Przelaczanie w sieciach Ethernet

1
Przelaczanie w sieciach Ethernet
2
Mostowanie

• Most zwykle laczy dwa segmenty sieci
• Most przelacza ramke na podstawie jej docelowego
  adresu fizycznego (MAC)
• Most tworzy w specjalnym obszarze pamieci tablice
  adresów fizycznych poszczególnych urzadzen
  przyporzadkowanych do odpowiednich portów mostu
• Most rozdziela domene kolizyjna, nie wplywajac na
  domene logiczna czy rozgloszeniowa.

3
Mostowanie

• Poczatkowo most nie ma zadnych informacji w
  pamieci i kazda otrzymana ramke musi przeslac na
  wszystkie pozostale porty, gdyz nie wie, w którym
  segmencie znajduje sie odbiorca. Stopniowo tworzy
  jednak wpisy w tablicy na podstawie adresów
  zródlowych ramek otrzymanych przez poszczególne
  interfejsy - urzadzenie wysylajace ramke zostaje
  powiazane z interfejsem, przez który przelacznik
  otrzymal dana ramke. Most przesyla otrzymana od
  stacji klient 1 ramke (zaadresowana do klienta 3)
  do wszystkich pozostalych interfejsów (w tym
  przypadku E2), równoczesnie tworzac wpis w
  tablicy na podstawie adresu zródlowego ramki
  (111111111111) i interfejsu (E1). W podobny
  sposób tworzone sa wpisy w tablicy dla
  pozostalych stacji. Jezeli teraz klient 2 wysle
  ramke do klienta 1, wówczas most stwierdzi na
  podstawie tablicy, ze adres docelowy jest w tym
  samym segmencie i nie przelaczy tej ramki na
  interfejs E2, unikajac niepotrzebnego ruchu w
  drugim segmencie.

4
Przelaczanie

• Podstawowe zasady pracy przelacznika sa takie
  same, jak mostu
• Podstawowe róznice to
• Mechanizm przelaczania - Most korzysta z
  przelaczania programowego, przelacznik wyposazony
  jest w sprzetowe uklady ASIC z bardzo szybka
  magistrala przelaczania - w efekcie przelaczanie
  jest znacznie szybsze
• Gestosc portów - Mosty zwykle maja 2 porty,
  przelaczniki maja ich znacznie wiecej (nawet
  ponad 100)
• Liczba procesów spanning-tree - Przelaczniki moga
  uruchamiac wiele procesów spanning-tree,
  niezaleznie dla poszczególnych sieci wirtualnych
  (grup VLAN).

5
Przelaczanie

• Przelaczniki zawieraja specjalny rodzaj pamieci
  asocjacyjnej CAM, która eliminuje koniecznosc
  stosowania algorytmów przeszukujacych
  wprowadzenie danych (adresu MAC) powoduje
  zwrócenie adresu (numeru portu). Jesli w pamieci
  CAM nie ma adresu MAC do którego jest kierowana
  ramka zostanie ona rozeslana na wszystkie porty
  przelacznika, poza portem z którego przyszla.

6
Przelaczanie

• Kolejna róznica wzgledem mostów jest uzycie
  ukladów ASIC (Application-Specific Integrated
  Circuit) sa to uklady bramek logicznych, które
  mozna laczyc (programowac) zaleznie od potrzeb
  celem realizacji okreslonego algorytmu.
  Zastosowanie tych ukladów zwiekszylo wydajnosc
  przelaczania a tym samym zmniejszylo opóznienia.

7
Opóznienie

• Opóznienie to róznica pomiedzy czasem, kiedy
  urzadzenie nadawcze rozpoczyna wysylanie ramki, a
  czasem, gdy jej poczatkowa czesc osiagnie swój
  cel.

8
Opóznienie

• Opóznienia medium szybkosc propagacji sygnaly w
  medium
• Opóznienia obwodów szybkosc dzialania ukladów
  posredniczacych
• Opóznienia programowe szybkosc dzialania
  algorytmów przelaczajacych i dekodujacych
• Opóznienia powodowane przez zawartosc ramki
  pozycja adresu w ramce

9
Opóznienie

• Regula 5-4-3-2-1 pozwala utrzymac w odpowiednich
  granicach obustronne opóznienia wystepujace w
  sieci wspóldzielonej.
• Piec segmentów medium sieciowego
• Cztery wtórniki lub koncentratory
• Trzy segmenty sieci zawierajace hosty
• Dwie sekcje laczy (bez hostów)
• Jedna duza domena kolizyjna

10
Tryby przelaczania

• Zapamietaj i przekaz (store and forward) -
  przelacznik musi odczytac cala ramke zanim
  rozpocznie sie proces przelaczania. Nastepnie
  sprawdzana jest poprawnosc ramki (za pomoca sumy
  kontrolnej CRC) i ramka uszkodzona jest
  odrzucana. Przelacznik nie przekazuje dalej ramek
  uszkodzonych. Niestety, czas przelaczania ramki
  zalezny jest od jej dlugosci.
• Przelaczaj od razu (cut-through) - przelacznik,
  juz po odczytaniu pola adresu docelowego z
  naglówka ramki, rozpoczyna proces przelaczania
  ramki. Nie jest sprawdzana poprawnosc ramki, wiec
  przelaczanie jest szybsze, a czas przelaczania
  ramki jest niezalezny od jej dlugosci. Niektóre
  przelaczniki dodatkowo sprawdzaja sume kontrolna
  CRC i zliczaja bledne ramki - jesli liczba bledów
  przekroczy dozwolony próg, przelacznik moze
  automatycznie przestawic sie w tryb pracy
  zapamietaj i przekaz.

11
Tryby przelaczania

• Wykrywaj ramki kolizji (fragment-free) - jest to
  zmodyfikowana postac metody przelaczaj od razu.
  Przelacznik odczytuje pierwsze 64 bajty ramki
  (minimalny rozmiar ramki Ethernet) zanim
  rozpocznie proces przelaczania. Dzieki temu moze
  odrzucic wszystkie ramki bedace wynikiem kolizji.
• Do przelaczania asymetrycznego musi byc
  wykorzystywany tryb store-and-forward.

12
Algorytm STA

• Algorytm STA (Spanning-Tree Algorithm) zostal
  opracowany w firmie DEC w celu wyeliminowania
  szkodliwego wplywu petli mostowych przy
  równoczesnym wykorzystaniu ich zalet. Algorytm
  DECa zostal przejety i zmodyfikowany przez
  komitet IEEE 802, a nastepnie opublikowany jako
  specyfikacja IEEE 802.1d. Algorytmy DECa i IEEE
  802.1d nie sa w pelni kompatybilne.

13
Algorytm STA

• Algorytm STA jest mechanizmem okreslajacym
  podzbiór topologii sieci nie zawierajacy petli
  mostowych. Uzyskuje sie to przez blokowanie
  (czynienie ich nieaktywnymi) tych portów mostu,
  które jako aktywne moglyby powodowac powstawanie
  petli mostowych. Zablokowane porty moga zostac
  odblokowane (uaktywnione) w wypadku uszkodzenia
  polaczenia podstawowego, tworzac w ten sposób
  nowa, niezbedna trase w sieci.

14
Algorytm STA
15
Algorytm STA

• Algorytm STA przypisuje kazdemu mostowi unikatowy
  identyfikator, którym najczesciej (typowo) jest
  jeden z adresów MAC (Media Access Control) mostu
  plus priorytet. Ponadto kazdemu portowi we
  wszystkich mostach przypisuje sie unikalny
  identyfikator, którym typowo jest jego wlasny
  adres MAC. Wreszcie kazdy port mostu jest
  zwiazany z kosztem trasy, który nalezy rozumiec
  jako koszt transmisji ramki do sieci LAN przez
  ten port. Na rysunku koszty tras sa zaznaczone
  przy liniach odchodzacych od interfejsów
  poszczególnych mostów. Koszty tras sa zwykle
  przyznawane automatycznie, moga byc takze
  przydzielane recznie przez administratora sieci.

16
Protokól STP

• Kazdy przelacznik w sieci LAN, który wykorzystuje
  protokól drzewa opinajacego (STP), wysyla przez
  kazdy swój port specjalne komunikaty zwane
  jednostkami BPDU (ang. Bridge Protocol Data
  Unit), aby zakomunikowac innym przelacznikom
  swoja obecnosc i umozliwic wybór mostu glównego
  sieci. Nastepnie przelaczniki wykorzystuja
  algorytm drzewa opinajacego w celu identyfikacji
  i zamkniecia sciezek nadmiarowych.
• Wynikiem zidentyfikowania i wyeliminowania petli
  z wykorzystaniem protokolu STP jest powstanie
  hierarchicznej struktury drzewiastej wolnej od
  zapetlen. Alternatywne sciezki sa jednak w
  dalszym ciagu dostepne i moga byc wykorzystane w
  razie potrzeby.

- protokól STP realizuje algorytm STA
17
Protokól STP

• Pierwsza czynnoscia realizowana przez mechanizm
  STP jest selekcja mostu podstawowego R (Root
  Bridge), którym jest most z identyfikatorem o
  najnizszej wartosci.
• Nastepnie okreslany jest port podstawowy (Root
  Port) dla wszystkich pozostalych mostów. Przez
  port podstawowy mostu mozna osiagnac most
  podstawowy przy najmniejszym zagregowanym koszcie
  trasy, zwanym kosztem trasy podstawowej (Root
  Path Cost).
• Wreszcie okreslane sa przydzielone mosty
  (Designated Bridges) i przydzielone porty
  (Designated Ports). Przydzielony most w kazdej
  LAN zapewnia minimalny koszt trasy podstawowej.
  Przydzielony most dla danej LAN jest jedynym
  mostem, któremu zezwala sie na przesylanie ramek
  do i z tej LAN. Natomiast przydzielony port sieci
  LAN to taki, który laczy te LAN z przydzielonym
  mostem.

18
Protokól STP

• Kazdy port przelacznika uzywajacego algorytmu
  STP znajduje sie w jednym z pieciu stanów
• Blokowanie
• Nasluch
• Zapamietywanie
• Przesylanie
• Wylaczony

• Port moze przechodzic z jednego stanu do innego
  w nastepujacych cyklach
• od inicjacji do blokowania
• od blokowania do nasluchu lub zablokowania
• od nasluchu do zapamietywania lub zablokowania
• od zapamietywania do przesylania lub zablokowania
• od przesylania do zablokowania

19
Domena kolizyjna

• Jest to segment sieci, w którym moze dojsc do
  kolizji, czyli próby jednoczesnego
  nadawania, pomiedzy przylaczonymi
  urzadzeniami podczas transmisji danych.
• Wzrost liczby kolizji prowadzi do spadku
  wydajnosci sieci.
• Rozwiazaniem problemu jest segmentacja domeny
  kolizyjnej lub komunikacja w trybie pelnego
  dupleksu.

20
Domena kolizyjna

• Granice domen kolizyjnych sa wyznaczane przez
  typy urzadzen laczace segmenty medium.
• Urzadzenia warstwy 1 nie rozdzielaja domen
  kolizyjnych.
• Urzadzenia warstw 2 i 3 rozdzielaja domeny
  kolizyjne.
• Rozdzielanie domen kolizyjnych (zwiekszanie ich
  liczby) przy uzyciu urzadzen warstw 2 i 3 jest
  takze znane jako segmentacja.

21
Domena rozgloszeniowa

• Protokoly wykorzystuja ramki rozgloszeniowe i
  wieloemisyjne na poziome warstwy 2 modelu OSI do
  komunikacji pomiedzy domenami kolizyjnymi.
• Kiedy wezel ma nawiazac komunikacje ze wszystkimi
  hostami w sieci, wysyla ramke rozgloszeniowa z
  adresem odbiorcy równym 0xFFFFFFFFFFFF. Ramke z
  takim adresem musza rozpoznac karty sieciowe
  wszystkich hostów.

22
Domena rozgloszeniowa

• Domena rozgloszeniowa jest zbiorem domen
  kolizyjnych polaczonych ze soba urzadzeniami
  warstwy 2.
• Poniewaz urzadzenia warstw 1 i 2 nie maja wplywu
  na emisje rozgloszeniowe, musza byc one
  kontrolowane przez urzadzenia warstwy 3.
• Calkowity rozmiar domeny rozgloszeniowej mozna
  zidentyfikowac, wyszukujac wszystkie domeny
  kolizyjne, w których jest przetwarzana ramka
  rozgloszeniowa (obejmuje ona obszar sieci
  ograniczony urzadzeniami warstwy 3).

23
Przeplyw danych

• Pojecie przeplywu danych w kontekscie domen
  kolizyjnych i rozgloszeniowych obejmuje sposób, w
  jaki ramka rozprzestrzenia sie w sieci. Dotyczy
  to przeplywu informacji przez urzadzenia warstw
  1, 2 i 3 oraz sposobów efektywnej enkapsulacji
  danych w celu ich przeslania miedzy warstwami.
• Warstwe 1 wykorzystuje sie do transmitowania
  danych w medium fizycznym, warstwa 2 sluzy do
  zarzadzania domenami kolizyjnymi, natomiast
  warstwa 3 do zarzadzania domenami
  rozgloszeniowymi.

24
Przeplyw danych

• Urzadzenia warstwy 1 (wtórnik, hub) nie filtruja
  danych, wiec wszystkie odebrane dane sa
  przekazywane do nastepnego segmentu. Wszystkie
  segmenty polaczone za posrednictwem urzadzen
  warstwy 1 stanowia te sama domene kolizyjna i
  rozgloszeniowa.
• Urzadzenia warstwy 2 (most, switch) filtruja
  ramki w oparciu o adres MAC odbiorcy. Urzadzenie
  warstwy 2, takie jak most, tworzy wiele domen
  kolizyjnych, lecz utrzymuje pojedyncza domene
  rozgloszeniowa.
• Urzadzenia warstwy 3 (router) filtruja pakiety
  danych w oparciu o adres IP odbiorcy. Urzadzenia
  warstwy 3 tworza wiele domen kolizyjnych i
  rozgloszeniowych.

25
Segmentacja

• Segmentacja w warstwie 2 jest stosowana do
  zredukowania liczby kolizji.
• Segmentacja w warstwie 3 jest stosowana do
  ograniczenia tzw. promieniowania rozgloszeniowego
  (sumaryczny ruch rozgloszeniowy i grupowy
  generowany przez wszystkie urzadzenia w sieci)
  oraz zapobiezenia wystepowania tzw. burzy
  rozgloszeniowej (sytuacja w której obieg
  promieniowania rozgloszeniowego zajmuje cale
  pasmo sieci i dane aplikacji nie moga byc
  przesylane).

26
Dodatkowe informacje

• http//www.pckurier.pl/archiwum/art0.asp?ID5099
• http//www.networld.pl/artykuly/20229.html