Федеральное агентство связи Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики Межрегиональный центр переподготовки специалистов Лабораторная работа №1. Принцип работы Ethernet коммутатора По дисциплине: Сети связи и системы коммутации Выполнил: Биндер Ю.Э Группа: ЗБТ-93 Вариант: Проверил: Меленцова Н.А Новосибирск, 2020 г Лабораторная работа №1. Принцип работы Ethernet коммутатора Цель работы 1. 1.1. Изучение технической реализации коммутаторов. 1.2. Изучение классификации коммутаторов. 1.3. Изучение технических параметров коммутаторов. 1.4. Изучение дополнительных возможностей коммутаторов. 1.5. Изучение принципов работы Ethernet коммутатора. Подготовка к выполнению работы. 2. Используя рекомендуемую литературу и настоящие методические указания, необходимо изучить: 2.1. Особенности коммутаторов 2.2. Техническую реализацию коммутаторов. 2.3. Классификацию коммутаторов. 2.4. Технические параметры коммутаторов. 2.5. Дуплексный режим работы коммутатора. 3. Задание 3.1. Вызвать программу для изучения принципов работы Ethernet коммутатора. 3.2. Согласно меню программы, двигаясь слева направо, необходимо: 3.2.1. Изучить теоретический материал, рассматриваемым разделам. 3.2.2. Ответить на тестовые вопросы. 3.2.3. Выполнить лабораторную работу. 3.3. Составить отчет о выполненной работе. Отчет должен содержать: 3.3.1. Цель работы. 3.3.2. Исходные данные, условие задачи (задаются программой). 3.3.3. Схему включения Ethernet коммутаторов. 3.3.4. Заполненные таблицы коммутаторов. 3.3.5. Выводы по выполненной работе. 4. Описание лабораторной установки Лабораторная работа выполняется на ПЭВМ после запуска файла с именем SwitchEthernetLab.exe. В открывшемся окне, после вода ФИО и группы студента, необходимо изучить теоретический раздел, ответить на тестовые вопросы и выполнить лабораторную работу, следуя настоящим методическим указаниям. Стоит обратить особое внимание на ввод персональных данных студента, так как они будут отражаться в формах результатов выполнения работы, которые необходимо добавить в отчет. Рисунок 1 - Главное меню работы В ходе выполнения работы, студентам задаются вопросы двух типов: открытые и закрытые. Первый тип подразумевает ручной ввод текста студентом, второй выбор из предлагаемых вариантов. Ответы на открытые вопросы вводятся на русском языке. Правильность ответов проверяется программой. При ошибочных и правильных ответах на дисплей выводится соответствующая информация. Программа ведет подсчет числа ошибок и в результате выполнения выставляется оценка по пятибалльной системе, за тестовую и практическую часть работы. Выполнение работы рассчитано на 2 часа. Если в результате выполнения лабораторной работы получена положительная оценка, то следует позвать преподавателя для регистрации оценки в журнале. Ход работы: Сначала был изучен материал, который есть в программе. Далее был пройден тест, после теста я приступила к выполнению лабораторной работы. Была дана топология сети, состоящая из двух коммутаторов и 8 ПК. К каждому коммутатору подключено по 4 ПК. В ходе лабораторной работы были поставлены различные задачи, после выполнения каждого пункта нужно было заполнить таблицу. Исходная схема: Рисунок 1 Исходное условие Рисунок 2 Ниже представлены промежуточные условия Рисунок 3 Рисунок 4 Рисунок 5 Рисунок 6 Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9 Рисунок 10 Рисунок 11 5. Литература 5.1. В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. – СПб.: Питер, 2006. 5.2. Куин Л., Рассел Р. Fast Ethernet. К.: Издательская группа BHV, 1998. – 448с. 5.3. Руководство по технологиям объединенных сетей, 3-е издание.: Пер. с англ.М.:Издательский дом "Вильямс", 2002. 6. Контрольные вопросы 6.1. Назовите основные технические параметры, по которым можно оценить коммутатор. К основным техническим параметрам, которыми можно оценить коммутатор, построенный с использованием любой архитектуры, является скорость фильтрации (filtering) и скорость продвижения (forwarding). Скорость фильтрации определяет количество кадров в секунду, с которыми коммутатор успевает проделать следующие операции: прием кадра в свой буфер; нахождения порта для адреса назначения кадра в адресной таблице; уничтожение кадра (порт назначения совпадает с портом-источником). Скорость продвижения, по аналогии с предыдущим пунктом, определяет количество кадров в секунду, которые могут быть обработаны по следующему алгоритму: прием кадра в свой буфер, нахождения порта для адреса назначения кадра; передача кадра в сеть через найденный (по адресной таблице соответствия) порт назначения. По умолчанию считается, что эти показатели измеряются на протоколе Ethernet для кадров минимального размера (длиной 64 байта). Так как основное время занимает анализ заголовка, то чем короче передаваемые кадры, тем более серьезную нагрузку они создают на процессор и шину коммутатора. Следующими по значимости техническими параметрами коммутатора будут: пропускная способность (throughput); задержка передачи кадра. размер внутренней адресной таблицы. размер буфера (буферов) кадров; производительность коммутатора; Пропускная способность измеряется количеством данных, переданных через порты в единицу времени. Естественно, что чем больше длина кадра (больше данных прикреплено к одному заголовку), тем больше должна быть пропускная способность. Так, при типичной для таких устройств "паспортной" скорости продвижения в 14880 кадров в секунду, пропускная способность составит 5.48 Мб/с на пакетах по 64 байта, и ограничение скорости передачи данных будет наложено коммутатором. 6.2. Может ли скорость продвижения превосходить скорость фильтрации? Скорость фильтрации и продвижения кадров — это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями и не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор. Скорость фильтрации (filtering) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров: прием кадра в свой буфер; отбрасывание кадра, в случае обнаружения в нем ошибки (не совпадает контрольная сумма, или кадр меньше 64 байт или больше 1518 байт); отбрасывание кадра для исключения петель в сети; отбрасывание кадра в соответствии с настроенными на порте фильтрами; просмотр таблицы коммутации с целью поиска порта назначения на основе МАС-адреса приемника кадра и отбрасывание кадра, если узел-отправитель и получатель кадра подключены к одному порту. Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов является неблокирующей — коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления. Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров: прием кадра в свой буфер; просмотр таблицы коммутации с целью нахождения порта назначения на основе МАС-адреса получателя кадра; передача кадра в сеть через найденный по таблице коммутации порт назначения. Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряется обычно в кадрах в секунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт (без преамбулы) с полем данных в 46 байт. Применение в качестве основного показателя скорости обработки коммутатором кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности передаваемых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика. 6.3. Что такое неблокирующий коммутатор? Коммутатор называют неблокирующим, если он может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. Когда говорят, что коммутатор может поддерживать устойчивый неблокирующий режим работы, то имеют в виду, что коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для поддержания подобного режима нужно таким образом распределить потоки кадров по выходным портам, чтобы, вопервых, порты справлялись с нагрузкой, во-вторых, коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора и при переполнении просто отбрасываться. В этом соотношении под производительностью коммутатора в целом понимается его способность продвигать определенное количество кадров, принимаемых от приемников всех его портов, на передатчики всех его портов. В суммарной производительности портов каждый проходящий кадр учитывается дважды, как входящий и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт, например, стандарта Ethernet со скоростью 10 Мбит/с работает в полудуплексном режиме, т о производительность порта Сpt равна 10 Мбит/с, а если в дуплексном — 20 Мбит/с. Иногд а говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протокола независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной — при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Способы, которыми обеспечивается способность коммутатора поддерживать неблокирующий режим, могут быть разными. Необходимым требованием является умение процессора порта обрабатывать потоки кадров с максимальной для физического уровня этого порта скоростью. В главе 12 мы подсчитали, что максимальная производительность порта Ethernet стандарта 10 Мбит/с равна 14 880 кадров в секунду. Это означает, что процессоры портов Ethernet стандарта 10 Мбит/с неблокирующего коммутатора должны поддерживать продвижение кадров со скоростью 14 880 кадров в секунду. Однако только адекватной производительности процессоров портов недостаточно для того, чтобы коммутатор был неблокирующим. Необходимо, чтобы достаточной производительностью обладали все элементы архитектуры коммутатора, включая центральный процессор, общую память, шины, соединяющие отдельные модули между собой, саму архитектуру коммутатора (наиболее распространенные архитектуры коммутаторов мы рассмотрим позже). В принципе, задача создания неблокирующего коммутатора аналогична задаче создания высокопроизводительного компьютера — в обоих случаях она решается комплексно: за счет соответствующей архитектуры объединения модулей в едином устройстве и адекватной производительности каждого отдельного модуля устройства. 6.4. Для какой цели записи таблицы продвижения имеют ограниченный срок жизни? Коммутаторы локальных сетей обрабатывают кадры на основе алгоритма прозрачного моста (transparent bridge) IEEE 802.1, который применяется в основном в сетях Ethernet. При включении питания коммутатор начинает изучать расположение рабочих станций всех присоединенных к нему сетей путем анализа МАС-адресов источников входящих кадров. Например, если на порт 1 коммутатора поступает кадр от узла 1, то он запоминает номер порта, на который этот кадр пришел и добавляет эту информацию в таблицу коммутации (forwarding database). Адреса изучаются динамически. Это означает, что, как только будет прочитан новый адрес, то он сразу будет занесен в контентноадресуемую память (content-addressable memory, CAM). Каждый раз, при занесении адреса в таблицу коммутации, ему присваивается временной штамп. Это позволяет хранить адреса в таблице в течение определенного времени. Каждый раз, когда идет обращение по этому адресу, он получает новый временной штамп. Адреса, по которым не обращались долгое время, из таблицы удаляются. Старые адреса удаляются с целью того, чтобы в памяти могли сохраняться новые адреса 6.5. На основе каких адресов строится таблица продвижения коммутатора? На основе MAC-адресов 6.6. Что можно отнести к преимуществам коммутируемых сетей? Коммутация — это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники. Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами). 6.7. В чем недостаток коммутационной матрицы? Реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора. Известным недостатком этой технологии является отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы - если составной канал невозможно построить из-за занятости выходного порта или промежуточного коммутационного элемента, то данные должны накапливаться в их источнике, в данном случае - во входном блоке порта, принявшего кадр. 6.8. Что происходит, если количество адресов локальной сети превосходит размер адресной таблицы коммутатора? Коммутатор (switch) это устройство, работающее на 2 уровне модели OSI. В отличии от хаба, который просто перенаправляет полученный фрейм во все порты кроме порта отправителя, коммутатор обучается: запоминает MAC адрес устройства отправителя, занося его, номер порта и время жизни записи в таблицу. Используя данную таблицу коммутатор перенаправляет фрейм не на все порты, а только на порт получателя. Если в локальной сети количество сетевых устройств значительно и размер таблицы переполнен, коммутатор начинает затирать более старые записи в таблице и записывает новые, что значительно снижает скорость работы коммутатора. 6.9. Препятствуют ли коммутаторы распространению широковещательных кадров по сети? Почему? Нет. При создании локальной сети на основе коммутатора, несмотря на возможность использования пользовательских фильтров по ограничению трафика, все узлы сети представляют собой единый широковещательный домен, то есть широковещательный трафик передается всем узлам сети. Таким образом, коммутатор изначально не ограничивает широковещательный трафик, а сами сети, построенные по указанному принципу, именуются плоскими. 6.10. Назовите способы продвижения кадров коммутаторами. Для определения порта (или портов) назначения, процессору коммутатора необходимо для анализа иметь доступ к заголовку кадра Ethernet. Соответственно, эти данные нужно принять в буфер. Отсюда вытекает различие коммутаторов по способу продвижения кадра: - На лету (cut-through); - С буферизаций (Store-and-Forward). При коммутации "на лету", коммутатор может не помещать приходящие кадры в буфер целиком. Запись их целиком происходит только в случае, когда нужно согласовать скорости передачи, занята шина, или порт назначения. Таким образом, при большом объеме трафика большая часть данных будет все равно в той или иной степени буферизироваться. Иначе говоря, коммутатор лишь анализирует адрес назначения в заголовке пакета, и в соответствии с САМ-таблицей (время задержки от 10-40 мкс) направляет кадр в соответствующий порт. Штатной является ситуация, когда кадр еще целиком не поступил на входной порт, а его заголовок уже передается через выходной. При методе полной буферизации (Store-and-Forward) кадр записывается целиком, а лишь затем процессор порта принимает решение о передаче (или фильтрации). Такой путь имеет некоторые недостатки (большое время задержки), и существенные достоинства, например, уничтожение испорченного кадра, поддержка разнородных сетей. Большая часть современных коммутаторов поддерживает именно такой режим работы. Наиболее сложные и дорогие модели имеют возможность автоматической смены механизма работы коммутатора (адаптацию). В зависимости от объема трафика, количества испорченных кадров, и некоторых других параметров может быть использован один из описанных режимов. 6.11. По какой причине коммутация «на лету» нашла ограниченное применение в коммутаторах? На производительности коммутатора сказывается способ передачи пакетов - «на лету» или с буферизацией. Коммутаторы, передающие пакеты «на лету», вносят меньшие задержки передачи кадров на каждом промежуточном коммутаторе, поэтому общее уменьшение задержки доставки данных может быть значительным, что важно для мультимедийного трафика. Кроме того, выбранный способ коммутации оказывает влияние на возможности реализации некоторых полезных дополнительных функций, например, трансляцию протоколов канального уровня. Средняя величина задержки коммутаторов, работающих «на лету», при высокой нагрузке объясняется тем, что в этом случае выходной порт часто бывает занят приемом другого пакета, поэтому вновь поступивший пакет для данного порта все равно приходится буферизовать. Коммутатор, работающий «на лету», может выполнять проверку некорректности передаваемых кадров, но не может изъять плохой кадр из сети, так как часть его байт (и, как правило, большая часть) уже переданы в сеть. Так как каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, в тех моделях коммутаторов, которым н нужно транслировать протоколы, иногда применяется механизм адаптивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора коммутация «на лету», но коммутатор постоянно контролирует трафик и при превышении интенсивности появления плохих кадров некоторого порога переходит на режим полной буферизации. Затем коммутатор может вернуться к коммутации «на лету».
