Мости з визначенням шляху за запитом джерела

Альтернативою для прозорих мостів, які використовують у мере­жах Ethernet, є мости з визначенням шляху за запитом джерела (Source

Routing), що їх застосовують у мережах Token Ring (рис. 8.3). Згідно з цим алгоритмом головні функції маршрутизації виконують не мости, а станції. Відправник кадру повинен знати, що одержувач перебуває в іншій мережі (у цьому випадку старший біт адреси дорівнює 1). Крім того, у заголовку кадру записано весь шлях, що його повинен пройти кадр. Кожна станція має унікальний 12-бітовий, а міст - 4-бітовий но­мер, за яким його можна однозначно ідентифікувати в межах конкрет­ної мережі. Це означає, що номери мостів, сполучених з конкретним кільцем TR, унікальні. Шлях є послідовністю номерів: міст, мережа, міст, мережа, міст, мережа і т. д.

Міст Token Ring опрацьовує тільки ті кадри, у яких старший біт ад­реси дорівнює 1. Функція мосту полягає в опрацюванні послідовності номерів шляху. Якщо станція-відправник не знає шляху до одержува­ча, то вона надсилає розшуковий кадр (discovery frame). Цей кадр пере­дають усі мости у мережі, і він зрештою потрапляє до всіх станцій. Відповідь також розсилається циркулярне, кожен міст на шляху кадру записує в нього інформацію про час руху кадру та про себе. Завдяки цьому, станція, що передала розшуковий кадр, має змогу проаналізувати одержану інформацію та вибрати оптимальний шлях, який кешується у відправника. Суттєвим недоліком алгоритму мосту Token Ring є екс-поненційне збільшення завантаженості мережі розшуковими кадрами.

Наприклад, якщо в мережі є N мереж, а між кожною парою мереж по -три мости, то загальна кількість розшукових кадрів З^"¹.

Прозорі мости, невидимі для робочих станцій, не потребують їхньо­го додаткового завантаження. У мережі Token Ring станції повинні мати інформацію про наявність мостів та активно співпрацювати з ними, уведення нового мосту потребує переконфігурування програмного за­безпечення станцій. Зі зміною топології мережі прозорі мости пере-конфігуровуються автоматично, а з мостами Token Ring це треба ро­бити вручну. У цьому випадку можливі помилки (наприклад, дублю­вання номерів) виявити важко. Однак теоретичною перевагою мостів Token Ring є змога використовувати оптимальний шлях пересилання кадрів, тоді як у мережах Ethernet цей шлях обмежено деревом. Різни­ми є і реагування на аварії. У мережі з прозорими мостами про вихід компоненти з ладу мости дізнаються швидко і відбувається пере­конфігурування залишкового дерева. Якщо ж вийде з ладу один з мостів Token Ring, то відправник інформації вчасно не одержить підтвердження. Він ще декілька разів спробує передати інформацію І тільки після цього відішле розшуковий кадр. Таку ж процедуру вико­нають інші станції, що передавали інформацію через несправний міст Недоліком прозорих мостів є циркулярне передавання кадрів у разі коли нема зворотних передавань від одержувача, а недоліком мостів Token Ring - експоненціальне збільшення кількості розшукових кадрів у скла­дних мережах. Крім того, навряд чи доцільно додатково завантажува­ти станцію функціями мосту. Якщо ж врахувати велику кількість стан­цій та сумарні задіяні ресурси, то цифра виявиться значно більшою, ніж у випадку реалізації тих же функцій у кількох мостах.

Стандарти мостів

Підкомітет IEEE 801.Id не визначив єдиного стандарту для мостів між локальними мережами, тому прийнято два несумісні стандарти. Згодом обидва методи організації мостів об'єднали в єдиному стандарті Source Routing Transparent. Такий міст може одночасно працювати і як прозорий міст, так і міст із запитом від джерела.

З наведеного вище можна зробити такі висновки:

^> міст дає змогу не обмежувати кількість сегментів у локальній ме­режі та загальний час поширення сигналу;

^> за допомогою мосту можна сполучити декілька мереж;різного типабо зрізними середовищами передавання;

^> міст, як комутатор, дає змогу реалізувати технологію комутації

локальних мереж з усіма її перевагами;

Ч> міст надає адміністратору додаткові засоби для фільтрування потоку міме групами станцій, що підвищує загальну безпеку системи.

8.4. Маршрутизатори

І

& Маршрутизатори (routers) — це апаратно-програмні пристрої, які дають змогу сполучати різні локальні мережі та виконують, як і мости, функцію фільтрації інформаційних потоків.

Однак на відміну від мостів, фільтрація в них виконується на мере­жевому рівні. Кожен порт маршрутизатора має свою канальну та мере­жеву адреси, як і робоча станція. Станція, яка хоче передати пакет у зовнішню локальну мережу, формує кадр з адресою порту маршрути­затора і надсилає його. Тому маршрутизатор опрацьовує не весь інфо­рмаційний потік у мережі, а тільки кадри, що адресовані безпосередньо йому. Він відкидає адресну інформацію канального рівня і далі працює з пакетом мережевого рівня, аналізуючи мережеву адресу. На підставі мережевої адреси і внутрішніх таблиць маршрутизатора пакет буде спря­мовано через інший порт до наступного вузла мережі за оптимальним маршрутом. У цьому випадку формується кадр нової мережі.

Маршрутизатори бувають Астатичними та > динамічними. Стати­чні маршрутизатори мають постійні таблиці маршрутизації. У динамі­чних же висновок про шлях спрямування роблять на підставі інформа­ції про відносну ефективність та надійність окремих шляхів. Маршру­тизатори ефективніше використовують канали зв'язку, проте складні­ші та дорожчі порівняно з мостами. Вони, як звичайно, спричинюють більшу затримку під час передавання даних, ніж мости та комутатори.

Зважаючи на порівняно високу вартість маршрутизаторів та кому-tatopis, велику затримку, яку спричинюють маршрутизатори, функції маршрутизації та комутації часто виконує один пристрій.

Шлюзи

І

ЬШлюз (gateway) - це машина або порт колективного доступу, який об'єднує кілька мереж, або його використовують для приєд­нання мережі до великого комп 'ютера (mainfraime). к=^І

У цьому випадку, як звичайно, відбувається перетворення форматів даних. Тому шлюз працює з протоколами вищих рівнів (сеансовий, відображення, прикладний). Реалізація шлюзів значно дорожча, проте інтелектуальні можливості їхні значно більші порівняно з мостами і маршрутизаторами.

8.6. Сфери застосування мостів та маршрутизаторів

Відомо, що звичайна робоча станція в локальній мережі на каналь­ному рівні виконує функцію селекції інформації- вибирає з загального потоку кадрів ті, що адресовані їй. У цьому випадку вона порівнює МАС-адресу призначення в кадрі зі своєю адресою.

Міст також виконує селекцію інформації. Однак, на відміну від станції, він порівнює адресу призначення з усіма адресами станцій у своїх таблицях. Для прийняття адекватного рішення у цих таблицях повинні бути адреси всіх станцій локальної мережі. Зрозуміло, що з ускладненням мережі збільшується й обсяг таблиць. Комутатор, крім того, повинен пам'ятати таблиці щодо всіх своїх портів (інтерфейсів). Прозорий міст, аналізуючи адреси одночасно коректує свої таблиці. У випадку значного збільшення мережі, якщо мости не встигають аналізувати таблиці або виникло переповнення, вони переходять на радіальне передавання кадрів. Отже, мости та комутатори працюють в умовах великого завантаження.

Мости мають такі відмінності від маршрутизаторів:

•Ь не блокують циркулярні передавання. Якщо трапиться збій, то це може призвести до значного перевантаження мережі;

-Ь працюють з топологією залишкового дерева. У цьому випадку не використовувані резервні шляхи та комутатори;

•Ь не перетворюють протокольну інформацію мережевого рівня. З погляду цього рівня мережа з мостами - це одна мережа.

Маршрутизатори працюють на мережевому рівні. Це означає, що на канальному рівні у порті маршрутизатора відбувається селекція інформації. На мережевий рівень маршрутизатора надходить не весь потік інформації, а тільки безпосередньо адресований йому. Отже мар­шрутизатор порівняно з мостом значно менше завантажений. Марш­рутизатор також не зберігає інформацію про топологію всієї мережі, атільки автономної системи. У випадку невизначеної адреси пакет може бути спрямований до певного граничного маршрутизатора. Завдяки меншому навантаженню маршрутизатор може виконувати інтелектуальніші функції, пропонувати резервні канали та ін. Крім того, на відміну від мостів, маршрутизатори блокують циркулярні пакети, реалізують передавання пакетів кількома шляхами.

Отже, мости доцільно застосовувати у невеликих та середніх мережах. Зі збільшенням мереж доводиться використовувати маршрутизатори.

8.7. Тенденції'розвитку активних пристроїв

Загальною тенденцією розвитку активних пристроїв є перенесення функцій пристроїв, що працюють на вищих рівнях протоколу, у при­строї нижчих рівнів. У цьому випадку поліпшуються продуктивність та сервісні можливості таких пристроїв.

Наприклад, серед старших моделей виділяють сегментувальні концен­тратори, які здатні розділити свої порти на фіксовану кількість груп, кож­на з яких утворює єдиний домен колізій. Перепускна здатність такого кон­центратора збільшується порівняно з аналогічним без сегментації.

Провідною тенденцією розвитку комутаторів є збільшення їхніх можливостей шляхом виконання функцій маршрутизації та підтримки віртуальних локальних мереж. Комутація третього рівня дає змогу від­чутно збільшити перепускну здатність складних корпоративних мереж.

8.8. Багаторівнева комутація

У класичному розумінні схеми передавання даних у KM комутатори
працюють як багатопортові мости на канальному рівні протоколу. Вони
не виконують функцій маршрутизації. На мережевому рівні працюють
маршрутизатори. Як звичайно, маршрутизатори коштують дорожче і
спричинюють більшу затримку в передаванні, ніж комутатори. Така
схема добре працювала у мережах робочих груп, де сервер був у тій
самій локальній мережі, що й користувачі. В такій ситуації правильним
було емпіричне співвідношення розподілу потоків 80/20 (80 % інформа­
ції циркулює всередині мережі, а 20 % - іде назовні). Із запровадженням
систем, які реалізують концепцію розподілених обчислень, збільшен­
ням розміру мереж, можливостей роботи з багатьма віддаленими сер­
верами одночасно, роботою web-систем пропорція у розподілі потоків
докорінно змінилася. Можна сказати, що вона стала загалом неперед-
Ir-ml __^______________________________________________

бачуваною і залежить від комплексу завдань, які вирішують у системі, поведінки користувача. Частково цю проблему вирішують запрова­дженням комутації локальних мереж. Водночас великі міжмережеві потоки, висока вартість маршрутизаторів, значна затримка інформації в них зумовлюють потребу перенесення частини функції маршрутиза­ції у дешевші та швидкіші комутатори.

Комутація третього рівня

Технології, які реалізують функції мережевого рівня у комутаторах мають загальну назву "комутації третього рівня" (Layer 3 switching).

Першими пристроями, які можна вважати комутаторами з маршру­тизацією є продукти фірм Synernetics та Alan tec, які з'явилися на поча­тку 90-х років. Кожен кадр даних у них міг бути комутований або мар-шрутизований. Комутатор аналізував адреси відправника та одержу­вача. Якщо вони належали одній локальній мережі, то відбувалася ко­мутація кадру, в іншому випадку - маршрутизація.

Комутація четвертого рівня

Якщо виходити з еталонної моделі взаємодії відкритих систем, то під комутацією четвертого та вищих рівнів можна розуміти комутацію, у якій вирішення щодо переспрямування МАС-кадру грунтується на інформації з протоколів транспортного і вищих рівнів.

Термін комутація четвертого рівня запропонувала ввести фірма Alteon Networks. У комутаторах цієї фірми під час комутування кадрів брали до уваги не тільки МАС-адреси, а й адреси портів протоколів TCP, UDP. Аналізували також мережеві адреси й уживали заходів, щоб передавання одного сеансу відбувалося на один і той же сервер.

Такий комутатор називають ще балансувольником навантаження. Він дає змогу розділити потоки різних транспортних портів по різних серверах (наприклад, виділити потоки поштового сервера, або сервера СКБД Oracle, web- сервера). Для того, щоб балансувати навантаження декількох однакових служб (наприклад, ідентичних web-серверів), тре­ба приєднати ці сервери до різних портів і циклічно спрямовувати сеа­нси на різні сервери.

В інших комутаторах реалізовані функції відстежування ступеня заван­таженості кожного сервера, час обслуговування та ін. Загалом же, комута­тори четвертого рівня — це ціла родина функційно різних комутаторів.

Брандмауери

Одне з найпоширеніших застосувань комутаторів четвертого рівня -обмеження доступу та фільтрування потоку на підставі інформації з протоколів другого-четвертого рівнів. Як звичайно, така фільтрація відбувається на апаратному рівні і суттєво не впливає на швидкість роботи комутатора. Такі комутатори є простими міжмережевими ек­ранами (брандмауерами).

Якість обслуговування

Важливою додатковою функцією комутації четвертого рівня є керу­вання параметрами якості обслуговування. Рішення щодо присвоєння кадру пріоритету приймається на підставі аналізу номерів портів. Для кожного нового кадру комутатор визначає його використання прото­колом IP та виділяє інформацію з IP-пакета. Якщо це виконується, то відбувається аналіз номерів портів та наявність у комутаторі правил для них. Якщо правила діють, то задають пріоритет кадру. У цьому разі, якщо кадр буде передано отримувачу по локальній мережі, то пріо­ритет визначатиме канальний рівень (тег IEEE 802.1р), в іншому випад­ку - задають біти пріоритету в заголовку IP пакета.

Модифікатори трафіку

Подібні до попередньої категорії пристроїв модифікатори трафіку (shapers). Вони не змінюють пакетів і кадрів, натомість зчитують з них інформацію та використовують її для керування чергами на передаван­ня. Такі пристрої можуть запобігти перевантаженню комутатора од­ним з видів трафіку.

Інші функції

Інші функції багаторівневих комутаторів такі:

*і> трансляція пріоритетів. Відображення пріоритетів канального (IEEE 802.1р) та мережевого рівня (IP);

<3> збирання статистики протоколу RMON2 за даними четвертого рівня для подальшого аналізу потоків у розрізі застосувань.

Нові комутатори для роботи використовують не тільки інформацію четвертого рівня. Вони можуть детальніше проаналізувати зміст паке­та й прийняти рішення на підставі його наповнення (content aware). Наприклад, такі комутатори можуть розпізнавати URL та розподіля-

ти потік між декількома серверами, а також виділяти на окремий сер­вер потік IP-телефонії та ін. Отже, виникає змога більш ефективніше використовувати серверну техніку; порівняно з іншими пристроями збільшується інтелект.

Г?| ТЕСТИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Концентратори:

а) фільтрують інформаційні потоки;

б) ретранслюють потоки на всі вихідні порти;

в) перетворюють дані на канальному рівні;

г) підсилюють та виправляють форму сигналів;

д) ретранслюють кадри на всі порти, крім вхідного.

2. Який пристрій ви поставили би у центрі рзподіленої магістралі (ме­режа на 1000 користувачів з перспективою росту):

а)концентратор; д) комутатор;

б) комутатор третього рівня; е) маршрутизатор;

в) комутатор четвертого рівня; з) мультиплексор.

г) шлюз; ж) модем;

3. Запропонувати мережеве вирішення для об 'єднання в мережу п 'ят-
надцяти комп 'ютерів комп 'ютерного класу. Комп 'ютери розташовані в
одному приміщенні розміром 10 хбм.

4. Концентратори:

а) це пристрої, що збирають потік з декількох повільних ліній
для спрямування в одну лінію більшої пропускної здатності;

б) опрацьовують дані на канальному рівні;

в) кожен порт має окрему МА С-адресу;

г) це багатопортові повторювачі

5. Комутатора!

а) не Перевіряють правильність даних;

б) застосовуються у невеликих мережах;

в) дають більшу затримку порівняно з маршрутизаторами;

г) застосовуються у великих мережах;

д) дають меншу затримку порівняно з маршрутизаторами;

е) збільшують вислідну завантаженість мережі порівняно з кон­
центраторами ТЕМА 9

МЕРЕЖЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ "ОСТАННЬОЇ МИЛІ" ТА ДОМАШНІ МЕРЕЖІ

Спільною рисою наведених у цій темі технологій є їхнє застосування

для організації дешевих домашніх мереж (Small Office-Home Office (SOHO)) або ж для вирішення проблеми "останньої милі".

Як звичайно малі офіси та житлові будинки не мають заздалегідь прокладених кабелів, а видатки на прокладання структурованої кабе­льної системи є з тих чи інших причин неприйнятними. Такі мережі повинні бути простими й дешевими. Вони не повинні вимагати спеціа­льних знань для адміністрування. Крім того, сучасні домашні мережі потребують передавання мультимедійних потоків (мовлення та відео).

Одне із завдань, у разі проектування домашньої мережі - це забезпе­чення доступу до Internet, що передбачає вирішення проблеми "остан­ньої милі", тобто організацію приєднання домашньої мережі до облад­нання провайдера.

Є дві головні стратегії для приєднання домашніх абонентів:

*і> індивідуальне приєднання кожного абонента по двопунктовій лінії;

^> колективний доступ абонентів.

Індивідуальний доступ забезпечують з використанням технологій xDSL, комутованих модемних сполучень, та ін. За технологіями колек­тивного доступу в будинку встановлюють активне мережеве обладнан­ня, до якого приєднують комп'ютери користувачів і яке сполучають з апаратурою провайдера призначеною лінією. Вирішення колективно­го доступу дають змогу ефективніше використовувати канал доступу до провайдера.

Мережа Home PNA

Для організації домашньої мережі найдешевше було б використати
наявну телефонну мережу. Сьогодні в будинках телефонну мережу за
параметрами якості не можна сертифікувати навіть на третю категорію.
Такі мережі працюють за умов численних завад, змін у конфігурації,
її її____________________________________________________

І ЬНоте PNA - це економічно ефективне вирішення, для якого мо- I жна застосувати наявну телефонну мережу; воно є модифікацією \ мережі Ethernet.

Основа мережі Home PNA - технологія Home Run, розроблена ком­панією Tut Systems. У 1996 p. навколо цієї технології об'єдналися фір­ми, зацікавлені у її просуванні на ринок та розвитку, а саме: 3Com, Compaq, Hewlett- Packard, AMD, Intel, Motorola та ін.

Мережа Home PNA створена на базі Ethernet з використанням ме­тоду доступу МДКН/ВК (CSMA/CD). На фізичному рівні потрібно було забезпечити незалежність від чинних технологій (перш за все переда­вання мови (частотний діапазон - до 3,5 кГц), та DSL (діапазон 1,1 МГц)). Тому для технології Home PNA обрано діапазон 4-10 МГц.

Перша версія Home PNA 1.0 (1998 p.) забезпечувала швидкість 1 Mbps. У ній використано зіркову топологію з'єднань. Максимальна відстань від центра зірки становила 150 м. У Home PNA 1.1 збільшена потужність сигналу та відстань приєднання до 800 м. У перших версіях застосовано кодування PPM (Pulse Position Modulation), у якому для передавання одного символу потрібно 6 бітів.

Зі зміною вимог до домашніх мереж, появою інтелектуальних побу­тових пристроїв, виникла потреба у вдосконаленні Home PNA. В 1999 p. з'явилася нова версія Home PNA, яка визначала мережу шинної топо­логії. Базова перепускна здатність досягла 10 Мбіт/с, а максимальна -32 Мбіт/с. Довжина з'єднання - 350 м, однак зі зменшенням швидкості передавання до 3,5 Мбіт/с вдається забезпечити сполучення на відстань до 1 км. В одному сегменті може бути до 35 пристроїв.

Технологія Home PNA затверджена у рекомендації ITU-T G.989.1

Фізичний рівень Home PNA

На фізичному рівні застосовують модуляцію QAM (Quadrature amplitude modulation). Швидкість динамічно адаптована до наявного рівня завад та якості каналу. В мінімальному варіанті за один період модуляціі передається 2 біти, що за швидкості передавання 2 Мбод дає бітову швидкість 4 Мбіт/с. У випадку поліпшення якості каналу за один період можна передавати вже 8 бітів, а швидкість збільшується до 4 Мбод, що дає вислідну швидкість передавання 32 Мбіт/с.

Для ліпшого захисту від завад уся смуга пропускання у 6 МГц розді-

лена на три смуги ло 2 МГц. У кожній смузі відбувається передавання

копій інформаційного потоку. Отже, якщо завада зробить неможливим

приймання даних в одному діапазоні, то можна приймати дані з іншого.

Кадри Home PNA - це ін капсульовані кадри Ethernet (рис. 9.1).

Передавання перших 120 біт відбувається з найменшою швидкістю 4 Мбіт/с, що гарантує правильне приймання та інтерпретацію заголов­ка довільним пристроєм. Решта кадру надходить за домовленою швидкістю, яка залежить від аналізу кількості помилок передавання. Пристрої домовляються про таку швидкість, обмінюючись пакетами RRCF (Rate Request Control Frame).

У мережі Home PNA реалізовано можливість пріоритетного переда­вання (рис. 9.2). Для цього міжкадровий інтервал розділено на сім під-інтервалів. За кожним з них закріплено свій рівень пріоритету. При­стрій може почати передавання тільки у відведений для нього інтервал.

Удосконалено також механізм опрацювання колізій (рис. 9.3). Після виникнення колізії станція може обрати один з трьох варіантів (SO, SI, S2) очікування повторного передавання, які відрізняються за значен­ням. Першого разу тривалість очікування випадкова. Після цього ста­нції передають сигнал, у якому сповіщають про обраний ними варіант тривалості очікування. Кожен пристрій на підставі отриманих даних

намагається оптимізувати стратегію передавання так, щоб імовірність колізії була найменшою.

Зіркоподібна топологія мережі Home PNA грунтується на викорис­танні комутаторів. Станції приєднані до портів комутатора. Комута­тор приєднаний до Internet. На базі комутаторів можна організувати їхнє об'єднання у стек, віртуальну локальну мережу (VLAN).