Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 13. Способы построения составных  компьютерных сетей

 

Объединение/разделение сетей с однотипной технологией, например, Ethernet, Token Ring, или их структуризация может производиться с помощью устройств, работающих на канальном уровне, типа мостов и коммутаторов.

Существуют мосты двух типов:

• прозрачные мосты (которые строят свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах, в процессе так называемого обучения – это мосты Ethernet ).
• Мосты с маршрутизацией от источника (Source Routing, SR) применяются для соединения колец Token Ring и FDDI. Маршрутизация от источника основана на том, что станция-отправитель помещает в посылаемый в другое кольцо кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и кольцах, которые должен пройти кадр перед тем, как попасть в кольцо, к которому подключена станция-получатель.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Не передает кадры SRBF

 

 

При получении  каждого пакета SR-мосту нужно только просмотреть поле маршрутной информации ( Routing Information Field-RIF) в кадре на предмет наличия в нем своего идентификатора.

Для работы алгоритма маршрутизации  от источника используются 2 дополнительных видов кадра- одномаршрутный широковещательный  кадр-исследователь – SRBF (single route broadcast frame) и многомаршрутный широковещательный кадр-исследователь ARBF (all route broadcast frame).

Все SR-мосты должны быть сконфигурированы администратором вручную, чтобы передавать кадры ARBF на все порты, кроме порта-источника кадра, а для кадров SRBF  некоторые порты мостов нужно заблокировать, чтобы в сети не было петель.

Кадр первого типа отправляется станцией, когда она определяет, что станция назначения находится  в другом кольце, и неизвестно, через  какие мосты и кольца пролегает к ней путь.

Распространяясь по всем кольцам разрешенного маршрута, кадр-исследователь доходит  до станции назначения, которая в  ответ отправляет кадр-исследователь  ABRF. Этот кадр передается через все порты мостов. При приеме кадра каждый промежуточный мост добавляет в поле маршрутной информации RIF свой идентификатор и идентификатор сегмента, с которого получен кадр, и широковещательно его рассылает. Станция-источник получает в общем случае несколько кадров-ответов, пришедших со всех возможных маршрутов составной сети, и выбирает наилучший маршрут (самый короткий), который записывает в таблицу маршрутизации станции.

 

При построении локальных  сетей с использованием коммутаторов появляются дополнительные возможности:

• 1.  более высокое быстродействие, что позволяет производить передачу кадров без их полной буферизации «на-лету» или «напролет» по первым байтам адреса назначения.
• 2-Полнодуплексный режим работы, хотя сами технологии локальных сетей являются по сути своей полудуплексными. Однако, если к порту коммутатора подключен не сегмент, а отдельный компьютер, причем по 2-м различным каналам, что называется микросегментацией, то возможен полнодуплексный режим.

 

 

 

Домен

Коллизий (при полудуплексном режиме)

 

 

 

 

 

 

 

В полнодуплексном режиме возможна одновременная передача данных передатчиком порта коммутатора и сетевого адаптера. При этом порты могут предавать данные со скоростью- 20 Мбит/с – по 10 Мбит/с в каждом направлении.

Необходимо, чтобы МАС-узлы взаимодействующих  устройств поддерживали этот специальный режим. Фактически, при работе в полнодуплексном режиме МАС-узел не использует метод доступа к среде, разработанный для данной технологии. Сейчас многие сетевые адаптеры могут поддерживать оба режима работы, отрабатывая методику алгоритма доступа CSMA/CD при подключению к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключению к порту коммутатора. При переходе на полнодуплексный режим узлу разрешается отправлять кадры всегда, когда это ему нужно. Правда, при этом могут возникать перегрузки на порту, поэтому возникает необходимость введения новых команд управления потоками данных «Приостановить передачу», «Возобновить передачу».

 При использовании полнодуплексных  версий протоколов происходит  некоторое сближение различных  технологий, так как метод доступа во многом определяет лицо каждой технологии. Различие остается в различных форматах кадров, а также в процедурах контроля корректности работы сети на физическом и канальном уровнях. Полнодуплексные версии протоколов могли бы быть реализованы и в мостах, но были разработаны позже.

• Объединение сетей с разными технологиями доступа к разделяемой среде путем трансляции протоколов канального уровня, которая может выполняться коммутаторами при передаче кадров из одной локальной сети в другую, например, Ethernet  в Token Ring.

Трансляцию протоколов канального уровня облегчает тот факт, что  здесь не требуется транслировать  адреса, которые имеют один и тот  же МАС- формат независимо от  поддерживаемого  протокола. Поэтому при согласовании протоколов локальных сетей коммутаторы не строят таблиц соответствия адресов узлов, а переносят адреса назначения и источника из кадра одного протокола в кадр другого. Однако другие поля кадра приводятся в необходимое соответствие, например,

подсчитывается длина поля данных (ее нет в FDDI и есть в Ethernet) ,

отбрасываются кадры, передаваемые в  сеть Ethernet, с размером поля данных больше 1500 байт. (когда эти кадры начнут теряться, то канальный протокол это обнаружит и может уменьшить размер передаваемых кадров)

пересчитывается КС кадра. и т.д.

• Организация виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) – т.е. группы узлов, трафик
• которых полностью изолирован от других узлов сетей. До появления технологии VLAN для создания отдельной сети использовались либо физически изолированные сегменты, либо несвязанные между собой сегменты, построенные на повторителях и мостах. Затем эти сети связывались маршрутизаторами в единую составную сеть. При создании виртуальных сетей

 

 

 

 

• на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в сети портов

 

 

 

Виртуальная сеть 1

 

 

 

Виртуальная сеть 2

 

 

 

 

                               Виртуальная сеть 3

 

 

 

Кадр, пришедший от порта, принадлежащего виртуальной сети 1, никогда не будет  передан порту, который не принадлежит этой виртуальной сети. Виртуальные сети являются основой для создания крупных маршрутизируемых сетей и имеют преимущество перед физически изолированными сегментами гибкостью состава, изменяемого программным путем.

Объединение сетей на основе протоколов сетевого уровня

 

Создание сложной, структурированной  сети, интегрирующей различные базовые  технологии, может осуществляться и  средствами канального уровня: для  этого могут быть использованы некоторые  типы мостов и коммутаторов, как было рассказано выше. Однако при этом возникает ряд существенных недостатков и ограничений.:

• В топологии сети не должно быть петель, хотя наличие избыточных связей для повышения надежности желательно
• Слабая изоляция сегментов сетей друг от друга ( нет защиты от широковещательных штормов)
• Возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают не все виды мостов и коммутаторов и т.д.

При создании и работе сложных составных  сетей (интерсетей – internetwork) на основе различных технологий, и не только компьютерных сетей, но и телефонных, объединение подсетей может производиться с помощью маршрутизаторов. 

 Различные технологии, используемые  в подсетях, не способны построить  информационные связи между произвольно  выбранными узлами, принадлежащим  разным подсетям. Для этих целей требуются дополнительные средства. Эти средства предоставляет сетевой уровень.

В каждой подсети существует своя адресация. Некоторые из них имеют  много общего, другие совершенно различны.

Поэтому необходима общая система  адресации, не зависящая от локальной адресации в подсетях. Е

Единственным способом формирования сетевого адреса является уникальная нумерация всех подсетей составной  сети и нумерация всех узлов в  пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес представляет собой пару: номер сети и номер узла – универсальный сетевой адрес.

Данные, передаваемые на сетевой уровень, снабжаются заголовком сетевым заголовком, не зависящим от форматов кадров канального уровня. Сетевой уровень определяет маршрут и перемещает пакет между сетями. ( это как почтовый индекс страны или области, куда посылается пакет).

 

 

S1

  Узел В

 S2

 M1(1) S3

 M1(2)

  1 M1(3)

 M4(1) 4 M2(1)

 M4(2)

 M2(2) 3

 S5 2 S4

 

 

 M6(1)

 S6 6 S7

 M6(2) 7 S8

 M6(3) 

   5

 

Узел А

 

 

Кроме номера сети заголовок сетевого уровня должен содержать и другую информацию, необходимую для успешной передачи пакета из одной сети в  другую, например:

• номер фрагмента пакета ( для сборки-разборки) при соединении сетей с разными максимальными размерами пакетов
• Время жизни пакета (для уничтожения заблудившихся пакетов)
• Качество услуги (время доставки, надежность доставки и др.)

Совместная транспортная служба нескольких сетей называется межсетевым взаимодействием (internetworking)

Принципы маршрутизации

 

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация- передача пакетов между конечными  узлами в составной сети. Эта задача выполняется маршрутизаторами –  которые имеют по несколько портов. Поэтому каждый порт должен иметь  собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена.

В сложных  составных сетях почти всегда  существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов  между 2-мя конечными узлами.

Задачу  выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы и конечные узлы.

Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей  конфигурации сети, а также на основании  указанного критерия выбора маршрута ( например, задержка).

Чтобы по адресу сети назначения выбрать рациональный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый узел и маршрутизатор анализируют специальную информационную структуру – таблицу, в которой перечисляются номера сетей, входящих в интерсеть, и для каждой сети указываются сетевой адрес следующего маршрутизатора, на который надо направить пакет, чтобы тот передвигался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту.

 

Например, для маршрутизатора М4

S1  -  M1(2) -  M4(1)     - 1  хоп (расстояние до сети назначения)

S2  -   -             M4(1)    - 0

S3   -  M1(2) -   M4(1)     1

S4   -= M2(1) – M4(1)      1

Default  M6(1)- M4(2)   0      Машрутизатор по умолчанию

Маршрутизатор по умолчанию означает, что ко всем остальным сетям путь пролегает через маршрутизатор  М6(1).

Протоколы маршрутизации –Задача маршрутизации решается на основе анализа таблиц маршрутизации, размещенных во всех маршрутизаторах и конечных узлах сети. Основная работа по формированию этих таблиц происходит автоматически. Для этого маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети в соответствии со специальным служебным протоколом. С их помощью они составляют карту связей сети той или иной степени подробности. Алгоритмы построения маршрутов могут быть одношаговыми (до ближайшего маршрутизатора), или многошаговыми ( с указанием полного маршрута).

Перед тем, как передать сетевой  адрес следующего маршрутизатора на канальный уровень, необходимо преобразовать  его в локальный адрес той  технологии, которая используется в  сети, содержащей следующий маршрутизатор. Для этого сетевой уровень обращается к протоколу разрешения адресов, которые устанавливают соответствие либо на основании заранее составленных таблиц, либо путем рассылки широковещательных запросов.

Наибольшее распространение  для построения составных сетей в последнее время получил стек TCP/IP. Стек имеет 4 уровня- прикладной, основной, уровень межсетевого взаимодействия и уровень сетевых интерфейсов.

 Прикладной уровень предоставляет традиционные сетевые службы FTP, DNS,SNMP, HTTP.

Основной (транспортный) уровень это протоколы управления передачей ТСР и UDP. 

UDP используется для связи с прикладным уровнем.

ТСР обеспечивает надежную связь между 2-мя конечными узлами.

Уровень межсетевого  взаимодействия реализует концепцию коммутации пакетов в режиме без установления соединений. Основной протокол -  IP (дейтаграммный), кроме этого используются протоколы маршрутизации – RIP (Routing Internet Protocol)-протокол сбора маршрутной информации и OSPF (Open Shortest Path First) и другие.

Уровень сетевых интерфейсов поддерживает протоколы физического и канального уровней.

 

Адресация в IP- сетях

В стеке  ТСР/1Р используется 3 типа адресов: локальные (аппаратные), 1Р- адреса и  символьные доменные имена.

Локальные – это те, которые используются в базовых локальных технологиях. (МАС- адреса)

Но могут  быть и другие, применяемые в глобальных сетях., напр. Х.25

IP- основной тип адреса, на основании которого сетевой уровень передает пакеты между сетями. Адрес состоит из 4-х байт, например, 109.26.17.100. Адрес назначается администратором во время конфигурации компьютеров и маршрутизаторов. IP –адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Интернет (Internet Network Information Center, InterNIC).