Лабораторна робота №2
Комутатори Ethernet
Мета роботи: Дослідити принципи застосування і роботи комутаторів Ethernet та їх ефективне використання в мережі. Визначити внутрішню продуктивність комутатора згідно заданої структури мережі та середньої інтенсивності трафіка.
Теоретична частина
Еволюція активного обладнання мереж
На початку 80-х років мережі Ethernet організовувалися на базі шинної топології з використанням сегментів на основі коаксіального кабелю довжиною до 500 метрів. Збільшення розмірів мереж поставило задачу подолання 500-метрового бар'єра. Для рішення цієї задачі використовувалися повторювачі (repeater) або мости.
Повторювач просто копіює (пересилає) усі пакети Ethernet з одного сегмента в усі інші, підключені до нього. Основною задачею повторювача є відновлення електричних сигналів для передачі їх в інші сегменти. За рахунок посилення і відновлення форми електричних сигналів повторювачем, стає можливим розширення мереж, побудованих на основі коаксіального кабелю і збільшення загального числа користувачів мережі.
Однак, наприкінці 80-х років почалося широке поширення мереж на основі кабелю зі скрученими парами провідників (виті пари). Нова технологія 10Base-T стала дуже популярною і привела до трансформації топології мереж від шинної магістралі до організації з'єднань типу "зірка". Вимоги до повторювачів і мостів для таких мереж істотно змінилися в порівнянні з простими двопортовими пристроями для мереж із шинною топологією - сучасні мости і повторювачі являють собою складні багатопортові пристрої.
Сьогоднішні модульні концентратори (повторювачі) часто дозволяють організувати кілька сегментів, кожний з який надає користувачам окрему поділювану смугу 10 Mbps. Деякі концентратори дозволяють програмним шляхом розділяти порти пристрою на незалежні сегменти. Така можливість називається переключенням портів. Концентратор, приміром, може містити три різних сегменти Ethernet, организовані внутрішніми засобами хаба. Переключення портів забезпечує адміністратору мережі високу гнучкість організації сегментів, дозволяючи переносити порти з одного сегмента в іншій програмними засобами. Ця можливість особливо корисна для розподілу навантаження між сегментами Ethernet і зниження витрат, зв'язаних з подібними операціями. Переключення портів, статичне зв'язування портів з різними сегментами Ethernet - сильно відрізняється від описаної нижче комутації Ethernet
Мости (Bridges) – попередники комутаторів.
Мости дозволяють сегментувати мережі на менші частини, у яких загальне середовище розділяється невеликим числом користувачів. Мости є опередниками комутаторів.
Функцією моста є об’єднання окремих локальних мереж на Канальному рівні (підрівень MAC). Мости можуть з’єднувати різні типи мереж (такі як Ethernet і Fast Ethernet) або мережі однакового типу. Оскільки мости працюють на Рівні 2, вони мають доступ до фізичних адрес станцій в сегментах мереж, під’єднаний до моста. Після встановлення фізичних адрес станції-джерела і станції-призначення, які беруть участь в обміні інформацією, мости можуть здійснювати доступ до сегментів на основі фізичних адрес. Це дозволяє пропускати через мости тільки необхідний трафік. Якщо рамка, прийнята мостом, адресована до станції в тому ж сегменті, то вона не передається до інших сегментів (фільтрується); якщо ж станція-джерело і станція-призначення розташовані в різних сегментах, то міст висилає рамку до належного сегменту. Крім того, мости запобігають передаванню всіх помилкових або погано вирівняних пакетів.
Мости здійснюють механізм сполучення двох або більшої кількості окремих сегментів локальної мережі на рівні даних. Сьогодні є різні підстави для застосування мостів.
В багатьох організаціях різні підрозділи всюди збільшують окремі локальні мережі без будь-якої думки про їх погодженість або сумісність. В багатьох випадках застосовуються різні типи локальних мереж. Для використання нових мережевих послуг виникають наміри з’єднати ці мережі між собою. Однак багато робочих станцій мережі були спроектовані в припущенні, що вони будуть взаємодіяти в одній локальній мережі з одним мережевим протоколом. Тому бажано допускати з’єднання локальних мереж без потреби безпосередньої взаємодії індивідуальних станцій. Пристрої, які забезпечують таку можливість - це мости.
Іншою головною підставою для використання мостів є полегшення використання ширини смуги між локальними мережами, коли вони надто великі, шляхом їх розділення на багато малих мереж. Це можна здійснити, застосовуючи мости.
Комутатори Езернет (Ethernet Switches)
Комутатори Езернет з’явилися як розширення концепції мостів Езернет: якщо має сенс сполучення двох мареж через міст, то чому не опрацювати пристрій, який зможе з’єднати разом чотири, шість, десять чи більше мереж? Це власне те, що робить комутатор LAN.
Комутатори ділять мережу на області колізій, дозволяючи розширити правила проектування мережі. Кожний сегмент, під’єднаний до комутатора Ethernet, має повних 10 Мб/с, які спільно використовуються багатьма користувачами, що в результаті дає вищу продуктивність (на відміну від габів, які тільки дозволяють спільне використання ширини смуги для окремого Ethernet).
Комутатори Ethernet покращують характеристики мереж шляхом зменшення сумарного зовнішнього трафіку від окремих сегментів мережі, під’єднаних до комутатора. Комутатор також фільтрує пакети подібно до раутера.
Коли поступає пакет, то його заголовок перевіряється для визначення, до якого сегменту він призначений, і тоді передається далі до того сегменту. Якщо пакет призначений до того ж сегменту, звідки висланий, то пакет не передається до інших сегментів. Це запобігає поширенню пакетів у непотрібні сегменти, тим самим обмежуючи трафік.
Вузли, які найчастіше комунікуються між собою, повинні розміщатися в одному сегменті. Комутатори працюють на рівні MAC.
Віртуальні з'єднання
Комутатор Ethernet підтримує внутрішню таблицю, що зв'язує порти з адресами підключених до них пристроїв (таблиця 1.1.). Цю таблицю адміністратор мережі може створити чи самостійно задати її автоматичне створення засобами комутатора.
Таблиця 1.1.
MAC-адреса
Номер порту

A
1

B
2

C
3

D
4


Використовуючи таблицю адрес і адресу одержувача, що міститься в пакеті, комутатор організує віртуальне з'єднання порту відправника з портом одержувача і передає пакет через це з'єднання.
Віртуальне з'єднання між портами комутатора зберігається протягом передачі одного пакета, тобто для кожного пакета віртуальне з'єднання організується заново на основі адреси одержувача, що міститься в цьому пакеті.
У комутаторах Ethernet передача даних між будь-якими парами портів відбувається незалежно і, отже, для кожного віртуального з'єднання виділяється вся смуга каналу.
Хоча всі комутатори мають багато загального, доцільно розділити їх на два класи, призначених для рішення різних задач.
Комутатори для робочих груп забезпечують виділену смугу при з'єднанні будь-якої пари вузлів, підключених до портів комутатора. Якщо порти мають однакову швидкість, одержувач пакета повинен бути вільним, щоб не виникло блокування.
Магістральні комутатори забезпечують з'єднання зі швидкістю передачі середовища між парою незайнятих сегментів Ethernet. Якщо швидкості портів для відправника й одержувача збігаються, сегмент одержувача повинен бути вільним, щоб уникнути блокування. На рівні робочої групи кожен вузол розділяє смугу 10 Mbps з іншими вузлами в тім же сегменті. Пакет, адресований за межі даної групи, буде переданий магістральним комутатором.
Для детальнішого вивчення принципів застосування комутаторів при побудові мереж використовуйте програму-практикум.
Основні переваги використання комутаторів Ethernet
Нижче перераховані основні переваги використання комутаторів Ethernet:
Підвищення продуктивності за рахунок високошвидкісних з'єднань між сегментами Ethernet (магістральні комутатори) чи вузлами мережі (комутатори для робочих груп). На відміну від поділюваного середовища Ethernet комутатори дозволяють забезпечити ріст інтегральної продуктивності при додаванні в мережу користувачів чи сегментів.
Зниження числа колізій, особливо в тих випадках, коли кожен користувач підключений до окремого порту комутатора.
Незначні витрати при переході від поділюваного середовища до такого, що комутується за рахунок збереження існуючої інфраструктури 10 Mbps Ethernet (кабелі, адаптери, програми).
Підвищення безпеки за рахунок передачі пакетів тільки в той порт, до якого підключений адресат.
Малий і передбачуваний час затримки за рахунок того, що смугу розділяє невелике число користувачів (в ідеалі - один)
Характеристики продуктивності комутаторів
Основними характеристиками комутатора, що вимірюють його продуктивність, є:
швидкість фільтрації (filtering);
швидкість маршрутизації (forwarding);
пропускна здатність (throughput);
затримка передачі кадру.
Крім того, існує кілька характеристик комутатора, що найбільшою мірою впливають на зазначені характеристики продуктивності. До них відносяться:
розмір буфера (буферів) кадрів;
продукт