Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Даже если кабели легко проложить, есть пределы их возможной длины (например, 200 м для витой пары Gigabit Ethernet). Сеть не будет работать с более длинными кабелями из-за чрезмерного ослабления сигнала или задержки туда и обратно. Единственное решение состоит в том, чтобы разделить ЛВС и установить мосты, соединяющие ее части, чтобы увеличить полную физическую дистанцию, которая может быть преодолена.

В-третьих, иногда бывает необходимо логически разделить одну локальную сеть на несколько отдельных локальных сетей, соединенных мостами, чтобы снизить нагрузку. Так, например, во многих крупных университетах в сети объединены тысячи рабочих станций, на которых работают студенты и сотрудники. В организации могут работать тысячи сотрудников. Огромные масштабы не позволяют объединить все эти рабочие станции в одну локальную сеть — компьютеров больше, чем портов в любом Ethernet концентраторе, станций больше, чем возможно в одном классическом Ethernet.

Однако емкость двух отдельных ЛВС в два раза больше, чем у одной. Мосты позволяют объединять ЛВС, сохраняя эту емкость. Идея в том, чтобы не посылать трафик на порты, где он не нужен, так чтобы каждая ЛВС могла работать на максимальной скорости. Такое поведение также увеличивает надежность, так как на одной ЛВС дефектный узел, который продолжает выводить непрерывный поток мусора, может забить всю ЛВС. Решая, что пересылать, а что нет, мост действует, как пожарные двери в здании, защищая всю систему от разрушения одним ненормальным узлом.

Для лучшего использования этих преимуществ мосты должны быть полностью прозрачны. Должна быть возможность пойти и купить мосты, включить в них кабели ЛВС, и чтобы все немедленно отлично работало.

Все это должно происходить без каких-либо изменений аппаратуры, настроек адресов коммутатора, программного обеспечения или конфигурационных таблиц и т. п. Кроме того, работа существующих ЛВС вообще не должна быть затронута мостами. Что касается затронутых станций, не должно быть никакого заметного различия, являются ли они частью ЛВС с мостами или нет. Должно быть столь же легко переместить станции в ЛВС с мостами, как и в одиночной ЛВС.

Удивительно, но создать прозрачные мосты возможно. Используется два алгоритма: алгоритм противоточного обучения, чтобы остановить трафик, посылаемый, где это не необходимо; и алгоритм связующего дерева, чтобы разрушить циклы, которые могут возникнуть при соединении коммутаторов. Теперь рассмотрим эти алгоритмы по очереди, чтобы изучить, как это волшебство достигнуто.

4.8.2. Обучаемые мосты

Топология двух ЛВС, соединенных мостом, показана на рис. 4.38 для двух вариантов. Слева, к двум многоточечным ЛВС, таким как классический Ethernet, присоединяется специальная станция — мост, который сидит на обеих ЛВС. Справа объединены ЛВС с двухточечными кабелями, включая один концентратор. Мосты — устройства, к которым присоединены станции и концентратор. Если технология ЛВС — Ethernet, мосты более известны под названием коммутаторы.

Рис. 4.38. Мосты: а — мост, соединяющий две многоточечные ЛВС; б — мосты (и концентратор), соединяющие семь станций по двухточеной схеме

Мосты были развиты, когда использовался классический Ethernet, поэтому их часто показывают в топологии с многоточечными кабелями, как на рис. 4.38, а. Однако все топологии, которые можно встретить сейчас, состоят из двухточечных кабелей и коммутаторов. Мосты работают одинаково в обеих ситуациях. Все станции, присоединенные к тому же самому порту на мосту, принадлежат тому же самому домену коллизий, который отличается от доменов коллизий других портов. Если есть больше, чем одна станция, как в классическом Ethernet, концентратор или полудуплексный канал, для отправки кадров используется протокол CSMA/CD.

Однако есть различие в том, как устроены соединенные ЛВС. Чтобы соединить многоточечные ЛВС, мост добавлен как новая станция в каждой из них, как показано на рис. 4.38, а. Чтобы соединить двухточечные ЛВС, концентраторы или соединены с мостом, или, предпочтительно, заменены мостом, чтобы увеличить производительность. На рис. 4.38, б мосты заменили все, кроме одного концентратора.

К одному мосту также могут быть присоединены различные виды кабелей. Например, кабель, соединяющий B1 с мостом B2 на рис. 4.38, б, мог бы быть длинным оптоволоконным каналом, в то время как кабель, соединяющий мосты со станциями, мог бы быть короткой линией на витой паре. Такое расположение полезно для соединения ЛВС в различных зданиях.

Теперь давайте рассмотрим то, что происходит в мостах. Каждый мост работает в неразборчивом режиме, то есть принимает каждый кадр, переданный станциями, присоединенными к каждому из его портов.

При появлении кадра мост должен решить, игнорировать его или переправить, и если переправить, то в какой порт. Выбор производится на основе адреса получателя.

Например, рассмотрим топологию на рис. 4.38, а. Если станция A пошлет кадр станции B, то мост B1 получит кадр на порту 1. От этого кадра можно немедленно отказаться без дальнейшей суматохи, потому что он уже находится на правильном порту. Теперь предположим в топологии на рис. 4.38, б, что A посылает кадр D. Мост В1, получит кадр на порту 1 и выведет его на порт 4. Затем мост В2 получит кадр на своем порту 4 и выведет его на своем порту 1.

Простой способ реализовать эту схему состоит в том, чтобы мост имел большую (хэш) таблицу. В таблице могут быть перечислены все возможные места назначения и к какому порту каждое относится. Например, на рис. 4.38, б таблица в B1 перечисляла бы D как принадлежащий порту 4, так весь B1 знал бы, в какой порт отправить кадры для D. Тогда, фактически, дальнейшая пересылка произойдет позже, когда достигший B2 кадр не представляет интереса для B1.

Когда мосты включаются первый раз, все их хэш-таблицы пусты. Ни один мост не знает, где находятся адресаты, поэтому они используют алгоритм заливки (flooding): каждый приходящий кадр с неизвестным адресом переправляется сразу по всем направлениям, кроме того, откуда он пришел. Со временем мосты узнают расположение адресатов. Кадры, расположение получателей которых известно, направляются только в одну нужную сеть, они не заливаются.

Для обучения прозрачных мостов используется алгоритм так называемого противоточного обучения (backward learning). Как уже упоминалось выше, мосты работают в неразборчивом режиме, поэтому они видят все кадры, посылаемые во всех их портах. Просматривая адреса отправителей, они могут определить, какая станция доступна по какому порту. Например, если мост В1 на рис. 4.38, б видит кадр, приходящий к нему на порт 3 от станции C, то он понимает, что станция C достижима через порт 3, и делает соответствующую запись в своей таблице. Поэтому любой последующий кадр, адресованный станции C и приходящий в В1 по любому другому порту, будет переправляться в порт 3.