8. Объединение сетей

Совокупность нескольких соединенных между собой сетей назы­вается объединенной сетью (internetwork). Для построения объеди­ненных сетей требуются специальные устройства, которые позволяют подключать к себе две (или более) сети. К таким устройствам относят­ся мосты и маршрутизаторы [2, 4, 7].

8.1. Объединение сетей с помощью мостов

Мост обеспечивает объединение сетей на канальном уровне эта­лонной модели OSI посредством передачи кадров из одной сети в дру­гую. Мост принимает кадр, анализирует физический адрес назначения кадра и только в том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, передает его туда.

Существует несколько методов объединения сетей с помощью мо­стов. В сетях Ethernet, в основном применяется прозрачное мостовое соединение (transparent bridging). В сетях Token Ring, применяется мостовое соединение с маршрутизацией от источника (source-route bridging). Для объединения сетей, использующих различные сетевые технологии (обычно Ethernet и Token Ring), применяется трансляци­онное мостовое соединение (translational bridging).

Прозрачный мост

Наиболее распространенный тип мостов - прозрачный мост (trans­parent bridge). Прозрачный мост анализирует проходящие через него кадры для изучения состава сети. Для него объединенная сеть пред­ставляется таблицей МАС-адресов узлов этой сети, причем каждый МАС-адрес связан с определенным портом моста. Процесс изучения сети посредством анализа проходящих кадров можно рассмотреть на примере объединенной сети, представленной на рис. 8.1.

Изначально мост ничего не знает о том, какие узлы принадлежат какой сети. Поэтому он передает любой полученный кадр на все свои порты, за исключением того, от которого он был получен. Одновре­менно с такой передачей мост изучает МАС-адрес отправителя кадра и заполняет свою таблицу, указывая принадлежность конкретного адре­са тому или иному порту.

В последующем мост использует свою таблицу для передачи кад­ров. Когда на один из портов моста приходит кадр, мост извлекает МАС-адрес назначения кадра и ищет его в своей таблице. Если табли­ца содержит искомый МАС-адрес, то кадр передает на связанный с ним порт. Если ничего не найдено, то кадр отправляется на все порты, кроме порта кадра, с которого данный кадр был получен.

Рис. 8.1. Таблица моста, содержащая МАС-адрсса всех узлов объединенной сети

Алгоритм связующего дерева

Существует ограничение при построении объединенных сетей с помощью мостов. В топологии объединенной сети должны отсут­ствовать петли, т.к. мост может решать задачу доставки кадра адре­сату только тогда, когда между отправителем и получателем суще­ствует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для оптимизации пото­ков информации, а также для повышения надежности сети за счет об­разования резервных путей.

Для того чтобы сохранить преимущества петель, устранив про­блемы, связанные с ними, был разработан алгоритм связующего де­рева (Spanning Tree Algorithm, STA). Этот алгоритм позволяет по мере необходимости разрывать существующие линии связи, переводя от­дельные порты мостов, поддерживающих данный алгоритм, в резерв­ное состояние. Фактически результатом данного алгоритма является построение топологии типа дерево из уже имеющейся топологии. Ал­горитм связующего дерева полностью реализуется протоколом свя­зующею дерева (Spanning Tree Protocol. STP).

Согласно протоколу связующего дерева каждому мосту назначает­ся уникальный идентификатор. Кроме того, порты внутри каждого моста также имеют свои идентификаторы.

Идентификатор моста - это 8-байтное значение, шесть младших байт составляет МАС-адрес данного моста, а два старших байга явля­ются приоритетом данного моста.

II к'п i ификатор порта - это 2-байтное значение, младший байт содержит порядковый номер данного порта, а старший является прио­ритетом порта, который назначается администратором сети.

Для изучения текущей топологии все мосты в сети периодически обмениваться кадрами, которые содержат специальные сообщения BPDU (Bridge Protocol Data Unit - протокольный блок данных моста).

Дтя построения древовидной топологии в сети определяется один корневой мост (root bridge), от которого строится дерево. Мост, кото­рый не является корневым, называется назначенный мост (designated bridge).

Корневым выбирается мост, имеющий наименьшее значение идентификатора. Отмстим, что администратор сети может влиять на процесс выбора корневого моста, изменяя значение приоритета в идентификаторе моста. Так как приоритет находится в старших разря­дах идентификатора моста, то его значение подавляет значение МАС-адреса. Если же администратор назначил всем мостам равный приори­тет, то корневым будет выбран мост с наименьшим значением МАС-адреса.

Для каждого назначенного моста определяется корневой порт (root port), который принимает кадры, пришедшие от корневого моста. Корневой порт имеет наименьшее расстояние до любого из портов корневого моста. У корневого моста корневого порта нет. Также опре­деляется назначенный порт (designated port), который принимает кад­ры от узлов определенной подсети и передавать их в направлении кор­невого моста через корневой порт данного моста. Назначенный порт для подсети может быть только один. У корневого моста все порты являются назначенными.

Расстояние до корня (root path cost) определяется как суммарное условное время на передачу данных от порта назначенного моста до порта корневого моста. Условное время на передачу данных (desig­nated cost) - что время, затрачиваемое на передачу одного бита инфор­мации между непосредственно связанными портами, которое измеря­ется в 10-наносекундных единицах. Так, для сетей Ethernet со скоро­стью передачи 10 Мбит/с это время равно 10 условным единицам, а для сетей Token Ring со скоростью передачи 16 Мб/с - 6.25.

Формат BPDV-сообщения

На рис. 8.2 показан формат BPDU-сообщения. Поля «Идентифи­катор протокола» (2 байта), «Версия» (1 байт). «Тип сообщении» (1

байт) всегда содержат нулевое значение.

Рис. 8.2. Формат BPDU-сообщення

43

Поле «Флаги» имеет длину 1 байт, но использует только старшие два бита. Первый - бит изменения топологии. Второй - бит подтвер­ждения изменения топологии.

Поле «Идентификатор корневого моста» имеет длину 8 байт. Поле «Расстояние до корня» длиной 4 байта содержит расстояние от моста, пославшего сообщения, до корневого моста.

Поле «Идентификатор моста» длиной 8 байт содержит иденти­фикатор моста, пославшего сообщение.

Поле «Идентификатор порта» длиной 4 байта содержит иденти­фикатор порта моста, через который было послано сообщение.

Поле «Возраст сообщения» дтиной 2 байта определяет время, прошедшее с тех пор, как корневой мост послал сообщение, послу­жившее основой для данного сообщения.

Поле «Максимальный возраст сообщения» длиной 2 байта определяет время, когда данное сообщение должно быть уничтожено.

Поле «Время приветствия» дтиной 2 байта определяет интервал времени между сообщениями корневого моста.

Поле «Задержка перехода» длиной 2 байта определяет интервал времени, через который мост переключается в новое состояние после изменения топологии сети.

Принцип алгоритма

После включения каждый мост сначала считает себя корневым, до тех пор. пока не выяснится обратное. Поэтому он начинает через опре­деленный интервал отправлять на все свои порты BPDU-сообщения. В них он указывает свой идентификатор в качестве идентификатора кор­невого моста (и в качестве данного моста также), расстояние до корня устанавливается в 0, а в качестве идентификатора порта указывается идентификатор того порта, через который передается BPDU-сообщение. Кроме этого каждый мост принимает BPDU-сообщения. передаваемые другими мостами, которые он обрабатывает следующим образом.

Сначала мост сравнивает значение идентификатора корневого мо­ста из BPDU-сообщения со значением, хранящимся в конфигурации моста. Если это значение больше текущего значения, то принятое со­общение уничтожается, так как оно пришло от моста, который не яв­ляется корневым.

Если значение идентификатора корневого моста из BPDU-сообщения равно текущему значению, то значит принято сообщение от уже известного корневого моста. Находящееся в сообщении рассто­яние до корня сравнивается с найденным ранее значением дтя порта, с которого пришло BPDU-сообщение. Если новое значение меньше, то оно переписывается. Затем мост наращивает значение поля расстояния до корня на величину условного времени сегмента, по которому при­шло BPDU-сообщение. помещает в ноле идентификатора моста свой идентификатор и передает что сообщение на все свои порты, кроме того порта, от которого получено BPDU-сообщение.

Если же значение идентификатора корневого моста у принятого BPDU-сообщения меньше текущего, то этот идентификатор сохраня­ется в качестве идентификатора корневого моста, а расстояния до кор­ня для все портов устанавливаются в начальное значение, так как они были вычислены ранее на основании расстояний до моста, на самом деле корневым не являющимся. Затем BPDU-сообщение обрабатыва­ется точно по тому же алгоритму, что и в предыдущем случае.

После истечения процесса установления конфигурации у всех мо­стов происходит фиксация идентификатора корневого моста. Корне­вой мост устанавливает все порты в состояние назначенных. Назна­ченные мосты определяю i своп корневой порт как порт, имеющий минимальное расстояние до корневого моста. Если находятся несколь­ко портов с минимальным расстоянием до корня, то выбирается порт с наименьшим идентификатором.

Затем назначенный мост проверят все оставшиеся порты. Для каждого порта он сравнивает его расстояние до корня с расстояниями до корня от других мостов данной подсети. Если расстояние его соб­ственного порта оказывается меньше, то этот порт фиксируется как назначенный. В противном случае порт переводятся в заблокирован­ное состояние. Если же расстояния оказываются равными, то мост сравнивает свой идентификатор с идентификатором моста-конкурента. Порт будет установлен состояние назначенный в случае если иденти­фикатор моста меньше идентификатора моста-конкурента и в заблоки­рован в ином случае.

После того, как все мосты определяют статус своих портов, про­цесс установления конфигурации завершен. Корневые и назначенные порты начинают участвовать в передаче кадров, в отличие от заблоки­рованных портов.