2. Изучение нового учебного материала (способов действий). Цели для преподавателя: - обеспечить понимание планируемого результата деятельности, основных путей его достижения; -способствовать развитию познавательных способностей обучающихся, посредством организации самостоятельной работы. Цели для обучающихся: - рассмотреть типы мостов - провести сравнение типов мостов - выявить преимущества и недостатки мостов Цели этапа занятия достигаются посредством: - обеспечения понимания планируемого результата деятельности, основных путей его достижения; - определения критериев, позволяющих обучающимся самостоятельно определять степень достижения запланированного результата; - организации активной самостоятельной деятельности обучающихся по написанию лекции во время занятия.
| 2. Теоретическая часть. Довольно часто в организации возникает потребность соединить между собой несколько ЛВС. Этой цели служат специальные устройства, называемые мосты, которые функционируют на уровне канала данных. Это означает, что это устройство не анализирует заголовки пакетов сетевого уровня и выше и, таким образом, может просто копировать пакеты IP, IPX, OSI, в то время как маршрутизаторы могут работать только с определенными пакетами.
Далее мы рассмотрим устройство мостов, а частности, для соединения сетей в стандарте 802.3, 802.4, 802.5. Но прежде рассмотрим типичные ситуации, где применяются мосты. Их как минимум шесть: Многие подразделения в организации имеют свои собственные локальные сети. Например, сети факультетов в университетах, отделы в институтах и т.п. В силу различий стоящих перед ним задач, они используют разные приложения и, что естественно, сети, отличные от сетей других подразделений. Рано или поздно наступает момент, когда необходимо интегрировать информационные потоки всей организации и, соответственно, объединять сети между собой.
Организация может занимать несколько зданий и, возможно, будет целесообразно в каждом здании иметь свою сеть, объединив их через мосты.
Иногда, при высоких рабочих нагрузках, приходится разбивать сеть на несколько, с целью локализации трафика в каждой подсети. Например, ясно, что класс рабочих станций для студентов лучше оформлять как самостоятельную сеть, локализовав трафик в этой сети: к чему распространять по всему факультету трафик с фотографиями и музыкой?
В некоторых случаях причиной для использования моста может служить большое расстояние между объединяемыми сетями. Дело в том, что, используя мост, можно увеличить длину сегмента.
Мост может увеличить надежность сети. В локальной сети один узел может нарушить работоспособность сети в целом. Мосты, размещенные в критических точках сети, подобно запасным пожарным выходам, могут заблокировать такой узел и предотвратить нарушение работы системы в целом.
Мост может повысить безопасность сети. Большинство интерфейсов в ЛВС имеют специальный режим, при котором компьютер получает все пакеты, проходящие в сети, а не только адресованные ему. Всякого рода злоумышленники и просто любопытствующая публика просто обожают эту возможность. С помощью правильно расставленных мостов можно добиться, чтобы определенный трафик проходил лишь по определенным маршрутам, где он бы не мог попасть в чужие руки.
 Теперь, когда мы знаем, для чего нужны мосты, рассмотрим, как они работают. Рисунок 4-31 показывает работу простого двухпортового моста.
Рисунок 4-31. Двухпортовый мост между 802.3 и 802.4
Мосты из 802 в 802.  На первый взгляд может показаться, что построить мост из 802 в 802 не сложно. Но это не так. У каждой из девяти возможных пар есть свои трудности. Но прежде чем начать рассматривать эти индивидуальные проблемы, начнем с общих. Первая - каждый стандарт имеет свой собственный формат кадра. Они показаны на рисунке 4-32. Для этих различий не было никаких технических оснований. Просто корпорации, поддерживавшие их разработки, - Xerox, GM, IBM - не захотели пойти на встречу друг другу и что-то изменить у себя. В результате при переходе из сети в сеть требуется реформатирование кадра, на что тратится время процессора, перевычисляется контрольная сумма. Ничего этого не потребовалось бы, если бы три комитета смогли договориться о едином формате.
Рисунок 4-32. Форматы кадров IEEE 802
Следующая проблема - разные сети могут работать с разной скоростью. Если передача идет из скоростной сети в медленную, то мост должен обладать достаточным буфером. Эта проблема может усугубляться непостоянством скорости передачи из-за коллизий, как, например, в 802.3. К тому же несколько сетей могут посылать трафик одной и той же сети, что опять приведет к перекосу скоростей.
Другой тонкой, но важной проблемой является проблема моста как источника временной задержки, которая может влиять на тайм-аут на верхних уровнях. Предположим, что сетевой уровень над 802.4 пытается послать длинное сообщение в виде последовательности кадров. После отправки последнего кадра таймер устанавливается на ожидание уведомления о получении. Если сообщение проходит через мост с медленной 802.5, то есть опасность, что тайм-аут наступит прежде, чем последний кадр будет передан в медленную сеть. Сетевой уровень решит, что все сообщение утеряно, и начнет все сначала. После нескольких попыток сетевой уровень сообщит транспортному, что получатель отсутствует.
Третьей, и наиболее серьезной проблемой является то, что все три стандарта имеют разную максимальную длину кадра. Для 802.3 на 10 Мбит/сек. это 1500 байт, для 802.4 - 8191 байт, для 802.5 максимальная длина ограничена временем удержания маркера. Последняя величина по умолчанию имеет значение 10 мсек., что соответствует 5000 байтам.
Очевидная проблема возникает, когда длинный кадр надо доставить в сеть с короткими кадрами. Разбиение кадра на части не является задачей данного уровня. Это не значит, что таких протоколов не было создано, просто стандарты 802 не предусматривают надлежащих средств. Слишком длинные кадры просто сбрасываются.
Теперь рассмотрим все девять пар.
802.3 - 802.3
Здесь есть только одна опасность, что сеть, в которую передают, сильно перегружена и мост не успевает вставлять свои кадры. Есть опасность переполнения буфера у моста, в случае чего мост начнет сбрасывать кадры. Такая проблема потенциально есть всегда и мы о ней здесь более упоминать не будем. По отношению к двум другим стандартам все проще, так как мост обязательно получит маркер и свой временной слот на передачу кадров.
802.4 - 802.3
Здесь две проблемы. Первая - кадры из 802.4 содержат биты приоритета, а в кадрах 802.3 таких нет. В результате, если две 802.4 взаимодействуют через 802.3, то информация о приоритетах будет уничтожена.
Вторая проблема вызвана исключительно тем, что в кадре 802.4 есть бит временной передачи маркера получателю для уведомления. Что делать мосту, если ему поступит такой кадр? Послать подтверждение самому нельзя - получатель может быть неработоспособен. С другой стороны, если не дать подтверждения, то отправитель решит, что получатель неработоспособен, что может быть не так, и предпринять соответствующие меры. Похоже, что у этой проблемы нет решения.
802.5 - 802.3
Здесь мы имеем проблемы, аналогичные тем, что мы обсуждали выше. Например, есть биты А и С, которые используются для анализа информации о доставке и получении кадра. Как поступать мосту с такими кадрами? Если мост сам начнет имитировать за получателя значения этих разрядов, то очевидно, здесь могут возникать трудноисправимые ошибки. Ситуация выглядит так, что появление моста может менять семантику отдельных разрядов кадра, и как решить эту проблему - представить трудно.
802.3 - 802.4
Здесь основную трудность представляют биты приоритета. Что в них писать? Возможно, здесь стоит все кадры пускать с наивысшим приоритетом, так как они уже настрадались от задержек при передаче.
802.4 - 802.4
Единственная проблема, которая здесь существует, - это как поступать с временной передачей маркера? Мост может посылать такой кадр как можно быстрее, в надежде что ответ придет раньше, чем истечет тайм-аут. Можно посылать его с наивысшим приоритетом. При этом мост, так сказать, покривит душой, но это увеличит вероятность получения ответа до истечения тайм-аута.
802.5 - 802.4
Здесь проблему представляют биты А и С. Кроме этого, семантика приоритетов в этих сетях немного разная. Но выбора нет. Остается просто копировать биты приоритетов в надежде на хороший исход.
802.3 - 802.5
В этом случае надо генерировать биты приоритета. Других проблем здесь нет.
802.4 - 802.5
Здесь может возникнуть проблема слишком длинного кадра. Опять-таки здесь присутствует передача маркера.
802.5 - 802.5
Здесь надо только решить, что делать с битами А и С.
Прозрачные мосты.
Первым мостом 802 является прозрачный мост, или мост с деревом соединений. Основной заботой разработчиков этого моста было обеспечение его полной прозрачности. Они хотели создать устройство по стандарту IEEE, которое пользователь мог бы купить в магазине, подключить кабели своих многочисленных сетей и работать. Подключение в сеть этого устройства не должно было бы требовать каких-либо изменений в оборудовании, программном обеспечении, переинсталляции сетей, загрузки каких-либо таблиц и т.п. Просто купил, принес, включил, и все работает. Как это ни удивительно, но они почти достигли своей цели.
Прозрачный мост функционирует в режиме общедоступности, т.е. ему доступны все пакеты от всех сетей, подключенных к нему. Рассмотрим пример на рисунке 4-34. Кадр для А, поступивший из сети LAN 1, должен быть сброшен, т.к. он уже в нужной сети, а вот кадр из LAN 1 для С или F надо передать в нужную сеть.
Рисунок 4-34. Конфигурация из четырех сетей и двух мостов
По каждому поступающему кадру мост должен принять следующее решение: надо ли его передавать дальше или сбросить; если передавать дальше, то в какую сеть? Для этого каждый мост должен иметь таблицу, где каждой станции сопоставлен номер сети, в которой она находится. Эта таблица, как правило, имеет огромные размеры и организована как таблица перемешивания.
Когда мосты включаются первый раз, все таблицы пусты. Для заполнения своей таблицы каждый мост использует следующий алгоритм:
Каждый кадр с неизвестным мосту адресом доставки рассылается во все сети, подключенные к данному мосту, кроме той, из которой поступил этот кадр. По реакции из каждой сети на этот кадр мост определяет, в какой конкретно сети находится адрес доставки и фиксирует эту информацию в таблице (как это происходит, мы рассмотрим позже).
Далее кадры с таким же адресом доставки будут посылаться только в сеть, определенную этим алгоритмом, который называется обучение с запаздыванием.
Топология сети может изменяться динамически. Машины и мосты могут включаться в сеть и выключаться из нее. Поэтому для каждого элемента таблицы указывается время, когда от этой машины или моста поступал кадр.
Периодически таблица просматривается, и для всех ее элементов, у которых время последнего поступления кадра отличается от текущего более чем на несколько минут, запускается процедура поиска его в сети. Поэтому все изменения в сети отслеживаются динамически. Если какую-то машину выключат из одной сети, перенесут и включат в другой, описанный алгоритм отметит это изменение через несколько минут. Итак, каждый раз, когда поступает кадр, мост выполняет следующие действия:
Если адрес отправителя и адрес получателя один и тот же, кадр сбрасывается.
Если адрес отправителя и адрес получателя разные, то кадр направляется в надлежащую сеть.
Если нет информации в таблице, куда направлять кадр, его посылают во все доступные сети.
 В некоторых случаях для большей надежности две сети соединяют двумя мостами. Однако у такой конфигурации есть одна опасность. Пусть в сети 1 был выпущен кадр F. Этот кадр будет дублирован во все сети и мостом В1, и мостом В2. Пусть мост В1 породил F1, а В2 - F2. Мост В1 увидит F2 с неизвестным адресом доставки и дублирует его в сеть 1 как F3. То же самое сделает В2 с кадром F1 в виде кадра F4. Этот цикл будет длиться до бесконечности.
Решение этой проблемы состоит в том, чтобы мосты во взаимодействии друг с другом накладывали на фактическую структуру соединений дерево соединений и делали пересылку так, чтобы избегать таких мнимых циклов. На рисунке 4-36 показана сеть с 10 мостами. Граф соединений на рисунке 4-36 (а) можно сократить до дерева соединений на рисунке 4-36 (b). В этом дереве для каждой сети есть только один путь.
Рисунок 4-36. Использование дерева соединений в конструкциях с мостами
Как строится дерево соединений? Прежде всего, надо выбрать один мост из всех в качестве корня дерева. Это делается с помощью уникальных адресов, которые присваиваются мостам при изготовлении, подобно Ethernet-адресам. Из всех мостов корневым выбирается мост с наименьшим номером. Затем для полученного корня строится дерево кратчайших путей, соединяющих корень с каждым мостом и сетью. Полученное дерево и есть дерево соединений.
В результате алгоритм строит единственный маршрут от корня в любую сеть. Хотя дерево соединений охватывает все сети, в нем представлены не все мосты.
Мосты с маршрутизацией от источника. Прозрачные мосты хороши тем, что их достаточно только подключить, и все работает. Однако они никак не учитывают оптимальное распределение пропускной способности и не могут этого делать. Это привело к появлению иной схемы работы мостов - маршрутизации от источника.
Будем предполагать, что отправитель знает, находится получатель в его локальной сети или нет. Если получатель не в его локальной сети, то отправитель устанавливает старший разряд в адресе получателя в 1. Кроме этого, в заголовке кадра указывается точный маршрут, по которому будут следовать кадр. Этот маршрут представляет собой чередование 12-разрядного адреса сети и 4-разрядного адреса моста. (См. рисунок 4-34.)
Мост с маршрутизацией от источника ловит только те кадры, у которых старший разряд в адресе получателя равен 1. Для каждого такого кадра просматривается описание маршрута и определяется, в какую сеть отправлять этот кадр. Номер сети указан после номера моста в описании маршрута.
Этот алгоритм предполагает, что каждый отправитель знает или может определить наилучший маршрут. Основная идея алгоритма поиска такого маршрута состоит в следующем. Если маршрут к получателю не известен, то отправитель посылает так называемый поисковый кадр. Этот поисковый кадр рассылается всеми мостами по всем сетям. Когда поисковый кадр возвращается обратно, каждый мост оставляет в нем информацию о себе. Таким образом, отправитель, получив ответы на свой поисковый кадр, может выбрать наилучший маршрут среди всех имеющихся.
Этот алгоритм действительно позволяет найти наилучший маршрут, но он имеет один серьезный недостаток - экспоненциальный рост числа поисковых кадров. К тому моменту, как поисковый кадр достигнет уровня N, число поисковых кадров в сети будет порядка 3N-1. Нечто подобное происходит и в сетях с прозрачными мостами, но там этот рост происходит только вдоль дерева связей.
Обнаружив наилучший путь, каждый хост в сети хранит его. Естественно, это накладывает определенные требования на хосты в сети, что делает использование этого подхода не столь прозрачным, как в первом случае.
Сравнение мостов для 802.
Оба вида мостов, как прозрачные, так и с маршрутизацией от источника, имеют как достоинства, так и недостатки. В ртаблице 4-38 они представлены в виде таблицы.
Таблица 4-38. Сравнение мостов для 802
Признак | Прозрачный | С маршрутизацией от источника | Ориентация | Без соединения | С соединением | Прозрачность | Полностью прозрачный | Непрозрачный | Настройка | Автоматическая | Вручную | Выбор маршрута | Частично оптимальный | Оптимальный | Способ локализации моста | «Обучение с запаздыванием» | «Поисковый кадр» | Сбои | Устраняются мостами | Устраняются хостами | Наибольшая сложность | В мостах | В хостах | Одно из основных различий между этими мостами - это различие между сетями, ориентированными на соединение, и не ориентированными на соединение. Прозрачные мосты не поддерживают концепции виртуального соединения и маршрутизируют каждый кадр независимо друг от друга. Мосты с маршрутизацией от источника, наоборот, определяют маршрут с помощью поискового кадра, а затем используют этот маршрут постоянно.
Прозрачные мосты полностью совместимы со всеми продуктами в стандартах 802. Это не так по отношению к мостам с маршрутизацией от источника. Все хосты в системе должны знать схему подключения мостов в сети. Любое изменение в сети, затрагивающее мосты, вызывает необходимость в перенастройке хостов.
При использовании прозрачных мостов никаких специальных усилий по управлению сетью не требуется. Мосты автоматически поддерживают конфигурацию сети. При использовании мостов с маршрутизацией от источника требуется значительная ручная работа. Любая ошибка в адресах сетей или мостов может вызвать тяжелые последствия, обнаружить ее бывает очень трудно. При соединении двух функционирующих сетей через прозрачный мост ничего делать не надо, кроме как подключить его. При их соединении через мост, маршрутизирующий от источника, может потребоваться изменение номеров сетей и мост, дабы избежать дублирования.
Одно из основных преимуществ мостов с маршрутизацией от источника - они хотя бы теоретически могут строить оптимальные маршруты, в то время как прозрачные мосты ограничены в выборе маршрута деревом соединений. Мосты с маршрутизацией от источника также могут работать с мостами, включенными в параллель.
Механизмы определения места доставки кадра также имеют свои достоинства и недостатки. В случае с прозрачными мостами недостаток тот, что надо ждать, когда придет кадр от машины получателя. В другом случае - имеем экспоненциальный рост числа поисковых кадров.
Реакция на ошибки в сетях в обоих случаях разная. В первом случае все происходит автоматически, мосты сами слушают, что происходит в сетях. и реагируют должным образом. Самим хостам делать ничего не приходится. В случае мостов с маршрутизацией от источника ситуация противоположная: вся сложность исправления ошибок и отказов в сети ложится на хосты.
Удаленные мосты.  Как мы уже говорили, основная цель использования мостов – соединение отдельных ЛВС между собой. Это можно сделать, сопоставив каждой ЛВС мост и соединив мосты между собой каналом «точка-точка». Пример такого соединения показан на рисунке 4-39. Здесь каждый канал точка-точка можно рассматривать как ЛВС без абонентских машин (кто сказал, что сеть обязана всегда их иметь). Тогда у нас есть шесть ЛВС, соединенных через четыре моста.
Рисунок 4-39. Удаленные мосты, соединяющие ЛВС
Для соединений точка-точка можно использовать разные протоколы. Например, можно использовать любой протокол точка-точка и в его кадрах целиком размещать кадры МАС-подуровня. Этот прием хорошо работает в случае идентичных сетей. При этом возникает только одна трудность – маршрутизация кадров в нужную сеть.
Другая возможность – отрезать заголовки МАС-подуровня и на их место вставить заголовки соответствующего канального уровня. Новый МАС-заголовок будет сгенерирован на стороне моста-получателя. Здесь трудности возникают при работе с полем контрольной суммы. Либо надо ее каждый раз перевычислять, либо мы потеряем возможность контролировать ошибки при передаче.
|
64
9
План-конспект урока по теме Типы мостов 