Структура составной сети. Ограничения мостов и коммутаторов для построения составной сети

Структура составной сети

Основная идея введения сетевого уровня состоит в следующем. Сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью, или интерсетью (internetwork, или internet). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями (рис. 1).

Подсети соединяются между собой маршрутизаторами. Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети.

Все узлы в пределах одной подсети взаимодействуют, используя единую для них технологию. Так, в составную сеть, показанную на рисунке, входит несколько сетей разных технологий: локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI и глобальные сети frame relay, X.25, ISDN. Каждая из этих технологий способна обеспечить взаимодействие всех узлов в своей подсети, но не способна построить информационную связь между произвольно выбранными узлами, принадлежащими разным подсетям, например между узлом А и узлом В на рис. 1. Следовательно, для организации взаимодействия между любой произвольной парой узлов этой «большой» составной сети требуются дополнительные средства. Такие средства и предоставляет сетевой уровень.

Сетевой уровень выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Для перемещения данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям.

1.1.Транспортные и сетевые протоколы. В территориальных и корпоративных сетях со сложной разветвленной структурой для передачи сообщений от отправителя к адресату имеется много альтернативных маршрутов. Эти маршруты, как правило, включают не только конечные узлы отправителя и получателя, но и ряд промежуточных узлов и сетей.

Проблема обеспечения передачи информации между сетями, т.е. проблема обеспечения взаимодействия различных сетей в составе интегрированной сети, в англоязычной литературе носит название Internetworking. Это взаимодействие выражено функциями транспортного и сетевого уровней в семиуровневой модели ISO.

Функции транспортного уровня реализуются в конечных узлах. К ним относятся:

разделение пакета на дейтаграммы, если сеть работает без установления соединения;
сборка сообщений из дейтаграмм в узле-получателе;
обеспечение заданного уровня услуг, включающих заказ времени доставки, типа канала связи, возможности сжатия данных с частичной потерей информации (как, например в алгоритме JPEG);
управление сквозными соединениями в сети с помощью специальных команд запроса соединения, разъединения, передачи, приема, регистрации и др.

Назначение сетевых протоколов - приспособление пакетов к особенностям промежуточных сетей и выбор направления передачи пакетов (маршрутизация). В список основных функций входят:

формирование пакетов с учетом требований промежуточных сетей (дополнение пакетов транспортного уровня обрамлением, включающим флаги, сетевые адреса получателя и отправителя, служебную информацию);
управление потоками;
маршрутизация;
обнаружение неисправностей;
ликвидация "заблудившихся" дейтаграмм и т.п.

Наиболее широко используемыми протоколами на сетевом уровне являются протоколы IP (Internet Protocol), X.25, IPX (Internet Packet Exchange) и на транспортном уровне TCP (Transmission Control Protocol) и SPX (Sequence Packet Exchange). Последние входят в систему протоколов TCP/IP и SPX/IPX соответственно. Протоколы TCP/IP первоначально были разработаны для сети ARPANET, а затем на их основе стала развиваться сеть Intеrnet. Протоколы SPX/IPX разработаны и применяются фирмой Novell для сетей Novell Netware, объединяющих персональные ЭВМ. Протоколы X.25 разработаны ITU и включают части для физического, канального и сетевого уровней.

1.2.Управление потоками данных в сетях. Это одна из функций сетевого уровня, включающая управление нагрузками и борьбу с блокировками. Различают несколько уровней управления.

Межузловое управление связано с распределением буферной памяти в промежуточных узлах (выделением каждому направлению определенного числа буферов), сводящееся к ограничению длин канальных очередей.

Управление "вход-выход" направлено на предотвращение блокировок. Реализуется указанием в первом пакете сообщения его длины, что позволяет приемному узлу прогнозировать заполнение памяти и запрещать прием дейтаграмм определенных сообщений, если прогнозируется блокировка памяти.

Управление внешними потоками (доступом) реализуется путем предоставления приоритета в передаче внутренним потокам перед внешними, ограничением числа пакетов в сети (пакет принимается, если у узла есть соответствующее разрешение), посылкой предупредительных пакетов-заглушек в адрес источника, от которого идут пакеты в перегруженную линию связи.

1.3. Мостовые соединения. Серверы делятся на функциональные и на серверы доступа. Последние входят в число блоков взаимодействия сетей (подсетей).

Блоком взаимодействия называют функциональный блок, обеспечивающий взаимодействие нескольких информационных сетей или подсетей. К блокам взаимодействия относятся повторители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы, концентраторы, модемы и др.

Повторитель (repeater) - блок взаимодействия, служащий для регенерации электрических сигналов, передаваемых между двумя сегментами ЛВС. Повторители используются, если реализация ЛВС на одном сегменте кабеля (отрезке, моноканале) не допускается из-за ограничений на расстояние или на число узлов, причем при условии, что в соседних сегментах используются один и тот же метод доступа и одни и те же протоколы. Трафик в сегментах, соединенных повторителем, - общий. Повторитель может быть многопортовым. Сигнал, пришедший на один из портов, повторяется на всех остальных портах.

Мост (bridge) - блок взаимодействия, служащий для соединения разных подсетей, которые могут иметь неодинаковые канальные протоколы.

При малых расстояниях между подсетями связь возможна через серверы подсетей, в которых размещаются интерфейсные платы, называемые внутренними мостами, и соответствующее сетевое программное обеспечение. При этом предполагается использование подсетей с идентичными протоколами, например, IPX, иначе нужно использовать маршрутизаторы или шлюзы. В частности, высокопроизводительную ЭВМ подключают к ЛВС через выделяемую для этих целей машину-шлюз. Возможно применение внешних мостов - специально выделяемых узлов для целей сопряжения по одному в каждой из соединяемых подсетей. Внешние мосты обходятся дороже, но обеспечивают лучшие эксплуатационные характеристики. Важная функция мостов - ограничение трафика, так как локальный трафик одной подсети замыкается в ней, не проходя в другую подсеть.

Обычно мост имеет два порта, хотя существуют и многопортовые мосты. Каждый порт может оказаться входным или выходным. Управление передачей пакетов выполняется с помощью маршрутной таблицы моста, в которой строки содержат соответствующие друг другу значения адреса узла и номера порта моста. Если пакет пришел на порт А и по таблице адрес относится к тому же порту А, то пакет остается в данной ЛВС, иначе передается на порт В, который найден по таблице. Первоначальное заполнение таблицы происходит по адресам источников пакетов - в строку заносятся адрес отправителя и номер входного порта. Таблицы могут изменять во времени свое содержимое. Если некоторые адреса по истечении длительного времени ни разу не активировались, то строки с такими адресами удаляются, их восстановление или занесение новых адресов выполняется по процедуре первоначального заполнения. Для сетей с многопутевой топологией возможно применение лавинного алгоритма.

Вариант 2 обеспечивает большую пропускную способность по сравнению с вариантом 1. Вариант 3 близок к варианту 2 по пропускной способности, он дороже, но именно он должен применяться, если расстояния между подсетями довольно большие. Вариант 4 используется для увеличения скорости при большом трафике. Наконец, вариант 5 предназначен для случаев расстояний в несколько километров и более.

Рис. 1. Варианты мостовых соединений

На рис. 1 представлены возможные варианты мостовых соединений.

В зависимости от выполняемых функций различают несколько типов мостов.

Так называемый прозрачный (transparent) мост соединяет однотипные подсети. Для определения местоположения узла мост имеет таблицу MAC-адресов, заполняемую администратором или автоматически в процессе широковещательной отсылки пакетов.

Транслирующие мосты соединяют сети с разными канальными протоколами, конвертируя пакеты (но необходимо, чтобы размеры пакетов были приемлемы для обеих сетей).

Инкапсулирующий мост отличается от прозрачного тем, что передача ведется через некоторую промежуточную сеть, имеющую, возможно, другие канальные протоколы (например, пересылка между Ethernet подсетями через опорную сеть FDDI). Промежуточная сеть работает широковещательно, все подсети-приемники вскрывают инкапcулированные пакеты.

Корпоративная сеть, состоящая из подсетей, связанных мостами, может быть названа автономной системой (AS - Autonomous System). Связь одной AS с другими осуществляется через маршрутизатор или шлюз. Такой маршрутизатор называют пограничным. В качестве AS можно рассматривать и более сложную совокупность связанных AS, если эта совокупность имеет выход во внешние сети опять же через пограничный маршрутизатор (шлюз). Из сказанного следует, что структура глобальных сетей является иерархической.

Ограничение мостов и коммутаторов

Создание сложной, структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы мосты и коммутаторы. Мост или коммутатор разделяет сеть на сегменты, локализуя трафик внутри сегмента, что делает линии связи разделяемыми преимущественно между станциями данного сегмента. Тем самым сеть распадается на отдельные подсети, из которых могут быть построены составные сети достаточно крупных размеров.

Однако построение сложных сетей только на основе мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения и недостатки.

· Во-первых, в топологии получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост/коммутатор может решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для повышения надежности сети за счет образования резервных путей.

· Во-вторых, логические сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами, слабо изолированы друг от друга, а именно не защищены от так называемых широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети.

· В-третьих, реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровней, к которым относятся мосты и коммутаторы, приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации: в качестве адреса назначения используется МАС-адрес, жестко связанный с сетевым адаптером.

· В-четвертых, канальный уровень обеспечивает транспорт кадров только между сегментами, построенными на одинаковой сетевой технологии. Т.е. в общем случае не возможно соединить в одну сеть сегменты, построенные на Ethernet и Token Ring. (Существуют коммутаторы с возможностью трансляции протоколов канального уровня, но эти возможности ограничены.)