Покрывающее (остовое) дерево. Основные понятия CORBA

В локальных сетях где реализована функция только первого и второго уровня модели ISO/OSI, проблема реализации альтернативных путей имеет свой характер. Стандартные протоколы могут использовать только древовидные топологии, то есть не содержащие замкнутых контуров.

Алгоритм STA описывает сеть в виде графа, вершинами которого есть сегменты сети и коммутаторы. Это показано на рис.1. Сегмент — часть сети которая не содержит коммутаторов. Сегмент может включать концентраторы/повторители. Алгоритм реализует построение древовидной топологии каналов с единым путем минимальной длины от каждого сегмента и от каждого коммутатора до корневого коммутатора — корня дерева. Единый путь гарантирует отсутствие петель. Метрика — величина расстояния обратно пропорциональная пропускной способности сегмента. Идентификатор коммутатора — эьл 8-байтовое число, где MAC-адрес составляет шесть младших байтов,а два старших остается для администратора который вручную ставит корневой коммутатор для алгоритма. Корневой порт — порт, который использует самый минимальный путь к корневому коммутатору.BPDU — специальные пакеты, которыми обмениваются коммутаторы для определения минимальной метрики.

Рисунок 1

Три этапа построения дерева

На рис.2 показан пример сети, на котором будет проведет алгоритм покрывающего дерева. Алгоритм STA анализирует активную конфигурацию сети в 3 этапа.

Рисунок 2

Первый этап — определяем корневой коммутатор, где начнется дерево. Обычно если администратор не участвует в процессе, выбирается устройство с минимальным MAC-адресом блока управления. Лучше чтобы администратор принимал участие в процессе, и назначал корневой коммутатор исходя из логики и адекватности выбора. На рисунку корневым коммутатором есть №1.

Второй этап — Выбираем корневой порт для каждого коммутатора. Метрика определяется по пакетам BPDU. На рисунку видно, что коммутатор №2 принимает из сегмента 1 пакет BPDU с метрикой — 0, и увеличивает его на 10 у.е.. Ретранслируя эти пакеты, каждый коммутатор запоминает минимальное число к корню. При равных метриках проверяется идентификаторы портов и коммутаторов. На рисунку видно, что коммутатор №3 выбирает порт №1 в качестве корневого, так как метрика к корню — 10.

Третий этап — выбор назначенных коммутатора и порта. Для каждого сегмента сети выбирается назначенный порт и соответственный порт коммутатора сегмента. остальные порты кроме назначенных и корневых блокируются (на рис. они перечеркнуты). Математически доведено, что при таком алгоритме в сети исключаются петли, и образуется покрывающее дерево. После коммутатор строит таблицу продвижения.

В процессе обычной работы корневой коммутатор генерирует пакеты BPDU с определенным интервалом, а назначенные порты ретранслируют эти пакеты.

Достоинства и недостатки STA

Один из основных плюсов данного алгоритма, это то решение о реконфигруции происходит не только с учетом момедних связей, но и связей в отдаленных сегментах сети. К недостаткам можно отнести, что если в сети используется много коммутаторов, то время определения новой активности может быть слишком большим.

Минимальное остовное дерево (или минимальное покрывающее дерево ) в связанном, взвешенном, неориентированном графе - это остовное дерево этого графа, имеющее минимальный возможный вес, где под весом дерева понимается сумма весов входящих в него рёбер

Пример

Пример минимального остовного дерева в графе. Числа на ребрах обозначают вес ребер.

Задача о нахождении минимального остовного дерева часто встречается в подобной постановке: допустим, есть n городов, которые необходимо соединить дорогами, так, чтобы можно было добраться из любого города в любой другой (напрямую или через другие города). Разрешается строить дороги между заданными парами городов и известна стоимость строительства каждой такой дороги. Требуется решить, какие именно дороги нужно строить, чтобы минимизировать общую стоимость строительства.

Эта задача может быть сформулирована в терминах теории графов как задача о нахождении минимального остовного дерева в графе, вершины которого представляют города, рёбра - это пары городов, между которыми можно проложить прямую дорогу, а вес ребра равен стоимости строительства соответствующей дороги.

Функции канального уровня

Функции протоколов канального уровня различаются в зависимости от того, предназначен ли данный протокол для передачи информации в локальных или в глобальных сетях. Протоколы канального уровня, используемых в локальных сетях, ориентируются на использование разделяемых между компьютерами сети сред передачи данных. Поэтому в этих протоколах имеется подуровень доступа к разделяемой среде. Хотя канальный уровень локальной сети и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда.

Использование разделяемой среды передачи данных делает в локальных сетях ненужными процедуры управления потоком кадров. Локальная сеть базовой топологии не может переполниться кадрами, так как узлы сети не могут начать генерацию нового кадра до приема предыдущего кадра станцией назначения.

Еще одной особенностью протоколов канального уровня локальных сетей является широкое использование дейтаграмнных процедур. Это объясняется хорошим качеством каналов связи, редко искажающим биты в передаваемых кадрах.

Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются протоколы Token Ring, Ethernet, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, FDDI.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. К таким протоколам типа "точка-точка" относятся протоколы PPP, SLIP, LAP-B, LAP-D. Эти протоколы не используют подуровня доступа к среде, но требуют наличия процедур управления потоком кадров, так как промежуточные коммутаторы могут переполниться при слишком высокой интенсивности трафика по некоторым индивидуальным каналам. Кроме того, из-за высокой степени зашумленности глобальных каналов связи в протоколах этих сетей широко используются методы передачи данных с предварительным установлением соединения и повторными передачами кадров при их искажениях и потерях.

Канальный уровень оперирует единицами данных называемыми кадрами (frame) . В общем случае каждый протокол канального уровня имеет свой особый формат кадра.

В локальных сетях канальный уровень разделяется на два подуровня:

● уровень управления логическим каналом (logical link control, LLC).

● уровень доступа к среде (media access layer, MAC),

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. MAC-уровень лежит ниже LLC-уровня и выполняет функции обеспечения доступа к разделяемой между узлами сети общей среде передачи данных. Стандартные протоколы канального уровня часто различаются реализацией метода доступа к разделяемой среде, в то время как функции LLC-уровня гораздо меньше варьируются от одного стандарта к другому.

Уровень LLC дает более высоким уровням возможность управления качеством услуг, предоставляемых канальным уровнем. Так передача данных на канальном уровне может быть выполнена дейтаграммным способом либо с установлением соединений, с подтверждением правильности приема либо без подтверждения.

Прием кадра из сети и отправка его в сеть связаны с процедурой доступа к среде передачи данных. В локальных сетях используется разделяемая среда передачи данных, поэтому все протоколы канального уровня локальных сетей включают процедуру доступа к среде, которая и является главной функцией МАС-уровня. Кроме того, МАС-уровень должен согласовать дуплексный режим работы уровня LLC с полудуплексным режимом работы физического уровня. Для этого он буферизует кадры с тем, чтобы при получении доступа к среде, передать их по назначению.

Для доступа к разделяемой среде в локальных сетях используется два типа методов доступа:

● методы случайного доступа,

● методы маркерного доступа.

Особенностью всех методов доступа к передающей среде, используемых в локальных сетях, является распределенный характер механизма их реализации, то есть в решении этой задачи участвуют все компьютеры на равных (или почти равных) основаниях. Такая децентрализация делает работу сети более надежной.

Методы случайного доступа основаны на том, что каждая станция сети пытается получить доступ к среде в тот момент времени, когда ей это становится необходимым. Если среда уже занята, то станция повторяет попытки доступа до тех пор, пока очередная попытка не окажется успешной. Хотя принцип случайного доступа допускает различные реализации, широко используется только метод случайного доступа технологии Ethernet.

Методы маркерного доступа основаны на детерминированной передаче от одного узла сети другому специального кадра информации - маркера (токена) доступа. Маркерные методы доступа используются в сетях Token Ring, ArcNet и FDDI. В таких сетях право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Функции канального уровня реализуются установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствующими им драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием: мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами. В зависимости от того, какой протокол реализует сетевой адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Аналогично, коммутаторы, мосты и машрутизаторы могут иметь порты, поддерживающие различные канальные протоколы.

Все эти устройства могут выполнять следующие действия:

● Формирование кадра - включает размещение данных, поступивших с верхнего уровня, в поле данных кадра, а также формирование заголовка, то есть определение и занесение в соответствующие поля кадра контрольной суммы, MAC-адресов отправителя и получателя, отметки о типе протокола верхнего уровня, пакет которого упакован в поле данных кадра, и возможно некоторой другой информации. Кадры могут быть информационными, содержащими данные конечных пользователей, (они формируются в компьютерах), и служебными, источником которых может быть любое устройство, использующее канальный уровень. Служебные кадры формируются, например, мостами для реализации алгоритма покрывающего дерева, маршрутизаторами при обмене маршрутной информацией, компьютерами при объявлении выполняемых ими сервисов.

● Анализ заголовка кадра и обработка кадра на основании результатов проведенного анализа могут заключаться, например, в уничтожении кадра при несовпадении контрольной суммы, в принятии решения о передаче кадра в сеть при несовпадении адреса назначения с адресом данного узла и т.п.

● Прием кадра из сети и отправка кадра в сеть прежде всего связаны с получением доступа к передающей среде, эта процедура единообразным образом выполняется всеми устройствами сети, построенной с использованием общей базовой сетевой технологии. Как правило, принимаемые кадры помещаются в буфер, а при отправке - выбираются из буфера.

Функции сетевого уровня

Протоколы канального уровня не позволяют строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи пакетов для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.

Прежде, чем приступить к рассмотрению функций сетевого уровня, уточним, что понимается под термином "сеть". В протоколах сетевого уровня термин "сеть" означает совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи пакетов общую базовую сетевую технологию. Внутри сети сегменты не разделяются маршрутизаторами, иначе это была бы не одна сеть, а несколько сетей. Маршрутизатор соединят несколько сетей в интерсеть.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры канального уровня дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня , на основании которой можно было бы находить адресата в сети с любой базовой технологией. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть.

Заголовок сетевого уровня должен содержать адрес назначения и другую информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. К такой информации может относиться, например:

номер фрагмента пакета, нужный для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов< при соединении сетей с разными максимальными размерами кадров канального уровня,

время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения "заблудившихся" пакетов,

В коммутируемых локальных сетях проблема обеспечения надежности сети имеет свою специфику: базовый протокол прозрачного моста корректно работает только в сети с древо­видной топологией , в которой между любыми двумя узлами сети существует единственный маршрут. Тем не менее очевидно, что для надежной работы сети необходимо наличие аль­тернативных маршрутов между узлами, которые можно использовать при отказе основного маршрута. Наиболее простым решением этой проблемы является построение сети с аль­тернативными маршрутами, ручное нахождение связной древовидной топологии и ручное блокирование (то есть перевод в административное состояние «отключен») всех портов, которые не входят в найденную топологию. В случае отказа сети этот процесс должен повторяться, опять же в ручном режиме. Понятно, что надежность сети в этом случае ока­зывается не очень высокой, так как время пребывания ее в неработоспособном состоянии будет исчисляться минутами: сначала нужно обнаружить отказ и локализовать его (то есть не только зафиксировать факт, что в сети что-то перестало работать, но и понять, какая именно связь пострадала и требует обхода), затем найти новый работоспособный вариант топологи сети (если он, конечно, существует), а потом его сконфигурировать.

Для автоматического выполнения перечисленных действий, то есть нахождения и конфигуриро­вания активной древовидной топологии, мониторинга состояния ее связей и перехода к новой древовидной топологии при обнаружении отказа связи в коммутируемых локальных сетях ис­пользуются алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA) и реализующий егопротокол покрывающего дерева (Spanning Tree Protocol, STP).

Алгоритм покрывающего дерева, разработанный достаточно давно, в 1983 году, был при­знан IEEE удачным решением и включен в ту же спецификацию 802.1D, в которойюписы- вается и сам алгоритм прозрачного моста. Сегодня протокол STP широко применяется в наиболее массовых устройствах современных локальных сетей - коммутаторах. Протокол STP обновлялся несколько раз, последняя его редакция описана в документе 802.1D-2004; новая версия протокола получила название RSTP (Rapid STP, то есть быстрый протокол покрывающего дерева), так как предыдущие версии STP недостаточно быстро находили новую древовидную топологию - на это могло уйти до 50 секунд. Новая версия протокола покрывающего дерева - RSTP - работает значительно быстрее, затрачивая на поиск новой топологи несколько секунд.

Мы сначала рассмотрим классическую версию STP, а затем ее быстрый вариант - RSTP.

Классическая версия STP

Протокол STP формализует сеть (рис. 14.1, а) в виде графа (рис. 14.1, 6), вершинами ко­торого являются коммутаторы и сегменты сети.

Сегмент - это связная часть сети, не содержащая коммутаторов (и маршрутизаторов). Сег­мент может быть разделяемым (во время создания алгоритма STA это был единственный тип сегмента) и включать устройства физического уровня - повторители/концентраторы, существование которых коммутатор, будучи устройством канального уровня, «не заме­чает». Сегмент также может представлять собой двухточечный канал, в коммутируемых локальных сетях это единственный тип сегмента.

Рис. 14.1. Формализованное представление сети в соответствии с алгоритмом STA

Протокол покрывающего дерева обеспечивает построение древовидной топологии связей с единственным путем минимальной длины от каждого коммутатора и от каждого сегмента до некоторого выделенного корневого коммутатора - корня дерева. Единственность пути гарантирует отсутствие петель, а минимальность расстояния - рациональность маршрутов следования трафика от периферии сёти к ее магистрали, роль которой исполняет корневой коммутатор.

В качестве расстояния в STA используется метрика - традиционная для протоколов марш­рутизации величина, обратно пропорциональная пропускной способности сегмента. В STA метрика определяется также как условное время передачи бита сегментом . В версии 802.1D- 1998 эта величина является 16-разрядной, а в версии 802.1D-2004 - 32-разрядной.

В версии 1998 года выбраны следующие значения метрики: 10 Мбит/с - 100,100 Мбит/с - 19, 1 Гбит/с - 4, 10 Гбит/с - 2. В текущей версии 802.1D-2004 используются такие зна­чения метрик, которые расширяют диапазон скоростей сегментов до 10 Тбит/с (то есть с большим запасом относительно сегодняшнего уровня максимальной для Ethernet ско­рости в 10 Гбит/с),Сдавая такому сегменту значение 2; соответственно сегмент 100 Гбит/с получает значение 200, 10 Гбит/с - 2000, 1 Гбит/с - 20 000, 100 Мбит/с - 200 000, а 10 Мбит/с - 2 000 000.

Идентификатор коммутатора - это 8-байтовое число, шесть младших байтов которого составляют МАС-адрес его блока управления, отрабатывающего алгоритм STA (напомним, что портам коммутаторов и мостов для выполнения своей основной функции М АС-адреса не требуются), а два старших байта называются приоритетом коммутатора (значение по умолчанию равно 32 768) и конфигурируются вручную, что, как мы увидим далее, позво­ляет администратору сети влиять на процесс выбора корневого коммутатора.

Корневой порт коммутатора - это порт, который имеет кратчайшее расстояние до корне­вого коммутатора (точнее, до любого из портов корневого коммутатора).

Идентификатором порта служит 2-байтовое число. Младший байт содержит порядковый номер данного порта в коммутаторе, а значение старшего байта является приоритетом (значение по умолчанию равно 128) и задается администратором.

Назначенным коммутатором сегмента объявляется коммутатор, у которого расстояние до корневого коммутатора является минимальным.

Назначенный порт - это порт назначенного коммутатора сегмента, подключенный к дан­ному сегменту.

Протокольными единицами данных моста (Bridge Protocol Data Unit, BPDU) назы­ваются специальные пакеты, которыми периодически обмениваются коммутаторы для автоматического определения конфигурации дерева. Пакеты BPDU переносят данные об идентификаторах коммутаторов и портов, а также о расстоянии до корневого коммутатора. Существует два типа сообщений, которые переносят пакеты BPDU: конфигурационные сообщения, называемые также сообщениями Hello, и сообщения с уведомлениями об изме­нении конфигурации. Для доставки BPDU используется групповой адрес 01:80:С2:00:00:00, позволяющий организовать эффективный обмен данными.

Интервал Hello - это интервал между генерацией сообщений Hello; он настраивается администратором и обычно составляет от 1 до 4 секунд; по умолчанию - 2 секунды.

Три этапа построения дерева

На рис. 14.2 приведен пример сети из стандарта 802.1D-2004, который иллюстрирует ра­боту протокола STP. Мы также будем использовать этот пример в своем описании.

В этом примере сеть построена на восьми коммутаторах, которые имеют идентификаторы со значениями от 111 до 888 (для удобства записи здесь используются сокращенные до 3-х разрядов значения МАС-адресов коммутаторов). Все коммутаторы соединены друг с дру­гом двухточечными связями, которые образуют сегменты A-N. Порты 3 и 4 коммутаторов с 555 по 888 соединены с конечными узлами сети, то есть компьютерами (на рисунке не показаны). Все связи в сети - это связи со скоростью 100 Мбит/с (Fast Ethernet).

Алгоритм STA определяет активную конфигурацию сети за три этапа.

Первый этап - определение корневого коммутатора, от которого строится дерево.

В качестве корневого коммутатора выбирается коммутатор с наименьшим значением идентификатора. В исходном состоянии каждый коммутатор считает себя корневым, поэтому он генерирует и передает своим соседям сообщения Hello, в которых помещает свой идентификатор в качестве идентификатора корневого коммутатора. Как только коммутатор получает от соседа сообщение Hello, в котором содержится идентификатор корневого коммутатора, меньший его собственного, он перестает считать себя корневым коммутатором и генерировать свои сообщения Hello, но начинает ретранслировать сообще­ния Hello, получаемые от соседей.

Рис. 14.2. Пример сети, иллюстрирующей работу STP

Если администратор не вмешается в этот процесс, корневой коммутатор выбирается достаточно случайным образом - им станет устройство с минимальным МАС-адресом блока управления. Очевидно, что такой выбор может оказаться далеко не рациональным. Например, при выборе коммутатора 555 в качестве корневого значительная часть трафика проходила бы через большое количество транзитных сегментов и коммутаторов. Поэтому пускать данный процесс «на самотек» администратору не стоит - лучше в него вмешаться и назначить корневой коммутатор осознанно (путем соответствующего конфигурирования старших байтов идентификаторов коммутатора), чтобы выбранный коммутатор действительно занимал центральное место в соединениях сегментов.

В нашем примере мы предполагаем, что администратор не стал менять приоритеты комму­таторов, так что у всех коммутаторов они остались равными значению 32 768 (значение по умолчанию), и корневым коммутатором стал коммутатор с идентификатором 111.

Второй этап - выбор корневого порта для каждого коммутатора.

Корневым портом коммутатора является тот порт, расстояние от которого до корневого коммутатора является минимальным. Сам корневой коммутатор корневых портов не имеет.

Для определения корневого порта каждый коммутатор использует пакеты Hello, ретран­слируемые ему другими коммутаторами. На основании этих пакетов каждый коммутатор определяет минимальные расстояния от всех своих портов до корневого коммутатора. При ретрансляции сообщения Hello каждый коммутатор увеличивает указанное в сообщении расстояние до корня на метрику того сегмента, из которого принят данный пакет. Тем са­мым в пакете Hello по мере прохождения через коммутаторы наращивается поле, показы­вающее расстояние до корневого коммутатора. Например, если считать, что все сегменты в рассматриваемом примере являются сегментами Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, то коммутатор 222, приняв из сегмента А пакет Hello со значением расстояния, равным 0, увеличивает его на 200 000 условных единиц (если коммутатор работает с величинами метрики, рекомендованными версией стандарта STP от 2004 года).

Ретранслируя пакеты, каждый коммутатор для каждого своего порта запоминает мини­мальное расстояние до корня, встретившееся во всех принятых этим портом пакетах Hello. По завершении процедуры определения конфигурации покрывающего дерева каждый коммутатор находит свой корневой порт (с минимальным расстоянием до корня).

При равных метриках для разрешения неоднозначности к процедуре выбора минимального расстояния привлекаются значения идентификаторов коммутаторов и портов. Предпо­чтение отдается портам и коммутаторам с наименьшими идентификаторами. Например, у коммутатора 222 порты 1 и 2 находятся на одинаковом расстоянии до корневого комму­татора 111 - оба эти порта непосредственно связаны через сегменты А и В с коммутатором

а значит, получают пакеты Hello с метрикой, равной 0. Так как идентификатор порта 1 меньше идентификатора порта 2, то корневым портом коммутатора 222 выбирается порт 1.

По аналогичной причине корневым портом коммутатора 555 становится порт 1, а не порт 2. Оба эти порта получают сообщения Hello, генерируемые корневым коммутатором 111, с наименьшим значением метрики 200 000. Порт 1 получает такие сообщения по маршру­ту: порт 1 коммутатора 111 - сегмент С - порт 1 коммутатора 333 - порт 6 коммутатора 333 - сегмент G , соответственно порт 2 получает их по маршруту: порт 3 коммутатора 111 - сегмент Е - порт 1 коммутатора 444 - порт б коммутатора 444 - сегмент I .

Третий этап - выбор назначенных коммутаторов и портов для каждого сегмента сети.

Назначенным является тот коммутатор (из числа коммутаторов, непосредственно под­ключенных к данному сегменту), у которого расстояние до корневого моста является минимальным (точнее, расстояние от корневого порта этого коммутатора до корневого коммутатора). Назначенные порты для сегментов исполняют ту же роль, что корневые порты для коммутаторов - они находятся на кратчайшем пути до корневого коммутатора.

Как и при выборе корневого порта, здесь используется распределенная процедура. Каждый коммутатор сегмента, прежде всего, исключает из рассмотрения свой корневой порт (для сегмента, к которому он подключен, всегда существует другой коммутатор, расположенный ближе к корню). Для каждого из оставшихся портов выполняется сравнение принятых по ним минимальных расстояний до корня (еще до наращивания на метрику сегмента) с расстоянием до корня корневого порта данного коммутатора. Если все принятые на этом порту расстояния оказываются больше, чем расстояние от собственного корневого порта, значит, для сегмента, к которому подключен порт, кратчайший путь к корневому комму­татору проходит через него, и он становится назначенным. Коммутатор делает все свои порты, для которых такое условие выполняется, назначенными. Когда имеется несколько портов с одинаковым кратчайшим расстоянием до корневого коммутатора, выбирается порте наименьшим идентификатором.

В рассматриваемом примере коммутатор 111 при проверке порта 1 обнаруживает, что через этот порт принимаются пакеты с минимальным расстоянием 200 000 (это пакеты от порта 1 коммутатора 222, который ретранслирует через все свои порты сообщения Hello, полученные от коммутатора 111, но с измененной метрикой, в частности передает их и коммутатору 111). Так как коммутатор 111 является корневым, то его расстояние до корневого коммутатора равно нулю, то есть меньше, чем у получаемых через порт 1 сообщений. Поэтому коммутатор 1 объявляет свой порт 1 назначенным для сегмента А. Коммутатор 222 не может объявить свой порт 1 назначенным для сегмента A , так как через него он получает сообщения с минимальной метрикой 0, а у его корневого порта метрика равна 200 000.

На выполнение всех трех этапов коммутаторам сети отводится по умолчанию 15 с. Эта стадия работы портов называется стадией прослушивания (listening), поскольку порты слушают только сообщения BPDU и не передают пользовательских кадров. Считается, что порты находятся в заблокированном состоянии, которое относится только к пользователь­ским кадрам, в то время как кадры BPDU обрабатываются. Предполагается, что в стадии прослушивания каждый коммутатор получит столько пакетов Hello, сколько потребуется для определения состояния своих портов.

Все остальные порты, кроме корневых и назначенных, каждым коммутатором блокиру­ются и не могут передавать пользовательские кадры. Математически доказано, что при таком выборе активных портов в сети исключаются петли, а оставшиеся связи образуют покрывающее дерево (если оно вообще может быть построено при существующих связях в сети).

Результат работы протокола STP для нашего примера показан на рис. 14.3.

На рисунке корневые порты коммутаторов отмечены символом R , назначенные порты за­крашены, а заблокированные зачеркнуты.

После построения покрывающего дерева коммутатор начинает принимать (но не продви­гать) пакеты данных и на основе их адресов источника строить таблицу продвижения. Это обычный режим обучения прозрачного моста, который ранее нельзя было активизировать, так как порт не был уверен в том, что он останется корневым ири назначенным и будет передавать пакеты данных. Стадия обучения (learning) также выдерживается в течение интервала 15 с. При этом порт продолжает участвовать в работе алгоритма STA, так что поступление пакетов BPDU с лучшими параметрами переводит его в заблокированное состояние.

И только после двукратной выдержки по таймеру порт переходит в стадию продвижения (forwarding) и начинает продвигать пользовательские кадры в соответствии с построенной таблицей (которая продолжает модифицироваться, отражая изменения в структуре сети). Фактически в нашем примере в продвижении пользовательских пакетов после построения активной топологии участвуют только коммутаторы 111,333 и с 555 по 888.

В процессе нормальной работы корневой коммутатор продолжает генерировать пакеты Hello, а остальное коммутаторы получают их через свои корневые порты и ретранслируют через назначенные порты. У коммутатора могут отсутствовать назначенные порты, как у коммутаторов 222 и 444, но он все равно участвует в работе протокола STA, так как корне­вой порт принимает служебные пакеты BPDU.

Рис. 14.3. Активная топология, найденная по протоколу STP

Если по истечении максимального времени жизни сообщения (по умолчанию - 10 интер­валов Hello, то есть 20 с) корневой порт любого коммутатора сети не получает служебный пакет Hello, то он инициализирует новую процедуру построения покрывающего дерева. При этом на все порты генерируется и передается пакет Hello, в котором коммутатор ука­зывает себя в качестве корневого. Аналогичным образом ведут себя и другие коммутаторы сети, у которых сработал таймер истечения максимального времени жизни сообщения, в результате чего выбирается новая активная конфигурация.

В процессе изменения активной топологии адресная информация, находящаяся в таблицах продвижения коммутаторов, может перестать соответствовать действительности, так как некоторые порты изменяют свое состояние с активного на заблокированное, и наоборот. Использование устаревшей адресной информации может приводить к тому, что некоторое время кадры будут посылаться в неверном направлении и не доходить до адресатов. Для того чтобы сообщить коммутатору о том, что в сети произошло изменение топологии и не­обходимо удалить старую адресную информацию, по сети распространяются уведомления об изменении конфигурации (это особый тип пакета BPDU).

также оказывает непосредственное влияние на производительность коммутатора. Буферная память используется для временного хранения кадров, в случае если их невозможности немедленной передачи на выходной порт. Основное назначение буферной памяти заключается в сглаживании кратковременных пиковых пульсаций трафика. Такие ситуации могут возникать в случае, если на все порты коммутатора одновременно предаются кадры, и у коммутатора нет возможности передавать принимаемые кадры на порты назначения. Чем больше объем буферной памяти, тем ниже вероятность потери кадров при перегрузках. Размер буферной памяти может указываться как общий, так и в расчете на порт. Для повышения эффективности использования буферной памяти в некоторых моделях коммутаторов память может перераспределяться между портами, так как перегрузки на всех портах маловероятны.

1.3 Алгоритм покрывающего дерева (STA )

Алгоритм покрывающего дерева - Spanning Tree Algorith (STA) позволяет коммута­торам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой. Как уже отмечалось, 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.

Поддерживающие алгоритм STA коммутаторы автоматически создают актив­ную древовидную конфигурацию связей, то есть связную конфигурацию без пе­тель, на множестве всех связей сети. Такая конфигурация называется покрывающим деревом - Spanning Tree (иногда ее называют основным деревом), и ее название дало имя всему алгоритму. Алгоритм Spanning Tree описан в стандарте IEEE 802.1D, том же стандарте, который определяет принципы работы прозрачных мостов.

Коммутаторы находят покрывающее дерево адаптивно, с помощью обмена слу­жебными пакетами. Реализация в коммутаторе алгоритма STA очень важна для работы в больших сетях - если коммутатор не поддерживает этот алгоритм, то администратор должен самостоятельно определить, какие порты нужно перевести в заблокированное состояние, чтобы исключить петли. К тому же при отказе какого-либо кабеля, порта или коммутатора администратор должен, во-первых, обнаружить факт отказа, а во-вторых, ликвидировать последствия отказа, переведя резервную связь в рабочий режим путем активизации некоторых портов. При поддержке ком­мутаторами сети протокола Spanning Tree отказы обнаруживаются автоматически, за счет постоянного тестирования связности сети служебными пакетами. После об­наружения потери связности протокол строит новое покрывающее дерево, если это возможно, и сеть автоматически восстанавливает работоспособность. Алгоритм Spanning Tree определяет активную конфигурацию сети за три этапа.

Сначала в сети определяется корневой коммутатор (root switch), от которого строится дерево. Корневой коммутатор может быть выбран автоматически или назначен администратором. При автоматическом выборе корневым становится коммутатор с меньшим значением МАС-адреса его блока управления.

Затем, на втором этапе, для каждого коммутатора определяется корневой порт(root port) - это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до кор­невого коммутатора (точнее, до любого из портов корневого коммутатора).

И наконец, на третьем этапе для каждого сегмента сети выбирается так называ­емый назначенный порт (designated port) - это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. После определения корневых и назначенных портов каждый коммутатор блокирует остальные порты, которые не попали в эти два класса портов. Можно математически доказать что при таком выборе активных портов в сети исключаются петли и оставшиеся связи образуют покрывающее дерево (если оно может быть построено при су­ществующих связях в сети). Понятие расстояния играет важную роль в построении покрывающего дерева. Именно по этому критерию выбирается единственный порт, соединяющий каж­дый коммутатор с корневым коммутатором, и единственный порт, соединяющий каждый сегмент сети с корневым коммутатором.

На рис. 4 показан пример построения конфигурации покрывающего дерева для сети, состоящей из 5 сегментов и 5 коммутаторов. Корневые порты закрашены темным цветом, назначенные порты не закрашены, а заблокированные порты пере­черкнуты. В активной конфигурации коммутаторы 2 и 4 не имеют портов, переда­ющих кадры данных, поэтому они закрашены как резервные.

Рис.5 Построение покрывающего дерева по алгоритму STA

Расстояние до корня определяется как суммарное условное время на передачу одного бита данных от порта данного коммутатора до порта корневого коммутато­ра. При этом считается, что время внутренних передач данных (с порта на порт) коммутатором пренебрежимо мало, а учитывается только время на передачу дан­ных по сегментам сети, соединяющим коммутаторы. Условное время сегмента рас­считывается как время, затрачиваемое на передачу одного бита информации в 10 наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам, а для сегмента Token Ring 16 Мбит/с - 6,25. (Алгоритм STA не связан с каким-либо определенным стандартом канального уровня, он может применяться к коммута­торам, соединяющим сети различных технологий.)

В приведенном примере предполагается, что все сегменты работают на одной скорости, поэтому они имеют одинаковые условные расстояния, которые поэтому не показаны на рисунке.

Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева все коммутаторы сети после их инициализации начинают периодически обмени­ваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных мо­ста - BPDU (Bridge Protocol Data Unit), что отражает факт первоначальной разработки алгоритма STA для мостов.

2 Специальная часть

2.1 Структуризация LAN с помощью мостов

2.1.1 Принципы работы мостов

Прозрачные мосты

Прозрачные мосты незаметны для сетевых адаптеров конечных узлов, так как они строят специальную адресную таблицу, на основании которой можно, передавать пришедший кадр в какой-либо другой сегмент или нет. Сетевые адаптеры при использовании прозрачных мостов работают точно так же, как и в случае их отсутствия, то есть не предпринимают никаких дополнительных действий, чтобы кадр прошел через мост. Алгоритм прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой устанавливается мост, поэтому прозрачные мосты Ethernet работают точно так же, как прозрачные мосты FDDI. Прозрачный мост строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах. При этом мост учитывает адреса источников кадров данных, поступающих на порты моста. По адресу источника кадра мост делает вывод о принадлежности этого хоста тому или иному сегменту сети. На рис.7 проиллюстрирован процесс работы прозрачного моста.