БИБЛИЯ ХАКЕРА

Локальные мосты — предшественники коммутаторов

Для преодоления ограничений технологийлокальных сетей уже до­статочно давно начали применять локальные мосты, функциональные предшественники коммутаторов.

Мост — это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (ре­же нескольких) локальных сетей посредством передачи кадров из одной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост, в отли­чие от повторителя, не старается поддержать побитовый синхронизм в обеих объединяемых сетях. Вместо этого он выступает по отношению к каждой из сетей как конечный узел. Он принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения кадра и только в том случае, когда адресу­емый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда.

Для передачи кадра в другую сеть мост должен получить доступ к ее разделяемой среде передачи данных в соответствии с теми же правилами, что и обычный узел.

Таким образом мост, изолирует трафик одного сегмента от трафика другого сегмента, фильтруя кадры. Так как в каждый из сегментов теперь направляется трафик от меньшего числа узлов, то коэффициент загрузки сегментов уменьшается.

Мост не только снижает нагрузку в объединенной сети, но и умень­шает возможности несанкционированного доступа, так как пакеты, пред­назначенные для циркуляции внутри одного сегмента, физически не по­являются на других, что исключает их «прослушивание» станциями других сегментов.

По своему принципу действия мосты подразделяются на два типа. Мосты первого типа выполняют так называемую маршрутизацию от ис­точника (Source Routing), метод, разработанный фирмой IBM для своих сетей Token Ring. Этот метод требует, чтобы узел-отправитель пакета раз­мещал в нем информацию о маршруте пакета. Другими словами, каждая станция должна выполнять функции по маршрутизации пакетов. Второй тип мостов осуществляет прозрачную для конечных станций передачу па­кетов (Transparent Bridges). Именно этот тип мостов лег в основу совре­менных коммутаторов, поэтому остановимся на нем подробнее.

Функции и алгоритмы прозрачных мостов

Прозрачные мосты являются наиболее распространенным типом мостов. Для прозрачных мостов сеть представляется наборами ресов устройств, используемых на канальном уровне, причем каждый на­бор связан с определенным портом моста.

Мосты используют эти адреса для принятия решения о продвиже­нии кадра, когда кадр записывается во внутренний буфер моста из како­го-либо его порта. Мосты не имеют доступа к информации об адресах се­тей, относящейся к более высокому — сетевому — уровню, и они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Таким об­разом, мосты являются совершенно прозрачными для протоколов, начи­ная с сетевого уровня и выше. Эта прозрачность позволяет мостам пере­давать пакеты различных протоколов высокого уровня, никоим образом не влияя на их содержимое.

Вследствие функциональной ограниченности мосты имеют доста­точно простое устройство и представляют собой удобное и недорогое средство для построения

Мосты обеспечивают возможность соединения двух или более сетей для образования единой логической сети. Исходные сети становятся се­тевыми сегментами результирующей сети. Каждый такой сегмент остает­ся доменом коллизий, то есть участком сети, в котором все узлы одновре­менно фиксируют я обрабатывают коллизию. Однако коллизии одного сегмента не приводят к возникновению коллизий в другом сегменте, так как мост не осуществляет побитовый синхронизм сегментов и ограничи­вает коллизии тем сегментом, в котором они возникают.

Мосты регенерируют пакеты, которые они передают с одного пор­та на другой (операция forwarding). Одним из преимуществ использова­ния мостов является увеличение расстояния, покрываемого интерсетью, так как количество пересекаемых мостов не оказывает влияния на каче­ство сигнала.

Прозрачные мосты имеют дело как с адресом источника, так и с ад­ресом назначения, имеющимися в кадрах локальных сетей. Мост исполь­зует адрес источника для автоматического построения своей базы данных адресов устройств, называемой также таблицей адресов устройств. В этой таблице устанавливается принадлежность адреса узла какому-либо порту моста. Все операции, которые выполняет мост, связаны с этой базой дан­ных. Функции доступа ' к среде при приеме и передаче кадров выполняют микросхемы MAC.

Все порты моста работают в так называемом «неразборчивом» (promisquous) режиме захвата пакетов, то есть все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах и использует проходящие через него пакеты для изучения со­става сети.

Когда мост получает кадр от какого-либо своего порта, то он (после буферизации) сравнивает адрес источника с элементами базы данных ад­ресов. В случае, если адрес отсутствует в базе, то он добавляется в нее. В случае, если этот адрес уже имеется в базе, то возможны два варианта — либо адрес пришел с того же порта, который указан в таблице, либо он пришел с другого порта. В последнем случае строка таблицы, соответст­вующая обрабатываемому адресу, обновляется — номер порта заменяется на новое значение (очевидно, станцию с данным адресом переместили в другой сегмент сети). Таким способом мост «изучает» адреса устройств се­ти и их принадлежность портам и соответствующим сегментам сети. Из - за способности моста к «обучению» к сети могут добавляться новые уст­ройства без необходимости реконфигурирования моста. Администратор может объявить часть адресов статическими и не участвующими в процес­се обучения (при этом он их должен задать сам). В случае статического ад­реса приход пакета с данным адресом и значением порта, не совпадаю­щим с хранящимся в базе, будет проигнорирован и база не обновится.

Кроме адреса источника мост просматривает и адрес назначения кадра, чтобы принять решение о его дальнейшем продвижении. Мост сравнивает адрес назначения кадра с адресами, хранящимися в его базе. В случае, если адрес назначения принадлежит тому же сегменту, что и ад­рес источника, то мост «фильтрует» (filtering) пакет, то есть удаляет его из своего буфера и никуда не передает. Эта операция помогает предохранить сеть от засорения ненужным трафиком.

В случае, если адрес назначения присутствует в базе данных и при­надлежит другому сегменту по сравнению с сегментом адреса источника, то мост определяет, какой из его портов связан с этим адресом и «продви­гает» (forwarding) кадр на соответствующий порт. Затем порт должен по­лучить доступ к среде подключенного к нему сегмента и передать кадр уз­лам данного сегмента.

В случае, если же адрес назначения отсутствует в базе или же это широковещательный адрес, то мост передает кадр на все порты, за исклю­чением того порта, с которого он пришел. Такой процесс называется «за­топлением» (flooding) сети. Затопление гарантирует, что пакет будет по­мещен на все сегменты сети и, следовательно, доставлен адресату или адресатам. Точно также мост поступает по отношению к кадрам с неизве­стным адресом назначения, затопляя им сегменты сети. Очевидно, что некоторое время после инициализации мост выполняет только операцию затопления, так как он ничего не знает о принадлежности адресов сегмен­там сети.

Мост может быть прозрачен не только для протоколов всех уровней, выше канального, но и для конечных узлов сети. Эта прозрачность состо­ит в том, что узлы не посылают мосту свои кадры специальным образом, указывая в них адрес порта моста. Даже при наличии моста в сети конеч­ные узлы продолжают посылать кадры данных непосредственно другим узлам, указывая их адреса в качестве адресов назначения кадров. Поэто­му порты мостов вообще не имеют МАС-адресов, работая в режиме «не­разборчивого» захвата всех кадров. Такая прозрачность моста упрощает работу конечных узлов, и это свойство коренным образом отличает мост от маршрутизатора, которому узел отправляет кадр явным образом, ука­зывая МАС-адрес порта маршрутизатора в своем кадре.

Сетевого адаптера аппаратно устанавливается изготови­телем, то при перемещении компьютера мосты должны периодически об­новлять содержимое своих адресных баз. Для обеспечения этой функции записи в адресной базе делятся на два типа — статические и динамичес­кие. С каждой динамической записью связан таймер неактивности. Ког­да мост принимает кадр с адресом источника, соответствующим некото­рой записи в адресной базе, то соответствующий таймер неактивности сбрасывается в исходное состояние. В случае, если же от какой-либо стан­ции долгое время не поступает кадров, то таймер неактивности исчерпы­вает свой интервал, и соответствующая ему запись удаляется из адресной базы.

Проблема петель при использовании мостов

Фильтрация и продвижение основаны на существовании одного логического пути между любыми двумя узлами сети. Наличие не­скольких путей между ус^ойствами, известных также как «активные пет­ли», создает проблемы для сетей, построенных на основе мостов.

Рассмотрим в качестве примера сеть, где два сегмента параллельно соединены двумя мостами так, что образовалась активная петля. Пусть новая станция с адресом 10 впервые посылает пакет другой станции сети, адрес которой также пока неизвестен мосту. Пакет попадает как в мост 1, так и в мост 2, где его адрес заносится в базу адресов с пометкой о его при­надлежности сегменту 1. Так как адрес назначения неизвестен мосту, то каждый мост передает пакет на сегмент 2. Эта передача происходит по­очередно, в соответствии с методом доступа технологии Ethernet. Пусть первым доступ к сегменту 2 получил мост 1. При появле­нии пакета на сегменте 2 мост 2 принимает его в свой буфер и обрабаты­вает. Он видит, что адрес 10 уже есть в его базе данных, но пришедший па­кет является более свежим, и он утверждает, что адрес 10 принадлежит сегменту 2, а не 1. Поэтому мост 2 корректирует содержимое базы и дела­ет запись о том, что адрес 10 принадлежит сегменту 2. Аналогично посту­пает мост когда мост 2 передает свою буферизованную ранее первую версию пакета на сегмент 2. В результате пакет бесконечно циркулирует по активной петле, а мосты постоянно обновляют записи в базе, соответ­ствующие адресу 10. Сеть засоряется ненужным трафиком, а мосты вхо­дят в состояние «вибрации», постоянно обновляя свои базы данных.

В простых сетях сравнительно легко гарантировать существование одного и только одного пути между двумя устройствами. Но когда коли­чество соединений возрастает или интерсеть становится сложной, то ве­роятность непреднамеренного образования петли становится высокой. Кроме того, желательно для повышения надежности иметь между моста­ми резервные связи, которые не участвуют при нормальной работе основ­ных связей в передаче информационных пакетов станций, но при отказе какой-либо основной связи образуют новую связную рабочую конфигу­рацию без петель. Описанные задачи решает алгоритм покрывающего де­рева (Spanning Tree Algorithm, STA).

Требования к пропускной способности моста

До сих пор мы предполагали, что при использовании моста для свя­зи двух сегментов вместо повторителя общая производительность сети всегда повышается, так как уменьшается количество узлов в каждом сег­менте и загрузка сегмента уменьшается на ту долю трафика, который те­перь является внутренним трафиком другого сегмента. Это действитель­но так, но при условии что мост передает межсегментный трафик без значительных задержек и без потерь кадров. Однако, анализ рассмотрен - ного алгоритма работы моста говорит о том, что мост может и задержи­вать кадры и, при определенных условиях, терять их. Задержка, вносимая мостом, равна по крайней мере времени записи кадра в буфер. Как пра­вило, после записи кадра на обработку адресов также уходит некоторое время, особенно если размер адресной таблицы велик. Поэтому задержка увеличивается на время обработки кадра.

Время обработки кадра влияет не только на задержку, но и на веро­ятность потери кадров. В случае, если время обработки кадра окажется меньше интервала до поступления следующего кадра, то следующий кадр будет помещен в буфер и будет ожидать там, пока процессор моста не ос­вободиться и не займется обработкой поступившего кадра. В случае, если средняя интенсивность поступления кадров будет в течение длительного времени превышать производительность моста, то есть величину, обрат­ную среднему времени обработки кадра, то буферная память, имеющаяся у моста для хранения необработанных кадров, может переполниться. В такой ситуации мосту некуда будет записывать поступающие кадры и он начнет их терять, то есть просто отбрасывать.

Потеря кадра — ситуация очень нежелательная, так как ее послед­ствия не ликвидируются протоколами локальных сетей. Потеря кадра бу­дет исправлена только протоколами транспортного или прикладного уровней, которые заметят потерю части своих данных и организуют их по­вторную пересылку. Однако, при регулярных потерях кадров канального уровня производительность сети может уменьшится в несколько раз, так как тайм-ауты, используемые в протоколах верхних уровней, существен­но превышают времена передачи кадров на канальном и повтор­ная передача кадра может состояться через десятки секунд.

Для предотвращения потерь кадров мост должен обладать произво­дительностью, превышающую среднюю интенсивность межсегментного трафика и большой буфер для хранения кадров, передаваемых в периоды пиковой нагрузки.

В локальных сетях часто оказывается справедливым эмпирическое правило 80/20, говорящее о том, что при правильном разбиении сети на сегменты 80% трафика оказывается внутренним трафиком сегмента, и только 20% выходит за его пределы. В случае, если считать, что это пра­вило действует по отношению к конкретной сети, то мост должен обла­дать производительностью в 20% от максимальной пропускной способно­сти сегмента Ethernet, то есть производительностью 0.2 (14880 = 3000 кадра в секунду. Обычно локальные мосты обладают производительнос­тью от 3000 кадров в секунду и

Однако, гарантий на доставку кадров в любых ситуациях мост, в от­личие от повторителя, не дает. Это его принципиальный недостаток, с ко­торым приходится мириться.