Рабочая программа и задание на контрольную работу №1 для студентов Vкурса Специальности

Вид материала

Рабочая программа

Содержание 2. Содержание дисциплины 3. Виды работ с распределением времени 4. Перечень тем лекционных занятий Количество часов 5. Перечень тем, которые студенты должны 6. Перечень тем лабораторно-практических занятий 7. Контрольная работа 8. Информационно-методическое обеспечение дисциплины 8.2. Дополнительная литература Материалы к выполнению контрольной работы Интеграция коммутации и маршрутизации Поддерживаемые интерфейсы. Поддерживаемые протоколы. Плотность интерфейсов.

Подобный материал:

• Рабочая программа и задание на контрольную работу для студентов Vкурса специальности, 296.41kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов, 162.08kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов, 188.99kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу для студентов IV курса специальности, 276.22kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу c методическими указаниями для студентов, 843.29kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов, 116.18kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов, 526.56kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов, 1259.29kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу для студентов III курса специальности, 246.08kb.
• Рабочая программа и задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов, 201.3kb.

МПС РОССИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Одобрено кафедрой “Транспортная связь”

Утверждено Деканом факультета “Управление процессами перевозок”

ЦИФРОВЫЕ СЕТИ И СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ


Рабочая программа и задание на контрольную работу № 1 для студентов V курса


Специальности

210700 Автоматика, телемеханика и связь на ж.д. транспорте

Специализации

210707 Волоконно-оптические системы передачи и сети связи


М о с к в а – 2 0 0 3


Разработана на основании примерной учебной программы данной дисциплины составленной в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальности 210700


Составитель – к.т.н., доц. Губенко М.Л.

Рецензент – к.т.н., доц. Цуцков В.В.


Курс - 5

Всего часов - 142

Лекционные занятия - 8

Лабораторно- практические занятия - 12

Контрольная работа - 1 (количество)

Зачет -1(количество)

Экзамен - 1 (количество)

Самостоятельная работа - 121


1.Цель и задачи дисциплины

1. Цель преподавания дисциплины - изучение принципов построения, функционирования и эксплуатации локальных сетей коммутируемых сетей, основанных на современных технических и программых средствах.
   

1.2. Задача преподавания дисциплины заключается в изучениии теоретических основ построения сетей, глубоком понимании протоколов функционирующих на конкретных уровнях сети, изучении современных технологий, аппаратной и программной базы, а также приобретения практических навыков в инсталляции и конфигурировании систем с применением коммутаторов.

1.2.1.Изучив дисциплину "Цифровые сети и системы коммутации " студент должен:

1.2.2 Знать и уметь использовать теорию построения и анализа современных сетей с применением коммутаторов, функционирование виртуальных сетей, современную аппраратную и программную базу.

1.2.3.Владеть методами и практическими навыками инсталляции и конфигурирования реальных систем, поиском неисправностей в системах. Иметь навыки модернизации существующих виртуальных сетей и проектирования вновь создаваемых.


2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

2.1. Программа по дисциплине "Цифровые сети и системы коммутации"

для удобства пользования представлена в виде перечня тем, каждая из которых объединяет логически завершенный материал. По каждой теме указана соответствующая литература и раздел.

2.1.1 Сеть предприятия

2.1.2. Традиционные сети предприятия. Проблемы быстродействия в сетях. Коллизии. Пропускная способность. Широковещательные и многоадресные рассылки.Правило 80/20. Новое правило 20/80. Виртуальные сети. Новые модели сетей предприятия. Сетевые службы. Локальные службы.Удаленные службы. Корпоративные службы. Технологии коммутации.

2.1.3. Модель OSI. Инкапсуляция данных. Коммутация уровня 2. Ограничения коммутации уровня 2. Маршрутизация. Коммутация уровня 3. Коммутация уровня 4. Многоуровневая коммутация. Иерархическая модель CISCO. Трехуровневая иерархическая модель. Уровень ядра. Уровень доступа. Коммутаторы уровня ядра, доступа, распределения. Компоновочные блоки.

2.1.4. Блоки коммутаторов, блок ядра. Свернутое ядро. Двойное ядро. Размер ядра. Масштабирование магистралей уровня два. Протокол связующего дерева. Масштабирование магистралей уровня 3. Быстрая конвергенция, автоматическая балансировка нагрузки. Устранение проблем равномерного информационного обмена.[8.1.1,гл.1]

2.2. Виртуальные локальные вычислительные сети (ЛВС)

Преимущество виртуальных ЛВС. Контроль широковещательной рассылки.Безопасность. Гибкость и масштабируемость. Свернутая магистраль ЛВС. Масштабирование блока коммутаторов. Определение границ виртуальных ЛВС. Сквозные виртуальные ЛВС. Локальные виртуальные ЛВС. Группы виртуальных ЛВС. Статические виртуальные ЛВС. Динамические виртуальные ЛВС. Идентификация виртуальных ЛВС. Добавление тегов к фреймам. Протокол межкоммутационного канала. Транкирование. Протокол VLAN TRUNK PROTOCOL (VTP). Режимы работы VTP. Серверный режим VTP. Клиентский режим VTP. Прозрачный режим VTP. Уведомления VTP. [8.1.1,гл.2]


2.3. Коммутация уровня 2 и протокол связующего дерева.

Три функции коммутации уровня 2. Запоминание адреса, определение пересылки и фильтрации, предотвращение петель. Механизм связующего дерева. Выбор корневого моста. Выбор назначенного порта. Состояния порта связующего дерева.Типы коммутации ЛВС. Сохранение и пересылка. Режим реального времени. Режим без фрагментации. [8.1.1,гл.3]


2.4. Использование протокола связующего дерева в виртуальных ЛВС.

Связующее дерево для каждой виртуальной ЛВС. Общее связующее дерево. Масштабирование протокола связующего дерева. Определение корневого устройства. Назначение стоимости порта, назначение приоритета порта. Изменение таймера протокола связующего дерева. Избыточные каналы и протокол связующего дерева. [ 8.1.1,гл.5]


2.5. Маршрутизация между виртуальными ЛВС

Маршрутизация между виртуальными каналами. Множественные каналы. Единственный транкированный канал. Модули переключения маршрутов. Маршрутизация межкоммутационного канала. Внешний и внутренний процессор маршрутизации. [8.1.1гл.6].

2.6. Многоуровневая коммутация

Основы многоуровневой коммутации. Требования многоуровневой коммутации. Процесс многоуровневой коммутации. Однаружение протокола многоуровневой коммутации. Коды XTAG. Кэш многоуровневой коммутации. Назначение домена VTP. [8.1.1,гл.7]

2.7 Протокол HSRP

Отказоустойчивая маршрутизация. PROXY ARP. Происхождение PROXY ARP. Применение PROXY ARP с маршрутизаторами. Протокол динамической маршрутизации. Протокол ICMP IRDR. Свойства активного маршрутизатора. [8.1.1,гл.8]


2.8. Многоадресная рассылка

Обзор многоадресных рассылок. Одноадресная рассылка. Широковещиние. Многоадресная рассылка. Адресация многоадресной рассылки. Сопоставление адресов многоадресной рассылки IP и Ethernet. Перекрытие второго и третьего уровней. Управление многоадресной рассылкой в объединенной сети. Подписка и обслуживание групп. Маршрутизация многоадресных пересылок. Деревья распределения. Исходное дерево. Общие деревья. Управление многоадресной доставкой. Время жизни (TTL).[8.1.1,гл.9]

2.9. Политики доступа.

Определение политики доступа. Политики и иерархическая модель. Управление сетевыми устройсвами. Физическая безопасность. Пароли. Привилегированные уровни. Сообщения. Ограничения доступа VTY. Контроль доступа HTTP. Политика уровня доступа. Обслуживание таблицы МАС- адресов. Политика уровня распределения. Списки доступа. Фильтрация маршрутов.[8.1.1,гл.11]

3. ВИДЫ РАБОТ С РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВРЕМЕНИ

Всего часов – 142 ч.

Лекции – 8 ч.

Лабораторно-практических работ-12 ч.

Контрольная работа-1(количество)

Зачеты (количество)-1

Экзамены (количество)-1

Самостоятельная работа- 121 ч.

4. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ

№ п/п	Наименование темы	Количество часов
1	Сеть предприятия. Виртульные локальные вычислительные сети.	2
2	Коммутация уровня 2 и протокол связующего дерева.Использование протокола связующего дерева в виртуальных ЛВС.	2
3	Маршрутизация между виртуальными ЛВС. Многоуровневая коммутация.	2
4	Протокол HSPR. Многоадресная рассылка. Политики доступа.	2

5. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ, КОТОРЫЕ СТУДЕНТЫ ДОЛЖНЫ

ПРОРАБОТАТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО

Для самостоятельной проработки рекомендуется ряд тем, связанных с углубленным изучением протоколов коммутации, настройкой коммутаторов.

1. По разделу транкирование: настройка магистральных портов коммутаторов серии Cisco 1900 и 5000. [8.2.1]
   
2. Кабельные носители. Применение носистелей Ethernet в объединенной сети 10BaseT. [8.2.1]
   
3. Протоколы маршрутизации: протокол Distance Vector Routing Protocol (DVMRP); Multicast Open Shortest Path First (MOSPF); PIM DM. Протоколы маршрутизации разреженного режима Core-Based; PIM SM.[8.1.1,гл.9]
   

6. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

№ п /п	Наименование темы	Количество часов
1	Настройка магистральных портов	2
2	Настройка виртуальные ЛВС	2
3	Настройка маршрутизации между виртуальными каналами	2
4	Настройка многоуровневой коммутации	2

7. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

7.1. Тема контрольной работы: "Построение ЛВС с примененем коммутации второго уровня и протокола связующего дерева".

7.2. В состав контрольных работ входит Задача №1, пояснительная записка.

7.3. Пояснительная записка должна включать следующие разделы:

1. Описание процесса коммутации уровня 2;
   
2. Описание функций коммутации;
   
3. Описание механизма связующего дерева;
   
4. Указать корневой мост;
   
5. Указать назначенные порты;
   
6. Указать неназначенные порты
   
7. Условие задачи согласно табл.1., расчетная схема аналогична рис1, кроме значений MAC-адресов. Приоритет по умолчанию для всех вариантов равен 32768. Номер варианта соответствует последней цифре шифра.
   

№ варианта	МАС-адрес Устр. 1900А	МАС-адрес Устр 1900В	МАС-адрес Устр. 1900С
0	0а.00.с2.32.а0.ва	0а.00.с2.32.1а.ва	0а.00.с2.32.2а.вв
2	0а.00.с2.32.3а.ва.	0а.00.с2.32.4а.ва	0а.00.с2.32.5а.ва
3	0а.00.с2.6а.13.ва	0а.00.с2.7.а.14.ва	0а.00.с2.8а.25.ва
4	0а.00.с2.9а.16.ва	0а.00.с2.аа.17.ва	0а.00.с2.32.ва.ва
5	0а.00.с2.са.19.ва	0а.00.с2.32.dа.вв	00.а0.0с.23.еа.вв
6	0а.00.с2.32.аf.ав	0а.00.00.02.32.с1	0а.а0.0с.23.в2.ас
7	0а.00.с2.32.в3.аd	0а..00.с2.в3.ае	0а.00.с2.32.в3.аf
8	0а.00.с2.32.е0.00	0а.00.с2.32.е1.00	0а.00.с2.32.е2.00
9	оа.00.с2.32. е3.00	оа.00.с2.32.е4.00	оа.00.с2.32.е5.00

8. ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

8.1 Обязательная литература.


8.1.1 Тодд Леммл, Кевин Хейлз. Настройка коммутаторов Cisco. Учебное руководство. М.: Издательство "Лори", 2002г.

8.1.2 Тодд Леммл. Cisco Certified Network Associate. Учебное руководство.

8.1.3. Второе изданиие. М.: Издательство " Лори", 2002г.


8.2. Дополнительная литература


8.2.1 Руководство по технологиям объединенных сетей. 3-е издание М.: Издательский дом "Вильямс ", 2002г.


8.3 Компьютерные программы


1.Программый эмулятор компъютерных сетей фирмы BOSON.

8.4 Аппаратное обеспечение


1. Комплект аппаратуры фирмы CISCO по программе CNA (сетевая академия CISCO CCNA/CCNP)


Пример решения контрольной задачи



На рис.1 все три коммутатора имеют одинаковый приоритет равный 32768. Особое внимание следует обратить на MAC- адрес каждого коммутатора. По приоритету и MAC-адресам требуется определить корневой мост.

Поскольку коммутатор 1900А имеет наименьший MAC-адрес, то, хотя все три коммутатора имеют стандартный приоритет, корневым мостом станет 1900А.

Для определения корневых портов на коммутаторе на коммутаторе 1900В и 1900С нужно сравнить стоимость каналов, соединяющих коммутаторы. Соединение от обоих коммутаторов к корневому коммутатору проходит от порта 0 пл каналу 100 Мбит/сек, следовательно, он имеет оптимальную стоимость и корневым портом обоих коммутаторов будет порт 0.

Для того, чтобы определить назначенные порты на коммутаторах, требуется использовать код моста. Все порты корневого всегда назначенные. Но так и коммутатор 1900В, и коммутатор 1900С имеют одинаковую стоимость пути до корневого моста, назначенный порт будет на коммутаторе 1900В, потому что он имеет наименьший код моста. Поскольку назначенный порт был определен коммутатору 1900В, коммутатор 1900С переведет порт 1 в блокированное состояние, чтобы не допустить сетевой петли.


МАТЕРИАЛЫ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ


Популярность коммутаторов обусловлена прежде всего тем, что они позволяют за счет сегментации повысить производительность сети. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность создавать логические сети и легко перегруппировывать устройства в них. Иными словами, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети.

В 1994 году компания IDC дала свое определение коммутатора локальных сетей: “ коммутатор – это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование локальной сети, а также выделить полосу пропускания конечными станциям в сети”.

Впервые коммутаторы появились в конце 80-х годов. Первые коммутаторы использовались для перераспределения пропускной способности и, соответственно, повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально применялись исключительно для сегментации сети. В наше время произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы используются для прямого подключения к конечным станциям.

Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между пользователями и приложениями. Несмотря на то что первоначальная стоимость была довольно высока, тем не менее они были значительно дешевле и проще в настройке и использовании, чем маршрутизаторы. Широкое распространение коммутаторов на уровне рабочих групп можно объяснить тем, что коммутаторы позволяют повысить отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных пользователей.

Общий термин “коммутация ”применяется для четырех различных технологий:

• Конфигурационной коммутации;
  
• Коммутации кадров;
  
• Коммутации ячеек;
  
• Преобразования между кадрами и ячейками.
  

В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие может программно настраиваться при подключении или перемещении пользователей в сети.

При коммутации кадров используются кадров сетей Ethernet, Token Ring и т.д. Кадр при поступлении в сеть обрабатывается первым коммутатором на его пути. Под термином обработка понимается вся совокупность действий, производимых коммутатором для определения своего выходного порта, на который необходимо направить данный кадр. После обработки он передается далее по сети следующему коммутатору или непосредственно получателю.

В технологии АТМ также применяется коммутация, но в ней единицы коммутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т.д. непосредственно взаимодействовать с устройствами АТМ. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.

Коммутаторы можно разделить на четыре категории:

1. Простые автономные коммутаторы сетей рабочих групп позволяют некоторым сетевым устройствам или сегментам обмениваться информацией с максимальной для данной кабельной системы скоростью. Они могут выполнять роль мостов для связи с другими сетевыми сегментами, но не транслируют протоколы и не обеспечивают повышенную пропускную способность с отдельными выделенными устройствами, такими как серверы.

2. Коммутаторы рабочих групп второй категории обеспечивают высоко скоростную связь одного или нескольких портов с сервером или базовой станцией.

3. Третью категорию составляют коммутаторы сети отдела предприятия, которые часто используются для взаимодействия сетей рабочих групп. Они представляют более широкие возможности администрирования и повышения производительности сети. Такие устройства поддерживают древовидную архитектуру связей, которая используется для передачи информации по резервным каналам и фильтрации пакетов. Физически такие коммутаторы поддерживают резервные источники питания и позволяют оперативно менять модули.

4. Последняя категория – это коммутаторы сети масштаба предприятия, выполняющие диспетчеризацию трафика, определяя наиболее эффективный маршрут. Они могут поддерживать большое количество логических соединений сети. Многие производители корпоративных коммутаторов предлагают в составе своих изделий модули АТМ. Эти коммутаторы осуществляют трансляцию протоколов Ethernet в протоколы АТМ.

Технология конфигурационной коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году. Эта технология основана на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и применении коммутаторов, позволяющих передавать пакеты одновременно между всеми парами портов. Новшество заключалось в параллельной обработке поступающих кадров.

В этом коммутаторе системный модуль поддерживает общую адресную таблицу коммутатора. Коммутационная матрица отвечает за пересылку кадров между портами. Каждый порт имеет свой процессор кадров. При поступлении кадра в один из портов его процессор отправляет в буфер несколько первых байт кадра для того, чтобы прочитать адрес назначения. После определения адреса процессор принимает решение о передаче кадра, не анализируя остальные его байты. Чтобы определить, куда передавать кадр, используется адресная таблица. Если данный адрес записан в таблице, выбирается соответствующий выходной порт. Выбор порта и формирование соединения производится коммутационной матрицей. Если такого адреса нет, он записывается в новой строке адресной таблицы, а кадр передается методом широковещания через все порты, за исключением принявшего.

Наиболее часто используются три типа функциональной структуры коммутаторов:

• С коммутационной матрицей;
  
• С общей шиной;
  
• С разделяемой многовходовой памятью.
  

Коммутаторы с коммуникационной матрицей за счет параллельной обработки быстро осуществляют взаимодействие портов. Однако число портов ограничено, так как сложность реализации коммутатора возрастает пропорционально квадрату числа портов. Матрица может быть реализована на разных комбинационных схемах, но в любом случае в ее основе лежит технология коммутации физических каналов. Основным недостатком является невозможность буферизации данных внутри самой матрицы.

В коммутаторах с общей шиной используется высокоскоростная шина, предназначенная для связи процессоров портов. Связь портов через шину осуществляется в режиме разделения времени. В данном случае высокоскоростная шина играет пассивную роль. Активными являются специализированные процессоры портов. Для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть в несколько раз выше скорости поступления данных на входные порты. Для уменьшения задержек при передаче кадр должен передаваться по шине небольшими частями. Размер этих частей определяется производителем коммутатора. Шина, так же, как и коммутационная матрица не может осуществлять промежуточную буферизацию.

Третий тип коммутатора – коммутаторы с разделяемой многовходовой памятью.

Входные блоки процессоров портов соединяются через переключатели входа с разделяемой памятью, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с памятью через переключатели выхода. Переключением входа и выхода разделяемой памяти заведует блок управления портами. Этот юлок организует в разделяемой памяти несколько очередей данных – по одной для каждого выходного порта. Выходные блоки процессоров передают блоку управления запросы на запись данных в очередь порта, который соответствует адресу назначения пакета. Блок управления портами по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей блок управления производит поочередное подключение выхода разделяемой многовходовой памяти к выходным портам и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.

Каждая из описанных архитектур имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому часто в функционально сложных коммутаторах комбинируются различные архитектуры.

Производители коммутаторов применяют в своих изделиях различные алгоритмы управления потоком кадров для предотвращения потерь кадров при перегрузках в сети. Потеря даже небольшого количества кадров обычно резко снижает полезную производительность сети. Поэтому при возникновении перегрузки разумно было бы снизить интенсивность поступления кадров от конечных узлов к коммутатору. Для замедления потока в распоряжении коммутатора должен быть механизм снижения интенсивности трафика подключенных к его портам узлов. Существуют два таких механизма:

• Агрессивное поведение порта;
  
• Метод обратного давления.
  

Порт коммутатора для захвата среды должен “вести себя агрессивно” и при передаче, и при коллизии в сети (для Ethernet).

В первом случае коммутатор оканчивает передачу очередного кадра и делает технологическую паузу в 9.1 мкс вместо положенной паузы в 9.6 мкс. При этом компьютер, выждав паузу в 9.6 мкс, не может захватить среду передачи данных. После коллизии, когда кадры коммутатора и компьютера сталкиваются, компьютер делает стандартную паузу в 51.2 мкс, а коммутатор – в 50 мкс. И в этом случае среда передачи остается за коммутатором.

В основе второго метода – метода обратного давления – лежит передача фиктивных кадров компьютеру при отсутствии в буфере коммутатора кадров для передачи по данному порту. В этом случае коммутатор может не нарушать алгоритм доступа, однако интенсивность передачи кадров в коммутатор в среднем уменьшается вдвое. Метод обратного давления используется либо для разгрузки общего буфера, либо для разгрузки буфера процессора другого порта, в который передает свои кадры данный порт.

Известны три способа коммутации в локальных сетях:

• Коммутация “на лету” (cut-through);
  
• Бесфрагментная коммутация (fragment-free switching);
  
• Коммутация с буферизацией (store-and-forward switching).
  

Коммутация “на лету”

При коммутации “на лету” поступающий пакет данных передается на выходной порт сразу после считывания адреса назначения. Анализ всего пакета не осуществляется. А это означает, что могут быть пропущены пакеты с ошибками. Такой способ обеспечивает самую высокую скорость коммутации. Передача кадров происходит в следующей последовательности:

1. 
   Прием первых байтов кадра (включая байт адреса назначения);
   
2. Поиск адреса назначения в адресной таблице;
   
3. Построение матрицей коммутационного пути;
   
4. Прием остальных байтов кадра;
   
5. Пересылка всех байтов кадра выходному порту через коммутационную матрицу;
   
6. Получение доступа к среде передачи;
   
7. Передача кадра в сеть.
   

В этом случае коммутатор может выполнять проверку передаваемых кадров, но не может изъять неверные кадры из сети, так как часть из байт уже передана в сеть. Использование коммутации “на лету” дает значительный выигрыш в производительности, но за счет снижения надежности. В сетях с технологией обнаружения коллизий передача искаженных кадров может привести к нарушению целостности данных.

Коммутация с буферизацией

При коммутации с буферизацией входной пакет принимается полностью, потом он проверяется на наличие ошибок (проверка производится по контрольной сумме) и только, если ошибки не были обнаружены, пакет передается на выходной порт. Этот способ гарантирует полную фильтрацию ошибочных пакетов, однако за счет снижения пропускной способности коммутатора по сравнению с коммутацией “на лету”.

Бесфрагментная коммутация

Бесфрагментная коммутация занимает промежуточное положение между этими двумя способами: в ней буферизуются только первые 64 байта пакета. Если на этом пакет заканчивается, коммутатор проверяет наличие в нем ошибок по контрольной сумме. Если же пакет оказывается длиннее, он передается на выходной порт без проверки.

На разных портах коммутатора ошибки могут возникать с разной интенсивностью. В связи с этим очень полезно иметь возможность выбора способа коммутации. Такая технология получила название адаптивной коммутации. Технология адаптивной коммутации позволяет устанавливать для каждого порта тот режим работы, который оптимален именно для него. Вначале коммутация на портах осуществляется “на лету”, затем те порты, на которых возникает много ошибок, переводятся в режим бесфрагментной коммутации. Если же и после этого число неотфильтрованных пакетов с ошибками остается большим (что вполне вероятно, если по сети передается много пакетов длиной более 64 байт), порт переводится в режим коммутации с буферизацией.

Споры о преимуществах коммутации “на лету” над коммутацией с промежуточной буферизацией не прекращаются. В каких-то случаях администратор сети сам выбирает используемый способ работы, в каких-то – коммутатор самостоятельно меняет режимы в зависимости от условий в сети. Одни фирмы позволяют администраторам сети конфигурировать коммутатор так, чтобы каждый порт работал в своем режиме; другие требуют, чтобы все порты коммутатора работали в одном режиме.

Инженерами фирмы 3Com разработан набор интегральных схем ASIC, которые обладают широкими функциональными возможностями по управлению потоком данных. Каждый порт коммутатора, построенного на базе микросхемы ASIC, имеет собственный буфер с большой памятью, благодаря чему удалось решить проблему потери кадров. Создана также гибридная микросхема ASIC, в которой быстрота сквозной обработки сочетается с надежностью промежуточной буферизации.

Предложена технология, которая позволяет распределить обработку кадров между микросхемами ASIC, на которых построены порты. Обработка с привязкой к порту обеспечивает фильтрацию искаженных кадров на аппаратном уровне в пределах одной микросхемы.

Некоторые микросхемы поддерживают протоколы SNMP и удаленный мониторинг RMON. Протокол SNMP обеспечивает централизованный контроль. Так как перегрузка процессоров портов или других элементов коммутатора может привести к потере кадров, наблюдение за распределением трафика в сети, построенной на коммутаторах, очень важно.

Более надежным способом слежения за трафиком, проходящим через порты коммутатора, является использование агентов RMON. Они собирают детальную информацию об интенсивности трафика, испорченных кадрах, потерянных кадрах и т.д.


Дополнительные функции коммутаторов

Коммутатор представляет собой сложное устройство, имеющее один или несколько процессорных модулей и, естественно, может выполнять, помимо основной задачи по передаче кадров из порта в порт, некоторые дополнительные функции. К ним относятся:

• Трансляция протоколов канального уровня;
  
• Поддержка протокола Spanning Tree;
  
• Фильтрация кадров;
  
• Использование различных классов сервиса;
  
• Поддержка виртуальных сетей.
  

Коммутаторы могут выполнять трансляции одного протокола канального уровня в другой, например, Ethernet в FDDI, Fast Ethernet в Token Ring и т.д.

Протокол STP (Spanning Tree Protocol – протокол остовного дерева) разработан для устранения логических и физических петель из сетей, построенных на базе мостов, поскольку все базовые функции коммутатора работают только при их полном отсутствии. Протокол также предусматривает возможность автоматической переконфигурации сетевой топологии в случае обрывов линий или возникновения аппаратных ошибок. Применение протокола STP в корпоративных сетях позволяет создавать большие и сложные сети на коммутаторах (их называют плоскими сетями), на опасаясь широковещательного шторма. Кроме того, реализуется только один путь передачи данных между любыми двумя точками, что

• Гарантирует доставку любых данных в том порядке, в котором они были посланы;
  
• Предотвращает размножение широковещательных пакетов;
  
• Устраняет их бесконечную циркуляцию;
  
• Запрещает распространение пакетов с неизвестным адресом назначения.
  

Протокол STP используется, главным образом в сетях, где основным требованием является надежность передачи данных.

Многие коммутаторы наряду со стандартной фильтрацией в соответствии с адресной таблицей позволяют администраторам задавать дополнительные условия фильтрации кадров. Пользовательские фильтры предназначены для создания дополнительных барьеров, которые ограничивают доступ определенных пользователей к некоторым сервисам сети.

Использование классов сервиса позволяет администратору назначить различным типам кадров приоритеты их обработки. При этом коммутатор поддерживает несколько очередей необработанных кадров, а сами очереди могут иметь различные приоритеты. Так как не все протоколы канального уровня поддерживают механизм определения приоритета кадра, разработан метод приписывания приоритетов портам коммутатора. При таком подходе коммутатор помещает кадр в очередь с определенным приоритетом в зависимости от того, через какой порт поступил этот кадр. Более гибким является назначение приоритетов МАС-адресам узлов.

Коммутатор позволяет локализовать потоки информации в сети и управлять ими, то есть создавать и поддерживать особые условия фильтрации. Одним из очень популярных видов специальных фильтров являются фильтры, создающие виртуальные сети. Виртуальной сетью (в данном контексте) называется группа узлов в сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, полностью изолирован от других узлов сети.

Внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, а для передачи кадров между виртуальными сетями могут применяться маршрутизаторы. При использовании виртуальных сетей с коммутаторами одновременно решаются две задачи:

• Повышение производительности виртуальной сети, так как коммутатор передает кадры только узлу назначения (это возможно, если узлы подключаются непосредственно к портам коммутатора);
  
• Изоляция виртуальных сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных “штормов”.
  

При всем разнообразии структурных схем сетей, построенных на основе коммутаторов, в них используются всего две базовые схемы: стянутая в точку магистраль и распределенная магистраль.

Стянутая в точку магистраль получила свое название из-за того, что внутренняя магистраль коммутатора объединяет все компоненты такой сети. Преимущество такой схемы – высокая производительность внутренней магистрали (до нескольких Гбит/с). Еще одним достоинством такой схемы является ее независимость от протоколов сетевого уровня эталонной модели OSI.

При необходимости распространения сети по большой территории можно воспользоваться другой базовой схемой – сетью с распределенной магистралью. Примером служит двойное кольцо FDDI, к которому подключены коммутаторы рабочих групп. Сеть с распределенной магистралью упрощает связь между рабочими группами, сокращает стоимость кабельной системы и допускает разнесение узлов на большие расстояния. Недостатком является существенно меньшая скорость по сравнению с сетью со стянутой в точку магистралью.

По конструктивному исполнению коммутаторы делятся на три группы:

• Автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;
  
• Модульные коммутаторы на основе шасси;
  
• Коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.
  

Коммутаторы первой группы обычно предназначены для небольших рабочих групп.

Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего используются на магистрали сети. Модули такого коммутатора допускают замену блоков без выключения коммутатора.

Стековые коммутаторы представляют собой множество коммутаторов, которые могут работать автономно, так как выполнены в отдельных корпусах, но имеют специальный интерфейс (высокоскоростную шину), который позволяет объединить их в одну систему – единый коммутатор.

Интеграция коммутации и маршрутизации

Маршрутизатор выполняет две основные функции: он вычисляет маршрут и передает (продвигает) пакет.

Первая (и основная) функция позволяет определять оптимальные маршруты передачи данных через распределенную сеть. Маршрутизатор справляется с этой своей обязанностью совместно с одним из протоколов маршрутизации. Маршрутизаторы, участвующие в выборе оптимального маршрута, обмениваются информацией о сетевой топологии с помощью протоколов маршрутизации. Именно они помогают принять оптимальное решение о передаче трафика между двумя точками в распределенной сети. Приняв определенное решение, маршрутизатор пересылает пакеты следующему маршрутизатору на выбранном пути.

Вторая функция маршрутизатора отвечает за обработку входящего трафика и последующую передачу его на определенный порт.

Обе функции обычно реализуются маршрутизатором с помощью специального программного обеспечения, которое по функциональной насыщенности лишь незначительно уступает операционным системам. Что и отражается в названии — например, на многих маршрутизаторах фирмы Cisco устанавливается Cisco IOS. С другой стороны, такое многообразие обязанностей маршрутизатора и сложность его программного обеспечения неизбежно приводит к определенным задержкам при обработке трафика.

Современные распределенные сети с новым характером трафика очень критичны ко всем видам задержек. Такие сети требуют применения новых маршрутизаторов с минимальными задержками при обработке и очень высокой производительностью.

Существует два способа повышения производительности маршрутизации: использование высокоскоростных аппаратных маршрутизаторов и применение технологий коммутации третьего уровня.

Если предположить, что маршрутизация реализуются с помощью программного обеспечения, работающего на традиционных процессорах, то максимальная пропускная способность маршрутизатора составит сотни тысяч пакетов в секунду, и задержка будет относительно высока. Такая производительность более чем достаточна, когда маршрутизатор используется для работы с низкоскоростными каналами связи. Однако при организации взаимодействия в локальных сетях масштаба предприятия традиционные программные маршрутизаторы становятся узким местом в сети, так как им приходится обрабатывать огромное число пакетов (чем быстрее канал связи, тем большое число пакетов приходит на маршрутизатор в единицу времени). Эти ограничения становятся достаточно заметными уже для сетей Fast Ethernet.

же специальные решения, например Cisco NetFlow, которые призваны уменьшить количество процессов, задействованных при обработке одного пакета, не устраняют полностью проблемы повышения производительности.

Новое поколение маршрутизаторов призвано устранить основные ограничения старых маршрутизаторов. Такие маршрутизаторы часто называются аппаратными. Они работают на скорости, соотносимой по порядку величины со скоростью канала связи (wire speed router). В этом случае производительность сети определяется не скоростью работы маршрутизатора, а пропускной способностью канала связи — маршрутизатор перестает быть узким местом.

Используя современные разработки, некоторые производители маршрутизаторов, такие как фирма Foundry Networks, разработали устройства нового поколения, которые могут маршрутизировать IP-трафик со скоростью, соотносимой со скоростью каналов связи (даже если речь идет о Gigabit Ethernet), и с задержкой, характерной для коммутаторов.

Фирма Cisco разрабатывает маршрутизатор, известный под названием BFR (Big Fast Router), который может обрабатывать трафик со скоростью 80 Гбит/с. Данный маршрутизатор может посостязаться в пропускной способности с большинством коммутаторов. Однако необходимо учитывать, что его не планируется использовать в локальных сетях.

Использование аппаратной маршрутизации повышает производительность маршрутизатора до 7-11 миллионов пакетов в секунду. В старых маршрутизаторах эта величина составляет менее 1 миллиона пакетов в секунду. В результате аппаратные и алгоритмические новшества, применяемые в маршрутизаторах, позволяют сократить время задержки при обработке пакетов до 10 мкс — даже на гигабитных скоростях. Такое значительное снижение задержки приводит к выравниванию времени обработки ячеек в сетях АТМ с временем обработки кадров в традиционных сетях, расширенных по технологии Gigabit Ethernet.

Аппаратный маршрутизатор может устанавливаться в сети как просто очень мощный коммутатор, хотя, в отличие от последнего, маршрутизатор, естественно, может осуществлять маршрутизацию пакетов протокола IP. В результате на новых устройствах коммутация и маршрутизация осуществляются со скоростью канала связи (вплоть до гигабитных скоростей) при микросекундной задержке.

Аппаратные маршрутизаторы исключают снижение производительности, ассоциировавшееся ранее с обработкой трафика между подсетями. Как следствие, они значительно упрощают сетевое планирование и дают неоспоримые преимущества менеджерам по информационным технологиям.

Так как эти устройства не вводят в сеть новые протоколы, они легко и просто интегрируются в существующую сетевую инфраструктуру. Демонстрируя замечательную гибкость, аппаратный маршрутизатор может функционировать, с одной стороны, как высокопроизводительный коммутатор, а с другой стороны, после определенной настройки он может повысить скорость обработки IP-трафика и снизить нагрузку на существующий сетевой маршрутизатор.

Широко распространенной практикой при проектировании сети является стремление избежать маршрутизируемых участков с их значительной задержкой. Например, серверы организаций часто включаются (именно с этой целью) в ту же подсеть протокола IP, что и их первичные клиенты. Однако когда сервер расположен в центре данных, а не в рабочей группе, требуется дополнительный коммутатор и вертикальные каналы связи. При использовании аппаратных маршрутизаторов нет необходимости избегать маршрутизируемых участков и подобные проблемы отпадают.

Аппаратные маршрутизаторы могут работать в сетях совместно с традиционными маршрутизаторами, так как они также поддерживают протоколы маршрутизации, в основном RIP или OSPF. При этом возможна постепенная замена в сетях традиционных маршрутизаторов на маршрутизаторы нового поколения. Более того, аппаратные маршрутизаторы могут рассматриваться в качестве “соседей” при работе протоколов маршрутизации. Многие из современных аппаратных маршрутизаторов поддерживают протокол резервирования ресурсов RSVP.

Новое поколение аппаратных маршрутизаторов обеспечивает групповую передачу информации по протоколу IP, поддерживая групповые протоколы маршрутизации, такие как DVMRP, PIM, MOSPF и сопутствующий им протокол IGMP. Реализация групповой передачи позволяет маршрутизаторам интеллектуально поддерживать приложения, обеспечивающие передачу аудио и видеоинформации.

Протоколы групповой маршрутизации служат для построения деревьев доставки до каждого члена группы, а сопутствующие протоколы, такие как IGMP, используются конечными станциями для регистрации получателей в определенной группе. Это позволяет маршрутизаторам передавать групповые пакеты только на те свои порты, на которых были зарегистрированы получатели.

Большинство аппаратных маршрутизаторов могут работать только с протоколом IP. Однако в последнее время появляются аппаратные маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPX. Все аппаратные маршрутизаторы предоставляют функции многопортового моста на втором уровне с поддержкой немаршрутизируемых протоколов, таких как NetBIOS, DEC LAT и др. Функции моста выполняются с той же производительностью, что и при маршрутизации.

Большинство аппаратных маршрутизаторов, например, маршрутизаторы фирм Foundry Networks и Bay Networks, поддерживают интерфейсы только локальных сетей и предназначены для работы в сетях масштаба предприятия. Эти устройства не обладают совместимостью с глобальными сетями. Они не поддерживают WAN-интерфейсы, протоколы политики маршрутизации (EGP, BGP) и таблицы маршрутизации больших размеров.

Существуют аппаратные маршрутизаторы, например маршрутизатор Cisco 12000/GSR (Gigabit Switch Router), которые имеют интерфейсы для глобальных сетей. Эти маршрутизаторы предназначены для использования провайдерами услуг Internet. Такие устройства могут поддерживать высокоскоростные интерфейсы (ОС-3 и ОС-12), но стоят дороже и настраиваются сложнее, что, впрочем, неудивительно. Поэтому, ввиду относительно высокой стоимости, они менее подходят для использования в небольших распределенных сетях.

Аппаратные маршрутизаторы, так же, как и коммутаторы, состоят из нескольких основных компонентов: память, интерфейсные микросхемы, источники питания и т. д. Основные узлы этих маршрутизаторов реализованы на микросхемах ASIC. То есть используется та же стандартная технология, которая применяется и при создании коммутаторов. Как результат, стоимость аппаратного маршрутизатора ненамного отличается от стоимости коммутатора. Поэтому вскоре при построении сети можно будет использовать только аппаратные маршрутизаторы. Применение аппаратных маршрутизаторов снимет большинство проблем, возникающих при использовании коммутаторов.

на аппаратных маршрутизаторах предоставит максимум контроля за трафиком, повышенную масштабируемость, безопасность (например, с помощью фильтрации пакетов по всей сети т. д. Небольшие подсети устранят необходимость создания виртуальных сетей

Однако при использовании аппаратных маршрутизаторов, построенных на специализированных микросхемах ASIC, остаются некоторые ограничения. Такие маршрутизаторы не решают всех проблем сети. Одним из ограничений аппаратных маршрутизаторов является неполная поддержка протоколов сетевого уровня, то есть эти устройства пригодны сегодня для использования исключительно в “чистых” сетях (в которых работает, например, только протокол IP или только IPX). Другим недостатком аппаратных маршрутизаторов является то, что не устранена необходимость в их административном управлении.

В большинстве случаев выбор аппаратного маршрутизатора производится согласно тем же принципам, что и выбор традиционного маршрутизатора. Основными моментами, на которые нужно обратить внимание, являются:

• Поддерживаемые интерфейсы. Аппаратные маршрутизаторы обычно поддерживают различные интерфейсы: 10/100 Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM. В качестве среды передачи информации может использоваться как витая пара, так и оптоволоконный кабель. При определении интерфейсов нужно четко представлять, для какой цели и в каком месте сети будут устанавливаться аппаратные маршрутизаторы.
  
• Поддерживаемые протоколы. Все аппаратные маршрутизаторы поддерживают маршрутизацию протокола IP. Однако не все маршрутизаторы поддерживают протоколы, обеспечивающие маршрутизацию на магистральном уровне. Важно точно представлять, какие протоколы поддерживаются конкретным маршрутизатором: протоколы сетевого уровня, протоколы маршрутизации (OSPF, RIP и т. д.), протоколы групповой маршрутизации (DVMRP, MOSPF, PIM). Необходимо учитывать и дополнительные возможности, которые помогают в администрировании сети, например, передачу запросов DHCP и RARP (Reverse ARP). Понимание того, какие протоколы будут использоваться в сети, является необходимым условием для правильного выбора аппаратного маршрутизатора.
  
• Производительность. Естественно, новое поколение аппаратных маршрутизаторов служит для повышения скорости маршрутизации трафика. Производители приводят данные, согласно которым скорость аппаратных маршрутизаторов достигает 7-11 миллионов пакетов в секунду, а будущие модели смогут удвоить эту величину. Однако важно понять, при каких условиях достигается данная скорость, так как не все сети имеют одинаковый характер трафика. Факторы, которые влияют на производительность аппаратных маршрутизаторов, это: поддержка группового трафика, резервирование пропускной способности каналов связи по протоколу RSVP и т. д. Реализация каждой из этих функций может потребовать дополнительной обработки пакетов. Поэтому самым правильным шагом является анализ статистики работы маршрутизатора при различном характере трафика, так как маршрутизатор должен поддерживать заданную производительность в различных средах с минимальными отклонениями.
  
• Плотность интерфейсов. Аппаратные маршрутизаторы отличаются также по числу поддерживаемых интерфейсов. Аппаратные маршрутизаторы могут быть технически реализованы как в виде шасси, так и в виде стека маршрутизаторов в одной стойке. Число слотов и число интерфейсов на одном слоте являются достаточно важными характеристиками маршрутизатора, так как они определяют масштабируемость устройства. Сейчас большинство маршрутизаторов поддерживают большое число интерфейсов Fast Ethernet и небольшое количество интерфейсов Gigabit Ethernet (обычно, около двух). Кроме того, важно учесть наличие функций повышения надежности. Например, возможность замены вышедших из строя слотов в “горячем” режиме. Количество поддерживаемых интерфейсов влияет на число маршрутизаторов, требующихся в сети и, в конечном счете, на ее стоимость.
  

• между двумя любыми станциями в сети может быть не более семи коммутаторов.
  

В заключение необходимо отметить, что протокол STP разработан довольно давно. Однако, как показала практика использования данного протокола, он не потерял актуальность и в настоящее время. Подтверждением этому может служить включение его поддержки в такой современной области применения коммутаторов, как построение виртуальных сетей. Применение протокола носит узкий характер, в основном он используется в тех сетях, где требования к надежности передачи данных и сохранению информации являются основополагающими.

Литература


1. Тодд Леммл, Кевин Хейлз. Настройка коммутаторов Cisco. Учебное руководство. М.: Издательство "Лори", 2002г.

2. Тодд Леммл. Cisco Certified Network Associate. Учебное руководство.

3. Второе изданиие. М.: Издательство " Лори", 2002г.

4. Руководство по технологиям объединенных сетей. 3-е издание М.: Издательский дом "Вильямс ", 2002г.