Учебно-методическое пособие представляет собой первую часть конспекта лекций по дисциплине «Компьютерные сети и системы» (стр. 25 из 28)
Описанный алгоритм работы моста несколько упрощен. На самом деле процесс обучения моста никогда не заканчивается. Мост постоянно следит за адресами источника и получателя буферизуемых кадров, чтобы автоматически приспосабливаться к изменениям в сети – перемещениям компьютеров из одного сегмента в другой, появлению в ней новых компьютеров.
С другой стороны, мост никогда не ждет, пока адресная таблица заполнится полностью, да это и невозможно. Как только в таблице появляется первый адрес, мост пытается его использовать, проверяя совпадение с ним адресов назначения всех поступающих кадров.
Входы адресной таблицы могут быть динамическими, создаваемыми в процессе самообучения моста, и статическими, создаваемыми вручную администратором сети.
Динамические входы имеют срок жизни – при создании или обновлении записи с ней связывается отметка о времени. По истечении тайм-аута, если за это время мост не принял ни одного кадра с соответствующим адресом получателя, запись помечается как недействительная. Наличие динамических входов дает возможность автоматически реагировать на перемещения компьютеров из одного сегмента сети в другой.
Статические записи не имеют срока жизни, что дает администратору возможность подправлять работу моста, если это необходимо.
Алгоритм работы моста с маршрутизацией от источника
Мосты с маршрутизацией от источника применяются для соединения колец сетей Token Ring и FDDI, хотя для этих целей можно также использовать и прозрачные мосты. Маршрутизация от источника SR (Source Routing) основана на том, что станция – отправитель помещает в посылаемый в другое кольцо кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и кольцах, которые должен пройти кадр до получателя.
Рассмотрим сеть Token Ring, состоящую из трех колец, соединенных тремя мостами (рис.23). Для задания маршрута кольца и мосты при продвижении кадров не строят адресную таблицу, а пользуются информацией, вложенной в соответствующие служебные поля кадра данных.
Рис.23. Использование мостов типа Source Routing
При получении очередного пакета SR-мосту нужно лишь просмотреть поле маршрутной информации (поле RIF в кадре Token Ring или FDDI) на предмет наличия в нем своего идентификатора. И если он там присутствует и сопровождается идентификатором кольца, которое подключено к данному мосту, то в этом случае мост копирует поступивший кадр в указанное кольцо. В противном случае кадр в соседнее кольцо не копируется.
Для работы алгоритма маршрутизации от источника используются два дополнительных типа кадра – одномаршрутный широковещательный кадр – исследователь SRBF (Single-Route Broadcast Frame) и многомаршрутный ARBF (All-Route Broadcast Frame). Все SR-мосты должны быть сконфигурированы администратором вручную, чтобы передавать ARBF-кадры на все порты, а для кадров SRBF некоторые порты мостов нужно заблокировать, чтобы в сети не было петель. В примере на рис.23 администратор заблокировал оба порта моста 3 для передачи кадров SRBF.
Кадр первого типа отправляется станцией, когда она 1) определяет, что станция назначения находится в другом кольце, 2) ей неизвестно, через какие мосты и кольца пролегает путь к станции назначения. Первое обстоятельство выясняется, если кадр возвращается по кольцу к отправителю с неустановленными признаками распознавания адреса и копирования. Это означает, что ни одна станция данного кольца не является получателем, и кадр следует передать по некоторому составному маршруту. Отсутствие в таблице моста маршрута к получателю является вторым обстоятельством, которое и вызывает отправку одномаршрутного кадра-исследователя SRBF.
Как и прозрачные мосты, SR-мосты работают в режиме неразборчивого захвата, буферизуя все поступающие на них кадры. При получении кадра SRBF SR-мост передает его в исходном виде на все порты, незаблокированные для этого типа кадров. В конце концов, кадр – исследователь, распространяясь по всем кольцам сети, дойдет до получателя. В ответ станция – получатель посылает станции – отправителю кадр ARBF, который будет продвигаться к получателю по всем возможным маршрутам. При приеме такого кадра каждый промежуточный мост добавляет в поле маршрутной информации кадра RIF новый описатель маршрута (свой идентификатор и идентификатор кольца, из которого получен кадр ARBF) и широковещательно снова его распространяет.
Станция-отправитель в общем случае получает несколько кадров – ответов, прошедших по всем возможным маршрутам составной сети, и выбирает наилучший маршрут (обычно по количеству промежуточных мостов). Затем маршрутная информация помещается в таблицу маршрутизации станции и впоследствии используется для отправки кадров данных к данному получателю.
Кадры с широковещательными MAC – адресами передаются мостом на все его порты, как и кадры с неизвестным адресом получателя. Такой режим распространения кадров называется затоплением сети. Если из-за какой-либо неисправности протокол верхнего уровня или сетевой адаптер неисправного узла начинает работать некорректно и с высокой интенсивностью генерирует кадры с широковещательным адресом назначения, то мост затапливает сеть широковещательным трафиком. Такая ситуация называется широковещательным штормом. Мосты не защищают сеть от широковещательного шторма, во всяком случае, по умолчанию, как это делают маршрутизаторы.
Слабая защита от широковещательного шторма – одно из главных ограничений моста, но не единственное. Другим серьезным недостатком мостов является невозможность поддержки петлеобразных конфигураций сети.
Технология коммутации сегментов была предложена фирмой Kalpana в 1990 г. Принцип коммутации рассмотрим на примере первого коммутатора EtherSwitch, предложенного этой фирмой.
Каждый из восьми портов Ethernet 10Base-T этого коммутатора обслуживается отдельным процессором пакетов EPP (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет общий системный модуль, который координирует работу всех процессоров EPP. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами коммутатора используется коммутационная матрица, подобная тем, которые используются в телефонных коммутаторах.
Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. При поступлении кадра в какой-либо порт его процессор EPP буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь окончания буферизации кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, и если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы от всех EPP. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору строку с адресом получателя, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.
Получив информацию об адресе получателя, процессор теперь знает, что делать с кадром. Если кадр нужно отфильтровать, EPP просто прекращает дальнейшую запись в буфер байтов кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра. Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий входной порт с портом, через который идет маршрут к узлу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, если порт назначения в этот момент свободен, т.е. не соединен с другим портом. При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта назначения составляла у коммутатора EtherSwitch всего 40 мкс.
Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммуникационной матрицей требуемого соединения.
После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получит доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в этот сегмент. Процессор выходного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра.
Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации на лету (on-the-fly) или напролет (cut-through). Этот способ по существу представляет конвейерную обработку кадра, когда во времени частично совмещаются несколько этапов его передачи.
Коммутатор, работающий «на лету», может выполнять проверку корректности передаваемых кадров, но не может изъять плохой кадр из сети, т.к. часть его байт уже передана в сеть.
По сравнению с полной буферизацией кадра экономия от конвейеризации получается ощутимой, однако, главной причиной повышения производительности коммутаторов все же является параллельная обработка нескольких кадров, передаваемых по разным маршрутам.