критерием. Этот критерий иногда называют классом сервиса. Расстояние может измеряться хопами (скачками), временем прохождения пакета по линиям связи, характеристикой надежности связи на данном маршруте.

Если марщрутизатор поддерживает несколько классов сервиса пакетов, то таблица маршрутов составляется и применяется отдельно для каждого вида сервиса (критерия).

Если таблица маршрутизации в случае кркпной сети имеет слишком большой объем, то для сокращения числа записей в таблице используют специальную запись «маршрутизатор по умолчанию» (default). Маршрутизаторы в этом случае хранят строки для соседних сетей. Обо всех остальных сетях в таблице делают одну запись, указывающую на маршрутизатор, через который пролегает путь ко всем остальным сетям. В нашем примере таким маршрутизатором для четвертого маршрутизатора является маршрутизатор 5 ( порт М5(1)).То есть путь ко всем остальным сетям большой сети проходит через этот порт маршрутизатора.

Таблица маршрутизации строят также и для конечных узлов. Особенности таблиц маршрутизации на конечных узлах:

· они аналогичны по структуре таблицам, хранящимся в маршрутизаторах;

· используются для оределения того, направляется ли пакет в другую сеть или он адресован какому-либо узлу данной сети;

· эти таблицы маршрутизации чаще строятся вручную.

·

Протоколы маршрутизации.

С помощью протоколов маршрутизации маршрутизаторы составляют карту связей сети той или иной степени подробности. На основании этой информации для каждого номера сети принимается решение о том, какому следующему маршрутизатору надо передавать пакеты, направляемые в эту сеть, чтобы маршрут оказался рациональным. Результаты этих решений заносятся в таблицу маршрутизации. При изменении конфигурации сети некоторые записи в таблице становятся недействительными. В таких случаях пакеты, отправленные по ложным маршрутам, могут зацикливаться и теряться. От того, насколько быстро протокол маршрутизации приводит в соответствие содержимое таблицы реальному состоянию сети, зависит качество работы всей сети.Протоколы маршрутизации могут быть построены на основе разных алгоритмов, отличающихся способами построения таблиц маршрутизации, способами выбора наилучшего маршрута и другими особенностями своей работы.

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор, компонентами которого являются расстояния от данного маршрутизатора до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число хопов. Возможна и другая метрика, учитывающая не только число промежуточных маршрутизаторов, но и время прохождения пакетов по сети между соседними маршрутизаторами. При получении вектора от соседа маршрутизатор наращивает расстояния до указанных в векторе сетей на расстояние до данного соседа. Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце концов, каждый маршрутизатор узнает информацию обо всех имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях, В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP, который распространен в двух версиях - RIP IP, работающий с протоколом IP, и RIP IPX, работающий с протоколом IPX. Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. «Широковещательная» рассылка (то есть передача пакета всем непосредственным соседям маршрутизатора) используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто. Вершинами графа являются как маршрутизаторы, так и объединяемые ими сети. Распространяемая по сети информация состоит из описания связей различных типов: маршрутизатор - маршрутизатор, маршрутизатор - сеть,Чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами HELLO со своими ближайшими соседями. Этот служебный трафик также засоряет сеть, но не в такой степени как, например, RIP-пакеты, так как пакеты HELLO имеют намного меньший объем. Протоколами, основанными на алгоритме состояния связей, являются протоколы IS-IS (IntermediateSystemtoIntermediateSystem) стека OSI, OSPF (OpenShortestPathFirst) стека TCP/IP и недавно реализованный протокол NLSP стека Novell.

Функции маршрутизатора.

Основная функция маршрутизатора - чтение заголовков пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту (например, IPX, IP, AppleTalk или DECnet), и принятие решения о дальнейшем маршруте следования пакета по его сетевому адресу, включающему, как правило, номер сети и номер узла.

Уровень интерфейсовНа нижнем уровне маршрутизатор, как и любое устройство, подключенное к сети, обеспечивает физический интерфейс со средой передачи, включая согласование уровней электрических сигналов, линейное и логическое кодирование, оснащение определенным типом разъема. В разных моделях маршрутизаторов часто предусматриваются различные наборы физических интерфейсов, представляющих собой комбинацию портов для подсоединения локальных и глобальных сетей. С каждым интерфейсом для подключения локальной сети неразрывно связан определенный протокол канального уровня - например, Ethernet, TokenRing, FDDI. Интерфейсы для присоединения к глобальным сетям чаще всего определяют только некоторый стандарт физического уровня, над которым в маршрутизаторе могут работать различные протоколы канального уровня. Например, глобальный порт может поддерживать интерфейс V.35, над которым могут работать протоколы канального уровня: LAP-B (используемый в сетях X.25), LAP-F (используемый в сетях framerelay), LAP-D (используемый в сетях ISDN). Разница между интерфейсами локальных и глобальных сетей объясняется тем, что технологии локальных сетей работают по собственным стандартам физического уровня, которые не могут, как правило, использоваться в других технологиях, поэтому интерфейс для локальной сети представляет собой сочетание физического и канального уровней и носит название по имени соответствующей технологии - например, интерфейс Ethernet.Уровень сетевого протоколаСетевой протокол в свою очередь извлекает из пакета заголовок сетевого уровня и анализирует содержимое его полей. Прежде всего проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, то он отбрасывается. Выполняется проверка, не превысило ли время, которое провел пакет в сети (время жизни пакета), допустимой величины. Если превысило - то пакет также отбрасывается. На этом этапе вносятся корректировки в содержимое некоторых полей, например, наращивается время жизни пакета, пересчитывается контрольная сумма.

На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора - фильтрация трафика. Маршрутизатор, обладая более высоким интеллектом, нежели мосты и коммутаторы, позволяет задавать и может отрабатывать значительно более сложные правила фильтрации. Пакет сетевого уровня, находящийся в поле данных кадра, для мостов/коммутаторов представляется неструктурированной двоичной последовательностью. Маршрутизаторы же, программное обеспечение которых содержит модуль сетевого протокола, способны производить разбор и анализ отдельных полей пакета. Они оснащаются развитыми средствами пользовательского интерфейса, которые позволяют администратору без особых усилий задавать сложные правила фильтрации. Они, например, могут запретить прохождение в корпоративную сеть всех пакетов, кроме пакетов, поступающих из подсетей этого же предприятия. Фильтрация в данном случае производится по сетевым адресам, и все пакеты, адреса которых не входят в разрешенный диапазон, отбрасываются. Маршрутизаторы, как правило, также могут анализировать структуру сообщений транспортного уровня.

Уровень протоколов маршрутизацииСетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни ее построением, ни поддержанием ее содержимого не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации. На основании этих протоколов маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети, а затем анализируют полученные сведения, определяя наилучшие по тем или иным критериям маршруты. Результаты анализа и составляют содержимое таблиц маршрутизации.Помимо перечисленных выше функций, на маршрутизаторы могут быть возложены и другие обязанности, например операции, связанные с фрагментацией. Более детально работа маршрутизаторов будет описана при рассмотрении конкретных протоколов сетевого уровня.

43. Реализация межсетевого взаимодействия средствами TCP/IP. В стеке TCP/IP определены 4 уровня. Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи - организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий.