Локальные сети(ЛВС). Принцип построения устройств типа мост (бридж)

Принцип построения устройств типа мост (бридж)

Информационное взаимодействие между рабочими станциями, размещенными на разных сегментах вычислительной сети, может быть реализовано на различных уровнях эталонной модели OSI. Наиболее часто это информационное взаимодействие выполняется на физическом, канальном, сетевом уровне или на уровне приложений.

Рис.1.8.1. Информационное взаимодействие между рабочими станциями на физическом, канальном, сетевом уровне и на уровне приложений.

Устройство типа репитер используется для объединения компонентов локальных вычислительных сетей на физическом уровне эталонной модели OSI. Примерами устройств этого типа являются концентраторы сетей 10 Base 2 и 10 Base 5.

Устройство типа мост используется для объединения компонентов локальных вычислительных сетей канальном уровне эталонной модели OSI. Примерами устройств типа мост являются коммутаторы, которые используются при построении сетей 10/100 Base Т.

Устройство типа Маршрутизатор используется для объединения компонентов локальных вычислительных сетей сетевом уровне эталонной модели OSI. Обычно маршрутизаторы используются для объединения территориально распределенных локальных вычислительных сетей.

Устройство типа шлюз выполняет функцию объединения вычислительных сетей на уровне приложения. В отличие от трех устройств, которые были описаны выше, шлюзы реализуются только программным способом.

В пределах локальной вычислительной сети чаще всего используются устройства типа бридж или репитер. В настоящее время в связи с повсеместным распространением сетевых технологий 10/100 Base T наиболее популярным компонентом вычислительных сетей является мост.

В зависимости от того, каким образом мост выполняет процедуру направления пакетов – как происходит определение порта назначения, а также возможности выполнения мостом некоторых дополнительных функций, различают несколько типов устройств типа мост:

•  Прозрачный мост (transparent bridge);

•  Трассирующий мост (source – route bridge);

•  Транслирующий мост (translation bridge).

Принцип действия прозрачного моста достаточно прост: он анализирует адрес канального уровня станции назначения, который размещен в пришедшем на его входной порт кадре и на основании этого анализа принимает решение о направлении этого кадра на тот или иной свой выходной порт (см рис. 1.8.2.). Процесс направления кадров выполняемый мостом называется forwarding.

Таблицу, в соответствии с которой выполняется направление кадров, мост формирует автоматически в динамическом режиме.

Рис 1.8.2.

В том случае, если адрес назначения принятого кадра имеет тип broadcast, мост должен передать этот кадр через все свои порты, за исключением того порта на который он был получен. Такой же способ может быть использован для обработки кадров типа multicast. Применение мостов обеспечивает ряд преимуществ для построения локальной вычислительной сети:

•  Повышение эффективности информационного обмена;

•  Увеличение размера сети;

•  Изолирование ошибок, которые могут возникнуть в сети;

•  Обеспечение подключения большего количества станций.

Использование прозрачных мостов, таким образом, обеспечивает целый ряд преимуществ при построении сети, однако, при каскадном включении таких мостов может возникнуть ситуация при которой кадры будут циклически перемещаться по группе мостов, блокируя при этом возможность обеспечения нормального информационного обмена в сети.

Возможность возникновения такой ситуации заложена в сам алгоритм, в соответствии с которым функционирует прозрачный мост. Для возникновения этой ситуации достаточно, чтобы существовали как минимум два маршрута, которые соединяют два сегмента локальной сети.

В качестве иллюстрации рассмотрим сеть, которая представлена на рисунке. Мосты 1 и 2 соединяют два сегмента локальной сети Lan A и Lan B, на которых размещены станции А и В соответственно. Предположим, что к моменту начала рассмотрения таблицы мостов 1 и 2 сформированы корректным образом. Предположим далее, что станция В отправляет кадр, который адресован станции А. В соответствии со своей таблицей, мост 1 направляет этот кадр через свой порт 2 в сегмент А. Кадр достигает станции назначения, но одновременно попадает на порт №1 моста 2. Мост 2 должен интерпретировать этот кадр также, как любой другой кадр, поступающий к нему на вход. А поскольку у этого кадра в качестве адреса источника указан адрес станции В, мост 2 ошибочно предполагает, что станция В размещена на сегменте сети А и доступна через порт 1. В соответствии с этим своим ошибочным предположением мост 2 корректирует свою правильную таблицу, таким образом, что она становится неправильной. В новой таблице есть две записи, которые указывают, что станция В может быть достигнута как через порт 1 так и через порт 2 этого моста. Таким образом, мост 2 оказывается готовым к циклическому перемещению кадров.

Рис 1.8.3.

Чтобы избежать возникновения подобных ситуаций достаточно изменить структуру сети таким образом, чтобы в ней не осталось циклов - чтобы до любого компонента этой сети можно было дойти только по одному пути. Для этого в сетях мостов применяется специальный алгоритм, который называется Spanning Tree Algorithm.

Алгоритм Spanning Tree (STA) предназначен для изменения структуры построенной на мостах вычислительной сети таким образом, чтобы в ней отсутствовали циклы, и чтобы при этом сеть сохранила связность. Впоследствии этот алгоритм был взят за основу при разработке комитетом IEEE802.1d спецификации, в соответствии с которой обеспечивалась автоматическое изменение структуры сети, построенной на устройствах типа transparent bridge.

В основу алгоритма STA положена теорема из теории графов, которая формулируется примерно таким образом:

Структура любого связного графа, который содержит петли, может быть изменена путем удаления ребер таким образом, что он сохранит прежнюю связность, и при этом не будет содержать петель.

Для того, чтобы алгоритм STA мог выполняться, необходимо чтобы в сети мостов были выполнены следующие предварительные установки:

•  Каждый мост должен иметь уникальный идентификатор (обычно в качестве этого идентификатора используется комбинация МАС – адрес + приоритет моста);

•  Каждый порт моста тоже должен иметь уникальный идентификатор (в качестве этого идентификатора используется комбинация МАС – адрес порта);

•  Для каждого порта моста должно быть определено значение относительной стоимости отправки кадров через данный порт, которое обычно пропорционально пропускной способности подключенного канала.

Алгоритм STA предполагает выполнение нескольких последовательных этапов:

•  Выбор (определение) корневого моста;

•  Выбор (определение) назначенных мостов и портов;

•  Изменение конфигурации сети.

Корневым в алгоритме STA называется мост расположенный в вершине дерева, в которое преобразуется существующая структура сети. Алгоритм STA предписывает использование в качестве критерия выбора значение идентификатора моста, которое представляет собой МАС адрес данного моста. Для того, чтобы системный администратор мог управлять процессом выбора корневого моста в этот идентификатор включено также поле приоритета, который может быть установлен вручную. На рисунке представлена схема сети, которая построена с использованием мостов и содержит несколько циклов. В качестве корневого моста в данном случае будет выбран мост №1.

Рис 1.8.4.

Алгоритм определения назначенных мостов и портов. После определения корневого моста все оставшиеся мосты выполняют процедуру определения корневого порта (root port).

Корневым считается тот из портов моста, который связан наиболее дешевым путем с корневым мостом.

В процессе определения корневого порта определяется также значение стоимости корневого маршрута (root path cost). На рисунке корневые порты мостов отмечены точкой. Число, размещенное около порта, соответствует рассчитанному значению стоимости корневого маршрута.

В том случае, если несколько портов моста имеют одинаковое значение величины корневого маршрута, в качестве корневого выбирается порт, имеющий меньший порядковый номер. После определения корневых портов выполняется процедура определения назначенного моста для сети. На приведенном рисунке сегменты сети обозначены римскими цифрами.

В качестве назначенного для сегмента сети выбирается мост, который имеет минимальное значение величины корневого маршрута. В том случае, если несколько мостов будут иметь одинаковое значение величины корневого маршрута, в качестве назначенного будет выбран мост, который имеет минимальное значение идентификатора. В частности, для рассматриваемого варианта сети, назначенным мостом будет выбран мост №2, которому соответствует такое же значение этой величины, что и мосту №4. Аналогичным образом мост №5 будет выбран назначенным мостом для сегментов V и VI.

Порт назначенного моста, который используется для подключения к выбранному сегменту сети, называется назначенным портом. На представленном рисунке назначенные порты отмечены буквой D.

После того, как были определены назначенные мосты и порты может быть выполнена процедура изменения структуры сети. В соответствии с этой процедурой, порты всех мостов, которые не получили статус назначенных должны быть переведены в заблокированное состояние. В соответствие с этой процедурой должны быть заблокированы мостов №3, 4 и 6. Если после выполнения этой процедуры оказывается, что какой – либо мост подключен только к одному сегменту сети, оставшийся порт этого моста тоже переводится в заблокированное состояние, поскольку такой мост уже не может выполнять функции активного устройства в этой сети.