Лекция 10. КОММУТАТОРЫ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ Учебные вопросы: Общие сведения о

STP

домены коллизий, с помощью маршрутизаторов (routers) или коммутаторов (switches). Непосредственно

к маршрутизатору конечные узлы (компьютеры) обычно не подключаются; подключение обычно выполняется через коммутаторы.
Каждый порт коммутатора оснащен процессором, память которого позволяет создавать буфер для хранения поступающих кадров. Общее управление процессорами портов осуществляет системный модуль.

узлом (компьютером) или с концентратором со многими узлами, является сегментом

(доменом) коллизий. При возникновении коллизии в сети, реализованной на концентраторе, сигнал коллизии распространяется по всем портам концентратора. Однако на другие порты коммутатора сигнал коллизии не передается.

В полудуплексном режиме в любой момент времени одна станция может

либо вести передачу, либо принимать данные.
В полнодуплексном режиме абонент может одновременно принимать и передавать информацию, т.е. обе станции в соединении точка-точка, могут передавать данные в любое время, независимо от того, передает ли другая станция.
Для разделяемой среды полудуплексный режим является обязательным.

Неэкранированная витая пара UTP и оптическое волокно могут использоваться в

сетях, работающих в обоих режимах.
Новые высокоскоростные сети 10-GigabitEthernet работают только в полнодуплексном режиме. Большинство коммутаторов могут использовать как полудуплексный, так и полнодуплексный режим.

каждый узел вместе с портом образует микросегмент. В сети, узлы

которой соединены с коммутатором индивидуальными линиями, и работающей в полудуплексном режиме, возможны коллизии, если одновременно начнут работать передатчики коммутатора и сетевого адаптера узла.

одновременной передаче данных от двух источников одному адресату буферизация кадров

позволяет запомнить и передать кадры поочередно и, следовательно, избежать их потери. Отсутствие коллизий обусловило широкое применение топологии сети с индивидуальным подключением узлов к портам коммутатора.

для адресации используются МАС-адреса (48 бит). Адресация происходит на основе

МАС-адресов сетевых адаптеров узлов.

происходит за счет создания статических или динамических записей адресной таблицы

коммутации.
Статические записи таблицы создаются администратором.
Важно отметить, что коммутатор можно не конфигурировать, он будет работать по умолчанию, создавая записи адресной таблицы в динамическом режиме. При этом в буферной памяти порта запоминаются все поступившие на порт кадры.

подключенные к портам узлы. Поэтому коммутатор, получив кадр, передает его

на все свои порты, за исключением того, на который кадр был получен, и одновременно запоминает МАС-адрес источника в адресной таблице. Например, если узел с МАС-адресом 0В1481182001 передает кадр данных узлу 0АА0С9851004, то в таблице появится первая запись. В этой записи будет указано, что узел с МАС-адресом 0В1481182001 присоединен к порту № 1. При передаче данных от узла 0АА0С9851004 узлу 0002В318А102 в таблице появится вторая запись и т.д. Таким образом, число записей в адресной таблице может быть равно числу узлов в сети, построенной на основе коммутатора.

коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице.

При получении кадра коммутатор проверяет, существует ли МАС-адрес узла назначения в таблице коммутации. При обнаружении адресата в таблице коммутатор производит еще одну проверку: находятся ли адресат и источник в одном сегменте.
Если они в разных сегментах, то коммутатор производит коммутацию или перенаправление, продвижение кадра (forwarding) в порт, к которому подключен узел назначения.
Если адресат и источник находятся в одном сегменте, например оба подключены к одному концентратору, то передавать кадр на другой порт не нужно. В этом случае кадр должен быть удален из буфера порта, что называется фильтрацией (filtering) кадров.

в течение определенного времени (обычно 300 сек.) какой-то узел не

передает данные, то считается, что он в сети отсутствует, тогда соответствующая запись из таблицы удаляется. При необходимости администратор может включать в таблицу статические записи, которые не удаляются динамически. Такую запись может удалить только сам администратор.

все свои порты. В ряде случаев такой режим удобен, например,

при ARP запросе. Таким образом, коммутатор не фильтрует кадры с широковещательными адресами.
Поэтому если какой-либо узел из-за сбоя начинает ошибочно генерировать кадры с широковещательными адресами, то сеть очень быстро оказывается перегруженной, наступает широковещательный шторм (broadcast storm), сеть “падает”.

«наводняют» сеть широковещательными сообщениями с ложными адресами источника, адресная таблица

коммутации переполняется, и коммутатор начинает работать, как концентратор. При этом злоумышленник получает возможность анализировать всю информацию, передаваемую по локальной сети.

на широковещательные домены, т.е. отдельные сети.

продвижения кадров,
пропускной способностью,
длительностью задержки передачи кадра.

обращением к адресной таблице коммутации и удалением кадра из буферной

памяти, если адресат и источник находятся в одном сегменте. Коммутатор обычно успевает фильтровать кадры в темпе их поступления в интерфейс, поэтому фильтрация не вносит дополнительной задержки.

буфере, обращением к адресной таблице и передачей кадра с входного

порта на выходной, который связан с устройством назначения. Скорость фильтрации и скорость продвижения задаются в кадрах в секунду, причем, для оценки этих параметров обычно берутся кадры минимальной длины 64 байта.

Data кадра, в единицу времени. Пропускная способность достигает своего максимального

значения при передаче кадров максимальной длины.

кадра на входном порте коммутатора до момента появления этого байта

на выходном порте. В зависимости от режима коммутации время задержки составляет от единиц до сотен микросекунд.

задержка и надежность:
Режим сквозной коммутации (cut-through switching)
Режим коммутации с промежуточным

хранением или буферизацией (store-and-forward switching)
Режим коммутации свободного фрагмента (fragment-free mode)

как только получит МАС-адрес узла назначения. Такой режим получил название

сквозной коммутации или коммутации “на лету”, он обеспечивает наименьшую задержку при прохождении кадров через коммутатор. Однако в этом режиме невозможен контроль ошибок, поскольку поле контрольной суммы находится в конце кадра. Следовательно, этот режим характеризуется низкой надежностью.

буфер, проверяет поле контрольной суммы (FCS) и затем пересылает адресату.

Если получен кадр с ошибками, то он отбрасывается (discarded) коммутатором. Таким образом, в этом режиме обеспечивается высокая надежность, но низкая скорость коммутации.

режим коммутации свободного фрагмента. В этом режиме читаются первые 64

байта, которые включают заголовок кадра и поле данных минимальной длины. После этого начинается передача кадра до того, как будет получен и прочитан весь кадр целиком. При этом производится верификация адресации и информации LLC протокола, чтобы убедиться, что данные будут правильно обработаны и доставлены адресату.

и назначения должны иметь одинаковую скорость передачи. Такой режим называется

симметричной коммутацией.
Если скорости не одинаковы, то кадр должен запоминаться (буферизироваться) перед тем, как будет передаваться с другой скоростью. Такой режим называется асимметричной коммутацией, при этом должен использоваться режим с буферизацией.

Данный режим является характерным, например, для потока данных между многими

клиентами и сервером, при котором многие клиенты могут одновременно соединяться с сервером. Поэтому на это соединение должна быть выделена широкая полоса пропускания.

петли отсутствуют.
Однако сети часто проектируются с избыточными путями, чтобы

обеспечить надежность и устойчивость сети. Избыточные пути могут приводить к образованию коммутационных петель, что, в свою очередь, может привести к широковещательному шторму и обрушению сети.

STP) используется в сетях с избыточными путями. Коммутаторы используют алгоритм

STA, чтобы перевести в резервное состояние избыточные пути, которые не соответствуют иерархической топологии. Запасные избыточные пути задействуются, если основные выходят из строя.

петель, т.е. даже при наличии физических петель, логические петли отсутствуют.

Каждый коммутатор в локальной сети рассылает уведомления STP во все свои порты, чтобы позволять другим коммутаторам знать о их существовании. Эта информация используется, чтобы выбрать корневой коммутатор для сети.

следующих 5 состояний:
- Блокировка (Blocking)
- Прослушивание (Listening)
-

Обучение (Learning)
- Продвижение (Forwarding)
- Выключен (Disabled)

состоянии Disabled, переводятся в состояние блокировки Blocking. В этом состоянии

порты передают, принимают и обрабатывают уведомления STP, т.е. участвуют в процессе управления, но не передают информационные данные.

прослушивания Listening на время, определяемое таймером.
Если за время работы

таймера порт получит уведомление STP с лучшей чем его метрикой, то он перейдет в состояние блокировки Blocking.
Если принятая метрика хуже его собственной, порт перейдет в состояние обучения Learning, чтобы принимать, но еще не продвигать пакеты данных и создавать адресную таблицу коммутации. Длительность состояния Learning также задается таймером.

Forwarding, т.е. начинает полноценную обработку и продвижение пакетов.
Переход порта

в состояние выключения Disabled и выход из него может быть реализован только по командам конфигурирования.
Существенным недостатком протокола STP является слишком долгое время формирования новой конфигурации сети, которое может составлять значение порядка минут.