Примеры построения сети на основе коммутаторов

Рис. 2.27.

Рис. 2.28.

Рис. 2.29.

Алгоритм Spanning Tree (STA)

Производительность и надежность каналов связи — важнейшие характеристики любой сети, самым непосредственным образом влияющие на ее полноценную работу. Обычно наиболее жесткие требования, касающиеся поддержки высокой нагрузки и непрерывности обслуживания, предъявляются к производительности и надежности магистральных каналов, так как через них проходит трафик значительного числа узлов сети. У проектировщика сети имеется наиболее широкий спектр (арсенал) по повышению производительности и надежности. Если с точки зрения производительности стандарт Ethernet предлагает технологию Ethernet-10 Мбит/с; Fast Ethernet-100 Мбит/с; Gigabit Ethernet-1000 Мбит/с; 10Gigabit Ethernet-10000 Мбит/с и технологию коммутации SW, то с точки зрения надежности основным элементом является использование альтернативных путей исследования трафика по избыточным маршрутам. Т.е. повысить надежность канала можно, вводя избыточные физические соединения, которые дублируют основной канал и повышают уровень связности сети.

Альтернативные соединения строятся двумя способами:

a) в режиме резервирования, при котором одно соединение функционирует, а остальные находятся в «горячем» резерве;

b) в режиме балансирования нагрузки, при котором данные передаются по альтернативным маршрутам.

В локальных сетях технологии и оборудование реализуют только функции 1-го и 2-го уровней модели OSI, и проблема использования альтернативных маршрутов имеет свою специфику. Поэтому требуется использования дополнительного механизма, в частности STA-механизма, и реализация протокола STP.

Алгоритм Spanning Tree был разработан достаточно давно, в 1983 г. сотрудницей компании DEC Радией Перлман. Он должен был решить проблему прозрачных мостов, популярность которых в то время быстро росла вместе с распространением сетей Ethernet. Прозрачные мосты по причине своей простоты не могут правильно работать в сетях с петлями — широковещательные пакеты при такой топологии размножаются и зацикливаются, да и таблица продвижения пакетов не всегда может быть построена корректно. При этом была получена возможность строить крупные локальные сети с высоким уровнем связности.

Алгоритм STA формализует сеть в виде графа, вершинами которого являются коммутаторы и сегменты сети (рис. 2.30).

Рис. 2.30.

Сегмент — связная часть сети, не содержащая коммутаторов (и маршрутизаторов). Он может быть разделяемым (во время создания алгоритма STA это был единственный тип сегмента) и включать устройства физического уровня такие, как повторители/концентраторы, существование которых коммутатор, будучи устройством канального уровня, не замечает. Сегодня сегмент часто представляет собой дуплексный канал «точка-точка» между смежными портами двух коммутаторов.

Алгоритм Spanning Tree обеспечивает поиск древовидной топологии связей с единственным путем от каждого коммутатора и от каждого сегмента до некоторого выделенного коммутатора (корня дерева) при минимально возможном расстоянии. Единственность пути гарантирует отсутствие петель, а минимальность расстояния — рациональность маршрутов следования трафика от периферии сети к ее магистрали, роль которой выполняет корневой коммутатор. В качестве расстояния в STA используется метрика, традиционная для протоколов маршрутизации, — величина, обратно пропорциональная пропускной способности сегмента. Более формально, метрика — это так называемое «условное время сегмента». Оно рассчитывается как время передачи одного бита информации и измеряется в 10-наносекундных единицах. Так, для сегмента Ethernet на 10 Мбит/с условное время равно 10 условным единицам, а для сегмента Token Ring на 16 Мбит/с — 6,25. В качестве корневого коммутатора выбирается коммутатор с наименьшим значением идентификатора. Идентификатор коммутатора — это число длиной восемь байт, шесть младших байтов которого составляет МАС-адрес его блока управления, отрабатывающего алгоритм STA (напомним, что портам коммутаторов и мостов для выполнения своей основной функции MAC-адресов не требуется), а два старших байта конфигурируются вручную, что позволяет администратору сети влиять на процесс выбора корневого коммутатора.

Для каждого коммутатора определяется корневой порт – это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до корневого коммутатора, и для каждого сегмента сети выбирается назначенный порт – это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора (рис. 2.31).

Рис. 2.31.

Предположим, что идентификаторы коммутаторов совпадают с их порядковыми номерами. При равных значениях метрики для разрешения неоднозначности к процедуре выбора минимального расстояния привлекаются значения идентификаторов коммутаторов и портов. (Идентификатором порта служит число длиной в два байта. Младший байт содержит порядковый номер данного порта в коммутаторе, а значение старшего байта задается администратором.) Предпочтение отдается коммутатору с наименьшим идентификатором. Например, для сегмента 3 существуют два равноценных в отношении метрики пути к корневому коммутатору 1 — через коммутатор 3 и коммутатор 4. Выбранный путь проходит через коммутатор, с меньшим значением идентификатора, а именно 3 (номера портов внутри коммутатора в данном случае совпадают, но при сравнении сначала принимается во внимание идентификатор коммутатора, а потом уже номер порта). Все порты, не вошедшие в покрывающее дерево, блокируются для пользовательского трафика — на рисунке этому соответствует перечеркивание.

Для автоматического определения начальной конфигурации дерева все коммутаторы сети после их инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста (Bridge Protocol Data Unit, BPDU). Пакеты BPDU переносят данные об идентификаторах коммутаторов и портов, а также о расстоянии до корневого коммутатора. Интервал генерации пакетов BPDU, называемый в алгоритме интервалом приветствия (hello), настраивается администратором и обычно составляет от 1 до 4 с.

Алгоритм STA определяет активную конфигурацию сети за три этапа.

1) Определяется корневой коммутатор (Root Switch), от которого строится дерево. Если администратор не вмешается в этот процесс, корневой коммутатор будет выбран достаточно случайным образом — им станет устройство с минимальным MAC-адресом блока управления. После выбора корневого коммутатора все остальные коммутаторы сети перестают генерировать пакеты BPDU и продолжают только ретранслировать пакеты BPDU корневого моста — для того, чтобы каждый коммутатор определил минимальные расстояния от всех своих портов до корневого коммутатора. Эти данные используются на следующих этапах работы STA.

2) Выбор корневого порта для каждого коммутатора. Корневой порт коммутатора (Root Port) должен иметь кратчайшее расстояние до корневого коммутатора (точнее, до любого из портов корневого коммутатора). Расстояние определяется по пакетам BPDU, ретранслируемым коммутатором.

3) Из всех портов всех коммутаторов каждого сегмента сети выбирается так называемый назначенный порт (Designated Port) с минимальным расстоянием до корневого коммутатора. Коммутатор, которому принадлежит назначенный порт для данного сегмента, объявляется назначенным коммутатором (Designated Switch) сегмента. Все остальные порты, кроме корневых и назначенных, переводятся в заблокированное состояние.

Дата добавления: 2015-07-07