Коммутаторы

Коммутаторы (switch) обеспечивают функции моста, а также позволяют повысить пропускную способность существующих сетей. Коммутаторы используемые в локальных сетях, напоминают мосты в том смысле, что они работают на подуровне MAC Канального уровня (Уровня 2) и анализируют адреса устройств во всех входящих фреймах. Как и мосты, коммутаторы хранят таблицу адресов и используют эту информацию для принятия решения о том, как фильтровать и пересылать трафик локальной сети. В отличие от мостов, для увеличения скорости передачи данных и полосы пропускания сетевой среды в коммутаторах применяются методы коммутации.

В коммутаторах локальных сетей обычно используется один из двух методов:

• при коммутации без буферизации пакетов (cut-through switching) фреймы пересылаются по частям до того момента, пока фрейм не будет получен целиком. Передача фрейма начинается сразу же, как только будет прочитан целевой адрес MAC-уровня и из таблицы коммутатора будет определен порт назначения. Такой подход обеспечивает относительно высокую скорость передачи (отчасти за счет отказа от проверки наличия ошибок).

• в процессе коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward switching) (также называемой коммутацией с буферизацией) передача фрейма не начинается до тех пор, пока он не будет получен полностью. Как только коммутатор получает фрейм, он проверяет его контрольную сумму (CRC) перед тем, как отправлять целевому узлу. Затем фрейм поминается (буферизируется) до тех пор, пока не освободится соответствующий порт и коммуникационный канал (они могут быть заняты другими данными). Новейшие модели коммутаторов (иногда называемые маршрутизирующими коммутаторами), использующие коммутацию с промежуточным хранением, могут совмещать функции маршрутизаторов и коммутаторов и, следовательно, работают на' Сетевом уровне (Уровне 3), чтобы определять кратчайший путь к целевому узлу. Одним из достоинств таких коммутаторов является то, что они предоставляют большие возможности для сегментации сетевого трафика, позволяя избегать широковещательного трафика, возникающего в сетях Ethernet.

Среди сетевых специалистов ведутся споры на тему, отвечают ли маршрутизирующие коммутаторы общему соглашению относительно того, что коммутаторы должны строго соответствовать требованиям к устройствам Уровня 2. Согласно первым определениям коммутатора, появившимся в 1980-х годах, коммутатор Уровня 3 фактически представляет собой маршрутизатор, использующий методы коммутации для более быстрой пересылки пакетов по сравнению с традиционными маршрутизаторами. В настоящее время имеются "коммутаторы", ориентированные на работу на Уровне 4 и выше, и обсуждается вопрос, соответствуют ли они определению истинного коммутатора или же должны позиционироваться как устройства иного типа.

Коммутация с промежуточным хранением распространена больше, чем коммутация без буферизации пакетов, и в некоторых коммутаторах, работающих по этому принципу, для повышения производительности используется встроенный центральный процессор. В принципе коммутаторы с собственным процессором работают значительно быстрее, чем "простые" коммутаторы. Однако в некоторых случаях и такие коммутаторы могут быть перегружены входящим трафиком, причем использование процессора может достигать 100% и коммутатор фактически будет работать медленнее, чем коммутатор без внутреннего процессора. Поэтому, если используется коммутатор с собственным процессором, важно определить мощность этого процессора и его соответствие ожидаемой сетевой нагрузке.

Коммутаторы локальных сетей поддерживают следующие стандарты:

• Ethernet;

• Fast Ethernet;

• Gigabit Ethernet;

• 10 Gigabit Ethernet;

• Token Ring;

• Fast Token Ring;

• FDDI;

• ATM.

Одной из наиболее распространенных задач, решаемой при помощи механизмов коммутации, является уменьшение вероятности конфликтов и повышение пропускной способности локальных сетей Ethernet. Коммутаторы сетей Ethernet, используя свои таблицы MAC-адресов, определяют порты, которые должны получить конкретные данные. Поскольку каждый порт подключен к сегменту, содержащему только один узел, то этот узел и сегмент получают в свое распоряжение всю полосу пропускания (10 или 100 Мбит/с, 1 или 10 Гбит/с), т. к. другие узлы отсутствуют; при этом вероятность конфликтов уменьшается. Другой распространенной областью применения коммутаторов являются сети с маркерным кольцом. Коммутатор Token Ring может выполнять только функции моста на канальном уровне или работать как мост с маршрутизацией от источника на Сетевом уровне.

Переключаясь непосредственно к тому сегменту, который должен получать данные, коммутаторы могут значительно увеличить пропускную способность сети без модернизации, существующей передающей среды. Рассмотрим для примера не имеющий возможности коммутации концентратор Ethernet, к которому подключены восемь сегментов 10 Мбит/с. Скорость работы этого концентратора никогда не превысит 10 Мбит/с, поскольку каждый момент времени он может передавать данные только в один сегмент. Если концентратор заменить коммутатором Ethernet, общая пропускная способность сети увеличится в восемь раз, т. е. до 80 Мбит/с, поскольку коммутатор может посылать пакеты в каждый сегмент практически одновременно. В настоящее время коммутаторы не намного дороже концентраторов, поэтому с их помощью проще всего повысить скорость работы сети с высоким трафиком.

Выпускаются управляемые коммутаторы, которые, как и управляемые концентраторы, имеют "интеллектуальные" способности. Для многих сетей имеет смысл потратить дополнительные средства на приобретение управляемых коммутаторов, поддерживающих протокол SNMP, что позволит повысить степень управления и мониторинга сети. Некоторые коммутаторы также могут поддерживать технологию виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN). Эта технология, описанная стандартами IEEE 802.1q, представляет собой программный метод деления сети на подсети, не зависящие от ее физической топологии и содержащие логические группы. Члены рабочей группы VLAN могут располагаться в физически удаленных сетевых сегменте однако их можно объединить в один логический сегмент с помощью программного обеспечения и коммутаторов VLAN, маршрутизаторов и других сетевых устройств. Лучше всего для реализации сетей VLAN использовать маршрутизирующие коммутаторы, поскольку они позволяют уменьшить издержки на управление сетью, что объясняется их умением маршрутизировать пакеты между подсетями.

Коммутаторы Уровня 2 в сети VLAN требуют, чтобы порты коммутаторов были связаны с МАС- адресами, что усложняет управление сетью VLAN.

Стоимость маршрутизирующих коммутаторов не намного выше, чем у обычных коммутаторов Уровня 2, поэтому они являются удачным решением для многих сетей. При проектировании сети рассмотрите возможность применения маршрутизирующего коммутатора вместо коммутатора Уровня 2, что даст возможность использования подсетей для управления сетевым трафиком и предотвращения широковещательного шторма.

Шлюзы

Термин шлюз (gateway) используется во многих контекстах, но чаще всего он обозначает программный или аппаратный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между двумя различными типами сетевых систем или программ. Например, с помощью шлюза можно выполнять следующие операции:

• преобразовывать широко используемые протоколы (например, TCP/IP) в специализированные (например, в SNA);

• преобразовывать сообщения из одного формата в другой;

• преобразовывать различные схемы адресации;

• связывать хост-компьютеры с локальной сетью;

• обеспечивать эмуляцию терминала для подключений к хост-компьютеру;

• перенаправлять электронную почту в нужную сеть;

• соединять сети с различными архитектурами.

Шлюзы имеют множество назначений, поэтому могут работать на любом Уровне OSI. Традиционно шлюз представляет собой сетевое устройство, Преобразующее один протокол в другой, структурно отличный. Такие шлюзы работают на Сетевом уровне модели OSI. Одним из лучших примеров Шлюза данного типа является шлюз, транслирующий протокол Systems Network Architecture (SNA) компании IBM, обеспечивающий взаимодействие между мэйнфреймами, в другой протокол, например, в более распространенный протокол TCP/IP. SNA.

Недостаток традиционных шлюзов при трансляции протоколов состоит в том, что они работают медленнее по сравнению с другими решениями и, следовательно, используются все реже и реже. В настоящее время для взаимодействия с мэйнфреймами IBM существуют два более эффективных средства. Самое простое решение – протокол Data Link Control (DLC), который может использоваться для подключения к мэйнфрейму только рабочих станций под управлением Windows 95/98, Windows NT и Windows 2000/ХР. Для сетей, в которых к мэйнфрейму должны обращаться другие операционные системы (например, UNIX), компания IBM предоставляет возможном доступа по протоколу TCP/IP, а также оснащает мэйнфреймы интерфейсами TCP/IP.

Рисунок 10. Рабочая станция обращается к файлу, сервера NetWare через шлюз, работающий на сервере Windovs 2000.

Другим примером шлюза, преобразующего протоколы, который к тому же транслирует запросы к службам каталога, являются службы Gateway Services for NetWare компании Microsoft. Они позволяют пользователям, зарегистрированным в системах Windows NT, Windows 2000 или Windows Server 2003 обращаться к ресурсам сервера NetWare через промежуточное обращения Windows-серверу. Если настроить сервер Windows 2000 как шлюз к серверу NetWare, то пользователи будут обращаться к серверу Windows 2000 по протоколу TCP/IP. Пройдя через этот сервер (рис.10), они смогут получить доступ к серверу NetWare, настроенному на работу с протоколом IPX/SPX. Шлюз может также с помощью протокола LDAP обеспечить общий доступ к учетным записям пользователей и другой информации, хранящейся как в каталоге Active Directory, так и в службах каталога NetWare, называемых NetWare Directory Services.

Термин "шлюз" также часто используется для определения программных средств, преобразующих сообщения электронной почты из одного формата в другой. Шлюзы этого типа работают на Прикладном уровне модели OSI. Шлюзы электронной почты, такие как Mail and Messaging Services компании Microsoft, Lotus Notes (и Domino) и Mercury Mail, используются повсеместно на почтовых серверах.