4.3.2. Логическая структуризация локальных сетей с применением мостов и коммутаторов

Структуризация большой локальной сети ЭВМ представляет собой ее разбиение на несколько более мелких сегментов с собственными моноканалами. Объединение сегментов в единую сеть осуществляется с помощью мостов, коммутаторов или маршрутизаторов.

Структуризация сети позволяет снизить коэффициент использования разделяемого моноканала в отдельных сегментах за счет сокращения АС, имеющих доступ к этому моноканалу (рис. 4.8).

Мост (bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог ‑ коммутатор (switching hub), делят общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста/коммутатора (рис. 4.8). При поступлении информационного кадра на какой-либо из портов мост/коммутатор повторяет этот кадр, но не на всех портах, как это делает концентратор, а только на том порту, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер-адресат.

Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу кадров только между одной парой портов, а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами.

Рис. 4.8. Логическая структуризация локальной сети

Другими словами, мост передает кадры последовательно, а коммутатор параллельно. В дальнейшем для обозначения этих обоих разновидностей устройств будет использоваться термин "коммутатор".

Следует отметить, что в последнее время локальные мосты полностью вытеснены коммутаторами. Мосты используются только для связи локальных сетей с глобальными, т.е. как средства удаленного доступа, поскольку в этом случае необходимость в параллельной передаче между несколькими парами портов не возникает.

При работе коммутатора среда передачи данных каждого логического сегмента остается общей только для тех ЭВМ, которые подключены к этому сегменту непосредственно. Коммутатор осуществляет связь сред передачи данных различных логических сегментов. Он передает кадры между логическими сегментами только при необходимости, т.е. только тогда, когда взаимодействующие ЭВМ находятся в разных сегментах (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Информационное взаимодействие логических сегментов сети

Деление сети на логические сегменты улучшает производительность сети, если в сети имеются группы компьютеров, преимущественно обменивающиеся информацией между собой. Если же таких групп нет, то введение в сеть коммутаторов может только ухудшить общую производительность сети, так как принятие решения о том, нужно ли передавать пакет из одного сегмента в другой, требует дополнительного времени.

Однако даже в сети средних размеров такие группы, как правило, имеются. Поэтому разделение ее на логические сегменты дает выигрыш в производительности - трафик локализуется в пределах групп, и нагрузка на их разделяемые кабельные системы существенно уменьшается.

Коммутаторы принимают решение о том, на какой порт нужно передать кадр, анализируя адрес назначения, помещенный в кадре, а также на основании информации о принадлежности того или иного компьютера определенному сегменту, подключенному к одному из портов коммутатора, т.е. на основании информации о конфигурации сети. Для того, чтобы собрать и обработать информацию о конфигурации подключенных к нему сегментов, коммутатор должен пройти стадию "обучения", т.е. самостоятельно проделать некоторую предварительную работу по изучению проходящего через него трафика. Определение принадлежности компьютеров сегментам возможно за счет наличия в кадре не только адреса назначения, но и адреса источника, сгенерировавшего пакет. Используя информацию об адресе источника, коммутатор устанавливает соответствие между номерами портов и адресами компьютеров.

В процессе изучения сети мост/коммутатор просто передает появляющиеся на входах его портов кадры на все остальные порты, работая некоторое время повторителем. После того, как мост/коммутатор узнает о принадлежности адресов сегментам, он начинает передавать кадры между портами только в случае межсегментной передачи. Если, уже после завершения обучения, на входе коммутатора вдруг появится кадр с неизвестным адресом назначения, то этот кадр будет повторен на всех портах.

Коммутаторы, работающие описанным способом, обычно называются прозрачными (transparent), поскольку появление таких коммутаторов в сети совершенно не заметно для ее оконечных узлов. Это позволяет не изменять их программное обеспечение при переходе от простых конфигураций, использующих только концентраторы, к более сложным, сегментированным.

Существует и другой класс коммутаторов, передающих кадры между сегментами на основе полной информации о межсегментном маршруте. Эту информацию записывает в кадр станция-источник кадра, поэтому говорят, что такие устройства реализуют алгоритм маршрутизации от источника (source routing).

При использовании коммутаторов с маршрутизацией от источника конечные узлы должны быть в курсе деления сети на сегменты и сетевые адаптеры, в этом случае должны в своем программном обеспечении иметь компонент, занимающийся выбором маршрута кадров.

За простоту принципа работы прозрачного коммутатора приходится расплачиваться ограничениями на топологию сети, построенной с использованием устройств данного типа ‑ такие сети не могут иметь замкнутых маршрутов ‑ петель. Коммутатор не может правильно работать в сети с петлями, при этом сеть засоряется циклическими пакетами и ее производительность снижается.

Для автоматического распознавания петель в конфигурации сети разработан алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA). Этот алгоритм позволяет коммутаторам адаптивно строить дерево связей, когда они изучают топологию связей сегментов с помощью специальных тестовых кадров. При обнаружении замкнутых контуров некоторые связи объявляются резервными. Коммутатор может использовать резервную связь только при отказе какой-либо основной.

В результате сети, построенные на основе коммутаторов, поддерживающих алгоритм покрывающего дерева, обладают некоторым запасом надежности, но повысить производительность за счет использования нескольких параллельных связей в таких сетях нельзя.