Мосты и коммутаторы

Содержание

Сеть образуется, когда два или более устройства подключаются для обмена данными или ресурсами. Может потребоваться подразделение большой сети для эффективной доставки кадров или управления трафиком. Для соединения этих разделенных сегментов сетей используются мосты или коммутаторы. В долгосрочной перспективе термины мост и переключатель используются как синонимы. И мост, и коммутатор обеспечивают одинаковую функциональность, но коммутатор делает это с большей эффективностью.

А мост соединяет меньшие сегменты сети, образуя большую сеть, а также ретранслирует кадры из одной LAN в другую LAN. С другой стороны, переключатель соединяет больше сегментов сети по сравнению с мостами. В этом основное различие между мостом и коммутатором. Давайте сравним различия между мостом и коммутатором с помощью сравнительной таблицы, показанной ниже.

Особенности коммутатора

Коммутаторы имеют множество портов, между которыми должна реализовываться виртуальные цепь транспортировки для каждого пакета. В общем слуае N-портовый коммутатор с полудуплескными портами реализует N/2 одновременно действующих виртуальных цепей. Для полного дуплекса количество цепей теоретически может достигать и N, но такое равномерное распределение заявок практически не встречается.

Коммутатор может быть блокирующим и неблокирующим. Неблокирующий коммутатор обрабатывает все кадры, которые приходят на его порты с максимальной скоростью, которая поддерживает среда передачи. Для этого мощность коммутационной фабрики должна быть не меньшей, чем сумма пропускной способности половины портов. В мостах реализован 1 процессор, который справлялся со всеми задачами. В коммутаторах для поддержания мощности, каждый порт имеет свой процессор, и все эти процессоры работают параллельно. Соединение между портами может быть реализовано разными средствами:

Коммутационная матрица — это аппаратная схема, которая реализует организацию цепи транспортировки логического сигнала между любой парой портов. Процессор каждого порта принимает кадр в свой буфер. При определении адреса назначения кадра, процессор запрашивает у матрицы нужное соединение. Объем схемы коммутационной матрицы увеличивается пропорционально квадрату числа портов, поэтому такой механизм реализуется при ограниченном числе портов
Объединяющая шина — большой мощности связывает процессоры всех портов. Кадры передаются мелкими фрагментами (ячейками) на скорости, которая значительно выше чем скорость портов. Скорость передачи ячеей по шине не зависит от конкретной скорости портов. Согласование размеров ячеек относительно стандарта АТМ упрощает построение гибридных коммутаторов Ethernet- Token Ring — ATM — FDDI. Здесь шина используется в виде пассивной объединяющей панели, а модули с группами портов могут быть установлены в любом порядке и количестве с возможностью быстрой замены.
Разделяемая память — это одна буферная память, которая доступна всем процессорам всех портов. Все входящие кадры становятся в очередь в памяти. Процессорам выходных портов передаются указатели на номер в очереди, который пакет принадлежит к этому порту. Такая единая память разрешает не делать память для каждого порта. Такая память проще реализуется в одно платных коммутаторах. Шина память сугубо локальна.

Относительно конструкций коммутаторов, они могут иметь разные варианты реализации в зависимости от их производительности и назначения.

Модульные коммутаторы — могут содержать до сотни портов. Такие коммутаторы реализуют для магистралей на уровне домовых, этажных распределителей. Удельная стоимость порта уменьшается по мере увеличения числа установленных модулей.
Коммутаторы с фиксированным числом портов — дешевый вариант, где поддерживаются до 30 портов. Обычно 1-2 порта на таком коммутаторе имеют скорость большую чем на остальных портах. Это объясняется возможностью соединять приоритетные узлы. Могут выступать в роле распределителей в малых сетях или быть центральными устройствами.
Стековые коммутаторы в идеале должны обладать пропускной способностью не ниже суммы пропускной способностью половины портов всех коммутаторов, которые объединены в стек. На практике обычно это место является узким, и количество объединяемых устройств обычно ограничено четырьмя. Топологию соединений устройств стека можно посмотреть на рис.1.

Рисунок — 1

Коммутатор и коллизии

Применяя сеть состоящую только из коммутаторов, коллизий не возникает. Исключением является полудуплексное соединение ПК к коммутатору, при котором передача данных в одно и то же время, возможна только в одну сторону. На данный момент, полудуплексное соединение применяется очень и обычно возникает в случае ошибок работы оборудования.

Если к какому-либо порту коммутатора подключить концентратор, то этот порт подключится к общей среде и на нем появятся коллизии, также как и в классическом ethernet.

Коллизии

Необходимо, чтобы данные передавал один ПК, если информацию будут передавать несколько компьютеров, то произойдет коллизия и информация будет потеряна.

Рассмотрим вариант сети с разделяемой средой, к ней подключено 4 компьютера и первый ПК начал передавать данные.

Он продолжает передавать данные, при этом сигнал пока не дошел до остальных компьютеров. Второй ПК тоже решил отправлять данные и передает сигнал в разделяемую среду.

Спустя время сигналы столкнутся, наложатся друг на друга и будет невозможно прочитать сообщение ни от первого компьютера, ни от второго.

Именно такая ситуация и называется коллизией. Когда сигналы от нескольких устройств накладываются и нельзя прочитать данные.

Недостатки классического Ethernet

Классический Ethernet, который использует разделяемую среду для передачи данных обладает существенными недостатками.

Первый недостаток, когда в сети много ПК и они активно передают данные, то сеть работает очень медленно или становится неработоспособной. ПК большую часть времени тратят на борьбу за доступ к разделяемой среде, чем на передачу данных.

Безопасность в классическом изернет низкая, все данные, которые поступают в разделяемую среду доступны всем ПК в сети, потому любой, кто подключился к разделяемой среде, может перехватить ваши данные и посмотреть все что в них находится.

И третий недостаток это разное время доставки кадра. Если компьютеру повезло и коллизий не возникло, то он может отправить кадр сразу, но для передачи другого кадра может понадобится 5-6 попыток. Разное время задержки при передачи кадров очень неудобно для трафика реального времени, такого как голосовой трафик или стриминг видео.

МАРШРУТИЗАТОРЫ ДЛЯ ЛОГИЧЕСКОЙ СЕГМЕНТАЦИИ СЕТИ

Мосты и коммутаторы могут снизить загрузку сети, позволяя вести одновременную передачу данных в разных сегментах, но и у них есть свои ограничения при сегментировании сети.

Одна из важных особенностей мостов заключается в том, что они пересылают широковещательные данные во все сегменты, с которыми они соединены. Это необходимо, так как эти данные предназначены для всех узлов сети, но также это может привести к серьезным проблемам, когда сети, соединенные мостом, разрастаются. При большом количестве станций, которые ведут широковещательную передачу, перегрузка в сети может стать такой же значительной, как если бы все станции находились в одном сегменте.

Маршрутизаторы представляют собой уже «интеллектуальные» сетевые устройства, которые делят сеть на две логически разделенные сети. Хотя при широковещательной передаче данные легко проходят через мосты, так как они посланы для каждого узла сети, через маршрутизаторы они не проходят, потому что маршрутизатор формирует логическую границу сети.

Маршрутизаторы работают на базе протоколов, которые не зависят от специфических сетевых технологий, таких как Ethernet или Token ring. Это позволяет маршрутизаторам соединять сети с различными сетевыми технологиями, локального или глобального уровня, и привело к широкому распространению этих сетевых устройств, которые используются для объединения сетей в глобальную сеть Интернет.

Подключение двух усилителей в мост

Мост против коммутатора

Мост — это сетевое устройство, которое соединяет две системы. Как правило, мост используется для подключения двух локальных сетей, чтобы сделать значительно большую сеть в определенной степени. В слое 2 модели OSI, уровень канала передачи данных, лежит функция и работа сетевого моста. В общем, мост считается интеллектуальным устройством и способен фильтровать и управлять трафиком, который проходит через него.

Мост может узнать адреса компьютеров в сети. Он может выполнить это «обучение», просмотрев и записав каждый MAC-адрес и порт или интерфейс сетевого компьютера, на которых был получен кадр.

Каждый полученный адрес хранится с использованием таблицы адресов. В конце концов, с установленной таблицей адресов интерфейса, адрес назначения каждого полученного кадра проверяется мостом, чтобы определить, действительно ли он был получен соответствующим образом. По этой причине мост считается интеллектуальным устройством межсетевого взаимодействия.

Прозрачное мостовое соединение является наиболее часто используемым типом подключения моста. Поскольку мост более умный, чем ретранслятор, он не будет просто пересылать кадры безрассудным отказом. Он попытается изучить и записать адреса и соответствующие порты в свою базу данных. Он делает это, сначала заливая систему или сеть. По аналогии это можно рассматривать как фазу сбора данных моста.

В конце концов, со всеми соответствующими портами и адресами, указанными в передовой таблице, работа моста оптимизирована и становится очень эффективной. Мост будет иметь только два порта. В качестве коммутатора рассматривается устройство, имеющее более двух портов или интерфейса, которые также обладают интеллектом и функцией моста.

Основное различие между коммутатором и мостом — это количество сетей, к которым можно подключиться. Поскольку коммутаторы имеют более двух интерфейсов, они могут подключаться к трем или более сетям или локальным сетям. Однако коммутаторы часто нацелены на подключение рабочих станций в одном соединении.

На самом деле, нет большой разницы между двумя сетевыми устройствами. Во многих случаях мосты и коммутаторы используются в сетях среднего и крупного масштаба. Они на самом деле дополняют друг друга », чем больше сеть, тем больше мостов и переключателей. Не удивительно, что они являются важными устройствами в строительстве сетей внутри здания или кампуса.

Резюме:

1. Коммутатор — это в основном мост с более чем двумя интерфейсами или портами.

2. Переключатели, по-видимому, могут подключаться к более чем двум сетям.

3. Мосты обычно используются для подключения двух локальных сетей, в то время как коммутаторы часто предназначены для соединения рабочих станций вместе.

Коммутатор — это устройство, которое позволяет подключать несколько устройств к локальной сети (локальной сети). Это эффективное и интеллектуальное устройство, которое принимает сообщения от подключенных устройств и передает сообщение целевому целевому устройству и управляет передачей данных по сети. Существует два типа

Hub vs Bridge Networking — это один из отделов ИТ-индустрии, который может быть довольно запутанным для многих людей. Основной проблемой в этом типе ИТ-дисциплины является перекрывающееся использование или назначение различных устройств. Кажется, что разные вещи обеспечивают одну и ту же общую цель. Однако для настоящего профессионала

Маршрутизатор против моста. В принципе, маршрутизатор определяет самый быстрый способ, который также обычно является самым коротким способом в конкретной сети. Он имеет возможность маршрутизировать пакеты через наиболее эффективный определенный маршрут. Маршрутизаторы имеют возможность разрешать хостам, которые не являются практически одинаковыми логическими

Таблицы коммутации

В простом виде таблица коммутации (ТК) состоит из 2-х столбцов. Столбец №1 это порт коммутатора, а 2-ой это МАК-адрес ПК, который подключен к данному порту.

В действительности, таблица выглядит намного сложнее, но чтобы понять принцип действия коммутатора, хватит этих 2-х полей.

Алгоритм обратного обучения

Чтобы узнать, как коммутатор узнает mac адреса компьютеров, которые подключены к его портам, применяется алгоритм обратного обучения.

Например, есть коммутатор, у него 8 портов. Его только что включили и не знает ничего про ПК, подключенные к нему. Ячейки в таблице коммутации пока пустые, коммутатор принимает все кадры, которые приходят на его порты и проводит анализ заголовка канального уровня. Из заголовка он извлекает адрес отправителя. Коммутатор определяет, что к порту №3 подключен ПК с таким же mac-адресом. И следовательно, записывает этот mac-адрес в ТК.

И так далее, пока вся таблица коммутации не заполнится и коммутатор не будет знать МАК-адреса всех ПК, подключенные к его портам.

Сетевой мост

Чтобы отправить кадры внутри коммутаторов, применяется алгоритм прозрачного моста. Мост — был до коммутаторов, это спец устройство, используется для объединения нескольких сетей классического ethernet. Если в сети классического интернета будет подключено большое количество ПК, то возникнут коллизии и данные будут передаваться с низкой скоростью.

Мосты нужны для того, чтобы разделить крупные сети на несколько маленьких, внутри которых намного меньше возникало коллизий и информация передавались с большей скоростью. Мост был подсоединен к 2-м или нескольким сегментам классического изернет, принимал все кадры, которые передаются, но передавал их в другую сеть только в том случае, есть они предназначались для компьютера из другой сети.

Есть несколько видов мостов, но для коммутаторов выбрали режим работы прозрачного моста. Прозрачный мост, он незаметен для сетевых устройств. У него нет своего макадреса и ему не нужна настройка. Вы можете подключать к нему ПК и информация будет немедленно передаваться в отличие от коммутатора. Маршрутизатору нужны конфигурации для каждого порта. В маршрутизаторах необходимо прописать ip адрес, и настроить таблицу маршрутизации.

Алгоритм прозрачного моста

Например, таблица коммутации заполнена и коммутатор знает мак адреса компьютеров, подключённые к его портам. Коммутатор принимает кадры, проводит анализ заголовка канального уровня и извлекает оттуда адрес получателя. Он ищет этот мак-адрес в таблице коммутации, в нашем случае на картинке ниже, компьютер с таким мак адресом подключен к порту № 2.

Следовательно, кадр передается на порт №2, где и есть получатель, а не на все порты, как это делает концентратор.

Если пришел кадр с адресом получателя, а этого адреса нет в таблице коммутации. То коммутатор работает по такой же схеме, как и концентратор.

Передает кадр на все порты, кроме того порта откуда этот кадр поступил, надеясь, что к какому-нибудь из этих портов подключен компьютер получателя, просто по каким-то причинам он еще не передавал данные и поэтому его мак адреса нет в ТК.

Что такое коммутатор ?

Коммутатор — выполняет те же функции, что и мост, но определен под немного другие цели. Коммутатор реализует сегментацию сети — уменьшение количества узлов в доменах коллизий. В самом критичной ситуации, или микросегментации — к каждому порту коммутатора подключен только один узел. Если к порту коммутатора присоединить только один узел, то реализуется возможность в полнодуплексном режиме. При этом коллизии как таковые отсутствуют. Есть два варианта коммутации.

Технология с промежуточным хранением описывает механизм, при котором каждый кадр, который пришел в порт, полностью заносится в буферную память. Дальше процессор анализирует заголовок кадра и его адрес источника для построение своих таблиц. Анализируя адрес назначения, процессор определяет порт, в который кадр будет направлен. При широковещательной и многоадресной передачи назначения порта — все порты кроме порта с которого пришел пакет. Отправка пакет в порт реализуется по мере освобождения, согласно механизму CSMA/CD. При успешной передачи во все порты, кадр удаляется из памяти и освобождается место для следующего кадра. Такой механизм разрешает анализировать кадр (проверять CRC-код) и фильтровать ошибочные. Недостатком такого механизма можно назвать длительную задержку передачи кадров — на прием кадра для максимально длинного кадра при 10 Мбит/с — 1,22 мс.

Коммутация на лету — механизм, который реализует по возможности транслирование пакетов без промежуточного хранения. Порт принимает кадр, при этом анализируется его поле заголовка. Как только будут достигнуты биты адреса назначения, а это 6 байт после преамбулы — коммутатор уже может посылать кадр в порт назначения, если они не заняты. В ином случае хранение в буферной памяти неизбежно. Коммутация при таком механизме вносит задержку — 11,2 мкс. Такой механизм не реализует проверку CRC, и коммутатор передает все кадры, в том числе и отсеченные коллизиями.

Репитеры или хабы

Сигнал, проходя по кабельной системе, изменяется под действием различных помех и затухает, из-за чего кабельная система ограничивает передачу данных по расстоянию. Поэтому, в сетях применяют устройства, способные усилить и восстановить форму сигнала.

Хаб (hub) не производит анализа информации. Он на мгновение запоминает значения сигнала «0» или «1», соответствующим образом их регенерирует, усиливает и отправляет во все присоединенные сегменты сети. Теоретически эти функции должны выполняться на пути от источника до получателя столько раз, сколько необходимо. На практике многие сети ограничивают количество хабов. Например, в версиях 10Base Ethernet на коаксиальном кабеле число хабов не должно превышать 4-х (5 сегментов сети).

Алгоритм Spanning Tree

Алгоритм предназначен для связи сегментов сетей. Чтобы предотвратить потерю работоспособности сети при выходе из строя устройства, соединяющего сегменты сети, необходимо организовывать между сегментами резервные связи. Например, в один и тот же сегмент сети можно попасть через три моста/коммутатора. Но тогда следует предусмотреть алгоритм, который предотвращал бы наличие замкнутых путей-петель. Такой алгоритм стандартизирован IEEE для TR-мостов и коммутаторов и называется IEEE 802.1d STA (Spanning Tree Algorithm).

Алгоритм STA формализует сеть в виде графа, вершинами которого являются коммутаторы в сегменте сети. Алгоритм обеспечивает поиск древовидной топологии связей с единственным путем от каждого коммутатора и от каждого сегмента до некоторого выделенного коммутатора (корня дерева, Root Switch) при минимально возможном расстоянии. В качестве корневого коммутатора выбирается коммутатор с минимальным адресом, ему присваивается максимальный приоритет. В качестве расстояния в STA используется метрика – величина, обратно пропорциональная пропускной способности сегмента. Метрика – это время передачи одного бита, измеренное в 10-наносекундных единицах (условное время сегмента). Например, для сегмента Ethernet 10 Мбит/с метрика равна 10 условным единицам.

Корневой коммутатор рассылает остальным коммутаторам специальный “hello-пакет”. Коммутаторы ретранслируют этот пакет, для того чтобы каждый коммутатор определил минимальные расстояния от всех своих портов до корневого коммутатора. Алгоритм определяет, какой коммутатор или связь между коммутаторами является основной, а какой (какая) резервной. Основные метятся как «передающие» (forward), а резервные – как «заблокированные» (standby). Если основная связь или коммутатор вышли из строя, они заменятся резервными. Таким образом, существует один путь для каждого сегмента, а резервные пути ждут своего часа в случае выхода из строя коммутатора или связи между коммутаторами.

Рис.11.5. Дерево мостов в соответствии с алгоритмом STA

Алгоритм выделяет корневые порты на коммутаторах (это порт с кратчайшим расстоянием до корневого коммутатора) и ограничивает количество коммутаторов (hops) величиной 7, а сегментов соответственно 8.

Почему коммутируемый Ethernet более надежный и эффективный?

При возникновении проблемы в coaxial-ethernet (10base2) трудно определить где ошибка. Инженеру-связисту необходимо проверить все разъемы один за другим, что требует времени. Также необходимо учесть, что из-за хрупкости коаксиального кабеля сеть часто выходит из строя.

Коаксиальный ethernet использует 2 кабеля (внутренний и внешний) для передачи и приема данных в сеть. При полудуплексной связи, компьютер не может одновременно данные принимать и отправлять. Когда сеть загружена возникают множественные коллизии при попытки одновременно вести передачу данных двумя и более станциями. Что почти гарантированно снижает скорость передачи данных в разы, нередко десятки и сотни раз..

При работе с коммутируемой сетью, если один кабель поврежден, он не будет влиять на других абонентов. Если сломается порт, пользователь может просто подключить кабель к другим работающим портам.

Что касается производительности, механизм внутри коммутатора может обеспечить полнодуплексную связь (full duplex). Поскольку вероятность возникновения коллизий в сети при правильной настройке оборудования практически сведена к нулю, то данный факт повышает производительность всей системы.

Определение моста

Мост — это сетевое устройствое используется для соединения сетевых сегментов большой сети. Мост работает на двух уровнях, т.е. физический уровень и уровень канала передачи данных. Будучи устройством физического уровня, оно регенерирует сигнал, который он получает. Здесь он действует как повторитель.

Мост, являющийся устройством канального уровня, определяет адрес отправителя и получателя кадра, который он получает. Он передает кадры между двумя отдельными LAN. С другой стороны, у моста также есть логика фильтрация трафик (разделение трафика каждого сегмента сети). Возможности Bridge можно пояснить на примере. Вы можете увидеть рисунок выше, мост соединил два сегмента сети. Теперь, когда станция А отправляет пакет на станцию F, пакет поступает на мост. Мост определяет, что предполагаемый получатель F находится в нижнем сегменте сети. Таким образом, мост позволяет пакету перейти в нижний сегмент, где пакет принимается станцией. F.

Когда станция А отправляет пакет на станцию C, пакет поступает на мост. Как станция А а также C находятся в том же сегменте, мост блокирует переход пакета в нижний сегмент и ретранслирует кадр на станцию C.

Далее мы обсудим типы мостов. Простой мост это самый примитивный мост, связывающий два сегмента сети. Оно имеет один стол который содержит адрес каждой станции, входящей в оба сегмента.

Многопортовый мост, он связывает более двух сегментов сети. У него есть количество таблиц, равное количеству сетевых сегментов, которые он соединяет. Каждая таблица содержит адреса всех станций, доступных через соответствующий порт. Прозрачный мост мост, о существовании которого станции не знают. Если прозрачный мост добавлен или удален из системы, станции не требуется повторно перенастраивать.

Речь идет о мостах, теперь перейдем к переключателям, которые похожи на мосты.

Шлюзы

Шлюз (Gateway) – это устройство для соединения подсетей по протоколам выше 3-го уровня ЭМВОС. Они применяются в сложных гетерогенных сетях. Например, если мы хотим присоединить сегмент с персональными компьютерами, представляющими символы в коде ASCII, к мейнфрейм, представляющей символы в коде EBCDIC. Существуют шлюзы, выполняющие конвертацию всех семи уровней протоколов ЭМВОС (обычно это аппаратные средства на первых двух уровнях и программное обеспечение на остальных уровнях). При этом они могут быть выделены только для осуществления функций соответствия различных протоколов друг другу, а могут выполнять еще и другие функции. Например, шлюз и одновременно файл-сервер сети.