Курс лекций по сетевым технологиям. Возможности современных коммутаторов по организации виртуальных сетей

встраивания информации о принадлежности к виртуальной сети в передаваемый кадр . Виртуальные локальные сети , построенные на основе стандарта IEEE 802.1Q , используют дополнительные поля кадра для хранения информации о принадлежности к VLAN при его перемещении по сети. С точки зрения удобства и гибкости настроек, VLAN стандарта IEEE 802.1Q является лучшим решением по сравнению с VLAN на основе портов. Его основные преимущества:

гибкость и удобство в настройке и изменении - можно создавать необходимые комбинации VLAN как в пределах одного коммутатора, так и во всей сети, построенной на коммутаторах с поддержкой стандарта IEEE 802.1Q . Способность добавления тегов позволяет информации о VLAN распространяться через множество 802.1Q-совместимых коммутаторов по одному физическому соединению (магистральному каналу, Trunk Link );
позволяет активизировать алгоритм связующего дерева ( Spanning Tree ) на всех портах и работать в обычном режиме. Протокол Spanning Tree оказывается весьма полезным для применения в крупных сетях, построенных на нескольких коммутаторах, и позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой. Для нормальной работы коммутатора требуется отсутствие замкнутых маршрутов в сети. Эти маршруты могут создаваться администратором специально для образования резервных связей или же возникать случайным образом, что вполне возможно, если сеть имеет многочисленные связи, а кабельная система плохо структурирована или документирована. С помощью протокола Spanning Tree коммутаторы после построения схемы сети блокируют избыточные маршруты. Таким образом, автоматически предотвращается возникновение петель в сети;
способность VLAN IEEE 802.1Q добавлять и извлекать теги из заголовков кадров позволяет использовать в сети коммутаторы и сетевые устройства, которые не поддерживают стандарт IEEE 802.1Q ;
устройства разных производителей, поддерживающие стандарт, могут работать вместе, независимо от какого-либо фирменного решения;
чтобы связать подсети на сетевом уровне, необходим маршрутизатор или коммутатор L3. Однако для более простых случаев, например, для организации доступа к серверу из различных VLAN , маршрутизатор не потребуется. Нужно включить порт коммутатора, к которому подключен сервер, во все подсети, а сетевой адаптер сервера должен поддерживать стандарт IEEE 802.1Q .

Рис. 6.5.

Некоторые определения IEEE 802.1Q

Tagging ("Маркировка кадра") - процесс добавления информации о принадлежности к 802.1Q VLAN в заголовок кадра.
Untagging ("Извлечение тега из кадра") - процесс извлечения информации о принадлежности к 802.1Q VLAN из заголовка кадра.
VLAN ID (VID) - идентификатор VLAN .
Port VLAN ID (PVID) - идентификатор порта VLAN .
Ingress port ("Входной порт") - порт коммутатора, на который поступают кадры, и при этом принимается решение о принадлежности к VLAN .
Egress port ("Выходной порт") - порт коммутатора, с которого кадры передаются на другие сетевые устройства, коммутаторы или рабочие станции, и, соответственно, на нем должно приниматься решение о маркировке.

Любой порт коммутатора может быть настроен как tagged (маркированный) или как untagged (немаркированный). Функция untagging позволяет работать с теми сетевыми устройствами виртуальной сети, которые не понимают тегов в заголовке кадра Ethernet. Функция tagging позволяет настраивать VLAN между несколькими коммутаторами, поддерживающими стандарт IEEE 802.1Q .

Рис. 6.6.

Тег VLAN IEEE 802.1Q

Стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети. На рис. 6.7 изображен формат тега 802.1Q

Построение VLAN на основе портов основано только на добавлении дополнительной информации к адресным таблицам коммутатора и не использует возможности встраивания информации о принадлежности к виртуальной сети в передаваемый кадр . Его основные преимущества:

1. гибкость и удобство в настройке и изменении, способность добавления тегов позволяет информации о VLAN распространяться через множество 802.1Q-совместимых коммутаторов по одному физическому соединению (магистральному каналу, Trunk Link );

2. способность VLAN IEEE 802.1Q добавлять и извлекать теги из заголовков кадров позволяет использовать в сети коммутаторы и сетевые устройства, которые не поддерживают стандарт IEEE 802.1Q ;

3. устройства разных производителей, поддерживающие стандарт, могут работать вместе, независимо от какого-либо фирменного решения;

4. чтобы связать подсети на сетевом уровне, необходим маршрутизатор или коммутатор L3. Однако для более простых случаев, например, для организации доступа к серверу из различных VLAN , маршрутизатор не потребуется. Нужно включить порт коммутатора, к которому подключен сервер, во все подсети, а сетевой адаптер сервера должен поддерживать стандарт IEEE 802.1Q .

Некоторые определения IEEE 802.1Q

· Tagging ("Маркировка кадра") - процесс добавления информации о принадлежности к 802.1Q VLAN в заголовок кадра.

· Untagging ("Извлечение тега из кадра") - процесс извлечения информации о принадлежности к 802.1Q VLAN из заголовка кадра.

· VLAN ID (VID) - идентификатор VLAN .

· Port VLAN ID (PVID) - идентификатор порта VLAN .

· Ingress port ("Входной порт") - порт коммутатора, на который поступают кадры, и при этом принимается решение о принадлежности к VLAN .

· Egress port ("Выходной порт") - порт коммутатора, с которого кадры передаются на другие сетевые устройства, коммутаторы или рабочие станции, и, соответственно, на нем должно приниматься решение о маркировке.

Любой порт коммутатора может быть настроен как tagged (маркированный) или как untagged (немаркированный). Функцияuntagging позволяет работать с теми сетевыми устройствами виртуальной сети, которые не понимают тегов в заголовке кадра Ethernet. Функция tagging позволяет настраивать VLAN между несколькими коммутаторами, поддерживающими стандарт IEEE 802.1Q .

Рисунок – Маркированные и немаркированные порты VLAN

Тег VLAN IEEE 802.1Q

Стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети. На рис. 6.7 изображен формат тега 802.1Q VLAN . К кадру Ethernet добавлены 32 бита (4 байта), которые увеличивают его размер до 1522 байт. Первые 2 байта (поле Tag Protocol Identifier, TPID) с фиксированным значением 0х8100 определяют, что кадр содержит тег протокола 802.1Q. Остальные 2 байта содержат следующую информацию:

– Priority ("Приоритет") - 3 бита поля приоритета передачи кодируют до восьми уровней приоритета (от 0 до 7, где 7 - наивысший приоритет), которые используются в стандарте 802.1р;

– Canonical Format Indicator (CFI ) - 1 бит индикатора канонического формата зарезервирован для обозначения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI ), передаваемых по магистрали Ethernet;

– VID (VLAN ID) - 12-битный идентификатор VLAN определяет, какой VLAN принадлежит трафик. Поскольку под поле VID отведено 12 бит, то можно задать 4094 уникальных VLAN (VID 0 и VID 4095 зарезервированы).

Эту статью я написал для после того, как наконец понял формат кадра Ethernet (2-ой уровень модели OSI) и разобрался, как маркируется трафик на принадлежность к VLAN.

Напоминаю, что стандарт Ethernet (FastEthernet) технология передачи данны, описанная в стандарте комитета IEEE 802.3. При передачи данных в среде, данные на 2-ом уровне разбиваются на кадры (фреймы) и посылаются в среду передачи. Формат кадра весьма незамысловат:

Строение кадра FastEthernet

PREAMBLE. Семь байт данных, предназначеных для синхронизации. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность: 10101010. Это поле используется для того, чтобы дать возможность схемам трансиверов прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми сигналами. Так же в это поле включается байт SFD (тут не показан) – начального ограничителя кадров, который имеет вид: 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий приём кадра.
DEST MAC. Аппаратный адрес получателя (Destination).
SRC MAC. Аппаратный адрес источника (Source).
TYPE: Тип протокола верхнего уровня. 0x800 – IP, 0x806 – ARP и т.д. Полный список можно увидеть :
DATA: Собственно данные кадра. Может занимать от 0 до 1500 байт, но если данных меньше 46 байт, то используется специальное поле дополнения, здесь не обозначено. Таким образом считаем, что кадр содержит 46-1546 байт. Поле дополнения служит для эффективного определения коллизий.
FCS: Контрольная сумма кадра по CRC32. Что такое контрольная сумма – объяснять, надеюсь, не нужно. Вообще оно редко используется, гораздо проще проверять целостность пакетов или фрагментов на протоколах более высокого уровня. Ну для кого это новое, то расскажу, для чего нужна контрольная сумма. При отправке кадра передающая станция вычисляет специальным алгоритмом значение, которое записывается в это поле. В значении учитываются все биты кадра. При получении кадра, принимающая сторона вычисляет это значение снова (без учёта этого поля) и сравнивает со значением в поле. Если они равны, то считается, что кадр получен без ошибок.

Строение Ethernet кадра инкапсулированного в 802.1Q.

Как мы видим, практически всё осталось неизменным. Та же PREAMBLE, байт SFD, MAC-адреса источника и получателя. А далее – добавилось 4 новых байта. Вот это и есть так называемый тег VLAN . Остальные поля неизменны, и просто немного смещаются. При прохождении трафика через порт, тег просто изымается и работа ведётся на привычном уровне.

Рассмотрю более подробно сам тег VLAN:

Биты	Значение
1-16	Tag Protocol Identifier. На схеме это TPID . Для 802.1Q всегда равен 0x810 . То есть встретив эти 2 байта можно сделать вывод, что трафик меченый.
17-19	Priority . Приоритет трафика. Эти три бита используются стандартом 802.1p для задания приоритета трафика. Это и два следующих поля – TCI .
20	Canonical Format Indicator – индикатор канонического формата MAC-адреса. Если бит = 0, – канонический. Если = 1, не канонический. Ну то бишь Token Ring
21-32	VLAN Identifier . В этих 12 битах закодирован номер VLAN . Может принимать значение от 0 до 4094. Не все коммутаторы поддерживают такое количество, да и по правде сказать, не всегда такое нужно. В нашем случае это значение равно 0xA , что означает 10-ый VLAN .

Если задуматься о том, как же работают виртуальные сети, то в голову приходит Мысль, что все дело не в отправляющей машине, а в самом кадре ВЛВС. Если бы был какой-нибудь способ идентифицировать ВЛВС по заголовку кадра, отпала бы необходимость просмотра его содержимого. По крайней мере, в новых сетях tHna 802.11 или 802.16 вполне можно было бы просто добавить специальное поле заголовка. Вообще-то Идентификатор кадра в стандарте 802.16 -- это как раз нечто в этом духе. Но что делать с Ethernet -- доминирующей сетью, у которой нет никаких «запасных» полей, которые можно было бы отдать под идентификатор виртуальной сети? Комитет IEEE 802 озаботился этим вопросом в 1995 году. После долгих дискуссий было сделано невозможное -- изменен формат заголовка кадра Ethernet!? Новый формат было опубликован под именем 802.1Q, в 1998 году. В заголовок кадра был вставлен флаг ВЛВС, который мы сейчас вкратце рассмотрим. Понятно, что внесение изменений в нечто уже устоявшееся, такое как Ethernet, должно быть произведено каким-то нетривиальным образом. Встают, например, следующие вопросы:

1. И что, теперь надо будет выбросить на помойку несколько миллионов уже существующих сетевых карт Ethernet?
2. Если нет, то кто будет заниматься генерированием новых полей кадров?
3. Что произойдет с кадрами, которые уже имеют максимальный размер?

Конечно, комитет 802 тоже был озабочен этими вопросами, и решение, несмотря ни на что, было найдено.

Идея состоит в том, что на самом деле поля ВЛВС реально используются только мостами да коммутаторами, а не машинами пользователей. Так, скажем, сеть не очень-то волнует их наличие в каналах, идущих от оконечных станций, до тех пор, пока кадры не доходят до мостов или коммутаторов. Таким образом, чтобы была возможна работа с виртуальными сетями, про их существование должны знать мосты и коммутаторы, но это требование и так понятно. Теперь же мы выставляем еще одно требование: они должны знать про существование 802.1Q. Уже выпускается соответствующее оборудование. Что касается старых сетевых, карт Ethernet, то выкидывать их не приходится. Комитет 802.3 никак не мог заставить людей изменить поле Тип на поле Длина. Вы можете себе представить, какова была бы реакция на заявление о том, что все существующие карты Ethernet можно выбросить? Тем не менее, на рынке появляются новые модели, и есть надежда, что они теперь будут 802.1Ј)-совместимыми и смогут корректно заполнять поля идентификации виртуальных сетей.

Если отправитель не генерирует поле признака виртуальной сети, то кто же этим занимается? Ответ таков: первый встретившийся на пути мост или коммутатор, обрабатывающий кадры виртуальных сетей, вставляет это поле, а последний -- вырезает его. Но как он узнает, в какую из виртуальных сетей передать? локальная сеть маршрутизатор трафик

Для этого первое устройство, которое вставляет поле ВЛВС, может присвоить номер виртуальной сети порту, проанализировать МАС-адрес или (не дай Бог, конечно) подсмотреть содержимое поля данных. Пока все не перейдут на Ethernet-карты, совместимые со стандартом 802.1Q, все именно так и будет. Остается надеяться на то, что все сетевые платы гигабитного Ethernet будут придерживаться стандарта 802.1Q, с самого начала их производства, и таким образом всем пользователям гигабитного Ethernet этой технологии автоматически станут доступны возможности 802.1Q. Что касается проблемы кадров, длина которых превышает 1518 байт, то в стандарте 802.1Q она решается путем повышения лимита до 1522 байт. При передаче данных в системе могут встречаться как устройства, которым сокращение ВЛВС не говорит ровным счетом ни о чем (например, классический или быстрый Ethernet), так и совместимая с виртуальными сетями аппаратура (например, гигабитный Ethernet). Здесь затененные символы означают ВЛВС-совместимые устройства, а пустые квадратики -- все остальные. Для простоты мы предполагаем, что все коммутаторы ВЛВС-совместимы. Если же это не так, то первый такой ВЛВС-совместимый коммутатор добавит в кадр признак виртуальной сети, основываясь на информации, взятой из MAC- или IP-адреса.

ВЛВС-совместимые сетевые платы Ethernet генерируют кадры с флагами (то есть кадры стандарта 802.1Q), и дальнейшая маршрутизация производится уже с использованием этих флагов. Для осуществления маршрутизации коммутатор, как и раньше, должен знать, какие виртуальные сети доступны на всех портах. Информация о том, что кадр принадлежит серой виртуальной сети, еще, по большому счету, ни о чем не говорит, поскольку коммутатору еще нужно знать, какие порты соединены с машинами серой виртуальной сети. Таким образом, коммутатору нужна таблица соответствия портов виртуальным сетям, из которой также можно было бы узнать, являются ли порты ВЛВС совместимыми. Когда обычный, ничего не подозревающий о существовании виртуальных сетей компьютер посылает кадр на коммутатор виртуальной сети, последний генерирует новый кадр, вставляя в него флаг ВЛВС. Информацию для этого флага он получает с виртуальной сети отправителя (для ее определения используется номер порта, MAC- или IP-адрес.) Начиная с этого момента никто больше не переживает из-за того, что отправитель является машиной, не поддерживающей стандарт 802.1Q, Таким же образом коммутатор, желающий доставить кадр с флагом на такую машину, должен привести его к соответствующему формату. Теперь рассмотрим собственно формат 802.1Q. Единственное изменение -- это пара 2-байтовых полей. Первое называется Идентификатор протокола ВЛВС. Оно всегда имеет значение 0x8100. Поскольку это число превышает 1500, то все сетевые карты Ethernet интерпретируют его как «тип», а не как «длину». Неизвестно, что будет делать карта, несовместимая с 802.1Q, поэтому такие кадры, по идее, не должны к ней никоим образом попадать.

Во втором двухбайтовом поле есть три вложенных поля. Главным из них является идентификатор ВЛВС, который занимает 12 младших битов. Он содержит ту информацию, из-за которой все эти преобразования форматов, собственно, и были затеяны: в нем указано, какой виртуальной сети принадлежит кадр. Трехбитовое поле Приоритет не имеет совершенно ничего общего с виртуальными сетями. Просто изменение формата Ethernet-кадра -- это такой ежедекадный ритуал, который занимает три года и исполняется какой-то сотней людей. Почему бы не оставить память о себе в виде трех дополнительных бит, да еще и с таким привлекательным назначением. Поле Приоритет позволяет различать трафик с жесткими требованиями к реальности масштаба времени, трафик со средними требованиями и трафик, для которого время передачи не критично. Это позволяет обеспечить более высокое качество обслуживания в Ethernet. Оно используется также при передаче голоса по Ethernet (хотя вот уже четверть века в IP имеется подобное поле, и никому никогда не требовалось его использовать). Последний бит, CFI (Canonical Format Indicator -- индикатор классического формата), следовало бы назвать Индикатором эгоизма компании. Изначально он предназначался для того, чтобы показывать, что применяется формат МАС-адреса с прямым порядком байтов (или, соответственно, с обратным порядком), однако в пылу дискуссий об этом как-то забыли. Его присутствие сейчас означает, что поле данных содержит усохший кадр 802.5, который ищет еще одну сеть формата 802.5 и в Ethernet попал совершенно случайно. То есть на самом деле он просто использует Ethernet в качестве средства передвижения. Все это, конечно, практически никак не связано с обсуждаемыми в данном разделе виртуальными сетями. Но политика комитета стандартизации не сильно отличается от обычной политики: если ты проголосуешь за введение в формат моего бита, то я проголосую за твой бит. Как уже упоминалось ранее, когда кадр с флагом виртуальной сети приходит на ВЛВС-совместимый коммутатор, последний использует идентификатор виртуальной сети в качестве индекса таблицы, в которой он ищет, на какой бы порт послать кадр. Но откуда берется эта таблица? Если она разрабатывается вручную, это означает возврат в исходную точку: ручное конфигурирование коммутаторов. Вся прелесть прозрачности мостов состоит в том, что они настраиваются автоматически и не требуют для этого никакого вмешательства извне. Было бы очень стыдно потерять это свойство. К счастью, мосты для виртуальных сетей также являются самонастраивающимися. Настройка производится на основе информации, содержащейся во флагах приходящих кадров. Если кадр, помеченный как ВЛВС 4, приходит на порт 3, значит, несомненно, одна из машин, подключенных к этому порту, находится в виртуальной сети 4. Стандарт 802.1Q вполне четко поясняет, как строятся динамические таблицы. При этом делаются ссылки на соответствующие части алгоритма Перлмана (Perlman), который вошел в стандарт 802.ID. Прежде чем завершить разговор о маршрутизации в виртуальных сетях, необходимо сделать еще одно замечание. Многие пользователи сетей Интернет и Ethernet фанатично привязаны к сетям без установления соединения и неистово противопоставляют их любым системам, в которых есть хотя бы намек на соединение на сетевом уровне или уровне передачи данных. Однако в виртуальных сетях один технический момент как-раз-таки очень сильно напоминает установку соединения. Речь идет о том, что работа виртуальной сети невозможна без того, чтобы в каждом кадре был идентификатор, использующийся в качестве индекса таблицы, встроенной в коммутатор. По этой таблице определяется дальнейший вполне определенный маршрут кадра. Именно это и происходит в сетях, ориентированных на соединение. В системах без установления соединения маршрут определяется по адресу назначения, и там отсутствуют какие-либо идентификаторы конкретных линий, через которые должен пройти кадр.

Описанные два подхода основаны только на добавлении дополнительной информации к адресным таблицам коммутатора и не используют возможности встраивания информации о принадлежности кадра к виртуальной сети в передаваемый кадр. Метод организации VLAN на основе меток – тэгов, использует дополнительные поля кадра для хранения информации о принадлежности кадра при его перемещениях между коммутаторами сети.

Стандарт IEEE 802.1q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети.

С точки зрения удобства и гибкости настроек, VLAN на основе меток является лучшим решением, по сравнению с ранее описанными подходами. Его основные преимущества:

· Гибкость и удобство в настройке и изменении – можно создавать необходимые комбинации VLAN как в пределах одного коммутатора, так и во всей сети, построенной на коммутаторах с поддержкой стандарта 802.1q. Способность добавления меток позволяет VLAN распространяться через множество 802.1q-совместимых коммутаторов по одному физическому соединению.

· Позволяет активизировать алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree) на всех портах и работать в обычном режиме. Протокол Spanning Tree оказывается весьма полезным для применения в крупных сетях, построенных на нескольких коммутаторах, и позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой. Для нормальной работы коммутатора требуется отсутствие замкнутых маршрутов в сети. Эти маршруты могут создаваться администратором специально для образования резервных связей или же возникать случайным образом, что вполне возможно, если сеть имеет многочисленные связи, а кабельная система плохо структурирована или документирована. С помощью протокола Spanning Tree коммутаторы после построения схемы сети блокируют избыточные маршруты, таким образом, автоматически предотвращается возникновение петель в сети.

· Способность VLAN 802.1q добавлять и извлекать метки из заголовков пакетов позволяет VLAN работать с коммутаторами и сетевыми адаптерами серверов и рабочих станций, которые не распознают метки.

· Устройства разных производителей, поддерживающие стандарт могут работать вместе, не зависимо от какого-либо фирменного решения.

· Не нужно применять маршрутизаторы. Чтобы связать подсети на сетевом уровне, достаточно включить нужные порты в несколько VLAN, что обеспечит возможность обмена трафиком. Например, для организации доступа к серверу из различных VLAN, нужно включить порт коммутатора, к которому подключен сервер, во все подсети. Единственное ограничение – сетевой адаптер сервера должен поддерживать стандарт IEEE 802.1q.

В силу указанных свойств, VLAN на базе тэгов используются на практике гораздо чаще других типов VLAN.

5.6. Алгоритм покрывающего дерева Spanning Tree

Один из методов, использующийся для повышения отказоустойчивости компьютерной сети, это Spanning Tree Protocol (STP) – протокол связующего дерева (IEEE 802.1d). Разработанный достаточно давно, в 1983 г., он до сих пор остается актуальным. В сетях Ethernet, коммутаторы поддерживают только древовидные связи, т.е. которые не содержат петель. Это означает, что для организации альтернативных каналов требуются особые протоколы и технологии, выходящие за рамки базовых, к которым относится Ethernet.

Если для обеспечения избыточности между коммутаторами создается несколько соединений, то могут возникнуть петли. Петля предполагает существование нескольких маршрутов по промежуточным сетям, а сеть с несколькими маршрутами между источником и приемником отличается повышенной устойчивостью к нарушениям. Хотя наличие избыточных каналов связи очень полезно, петли, тем не менее, создают проблемы, самые актуальные из которых:

· Широковещательные штормы – широковещательные кадры будут бесконечно передаваться по сетям с петлями, используя всю доступную полосу пропускания сети и блокируя передачу других кадров во всех сегментах.

· Множественные копии кадров - коммутатор может получить несколько копий одного кадра, одновременно приходящих из нескольких участков сети. В этом случае таблица коммутации не сможет определить расположение устройства, потому что коммутатор будет получать кадр на несколько портов. Может случиться так, что коммутатор вообще не сможет переслать кадр, т.к. будет постоянно обновлять таблицу коммутации.

Для решения этих проблем и был разработан протокол связующего дерева.

Алгоритм Spanning Tree (STA) позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой.

Коммутаторы, поддерживающие протокол STP автоматически создают древовидную конфигурацию связей без петель в компьютерной сети. Такая конфигурация называется покрывающим деревом - Spanning Tree (иногда ее называют остовым деревом). Конфигурация покрывающего дерева строится коммутаторами автоматически с использованием обмена служебными пакетами.

Вычисление связующего дерева происходит при включении коммутатора и при изменении топологии. Эти вычисления требуют периодического обмена информацией между коммутаторами связующего дерева, что достигается при помощи специальных пакетов, называемых блоками данных протокола моста – BPDU (Bridge Protocol Data Unit).

Пакеты BPDU содержат основную информацию, необходимую для построения топологии сети без петель:

· Идентификатор коммутатора, на основании которого выбирается корневой коммутатор

· Расстояние от коммутатора-источника до корневого коммутатора (стоимость корневого маршрута)

· Идентификатор порта

Пакеты BPDU помещаются в поле данных кадров канального уровня, например, кадров Ethernet. Коммутаторы обмениваются BPDU через равные интервалы времени (обычно 1-4с). В случае отказа коммутатора (что приводит к изменению топологии) соседние коммутаторы, не получив пакет BPDU в течение заданного времени, начинают пересчет связующего дерева.

Современные коммутаторы также поддерживают протокол Rapid STP (IEEE 802.1w), который обладает лучшим временем сходимости по сравнению с STP (меньше 1 секунды). 802.1w обратно совместим с 802.1d.

Сравнение протоколов STP 802.1d и RSTP 802.1w.

5.7. Агрегирование портов и создание высокоскоростных сетевых магистралей

Агрегирование портов (Port Trunking) - это объединение нескольких физических каналов (Link Aggregation) в одну логическую магистраль. Используется для объединения вместе нескольких физических портов с целью образования высокоскоростного канала передачи данных и позволяет активно задействовать избыточные альтернативные связи в локальных сетях.

В отличие от протокола STP (Spanning Tree – протокол покрывающего дерева), при агрегировании физических каналов все избыточные связи остаются в рабочем состоянии, а имеющийся трафик распределяется между ними для достижения баланса нагрузки. При отказе одной из линий, входящих в такой логический канал, трафик распределяется между оставшимися линиями.

Включенные в агрегированный канал порты называются членами группы. Один из портов в группе выступает в качестве «связывающего». Поскольку все члены группы в агрегированном канале должны быть настроены для работы в одинаковом режиме, все изменения настроек, произведенные по отношению к «связывающему» порту, относятся ко всем членам группы. Таким образом, для настройки портов в группе необходимо только настроить «связывающий» порт.

Важным моментом при реализации объединения портов в агрегированный канал является распределение трафика по ним. Если пакеты одного сеанса будут передаваться по разным портам агрегированного канала, то может возникнуть проблема на более высоком уровне протокола OSI. Например, если два или более смежных кадров одного сеанса станут передаваться через разные порты агрегированного канала, то из-за неодинаковой длины очередей в их буферах может возникнуть ситуация, когда из-за неравномерной задержки передачи кадра, более поздний кадр обгонит своего предшественника. Поэтому в большинстве реализаций механизмов агрегирования используются методы статического, а не динамического распределения кадров по портам, т.е. закрепление за определенным портом агрегированного канала потока кадров определенного сеанса между двумя узлами. В этом случае все кадры будут проходить через одну и ту же очередь и их последовательность не изменится. Обычно при статическом распределении выбор порта для конкретного сеанса выполняется на основе выбранного алгоритма агрегирования портов, т.е. на основании некоторых признаков поступающих пакетов. В зависимости от используемой для идентификации сеанса информации существуют 6 алгоритмов агрегирования портов:

1. МАС-адрес источника;

2. МАС-адрес назначения;

3. МАС-адрес источника и назначения;

4. IP-адрес источника;

5. IP-адрес назначения;

6. IP-адрес источника и назначения.

Агрегированные линии связи можно организовать с любым другим коммутатором, поддерживающим потоки данных точка-точка по одному порту агрегированного канала.

Объединение каналов следует рассматривать как вариант настройки сети, используемый преимущественно для соединений «коммутатор-коммутатор» или «коммутатор – файл-сервер», требующих более высоких скорости передачи, чем может обеспечить одиночная линия связи. Также эту функцию можно применять для повышения надежности важных линий. В случае повреждения линии связи объединенный канал быстро перенастраивается (не более чем за 1 с), а риск дублирования и изменения порядка кадров незначителен.

Программное обеспечение современных коммутаторов поддерживает два типа агрегирования каналов связи: статическое и динамическое. При статическом агрегировании каналов все настройки на коммутаторах выполняются вручную. Динамическое агрегирование каналов основано на спецификации IEEE 802.3ad, которая использует протокол контроля агрегированных линий связи LACP (Link Aggregation Control Protocol) для того, чтобы проверять конфигурацию каналов и направлять пакеты в каждую из физических линий. Кроме этого, протокол LACP описывает механизм добавления и изъятия каналов из единой линии связи. Для этого, при настройке на коммутаторах агрегированного канала связи, соответствующие порты одного коммутатора должны быть сконфигурированы как «активные», а другого коммутатора как «пассивные». «Активные» порты LACP выполняют обработку и рассылку его управляющих кадров. Это позволяет устройствам, поддерживающим LACP, договориться о настройках агрегированного канала и иметь возможность динамически изменять группу портов, т.е. добавлять или исключать из нее порты. «Пассивные» порты обработки управляющих кадров LACP не выполняют.

Стандарт IEEE 802.3ad применим для всех типов Ethernet-каналов, и с его помощью можно строить даже мультигигабитные линии связи, состоящие из нескольких каналов Gigabit Ethernet.

5.8. Обеспечение качества обслуживания (QoS)

Приоритетная обработка кадров (802.1р)

Построение сетей на основе коммутаторов позволяет использовать приоритезацию трафика, причем делать это независимо от технологии сети. Эта возможность является следствием того, что коммутаторы буферизуют кадры перед их отправкой на другой порт.

Коммутатор обычно ведет для каждого входного и выходного порта не одну, а несколько очередей, причем каждая очередь имеет свой приоритет обработки. При этом коммутатор может быть сконфигурирован, например, так, чтобы передавать один низкоприоритетный пакет на каждые 10 высокоприоритетных пакетов.

Поддержка приоритетной обработки может особенно пригодиться для приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам кадров и к пропускной способности сети для потока кадров.

Способность сети обеспечивать различные уровни обслуживания, запрашиваемые теми или иными сетевыми приложениями, может быть классифицирована по трем различным категориям:

· Негарантированная доставка данных (best effort service). Обеспечение связности узлов сети без гарантии времени и самого факта доставки пакетов в точку назначения. На самом деле негарантированная доставка не является частью QoS, поскольку отсутствует гарантия качества обслуживания и гарантия доставки пакетов.

· Дифференцированное обслуживание (differentiated service). Дифференцированное обслуживание предполагает разделение трафика на классы на основе требований к качеству обслуживания. Каждый класс трафика дифференцируется и обрабатывается сетью в соответствии с заданными для этого класса механизмами QoS (быстрее обрабатывается, выше средняя полоса пропускания, ниже средний уровень потерь). Подобная схема обеспечения качества обслуживания часто называется схемой CoS (Class of Service). Дифференцированное обслуживание само по себе не предполагает обеспечение гарантий предоставляемых услуг. В соответствии с этой схемой трафик распределяется по классам, каждый из которых имеет собственный приоритет. Этот тип обслуживания удобно применять в сетях с интенсивным трафиком. В этом случае важно обеспечить отделение административного трафика сети от всего остального и назначить ему приоритет, позволяющий в любой момент времени быть уверенным в связности узлов сети.

· Гарантированное обслуживание (guaranteed service). Гарантированное обслуживание предполагает резервирование сетевых ресурсов с целью удовлетворения специфических требований к обслуживанию со стороны потоков трафика. В соответствии с гарантированным обслуживанием выполняется предварительное резервирование сетевых ресурсов по всей траектории движения трафика. Например, такие схемы используются в технологиях глобальных сетей Frame Relay и ATM или в протоколе RSVP для сетей TCP/IP. Однако для коммутаторов такого рода протоколов нет, так что гарантий качества обслуживания они пока дать не могут.

Основным вопросом при приоритетной обработке кадров коммутаторами является вопрос назначения кадру приоритета. Так как не все протоколы канального уровня поддерживают поле приоритета кадра, например, у кадров Ethernet оно отсутствует, то коммутатор должен использовать какой-либо дополнительный механизм для связывания кадра с его приоритетом. Наиболее распространенный способ - приписывание приоритета портам коммутатора. При этом способе коммутатор помещает кадр в очередь кадров соответствующего приоритета в зависимости от того, через какой порт поступил кадр в коммутатор. Способ несложный, но недостаточно гибкий - если к порту коммутатора подключен не отдельный узел, а сегмент, то все узлы сегмента получают одинаковый приоритет.

Более гибким является назначение приоритетов кадрам в соответствии со стандартом IEEE 802.1р. Этот стандарт разрабатывался совместно со стандартом 802.1q. В обоих стандартах предусмотрен общий дополнительный заголовок для кадров Ethernet, состоящий из двух байт. В этом дополнительном заголовке, который вставляется перед полем данных кадра, 3 бита используются для указания приоритета кадра. Существует протокол, по которому конечный узел может запросить у коммутатора один из восьми уровней приоритета кадра. Если сетевой адаптер не поддерживает стандарт 802.1p, то коммутатор может назначать приоритеты кадрам на основе порта поступления кадра. Такие помеченные кадры будут обслуживаться в соответствии с их приоритетом всеми коммутаторами сети, а не только тем коммутатором, который непосредственно принял кадр от конечного узла. При передаче кадра сетевому адаптеру, не поддерживающему стандарт 802.1p, дополнительный заголовок должен быть удален.

Коммутаторы обеспечивают дифференцированное обслуживание, поэтому необходима идентификация пакетов, которая позволит отнести их к соответствующему классу трафика CoS, включающему, как правило, пакеты из разных потоков. Указанная задача выполняется путем классификации.

Классификация пакетов (packet classification) представляет собой средство, позволяющее отнести пакет к тому или иному классу трафика в зависимости от значений одного или нескольких полей пакета.

В управляемых коммутаторах используются различные способы классификации пакетов. Ниже перечислены параметры, на основании которых пакет идентифицируется:

· Биты класса приоритета 802.1p;

· Поля байта TOS, расположенного в заголовке IP-пакета и поле кода дифференцированной услуги (DSCP);

· Адрес назначения и источника IP-пакета;

· Номера портов TCP/UDP.

Поскольку высокоприоритетные пакеты должны обрабатываться раньше низкоприоритетных, в коммутаторах поддерживается несколько очередей приоритетов CoS. Кадры, в соответствии со своим приоритетом, могут быть помещены в разные очереди. Для обработки очередей приоритетов могут использоваться различные механизмы обслуживания:

· строгая очередь приоритетов (Strict Priority Queuing, SPQ);

· взвешенный циклический алгоритм (Weighted Round Robin, WRR).

В первом случае (алгоритм SPQ), пакеты, находящиеся в самой приоритетной очереди начинают передаваться первыми. При этом пока более приоритетная очередь не опустеет, пакеты из менее приоритетных очередей передаваться не будут. Второй алгоритм (WRR) устраняет это ограничение, а также исключает нехватку полосы пропускания для очередей с низким приоритетом. В этом случае для каждой очереди приоритетов задается максимальное количество пакетов, которое может быть передано за один раз и максимальное время ожидания, через которое очередь снова сможет передавать пакеты. Диапазон передаваемых пакетов: от 0 до 255. Диапазон времени оживания: от 0 до 255.

5.9. Ограничение доступа к сети