Логическая структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов

Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, которые, в свою очередь, представляют разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Разделенная таким образом сеть обладает более высокой производительностью и надежностью. Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов (bridge) и коммутаторов (switch, switching hub).

Небольшие сети, состоящие из 10-30 узлов и использующие стан­дартные технологий на разделяемых средах передачи данных, являются эконо­мичными и эффективными. Это справедливо для современных сетей, даже тех, в которых передаются большие объемы мультимедийной информации, так как появление высокоскоростных технологий со скоростями обмена 100 и 1000 Мбит/с решает проблему качества транспортного обслуживания таких сетей.

Эффективность разделяемой среды для небольшой сети достигается за счет следующих свойств:

Ø простой топологии сети, допускающей наращивание числа узлов в разумных пределах;

Ø отсутствии потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств – новый кадр не передается в сеть, пока не принят предыду­щий, при этом алгоритм разделения среды регулирует поток кадров;

Ø простоты протоколов, обеспечивающей низкую стоимость сетевых адаптеров, повто­рителей и концентраторов.

Однако крупные сети, насчи­тывающие сотни и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разде­ляемой среды даже такой скоростной технологии, как Gigabit Ethernet. И не только потому, что все технологии ограничивают количество узлов в разде­ляемой среде: Ethernet — 1024 узлами, Token Ring — 260 узлами, FDDI — 500 узлами. Даже сеть средних размеров, состоящая из 50-100 компью­теров и укладывающаяся в рамки разрешенного максимума, чаще всего будет плохо работать на одной разделяемой среде.

Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порога количества узлов, подключенных к разделяе­мой среде. Они состоят в следующем. Даже та доля пропускной способности разде­ляемого сегмента, которая должна в среднем доставаться одному узлу – например, 10/N Мбит/с для сегмента Ethernet с N компьютерами, – часто узлу не достается. Причина состоит в случайном характере метода доступа к среде, используемом во всех технологиях. При этом более тяжелые ус­ловия для узлов сети создает метод доступа CSMA/CD. Но и в других технологиях, таких как Token Ring или FDDI, где метод доступа носит менее случайный характер и даже часто называется детерминированным, случай­ный фактор доступа к среде все равно присутствует и оказывает свое негативное влияние на пропускную способность, достающуюся отдельному узлу.

Большинство крупных сетей разрабатывается на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и маршрутизаторы присоединяются подсети. Такие подсети обслуживают различные подразделения. Подсети и далее могут делиться на сегменты, предназначенные для обслуживания рабочих групп. В общем случае деление сети на логические сегменты повышает производитель­ность сети за счет разгрузки сегментов. Увели­чивается также степень защиты данных и облегчается управление сетью.

Сегментация увеличивает гибкость сети. При построении сети как совокуп­ности подсетей каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Вместе с тем, у пользователей обеих подсетей есть возможность обмениваться данными через межсетевые устройства, такие как мосты, коммутато­ры, маршрутизаторы. Процесс разбиения сети на логические сегменты можно рас­сматривать и в обратном направлении как процесс создания большой сети из модулей – уже имеющихся подсетей.

Подсети повышают безопасность данных. При подключении пользователей к различным физическим сегментам сети можно запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других сегментов. Устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах, можно контролировать до­ступ к ресурсам.

Подсети упрощают управление сетью. Побочным эффектом уменьшения тра­фика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы очень часто локализуются внутри сегмента. Как и в случае структури­рованной кабельной системы, проблемы одной подсети не оказывают влияния на другие подсети. Подсети образуют логические домены управления сетью.

Сети должны проектироваться на двух уровнях: физическом и логическом. Логическое проектирование определяет места расположения ресурсов, приложе­ний и способы группировки этих ресурсов в логические сегменты.

Логическая структуризация сетей выполняется с помощью устройств, работающих на канальном уровне стека протоколов, – мостов и коммута­торов. Структуризация сети возможна также и на основе маршрутизаторов, которые для выполнения этой задачи используют протоколы сетевого уровня. Каждый спо­соб структуризации — с помощью канального протокола или с помощью сетевого протокола — имеет свои преимущества и недостатки. В современных сетях часто используют комбинированный способ логической структуризации — небольшие сегменты объединяются устройствами канального уровня в более крупные подсе­ти, которые, в свою очередь, соединяются маршрутизаторами.

С начала 90-х годов сложилось мнение, что мост и коммутатор, принципиально различные устройства. Хотя со временем представление о коммутаторах изменилось, это мнение распространено и сейчас. На самом деле мост и коммутатор — это функциональные близнецы. Оба эти устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов. Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста, описанного в стандарте IEEE 802.ID, либо алгоритм моста с маршрутизацией от источникакомпании IBM для сетей Token Ring. Эти стандарты были разработаны задолго до появления первого ком­мутатора, поэтому в них используется термин мост. Когда же появилась первая промышленная модель коммутатора для технологии Ethernet, то она вы­полняла тот же алгоритм продвижения кадров IEEE 802.ID, который был с деся­ток лет отработан мостами локальных и глобальных сетей. Точно так же поступают и все современные коммутаторы. Коммутаторы, которые продвигают кадры прото­кола Token Ring, работают по алгоритму Source Routing, характерному для мостов.

Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабаты­вает кадры последовательно, а коммутатор — параллельно. Это обстоятельство свя­зано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим. Сеть чаще всего делили на два сегмента, поэтому и термин был выбран соответствующий — мост. Для обработки потока данных со средней интенсивностью 1 Мбит/с мосту вполне хватало производительности одного про­цессорного блока.

При изменении ситуации в конце 80-х – начале 90-х годов – появлении быст­рых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации, разделении сети на большое количество сегментов – классические мосты перестали справляться с работой. Обслуживание потоков кадров те­перь уже между несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоя­щее решение.

Более эффективным оказалось решение, при котором для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм мос­та. Так и появился коммутатор. По сути, коммутатор — это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. С мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза — они превратились в коммутаторы. Этому спо­собствовал способ связи между отдельными процессорами коммутатора с помощью коммутационной матрицы, похожей на матрицы мультипроцессорных компьютеров, связывающих процессоры с блоками памяти.

Постепенно коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические одно­процессорные мосты. Основная причина этого — очень высокая производитель­ность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, когда их производительность оказывалась меньше интенсивности межсегментного потока кадров, то коммутаторы всегда выпускают­ся с процессорами портов, которые могут передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Добавление к этому параллельной пе­редачи кадров между портами сделало производительность коммутаторов на не­сколько порядков выше, чем мостов — коммутаторы могут передавать до нескольких миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 ты­сяч кадров в секунду. Это и предопределило судьбу мостов и коммутаторов.

В настоящее время устройство, которое продвигает кадры по алго­ритму моста и работает в локальной сети, называют современным термином коммутатор. При описании же алгоритмов 802.ID и Source Routing по традиции называют эти устройства мостами, как они в этих стан­дартах и называются.