Мосты (2-уровень модели OSI)

Сегментация локальных сетей с помощью мостов

Как известно, правила технологии Ethernet ограничивают максимальную длину сегмента и количество станций, подключенных к одному сегменту кабеля. Что же делать, если нужно получить большую длину сегмента или добавить больше устройств в сегмент? Необходимое решение может быть реализовано на основе мостов. Например, если в сети с повторителем станции находятся в одном сегменте и передают информацию друг другу, то переданные фреймы появляются на всех остальных сегментах рассматриваемой сети. В случае сетей, объединенных с помощью моста, такого обычно не происходит. В мостах используется фильтрация для того, чтобы определить, следует или не следует отправлять фрейм в другие интерфейсы.

Для технологий, которые используют различные методы доступа к среде передачи, как, например, Ethernet и Token Ring, методы фильтрации также различны. Например, в технологии Ethernet используется метод, называемый прозрачным мостовым соединением (transparent bridging), который состоит в том, что проверяется МАС-адрес получателя фрейма и по результатам определяется, должен ли фрейм передаваться, быть отфильтрованным, или передаваться на все порты (flood). Мост работает на уровне 2 модели OSI — канальном. Работа на данном уровне означает, что мост имеет доступ к заголовку фрейма, который содержит информацию о МАС-адресах. Таким образом, сетевые устройства принимают решение о пересылке фреймов по информации, которая находится в заголовках фреймов, содержащих МАС-адреса. В технологии Token Ring также может использоваться метод исходного маршрута (source route bridging), в котором применяется принцип перенаправления потока фреймов, отличный от метода прозрачного мостового соединения.

Метод прозрачного мостового перенаправления определен в спецификации стандарта IEEE 802.1d, которая описывает пять процессов обработки фрейма при прохождении через мост:

1. перенаправление фреймов (forwarding);

2. лавинная передача (flooding);

3. фильтрация фреймов (filtering);

4. коммутация с изучением топологии или самообучением (learning);

5. старение таблицы МАС-адресов (aging).

Когда фрейм поступает в мост, работающий по методу прозрачного перенаправления, Ethernet МАС-адрес отправителя и порт, к которому он подключен, добавляются в таблицу МАС-адресов моста(CAM-Content-Addressable Memory). Если адрес отправителя уже находится в таблице, то мост обновляет значение таймера старения информации для данного адреса. Далее проверяется МАС-адрес точки назначения. Если адрес получателя является широковещательным, адресом групповой передачи или адресом отдельного устройства, по отсутствует в таблице МАС-адресов, то пакет передается во все порты (лавинная передача), которые находятся в режиме использования алгоритма связующего дерева, за исключением порта, к которому подключен отправитель. Если адреса отправителя и получателя соответствуют одному порту, то мост отбрасывает (фильтрует) фрейм. В противном случае мост перенаправляет фрейм в интерфейс, который записан в таблице МАС-адресов моста и соответствует адресу получателя.

Самообучение Каждый мост поддерживает таблицу МАС-адресов, в которую заносятся записи обо всех известных рабочих станциях, подключенных ко всем интерфейсам моста. В частности, при получении фрейма от любого устройства мост заносит МАС-адрес отправителя и порт, к которому подключен отправитель, в свою таблицу МАС-адресов. Такой процесс называется самообучением моста или изучением топологии. Мост запоминает только адреса отправителей, содержащиеся в одноадресных сообщениях. Станции никогда не передают фреймы, у которых адрес отправителя является широковещательным или адресом групповом рассылки. Мост запоминает МАС-адреса отправителей для интеллектуальной пересылки фреймов в сегмент получателя. При получении фрейма мост просматривает свою таблицу МАС-адресов для определения порта, к которому подключена станция с МАС-адресом требуемого получателя. Информация в таблице МАС-адресов моста используется либо для фильтрации трафика (в случае, если станция-отправитель и станция-получатель находятся на одном сегменте), либо для отправки фрейма в соответствующий интерфейс или интерфейсы.

Лавинная передача. Когда мост получает одноадресатный фрейм (т.е. фрейм, предназначенный только одной станции-получателю), а в таблице МАС-адресов данного моста нет информации об адресе назначения, то говорят, что мост получает неизвестный одноадресатный фрейм. Правила работы мостов требуют, чтобы неизвестный одноадресатный фрейм отправлялся во все интерфейсы, за исключением того, к которому подключена станция-отправитель. Указанный процесс называется лавинной передачей (flooding).

Старение таблицы МАС-адресов. Когда мост определяет адрес отправителя в процессе изучения топологии, то в соответствующую запись в таблице его МАС-адресов заносится также отметка времени, когда данное событие произошло. Каждый раз при получении фреймов от указанного отправителя мост обновляет значение временной отметки. Если мост не получает никаких фреймов от данного узла-отправителя в течение определенного времени (истекает время так называемого таймера старения), то мост удаляет соответствующую запись из своей таблицы МАС-адресов.

Для чего необходимо удаление записей? Мост имеет конечное количество памяти, что, соответственно, ограничивает количество адресов, которое он может запомнить в своей таблице МАС-адресов. Например, мосты самого высокого класса имеют возможность запоминать более 16000 адресов, тогда как устройства более низкого класса имеют таблицы с емкостью менее 4096 записей. Что же произойдет, если все 16000 записей уже заполнены, а в сети работает 16001 устройство? Мост передает фреймы от такого последнего устройства с помощью лавинной передачи до тех пор, пока не освободится место в его таблице МАС-адресов и мост не сможет запомнить информацию о нем. Записи в таблице МАС-адресов уничтожаются, когда для соответствующего адреса истекает таймер старения записи. Таймер старения таблицы МАС-адресов позволяет ограничить количество актов лавинной передачи благодаря запоминанию адресов наиболее активных станций. Если к сети подключено меньше устройств, чем можно разместить записей в таблице МАС-адресов моста, т.е. смысл увеличить временной интервал старения записей. В таком случае мост будет запоминать адреса станций на более длительное время и тем самым число актов лавинной передачи будет уменьшаться.

Старение таблиц МАС-адресов также необходимо для того, чтобы мосты могли приспособиться к перемещению станций.

Наиболее важным свойством мостов является то, что они позволяют соединять домены коллизий так, что объединенные домены коллизий являются независимыми, т.е. коллизии не распространяются между соединенными сегментами.

В сети, показанной на выше, каждый сегмент принадлежит отдельному домену коллизий. В сети с пропускной способностью 10 Мбит/с каждый сегмент в таком случае обеспечивает собственную пропускную способность 10 Мбит/с, общая пропускная способность при этом составляет 40 Мбит/с.

Еще одно преимущество использования мостов вытекает из того, что они работают на втором уровне. В сети с повторителями ограничение на максимальную протяженность сети приводит к невозможности расширения размеров структуры до бесконечности. Использование мостов позволяет использовать для каждого сегмента максимально возможную длину. Каждый сегмент имеет свое значение канального интервала. Мосты не передают коллизий между сегментами, т.е. они позволяют изолировать отдельные участки сети и восстанавливать значения канального интервала. В теории с помощью мостов можно расширять сеть до бесконечности. Практические соображения, однако, не позволяют использовать такую возможность.

Мосты фильтруют фреймы, отправитель и получатель которых находятся в одном сегменте. Исключением являются широковещательные фреймы и фреймы групповой рассылки. При получении широковещательного сообщения мост передает фрейм во все интерфейсы. Рассмотрим для примера запросы протокола ARP, как и для сетей с повторителями. Станция-отправитель, которая находится в сети с повторителями и обменивается сообщениями с другой станцией, работающей по протоколу IP и находящейся в той же сети, посылает широковещательный ARP-запрос. Запрос передается в широковещательном фрейме и, следовательно, передается через все мосты и все интерфейсы. Все сегменты, подключенные к мосту, принадлежат к одному широковещательному домену. Т.к. все станции принадлежат одному широковещательному домену, то, следовательно, они должны также принадлежать одной IP-подсети.

Сеть, объединенная с помощью мостов, очень легко может быть "переполнена" трафиком широковещательных и групповых сообщений, если приложения генерируют такой вид данных. Например, мультимедийные приложения, такие, как приложения для видеоконференций по протоколу IP, создают трафик групповых сообщений.

В каких случаях необходимо использовать мосты? Каковы преимущества в использовании мостов по сравнению с повторителями? Что происходит в случае, когда станции обмениваются одноадресатными фреймами? Как мосты обрабатывают такой вид трафика?

В случае, когда устройство-отправитель и устройство-получатель подключены к одному интерфейсу, мост фильтрует соответствующие фреймы и не передает трафик на остальные интерфейсы (если фрейм не является широковещательным или фреймом групповой пересылки). Если отправитель и получатель подключены к различным портам моста, то мост перенаправляет фрейм в соответствующий интерфейс, чтобы он мог быть доставлен получателю. Процесс фильтрации и селективного перенаправления позволяет сохранить пропускную способность на других сегментах, что является существенным преимуществом мостов по сравнению с повторителями, которые не имеют функции дифференциации фреймов.

Когда мост осуществляет перенаправление трафика, он не меняет содержимого фреймов. Так же, как и в случае повторителя, мост не проводит никакой обработки фрейма, кроме "очистки" сигнала перед его отправкой через другой порт. При прохождении фрейма через мост адреса второго и третьего уровней остаются без изменений. В отличие от мостов маршрутизаторы изменяют адреса второго уровня.

Существует эмпирическое правило "80/20", которое необходимо учитывать при проектировании сетей с использованием мостов. Согласно данному правилу использование мостов наиболее эффективно, если 80 процентов трафика сосредоточены в локальном сегменте, а 20 процентов трафика перенаправляются мостом в другие сегменты

Другим преимуществом использования мостов является то, что они не передают в другие сегменты фреймы, содержащие ошибки. Если мост определяет, что фрейм содержит ошибку или допустимые для используемого метода доступа к физической среде передачи размеры нарушены, то мост отбрасывает такой фрейм. Данная функция защищает сегмент получателя от поврежденных фреймов, т.к. они требуют затрат пропускной способности, а устройство-получатель в любом случае отбросит фрейм, содержащий ошибки при его обработке.

Дата добавления: 2015-07-08