Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

канальном уровне

У многих организаций есть несколько LAN, которые желательно объединить. Может быть, удобно соединить их в одну большую LAN? Это можно сделать с помощью специальных устройств, называемых мостами (bridges). Коммутаторы Ethernet, описанные в разделе 4.3.4, — это современное название мостов. Они обеспечивают функциональность, которая выходит за рамки классического Ethernet и концентраторов Ethernet, — дают возможность соединить несколько LAN в большую и быструю сеть. Мы будем использовать термины «мост» и «коммутатор» как синонимы.

Мосты работают на канальном уровне. Они анализируют адреса, содержащиеся во фреймах этого уровня, и в соответствии с ними осуществляют маршрутизацию. Поскольку мосты не проверяют у фрейма поле Payload, они одинаково хорошо справляются как с пакетами IP, так и с другими типами пакетов, например AppleTalk. В отличие от мостов, маршрутизаторы анализируют адреса в пакетах и действуют, основываясь на этой информации, поэтому они могут работать только с теми протоколами, для которых предназначены.

В этом разделе мы изучим работу мостов и объединение с их помощью нескольких физических LAN в одну логическую. Кроме того, мы рассмотрим обратный процесс — разделение одной физической LAN на несколько логических, так называемых виртуальных LAN. Обе технологии предоставляют полезную гибкость в управлении сетями. Подробную информацию о мостах, коммутаторах и связанных с ними вопросами можно найти в работах Перлман (Perlman, 2000) и Юй (Yu, 2011).

4.7.1. Применение мостов

Прежде чем перейти к обсуждению мостов, рассмотрим несколько распространенных случаев их применения. Есть три причины, по которым в организации может появиться несколько LAN.

Во-первых, у многих подразделений университетов или корпораций есть свои LAN, соединяющие персональные компьютеры, серверы и другие устройства (например, принтеры). У разных факультетов и отделов свои цели, поэтому они создают собственные сети независимо друг от друга. Однако рано или поздно возникает потребность в коммуникации, и здесь на помощь приходят мосты. В данном примере несколько отдельных LAN образовалось из-за автономности их владельцев.

Во-вторых, организация может размещаться в нескольких зданиях на значительном расстоянии друг от друга. Скорее всего, выгоднее создать несколько отдельных LAN и затем соединить их с помощью мостов и нескольких магистральных оптоволоконных кабелей, вместо того чтобы протягивать все кабели к одному центральному коммутатору. Даже если кабели легко проложить, их длина ограниченна (например, максимум для витой пары Gigabit Ethernet составляет 200 м). Сеть не будет работать с более длинными кабелями из-за чрезмерного ослабления или задержки сигнала. Единственное решение — разделить LAN и соединить ее части с помощью мостов, увеличив общее физическое расстояние, на котором может работать сеть.

В-третьих, иногда необходимо логически разделить одну LAN на несколько отдельных сетей, соединенных мостами, чтобы снизить нагрузку. Например, во многих крупных университетах в сети объединены тысячи рабочих станций, на которых работают студенты и сотрудники. В компании также могут работать тысячи людей. Огромные масштабы не позволяют объединить все рабочие станции в одну локальную сеть — компьютеров больше, чем портов в любом Ethernet-концентраторе, а станций больше, чем может быть в одной классической сети Ethernet.

Даже если удастся соединить друг с другом все рабочие станции, добавление дополнительных станций в концентратор Ethernet или классическую сеть Ethernet не приведет к увеличению емкости. Все они будут совместно использовать ту же фиксированную полосу пропускания. Чем больше станций подключится, тем меньше будет средняя пропускная способность каждой из них.

С другой стороны, емкость двух отдельных LAN в два раза больше, чем одной сети. Мосты позволяют объединять сети, сохраняя их пропускную способность. Идея в том, чтобы не передавать трафик на порты, на которых он не требуется, тогда каждая LAN сможет работать на максимальной скорости. Данный принцип также повышает надежность. Поврежденный узел, непрерывно передающий поток бессмысленных данных, может нарушить работу всей сети. Решая, что пересылать, а что нет, мост действует как пожарные двери в здании, защищая всю систему от разрушения из-за одного ненормального узла.

Для наилучшего результата мосты должны быть полностью прозрачными. В идеале мы покупаем их, подключаем кабели LAN, и все сразу же идеально работает — без каких-либо изменений оборудования или ПО, без присвоения коммутаторам адресов, скачивания таблиц маршрутизации и т.п. Мы просто все соединяем и уходим по своим делам. Более того, необходимо, чтобы наличие мостов вообще не влияло на работу существующих LAN. Не должно быть заметной разницы, какой LAN (с мостами или без) принадлежат станции, — они должны легко перемещаться в любой из них.

Удивительно, но создать такие мосты возможно — для этого используются два алгоритма. Алгоритм обратного обучения останавливает отправку трафика туда, где он не нужен; алгоритм связующего дерева прерывает циклы, которые могут возникнуть при непроизвольном соединении коммутаторов. Далее мы разберем эти алгоритмы по очереди, чтобы понять, как они достигают целей.

4.7.2. Обучающиеся мосты

Топология двух LAN, соединенных мостом, показана на илл. 4.33 для двух случаев. Слева к двум многоточечным LAN (таким, как классический Ethernet) присоединяется специальная станция — мост, он является элементом обеих сетей, справа — несколько LAN с соединениями «точка-точка» и один подключенный концентратор. Мосты — устройства, к которым присоединены станции и концентратор. Если LAN является сетью Ethernet, мосты называются Ethernet-коммутаторами.

Илл. 4.33. Мосты. (а) Мост, соединяющий две многоточечные LAN. (б) Мосты (и концентратор), соединяющие семь станций по двухточечной схеме

Мосты были разработаны во времена классического Ethernet, поэтому они часто изображаются в топологии с многоточечными кабелями, как на илл. 4.33 (а). Однако все топологии, которые можно встретить сейчас, состоят из двухточечных кабелей и коммутаторов. Мосты работают одинаково в обоих случаях. Все станции, присоединенные к одному порту моста, принадлежат к одной области коллизий, которая отличается от областей коллизий других портов. Если система содержит более одной станции (как в классическом Ethernet) и концентратор или полудуплексный канал, для отправки фреймов используется протокол CSMA/CD.

Однако LAN с мостовыми соединениями строятся по-разному. Чтобы объединить многоточечные LAN, мост добавляется в качестве новой станции для каждой из них, как показано на илл. 4.33 (а). В случае двухточечных LAN мост соединяется с концентраторами либо (что более предпочтительно) заменяет их, чтобы увеличить производительность. На илл. 4.33 (б) мосты заменили все концентраторы, кроме одного.

К одному мосту могут быть присоединены разные виды кабелей. Например, мосты B1 и B2 на илл. 4.33 (б) могут соединяться магистральным оптоволоконным каналом, а кабель между мостами и станциями может оказаться витой парой ближней связи. Такая структура полезна для соединения LAN различных зданий.

Теперь обсудим, что же происходит в мостах. Каждый мост работает в неизбирательном