Функции повышения надежности и производительности

В настоящее время для повышения надежности и производительности каналов связи в распоряжении интеграторов и сетевых администраторов имеется целый набор протоколов и функций. Наиболее распространенным является создание резервных связей между коммутаторами на основе двух технологий:

1. резервирование соединений с помощью протоколов семейства Spanning Tree;
2. балансировка нагрузки, обеспечивающая параллельную передачу данных по всем альтернативным соединениям с помощью механизма агрегирования портов.

Протоколы Spanning Tree

Протокол связующего дерева Spanning Tree Protocol (STP) является протоколом 2 уровня модели OSI, который позволяет строить древовидные, свободные от петель, конфигурации связей между коммутаторами локальной сети. Помимо этого, алгоритм обеспечивает возможность автоматического резервирования альтернативных каналов связи между коммутаторами на случай выхода активных каналов из строя.

В настоящее время существуют следующие версии протоколов связующего дерева:

• IEEE 802.1D Spanning Tree Protocol (STP);
• IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP);
• IEEE 802.1s Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP).

Spanning Tree Protocol (STP)

Понятие петель

Если для обеспечения избыточности между коммутаторами создается несколько соединений, то могут возникать коммутационные петли. Петля предполагает существование нескольких маршрутов по промежуточным сетям, а сеть с несколькими маршрутами между источником и приемником отличается повышенной отказоустойчивостью. Хотя наличие избыточных каналов связи очень полезно, петли, тем не менее, создают проблемы, самые актуальные из которых:

• широковещательные штормы;
• множественные копии кадров;
• множественные петли.

Широковещательный шторм.

Распространение широковещательных сообщений в сетях с петлями представляет серьезную проблему. Предположим, что первый кадр, поступивший от одного из узлов, является широковещательным. Тогда все коммутаторы будут пересылать кадры бесконечно, как показано на рис. 11.1 (пример 1), используя всю доступную полосу пропускания сети и блокируя передачу других кадров во всех сегментах.

Множественные копии кадров.

Еще одна проблема заключается в том, что коммутатор нередко получает несколько копий одного кадра, одновременно приходящих из нескольких участков сети. В этом случае таблица коммутации не сможет определить расположение устройства, потому что коммутатор будет получать кадр из нескольких каналов. Может случиться так, что коммутатор вообще не сможет переслать кадр, т.к. будет постоянно обновлять таблицу коммутации.

Множественные петли.

Одна из самых сложных проблем — это множественные петли, образующиеся в объединенной сети. Возможно появление петли внутри других петель. Если за этим последует широковещательный шторм, то сеть не сможет выполнять коммутацию кадров.

Рис. 11.1. Примеры петель между коммутаторами

Для решения этих проблем и был разработан протокол связующего дерева, который был определен в стандарте IEEE 802.1D-1998.

Коммутаторы, поддерживающие протокол STP, автоматически создают древовидную конфигурацию связей без петель в компьютерной сети. Такая конфигурация называется связующим деревом — Spanning Tree (иногда ее называют остовым или покрывающим деревом). Конфигурация связующего дерева строится коммутаторами автоматически с использованием обмена служебными кадрами, называемыми Bridge Protocol Data Units (BPDU).

Построение активной топологии связующего дерева

Для построения устойчивой активной топологии с помощью протокола STP необходимо с каждым коммутатором сети ассоциировать уникальный идентификатор моста (Bridge ID), а с каждым портом коммутатора ассоциировать стоимость пути (Path Cost) и идентификатор порта (Port ID).

Процесс вычисления связующего дерева начинается с выбора корневого моста (Root Bridge), от которого будет строиться дерево. В качестве корня дерева выбирается коммутатор с наименьшим значением идентификатора моста. Идентификатор моста — это 8-байтное поле, которое состоит из 2-х частей: приоритета моста (2 байта), назначаемого администратором сети, и МАС-адреса блока управления коммутатора (6 байт). При сравнении идентификаторов двух коммутаторов сначала сравниваются значения приоритетов. Корневым мостом становится коммутатор с наименьшим значением приоритета. Если они одинаковы (по умолчанию приоритет равен 32768), то корневой мост определяется по наименьшему МАС-адресу.

Для того чтобы в качестве корневого моста было выбрано определенное устройство (исходя из структуры сети), администратор может вручную назначить соответствующему коммутатору наименьший приоритет.

Второй этап работы STP — выбор корневых портов (Root Port).

Когда процесс выбора корневого моста завершен, оставшиеся коммутаторы сети определяют стоимость каждого возможного пути от себя до корня дерева. Стоимость пути рассчитывается как суммарное условное время на передачу данных от порта данного коммутатора до порта корневого моста. Условное время сегмента рассчитывается как время передачи одного бита информации через канал с определенной полосой пропускания. Стоимости пути по умолчанию для каждого канала определены в стандарте IEEE 802.1D-1998.

Сравнив стоимости всех возможных маршрутов до корня, каждый коммутатор выбирает среди них один с наименьшим значением стоимости. Порт, соединяющий коммутатор с этим маршрутом, становится корневым портом. В случае если минимальные стоимости пути нескольких маршрутов окажутся одинаковыми, корневым портом станет порт, имеющий наименьшее значение идентификатора порта.

увеличить изображение
Рис. 11.2. Пример функционирование протокола STP

Третий шаг работы STP — определение назначенных портов (Designated Port).

Каждый сегмент в коммутируемой сети имеет один назначенный порт. Этот порт функционирует как единственный порт моста, т.е. принимает кадры от сегмента и передает их в направлении корневого моста через корневой порт данного коммутатора. Коммутатор, содержащий назначенный порт для данного сегмента, называется назначенным мостом (Designated Bridge) этого сегмента. Назначенный порт сегмента определяется путем сравнения значений стоимости пути всех маршрутов от данного сегмента до корневого моста. Им становится порт, имеющий наименьшее значение стоимости, среди всех портов, подключенных к данному сегменту. Если минимальные значения стоимости пути окажутся одинаковыми у двух или нескольких портов, то для выбора назначенного порта сегмента STP принимает решение на основе последовательного сравнения идентификаторов мостов и идентификаторов портов.

У корневого моста все порты являются назначенными, а их расстояние до корня полагается равным нулю. Корневого порта у корневого моста нет.

После выбора корневых и назначенных портов все остальные порты коммутаторов сети переводятся в состояние Blocking ("Блокировка"), то есть такое, при котором они принимают и передают только кадры BPDU. При таком выборе активных портов в сети исключаются петли, и оставшиеся связи образуют связующее дерево.