6.4 Сетевые мосты

Использование компьютерами кабельной системы в режиме разделения времени приводит к снижению производительности сети в случае роста одновременно работающих абонентов при использовании метода доступа CSMA/CD. При интенсивном трафике среда передачи перестает справляться с потоком кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Поэтому такие сети, посредством концентраторов, могут расширяться до определенного предела. Для решения проблемы снижения производительности сети используется логическая структуризация сети с помощью таких устройств, как мосты, коммутаторы и маршрутизаторы.

До появления коммутаторов, реализующих технологию переключения, проблему перегрузки решали путем разделения сети на сегменты. Этот метод называется сегментированием (segmenting) или разбиением (partitioning). Для сегментирования сети используются два способа: маршрутизация или создание мостовых соединений. Маршрутизация, в основном, распространена в глобальных сетях. Она требует настройки сетевых адресов в сегментах, а каждый сегмент настраивается как отдельная сеть. Простейшим способом является метод сегментации с использованием мостовых соединений, который не требует настройки программ маршрутизации.

Мост (bridge) - это устройство, которое обеспечивает соединение двух или нескольких сегментов, передает кадры между сегментами с использованием промежуточной буферизации. Мост выступает по отношению к сегменту как конечный узел. Он принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения и если узел принадлежит другому сегменту, передает его.

Мост соединяет логические сегменты сети, которые в свою очередь образуются путем объединения нескольких физических сегментов с помощью концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста. При поступлении кадра на какой-либо из портов мост повторяет этот кадр на том порту, к которому подключен сегмент с узлом назначения. Мосты могут иметь два и более порта, к которым присоединены свои логические сегменты. Мост является устройством канального уровня модели OSI, но в отличие от повторителя, который оперирует битовыми последовательностями, работает с LLC-кадрами данных.

Мосты обеспечивают следующие преимущества:

1. Уменьшают общую нагрузку на все сегменты сети;

2. Выступают в качестве заслона для некоторых сетевых ошибок;

3. Обеспечивают связь между сетевыми сегментами;

4. Увеличивают эффективную длину локальной сети.

Рассмотрим принцип работы моста. Кадр данных, отправленный узлом одного сегмента и имеющий адрес узла назначения в узле другого сегмента, поступает в порт, подключенный к данному сегменту, и выходит из порта другого сегмента. Этот процесс называется ретрансляцией (forwarding), и означает, что кадр, поступивший с одного сегмента, передается в другой. Если кадр, переданный узлом, имеет адрес узла, который принадлежит тому же логическому сегменту, то мост определяет, что приемный и передающий узлы находятся в одном сегменте, и кадр не ретранслируется. Данный процесс называется фильтрацией (filtering).

В ретрансляции нуждается только часть сетевого трафика, включающая кадры, отправитель и получатель которых расположены в различных сегментах. Подобный трафик называется межсегментным. Фильтруются те кадры, у которых адреса отправителя и получателя соответствуют узлам, подключенным к одному и тому же порту моста, т.е. расположенным в одном сегменте. Такой трафик называется внутрисегментным. Мостовое сегментирование сети эффективно в том случае, когда внутрисегментный трафик составляет около 80% от общего трафика, а межсегментный – не более 20%. Для реализации правила 80/20 достаточно раз­мещать серверные узлы в том сегменте, где находится большинство клиентских узлов.

Сеть с мостами называется широковещательной областью (broadcast domain), так как объединяет множество узлов, принадлежащих нескольким доменам коллизий, и разрешает передавать широковещатель­ные кадры.

С целью фильтрации и ретрансляции сетевого трафика, любой порт моста работает в циркулярном режиме, создает и поддерживает таблицу МАС-адресов. Когда на порт поступает кадр данных, мост проверяет, имеется ли адрес отправителя в таблице. Если нет, то адрес отправителя и номер порта заносятся в таблицу. Этот процесс называется запоминанием адресов. С помощью таблицы мост устанавливает однозначное соответствие множества адресов сетевых узлов множеству номеров собственных портов. В течение некоторого интервала времени мост запоминает адреса большинства активных узлов в присоединенных к нему сегментах.

Таблица адресов имеет три поля для каждого адреса:

1. MAC-адрес сетевого узла;

2. Номер порта, на котором адрес наблюдался в последний раз;

3. Возраст МАС-адреса.

Как только мост регистрирует адрес и номер порта, он устанавливает значение возраста МАС-адреса в ноль секунд. Каждую секунду возраст увеличивается на 1. При дости­жении значения границы возраста, информация об МАС-адресе стирается из таблицы. Этот процесс называется старением. Поле возраста, соответствующее конкретному адресу, обнуляется вся­кий раз, когда мост получает кадр с таким адресом. Таким образом, адреса активных узлов в таблице сохраняются. Этот процесс необходим, так как все мосты имеют ограниченный размер таблицы адресов, и в случае отсоединения или перемещения узла, следует удалять из таблицы ненужную информацию.

Главными параметрами моста являются:

1. Размер адресной таблицы;

2. Скорость фильтрации;

3. Скорость ретрансляции.

Скорость фильтрации определяет скорость, с которой мост буферизует прибывающие кадры, просматривает адресную таблицу и уничтожает их, если они не должны передаваться далее. Скорость ретрансляции ниже, чем скорость фильтрации, так как эта операция, включает все предыдущие действия и этап передачи кадра на выходной порт.

По принципу действия мосты классифицируются на следующие классы:

1. Мосты, осуществляющие «прозрачную» для узлов передачу пакетов («transparent bridgе»);

2. Мосты с маршрутизацией от источника («Source-route bridgе»). ;

3. Комбинированные мосты («Source-route transparent bridgе»), которые поддерживают алгоритмы «прозрачной» передачи и передачи с маршрутизацией от источника;

4. Трансляционные мосты («Translational bridgе»), которые одновременно обеспечивают преобразование между форматами кадров сегментов сети с разными технологиями доступа.

Мосты первого класса наиболее распространены. Для них сеть представляется наборами МАС-адресов, причем каждый набор связан с портом моста. Адреса используются для принятия решения во время обработки приходящих на порты пакетов.

Мосты второго типа применяются в основном для соединения сегментов кольцевой топологии. Технология маршрутизации от источника основана на том, что станция-отправитель помещает в посылаемый ею кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и сегментах, которые должен пройти кадр до приемного узла. Несмотря не терминологию, настоящей маршрутизации здесь нет, так как маршрутная информация в кадре используется только для передачи кадра между станциями, подключенными к разным сегментам. Для поддержки маршрутизации от источника с сети используются два дополнительных типа кадра:

• одномаршрутный широковещательный кадр-исследователь;

• многомаршрутный широковещательный кадр-исследователь.

Кадр первого типа отправляется узлом, когда он не знает точного маршрута до узла назначения. В нем узел устанавливает поле маршрутной информации нулевой длины. При получении данного кадра-исследователя, мост передает его только на порты, входящие в активную конфигурацию сети. В конечном итоге, кадр доходит до узла назначения. В ответ, узел назначения отправляет многомаршрутный кадр-исследователь. Этот кадр передается мостами на все свои порты. При получении кадра, другие промежуточные мосты добавляют в поле маршрутной информации свой адрес и адрес сегмента, с которого он получен, увеличивая длину поля маршрутной информации. Кадр распространяется по сети широковещательно. Таким образом, узел-источник получает несколько ответных кадров-исследователей, прошедших по всем возможным маршрутам сети, и выбирает наилучший маршрут по числу прохождений мостов. Маршрутная информация помещается в таблицу маршрутизации и используется для выбора лучшего маршрута отправки. Мосты второго типа не могут поддерживать сегменты, рассчитанные на работу в прозрачном режиме.

Для решения этой проблемы применяются мосты третьего типа, что позволяет объединить оба принципа работы в одном устройстве. Мост просматривает специальные флаги в заголовке кадров и автоматически определяет, какую из технологий нужно применить.

Мосты четвертого типа образуют связь типа «шлюз» между различными сегментами сетей и осуществляют конвертирование кадров разных протоколов канального уровня. По принципу конвертирования кадров мосты подразделяются на:

• Инкапсулирующие;

• Транслирующие.

Инкапсулирующие мосты просто упаковывают кадры канального уровня одной сети в кадры канального уровня другой сети. После прохождения пакета по второй сети, мост удаляет оболочку промежуточного протокола, и пакет продолжает свое движение в исходном виде. Транслирующие мосты выполняют полное преобразование форматов кадров одного протокола канального уровня в другой. Преимущество этого метода в том, что не нужно передавать два заголовка канального уровня. Однако транслирующие мосты вносят дополнительную задержку при преобразовании форматов кадров, при вычислении контрольной суммы кадра, а также они имеют такое ограничение, что максимальный размер кадров у сетей, соединяемых таким мостом, должен быть одинаковым.

Кроме основных функций по фильтрации и ретрансляции кадров, мосты могут поддерживать ряд следующих дополнительных функций:

1. Поддержка алгоритма покрывающего дерева;

2. Поддержка алгоритма «прозрачной» маршрутизации от источника;

3. Конвертирование кадров разных протоколов канального уровня;

4. Поддержка пользовательских фильтров, с различными схемами фильтрации кадров, например, по типу протокола, адресу источника или приемника, типу кадра, по значению битовой последовательности и т.д.;

5. Поддержка назначения приоритетов обработки кадров разных типов;

6. Поддержка протокола управления сетью SNMP.