Сегментирование локальных сетей с помощью мостов

Что же делать, если нужно получить большую длину сегмента или добавить больше устройств в сегмент? Необходимое решение может быть реализовано на основе мостов. Объединение сетей на основе метода, показанного на рисунке 28, существенно отличается от объединения сетей с помощью повторителя. Например, если в сети с повторителем станции находятся в одном сегменте и передают информацию друг другу, то переданные фреймы появляются на всех остальных сегментах рассматриваемой сети. В случае сетей, объединенных с помощью моста, такого обычно не происходит. В мостах используется фильтрация для того, чтобы определить, следует или не следует отправлять фрейм в другие интерфейсы.

Рис 28. Объединение сегментов с помощью моста

Для технологий, которые используют различные методы доступа к среде передачи, как, например, Ethernet и Token Ring, методы фильтрации также различны. Например, в технологии Ethernet используется метод, называемый прозрачным мостовым соединение (transparent bridging), который состоит в том, что проверяется МАС-адрес получателя фрейма и по результатам определяется, должен ли фрейм передаваться, быть отфильтрованным, или передаваться на все порты (flood). Мост работает на уровне 2 модели OSI — канальном. Работа на данном уровне означает, что мост имеет доступ к заголовку фрейма, который содержит информацию о МАС-адресах. Таким образом, сетевые устройства принимают решение о пересылке фреймов по информации, которая находится в заголовках фреймов, содержащих МАС-адреса. В технологии Token Ring также может использоваться метод исходного маршрута (source route bridging), в котором применяется принцип перенаправления потока фреймов, отличный от метода прозрачного мостового соединения. Наиболее важным свойством мостов является то, что они позволяют соединять домены коллизий так, что объединенные домены коллизий являются независимыми, т.е. коллизии не распространяются между соединенными сегментами. На рисунке 29 показана сеть, сегменты в данном случае объединены с помощью мостов.

Рис 29. Объединение сегментов с помощью моста позволяет создать несколько доменов коллизий и один широковещательный домен

В сети с повторителями все сегменты принадлежат одному домену коллизий, а пропускная способность сети делится между четырьмя сегментами. В сети, показанной на рисунке 29, каждый сегмент принадлежит отдельному домену коллизий. В сети с пропускной способностью 10 Мбит/с каждый сегмент в таком случае обеспечивает собственную пропускную способность 10 Мбит/с, общая пропускная способность при этом составляет 40 Мбит/с.

Существенное увеличение пропускной способности объясняет, почему сегментация локальной сети с помощью мостов позволяет получить преимущество для пользователей.

При одинаковом количестве рабочих станций пользователям сети, показанной на рисунке 29, доступна большая пропускная способность. Хотя технологии коммутации обсуждаются ниже в данной главе, сейчас необходимо заметить, что крайний случай распределения пропускной способности имеет место при выделении каждому пользователю отдельного интерфейса моста. В таком случае, каждому пользователю доступна полная пропускная способность его локального сегмента; только одна станция и один порт моста принадлежат к домену коллизий. Именно такая структура характерна для сети с использованием технологий коммутации. Еще одно преимущество использования мостов вытекает из того, что они работают на втором уровне. В сети с повторителями ограничение на максимальную протяженность сети приводит к невозможности расширения размеров структуры до бесконечности.

Использование мостов позволяет использовать для каждого сегмента максимально возможную длину. Каждый сегмент имеет свое значение канального интервала. Мосты не передают коллизий между сегментами, т.е. они позволяют изолировать отдельные участки сети и восстанавливать значения канального интервала. В теории с помощью мостов можно расширять сеть до бесконечности. Практические соображения, однако, не позволяют использовать такую возможность. Мосты фильтруют фреймы, отправитель и получатель которых находятся в одном сегменте. Исключением являются широковещательные фреймы и фреймы групповой рассылки. При получении широковещательного сообщения мост передает фрейм во все интерфейсы. Рассмотрим для примера запросы протокола ARP, как и для сетей с повторителями. Станция-отправитель, которая находится в сети с повторителями и обменивается сообщениями с другой станцией, работающей по протоколу IP и находящейся в той же сети, посылает широковещательный ARP-запрос. Запрос передается в широковещательном фрейме и, следовательно, передается через все мосты и все интерфейсы. Все сегменты, подключенные к мосту, принадлежат к одному широковещательному домену. Т.к. все станции принадлежат одному широковещательному домену, то, следовательно, они должны также принадлежать одной IP-подсети.

Сеть, объединенная с помощью мостов, очень легко может быть "переполнена" трафиком широковещательных и групповых сообщений, если приложения генерируют такой вид данных. Например, мультимедийные приложения, такие, как приложения для видеоконференций по протоколу IP, создают трафик групповых сообщений. Фреймы, посланные всеми участниками конференции, распространяются по всем сегментам. И сеть, в сущности, становится одной гигантской сетью с общим доступом. Пропускная способность также становится разделяемой. В большинстве сетей фреймы преимущественно не являются широковещательными. Некоторые протоколы генерируют подобный трафик больше, чем остальные приложения, но число широковещательных фреймов, генерируемых разными протоколами, составляет лишь небольшой процент от того объема, который сеть способна эффективно передать.

В каких случаях необходимо использовать мосты? Каковы преимущества в использовании мостов по сравнению с повторителями? Что происходит в случае, когда станции обмениваются одно адресатными фреймами? Как мосты обрабатывают такой вид трафика?

В случае, когда устройство-отправитель и устройство-получатель подключены к одному интерфейсу, мост фильтрует соответствующие фреймы и не передает трафик на остальные интерфейсы (если фрейм не является широковещательным или фреймом групповой пересылки). Если отправитель и получатель подключены к различным портам моста, то мост перенаправляет фрейм в соответствующий интерфейс, чтобы он мог быть доставлен получателю. Процесс фильтрации и селективного перенаправления позволяет сохранить пропускную способность на других сегментах, что является существенным преимуществом мостов по сравнению с повторителями, которые не имеют функции дифференциации фреймов.

Когда мост осуществляет перенаправление трафика, он не меняет содержимого фреймов. Так же, как и в случае повторителя, мост не проводит никакой обработки фрейма, кроме "очистки" сигнала перед его отправкой через другой порт. При прохождении фрейма через мост адреса второго и третьего уровней остаются без изменений. В отличие от мостов маршрутизаторы изменяют адреса второго уровня. Существует эмпирическое правило "80/20", которое необходимо учитывать при проектировании сетей с использованием мостов. Согласно данному правилу использование мостов наиболее эффективно, если 80 процентов трафика сосредоточены в локальном сегменте, а 20 процентов трафика перенаправляются мостом в другие сегменты. В основе рассматриваемого правила лежит традиционный способ построения сетей, когда серверные ресурсы находятся в том же сегменте, что и клиентские устройства, которые ими обслуживаются. Клиентским устройствам не часто приходится обращаться к станциям, подключенным к другим портам моста. Сети с использованием мостов считаются правильно спроектированными, если соблюдается правило 80/20. В случае поддержания рассмотренного выше баланса трафика каждый сегмент сети обеспечивает полную пропускную способность. Если же баланс нарушается и большая часть трафика проходит через мост, вместо того, чтобы фильтроваться, то сеть начинает работать так, как если бы все сегменты принадлежали сети с разделяемой пропускной способностью. В рассмотренном случае мост позволяет образовать цепь доменов коллизий и увеличить протяженность сети, но без каких-либо улучшений пропускной способности. Рассмотрим наихудший случай, когда трафик в сети с мостом распределен как 0/100, т.е. локальный трафик отсутствует и все устройства-отправители передают информацию на другие сегменты. В случае использования двухпортового моста вся система обеспечивает только разделяемую пропускную способность и совсем не обеспечивает изоляцию пропускной способности отдельных сегментов. Использование моста позволяет только лишь расширить географические размеры сети, но не обеспечивает рост пропускной способности. К сожалению, во многих внутренних сетях организаций преобладает именно такой вид трафика с типичным соотношением 20/80, а не 80/20. Такая ситуация возникает потому, что многие пользователи пытаются получать информацию из сети Internet или обмениваться информацией через Internet. Большинство трафика передается из локальных сегментов через соединения с распределенными сетями (WAN) и таким образом пересекает границу широковещательного домена. Другим преимуществом использования мостов является то, что они не передают в другие сегменты фреймы, содержащие ошибки. Если мост определяет, что фрейм содержит ошибку или допустимые для используемого метода доступа к физической среде передачи размеры нарушены, то мост отбрасывает такой фрейм. Данная функция защищает сегмент получателя от поврежденных фреймов, т.к. они требуют затрат пропускной способности, а устройство-получатель в любом случае отбросит фрейм, содержащий ошибки при его обработке. Наличие коллизий в сетях, которые работают на основе старых технологий с общим доступом к среде передачи, часто приводит к появлению в сети отдельных фрагментов фреймов, которые иногда называют карликовыми (runt) фреймами. Для таких фреймов нарушено правило минимально допустимого размера, для технологии Ethernet составляющего 64 байта. Повторитель перенаправляет карликовые фреймы во все сегменты, в то время как мост препятствует их распространению.