Принципи структуризації і проектування мереж Ethernet

Принципи структуризації і проектування мереж Ethernet

1. Поняття та визначення

Під логічної структуризацією і проектуванням мережі розуміється розбиття загальної розділяється середовища на логічні сегменти, які представляють самостійні колективні середовища з меншою кількістю вузлів. Мережа, розділена на логічні сегменти, має більш високу продуктивність і надійність.

Основні недоліки мережі, побудованої на одному поділюваному середовищі, починають виявлятися при перевищенні деякого порогу кількості вузлів, підключених до середи. Найбільш важкі умови для вузлів мережі створює метод доступу CSMA / CD - технології Ethernet. Але і в інших технологіях, таких як Token Ring чи FDDI, де метод доступу носить менш випадковий характер і навіть часто називається детермінованим, випадковий фактор доступу до середовища все одно присутній і проявляє свій негативний вплив на пропускну здатність, дістається окремому вузлу.

Всім технологіям властивий експонентний зростання величини затримок доступу при збільшенні коефіцієнта використання мережі, відрізняється тільки поріг, при якому настає різкий перелом у поведінці мережі, коли майже прямолінійна залежність переходить в круту експонента. Для всього сімейства технологій Ethernet - це 30-50%, для технології Token Ring - 60%, а для технології FDDI - 70%. Кількість вузлів, при яких коефіцієнт використання мережі починає наближатися до небезпечної межі, залежить від типу функціонують у вузлах додатків. Якщо раніше для мереж Ethernet вважалося, що 30 вузлів - це цілком прийнятне число для одного поділюваного сегмента, то сьогодні для мультимедійних додатків, що перекачують великі файли даних, цю цифру потрібно уточнювати за допомогою натурних або імітаційних експериментів.

При завантаженні мережі до 30% технологія Ethernet на поділюваному сегменті добре справляється з передачею трафіку, що генерується кінцевими вузлами. Однак при підвищенні інтенсивності генерованого вузлами трафіку мережа все більше часу починає працювати неефективно, повторно передаючи кадри, які викликали колізію. При зростанні інтенсивності генерованого графіка до такої величини, коли коефіцієнт використання наближається до одиниці, вірогідність зіткнення кадрів настільки збільшується, що практично будь-який кадр, який будь-яких станція намагається передати, стикається з іншими кадрами, викликаючи колізію. Мережа перестає передавати корисну інформацію користувача і працює "на себе", обробляючи колізії.

C егменти Ethernet не рекомендується завантажувати так, щоб середнє значення коефіцієнта використання перевищувало 30%. Саме тому в багатьох системах управління мережами порогова межа для індикатора коефіцієнта завантаження мережі Ethernet за умовчанням встановлюється на величину 30. В результаті, навіть мережу середніх розмірів важко побудувати на одному поділюваному сегменті так, щоб вона працювала ефективно при зміні інтенсивності генерованого станціями трафіку.

Крім того, при використанні розділяється середовища проектувальник мережі стикається з жорсткими обмеженнями максимальної довжини мережі, які для всіх технологій лежать в межах декількох кілометрів, і тільки технологія FDDI дозволяє будувати локальні мережі, довжина яких вимірюється десятками кілометрів.

Обмеження, що виникають із-за використання загальної розділяється середовища, можна подолати. Для цього необхідно розділити мережу на кілька поділюваних середовищ і з'єднати окремі сегменти мережі такими пристроями, як мости, комутатори або маршрутизатори.

Перераховані пристрої передають кадри з одного свого порту на інший, аналізуючи адресу призначення, поміщений в цих кадрах (на відміну від концентраторів, які повторюють кадри на всіх своїх портах, передаючи їх в усі приєднані до них сегменти, - незалежно від того, в якому з них знаходиться станція призначення). Мости й комутатори виконують операцію передачі кадрів на основі плоских адрес го рівня, тобто МАС - адрес, а маршрутизатори на основі номери мережі (мережевих адрес). При цьому єдина колективна середовище, створене концентраторами (або в граничному випадку одним сегментом кабелю), ділиться на кілька частин, кожна з яких приєднана до порту мосту, комунікатора або маршрутизатора.

Логічний сегмент являє собою єдину поділюване середовище. Розподіл мережі на логічні сегменти призводить до того, що навантаження, що припадає на кожний з новостворених сегментів, майже завжди виявляється менше, ніж навантаження, яку відчувала вихідна мережу. Отже, зменшуються шкідливі ефекти від поділу середовища: знижується час очікування доступу, а в мережах Ethernet - і інтенсивність колізій. Більшість великих мереж розробляється на основі структури із загальною магістраллю, до якої через мости і маршрутизатори приєднуються підмережі. Ці підмережі обслуговують різні відділи. Підмережі можуть ділитися і далі на сегменти, призначені для обслуговування робочих груп.

Сегментація збільшує гнучкість мереж. При побудові мережі як сукупності підмереж кожна підмережа може бути адаптована до специфічних потреб робочої групи чи відділу. Наприклад, в одній підмережі може використовуватися технологія Ethernet і ОС NetWare, а в іншій - Token Ring і OS -400, у відповідності з традиціями того чи іншого відділу чи потребами наявних додатків. Разом з тим, у користувачів обох підмереж є можливість обмінюватися даними через міжмережеві пристрої - мости, комутатори, маршрутизатори. Процес розбиття мережі на логічні сегменти можна розглядати і в зворотному напрямку - як процес створення великої мережі з модулів вже наявних підмереж.

Підмережі підвищують безпеку даних. При підключенні користувачів до різних фізичних сегментах мережі можна заборонити доступ певних користувачів до ресурсів інших сегментів. Встановлюючи різні логічні фільтри на мостах, комунікаторах і маршрутизаторах, можна контролювати доступ до ресурсів, чого не дозволяють зробити повторювачі (пристрій для відновлення і посилення сигналів в мережі для збільшення її довжини).

Підмережі спрощують управління мережею. Побічним ефектом зменшення графіка, балансування навантаження та підвищення безпеки даних є спрощення управління мережею. Проблеми дуже часто локалізується усередині сегмента. Як і у випадку структурованої кабельної системи, проблеми однієї підмережі не впливають на інші підмережі. Підмережі утворюють логічні домени управління мережею.

Структуризація за допомогою повторювачів і мостів. Всі сучасні реалізації Ethernet (за винятком коаксіальних версій) вимагають для зв'язку кінцевих вузлів застосування тих чи інших активних проміжних пристроїв Ці пристрої є крапками концентрації індивідуальних кабелів (проводів) підходять до крайовим і іншим проміжним вузлам мережі, і називаються "концентраторами". На жаль, немає усталеної термінології, що погоджує в струнку систему такі поняття як "концентратор", "повторювач", "хаб", "міст" і "комутатор". Під "концентратором" часто мають на увазі і повторювач простий пристрій, і комутатор, що дозволяє поєднувати пристрої з різними технологіями (Ethernet, Token Ring, FDDI). Концентратори розрізняються по виконуваних функцій (повторювачі, мости, комутатори 2-го рівня, комутатори 3-го рівня), типами і кількістю портів, конструктивного виконання. Повторювач (repeater) у мережах Ethernet на коаксіальному кабелі використовується як засіб подолання обмежень на довжину кабелю і кількості підключених вузлів (по електричних характеристиках). У мережах на кручений парі і оптоволокні повторювач є найдешевшим варіантом сполучного пристрою і частіше називається "хабом" (hub).

У найпростішому випадку повторювач має два порти. Завданням повторювача є: передача сигналу з одного порту в інші з відновленням форми і обробкою колізій, а також ізоляція порту, на якому він виявляє безперервні помилки. Кожен порт має власний трансивер-приймач, передавач і детектор колізій. Повторювач прослуховує сигнали на всіх портах. При виявленні несе на одному з портів він синхронізується з преамбулі і прийняту послідовність сигналів транслює в усі інші порти з номінальною амплітудою імпульсів. Після зникнення несучої всі порти знову переходять у стан очікування сигналу на будь-якому з портів. Якщо під час трансляції сигналу в будь-якому з портів виявляється колізія, повторювач в усі порти посилає jam-послідовність. Це робиться для того, щоб вузли, підключені до всіх портів, могли б розпізнати колізію. Якщо транслювати одного з портів виявляє колізію поспіль 32 рази, то порт ізолюється (partitioned) - сигнали з цього порту перестають транслюватиметься в інші. Пакети в сегментований порт транслюватися. Якщо трансивер вдається передати пакет в сегмент трансльовані порт без колізії, сегментація знімається і порт переходить в нормальний режим роботи. Ця автоізоляція (auto partition) призначена для підвищення живучості мережі. Для повторювачів Fast Ethernet правила ізоляції та "реабілітації" дещо складніше. Приводом для ізоляції є і довга "балакуча" (jabber) посилка (більше 1 518 байтів). Повторювач працює на рівні фізичних сигналів - закованих бітових ланцюжків. Для збільшення числа підключаються вузлів і відстані між ними в мережі може бути присутнім безліч з'єднаних між собою повторювачів. Мережа на повторювачах повинна задовольняти наступним обмеженням.

1. Петльові з'єднання повторювачів неприпустимі - мережа не повинна мати замкнутих контурів.

2. Між будь-якою парою станцій мережі на 10 Мбіт / с може бути не більше чотирьох повторювачів.

3. Затримка поширення сигналів між будь-якою парою вузлів не повинна перевищувати 25 мкс для 10 Мбіт / с і 2,5 мкс для 100 Мбіт / с.

4. Повторювач Fast Ethernet 100 Мбіт / с класу I в сегменті може бути тільки один.

5. Повторювачів класу II може бути не більше двох.

Міст (bridge) є засобом передачі кадрів між двома або більше сегментами-доменами колізій. Міст аналізує заголовок кадру його цікавлять МАС - адреси джерела і одержувача. Міст прослуховує кадри, що приходять кожен на свій порт, і становив, таблиці МАС - адрес вузлів, підключених до цих портів (за адресами джерела) Якщо приходить кадр має адресу призначення, що належить тому ж сегменту то цей кадр мостом фільтрується - нікуди не транслюється. Якщо адреса призначення відомий мосту і відноситься до іншого сегменту, міст транслює цей кадр у відповідний порт. Якщо положення адресата призначення ще не відомо мосту кадр транслюється в усі порти (крім того, звідки він прийшов). Широкомовні і багатоадресні кадри також транслюються в усі порти. Трансляція передбачає доступ до сегмента за звичайною схемою: очікування відсутності несучої, передача кадру і, в разі колізій, повторні спроби передачі. Для виконання цих процедур міст повинен мати буферну пам'ять для проміжного зберігання кадрів, а також пам'ять для зберігання таблиць МАС - адрес вузлів сегментів усіх портів. Описаний алгоритм поведінки відноситься до "прозорим" мостам.

Кадри з широкомовними МАС - адресами передаються мостом на всі його порти, як і кадри з невідомим адресою призначення. Такий режим розповсюдження кадрів називається "затопленням мережі * (flood). Наявність мостів в мережі не перешкоджає поширенню широкомовних кадрів по всіх сегментах мережі, зберігаючи її прозорість. Однак це є перевагою лише в тому випадку, коли широкомовна адресу вироблений коректно працюють вузлом. Однак часто трапляється так, що в результаті яких-небудь програмних або апаратних збоїв протокол верхнього рівня або сам мережевий адаптер починають працювати некоректно і постійно з високою інтенсивністю генерувати кадри з широкомовною адресою протягом тривалого проміжку часу.

2. Обмеження топології мережі, побудованої на мостах

Слабкий захист від широкомовного шторму - одне з головних обмежень моста, але не єдине. Іншим серйозним обмеженням функціональних можливостей мостів є неможливість підтримки петлеподібні конфігурацій мережі. Якщо в мережі побудованої з використанням мостів, з'являться замкнуті маршрути, то це призведе до наступних наслідків:

1) "розмноження" кадру, тобто появи декількох його копій;

2) нескінченної циркуляції копій кадру по зашморгу в протилежних напрямках, тобто засмічення мережі непотрібним трафіком;

3) постійної перебудови мостами своїх адресних таблиць, так як кадр з адресою джерела буде з'являтися то на одному порту, то на іншому;

4) великий затримці передачі кадрів за рахунок їх буферірованія і послідовного обслуговування портів.

Щоб виключити всі ці небажані ефекти, мости потрібно застосовувати так, щоб між логічними сегментами не було петель, тобто будувати за допомогою мостів тільки деревоподібні структури, що гарантують наявність тільки одного шляху між будь-якими двома сегментами. Міст доцільно встановлювати в точці мережі, що забезпечує не більше 20% передач через міст.

3. Обгрунтування розміру (діаметра) мережі Ethernet

При виборі конфігурації мережі Ethernet, що складається з сегментів різних типів, виникає багато питань, пов'язаних, перш за все, з максимально допустимим розміром (діаметром) мережі і максимально можливим числом різних елементів. Мережа буде працездатною тільки в тому випадку, якщо максимальна затримка поширення сигналу в ній не перевищить граничної величини. Ця величина визначається обраним методом управління обміном CSMA / CD (Carrier - Sense Multiple Access with Collision Detection - множинний доступ з контролем несучої і виявленням колізій), заснованим на виявленні та вирішенні колізій.

Перш за все нагадаємо, що для одержання складних конфігурацій Ethernet з окремих сегментів застосовуються концентратори двох основних типів:

1. репітерние концентратори, які представляють собою набір репітерів і ніяк логічно не розділяють сегменти, підключені до них;

2. комутуючі {awitching) концентратори або комутатори, які передають інформацію між сегментами, але не передають конфлікти із сегмента на сегмент.

Застосування репітерного концентратора не розділяє зону конфлікту, в той час як кожен комутуючих концентратор ділить зону конфлікту на частини. У разі комутатора оцінювати працездатність треба для кожної частини мережі окремо, а в разі репітерних концентраторів треба оцінювати працездатність всієї мережі в цілому.

Допустимі розміри мережі Ethernet визначаються низкою чинників.

1. Обмеження на довжину кабельного сегмента, пов'язані з загасанням і спотворенням форми сигналу: 10 Base -5 - 500 м і правило "5-4-3", 10 Base -2 - 185 (300) м і правило "5-4-3" , 10 Base - T / 100 Base - TX / 100 Base - T 4 - 100 м.

2. Обмеження на кількість вузлів в домені колізій: не більше 1 024.

3. Обмеження на кількість повторювачів між будь-якою парою вузлів: Ethernet - 4, Fast Ethernet - 1 або 2, Gigabit Ethernet - 1.

4. Обмеження на розмір домену колізій, пов'язані з часом поширення сигналу між кінцевими вузлами мережі: час подвійного обороту для Ethernet і Fast Ethernet не повинно перевищувати 512 bt, для Gigabit Ethernet - 2 048 bt.

Для мереж на мідних кабелях, як правило, досить виконати перші три умови. Оптоволокно, особливо одномодове, дозволяє значно збільшувати довжину кабельного сегмента, але при цьому обмежуючим фактором буде виступати затримка поширення сигналу. Затримки 25,6 мкс (для 10 Мбіт / с) і 2,6 мкс (для 100 Мбіт / с) відповідають довжині скляного волокна близько 5000 і 500 м.

При описі тимчасових діаграм мереж типу Ethernet й Fast Ethernet, а також при визначенні граничних розмірів мережі широко використовуються такі терміни.

1. IPG (interpacket gap, межпакетная щілину) - мінімальний проміжок часу між переданими пакетами (9,6 мкс для Ethernet; 0,96 мкс для Fast Ethernet). Інша назва - міжкадровий інтервал.

2. ВТ (Bit Time, час біта) - інтервал часу для передачі одного біта (100 не для Ethernet; 10 не для Fast Ethernet).

3. PDV (Path Delay Value, значення затримки в дорозі) - час проходження сигналу між двома вузлами мережі (кругове, то це подвоєне). Враховує сумарну затримку в кабельній системі, мережевих адаптерах, повторювачах та інших мережевих пристроях.

4. Collision window (вікно колізій) - максимальне значення PDV для даного сегмента.

5. Collision domain (область колізій, зона конфлікту) - частина мережі, на яку поширюється ситуація колізії, конфлікту.

6. Slot time (час каналу) - максимально допустимий вікно колізій для сегмента (512 bt).

7. Minimum frame size - мінімальний розмір кадру (512 біт або 64 байта).

8. Maximum frame size - максимальний розмір кадру (1518 байт).

9. Maximum network diameter (максимальний діаметр мережі) - максимальна допустима довжина сегмента, при якій його вікно колізій не перевищує часу каналу slot time.

10. Truncated binary exponential back off (усічена двійкова експонентна відстрочка) - затримка перед дотримуюся щей спробою передачі пакета після колізії (допускається максимум 16 спроб).

Друга модель, яка застосовується для оцінки конфігурації Ethernet, заснована на точному розрахунку часових характеристик обраної конфігурації мережі. Вона іноді дозволяє вийти за межі жорстких обмежень моделі 1. Застосування моделі 2 зовсім необхідно в тому випадку, коли розмір проектованої мережі близький до максимально допустимого.

У моделі 2 використовуються дві системи розрахунків: - "перша система припускає обчислення подвійного (кругового)

часу проходження сигналу по мережі і порівняння його

з максимально припустимою величиною (512 bt); - * друга система перевіряє допустимість скорочення (на 49 bt)

величини одержуваного міжкадрового тимчасового інтервалу,

межпакетной щілини (IPG - Inter Packet Gap) у мережі.

При цьому обчислення в обох системах розрахунків ведуться для найгіршого випадку, для шляху максимальної довжини, тобто для такого шляху переданого по мережі пакету, який вимагає для свого проходження максимального часу. При першій системі розрахунків виділяються три типи сегментів:

• початковий сегмент - це сегмент, відповідний початку шляху максимальної довжини;

• кінцевий сегмент - це сегмент, розташований в кінці шляху максимальної довжини;

• проміжний сегмент - це сегмент, що входить в шлях максимальної довжини, але не є ні початковою, ні кінцевим.

Проміжних сегментів у вибраному шляху може бути кілька, а початковий і кінцевий сегменти при різних розрахунках можуть мінятися місцями один з одним. Виділення трьох типів сегментів дозволяє автоматично враховувати затримки сигналу на всіх концентраторах, що входять в шлях максимальної довжини, а також у приемопередающих вузлах адаптерів.