Курсовая работа
Исследование управляемых коммутаторов
третьего уровня
Листов 19
Преподаватель | _________ «___» _______2008 г. | |
Студент группы C - 34 | _________ «___» _______2008 г. | |
Содержание
1 Введение. 3
2 Постановка задачи. 4
2.1 Общие положения. 4
2.2 Изучение теории. 4
2.3 Требования к документации. 4
2.4 Порядок контроля и приемки. 5
3 Проблема образования «пробок» в вычислительных сетях. 6
4 Сетевые коммутаторы.. 7
4.1 Техническая реализация. 7
4.2 Производители коммутаторов. 8
4.3 Классификация коммутаторов. 9
4.4 Коммутаторы сетевого уровня. 12
4.5 Коммутаторы потоков. 13
4.6 Коммутирующие маршрутизаторы.. 13
4.7 Маршрутизирующие коммутаторы.. 14
4.8 Сравнение архитектур коммутации 3 уровня. 14
5 Применение коммутаторов сетевого уровня при проектировании корпоративных сетей 16
5.1 Введение. 16
5.2 Пример применения. 16
6 Заключение. 18
7 Литература и список ресурсов. 19
1 Введение
В данное время существует тенденция стремительного роста сетевого трафика, который становится непосильной нагрузкой на сетевое оборудование.
Для решения этой проблемы производители повышают быстродействие, надежность и качество работы своего сетевого оборудования, за счет расширения функциональных возможностей. В частности, повышение работы коммутирующего оборудования достигалось за счет возможностей следующих уровней модели OSI. Так, коммутаторы сетевого уровня способны существенно изменить характер работы сети, являясь универсальным средством решения многих проблем вычислительных сетей.
Данная курсовая работа представляет собой исследование коммутаторов 3 уровня. В ней будет осуществлено рассмотрение различных типов коммутации в вычислительных сетях, условий повышения производительности вычислительных сетей, выявление условий использования коммутаторов 3 уровня.
2 Постановка задачи
2.1 Общие положения
2.1.1 Целью работы является изучение управляемых коммутаторов третьего уровня и технологий коммутации. Выявление принципиальных различий коммутаторов третьего уровня от маршрутизаторов при использовании в локальных вычислительных сетях. Нахождение и обоснование условий использования вместо маршрутизаторов.
2.1.2 Работа разделяется на следующие этапы:
а) изучение теоретических материалов, необходимых для выполнения работы (ноябрь 2008);
б) согласование содержания пояснительной записки (ноябрь 2008);
в) написание пояснительной записки (конец ноября – начало декабря 2008);
г) приемка работы (декабрь 2008);
2.1.3 Сроки выполнения работы: начало – октябрь 2008; окончание – декабрь 2008.
2.2 Изучение теории
2.2.1 В ходе изучения теории необходимо изучить следующие главы:
а) организация сети;
б) канальный и сетевой уровень модели OSI;
в) сетевые устройства;
г) коммутирующие маршрутизаторы;
д) маршрутизирующие коммутаторы;
е) коммутаторы потоков;
ж) многоуровневая топология сетей;
з) сетевой уровень и маршрутизация;
и) современные технологии коммутации в локальных сетях;
к) проектирование локальных сетей.
2.3 Требования к документации
2.3.1 После завершения работы необходимо разработать документацию в следующем объеме:
а) пояснительная записка;
б) презентация.
2.4 Порядок контроля и приемки
2.4.1 Контроль и проверка правильности выполнения работы осуществляется преподавателем.
2.4.2 По завершению работы, ее необходимо защитить перед преподавателем.
3 Проблема образования «пробок» в вычислительных сетях
Большинство современных корпоративных сетей изначально возникали как небольшие локальные вычислительные сети (далее – LAN), связанные друг с другом небольшим каналом. По мере того, как росло количество межсетевого трафика и информация сосредотачивалась на централизованных серверах, росли нагрузки на маршрутизирующее оборудование. Маршрутизаторы превратились в самое «узкое» место в сети, что явилось причиной возникновения «пробок» (рис. 1).
Рисунок 1
Можно провести аналогию с автомобильными дорогами: использование маршрутизаторов подобно связи большого района города через одну улицу (рис. 1). Такое решение применимо для небольшого населенного пункта, но для современного мегаполиса, с множеством автомобилей, необходимо множество автострад, через которые будет соединяться районы. Такая структура дорожной сети позволит тысячам автомобилей ездить из одного района города в другой, избегая пробок (рис 2).
Рисунок 2
Так, использование коммутаторов сетевого уровня (рис. 2), которые будут рассматриваться в данной курсовой работе, позволит справиться с большими объемами сетевого трафика.
4 Сетевые коммутаторы
Рисунок 3. Локальная вычислительная сеть
На рисунке 3 представлена распространенная схема реализации LAN, построенной по технологии Ethernet. Видно, что основными элементами, с помощью которых осуществляется связь между устройствами сети, являются коммутаторы и маршрутизаторы.
Сетевой коммутатор или свитч (жарг. от англ. switch) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. Коммутатор передает данные только непосредственно получателю, это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты от необходимости обрабатывать данные, им не предназначенные.
Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Для соединения же на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.
4.1 Техническая реализация
Техническая основа работы коммутатора достаточно проста. Кадр, попадающий на вход коммутатора, направляется на тот порт, куда подключено устройство с таким MAC-адресом, который совпадает с адресом назначения.
Первая проблема, которую приходится решать коммутатору – соответствие портов коммутатора тем MAC-адресам, к которым подключены устройства. Решение этой проблемы было найдено в использовании специальной таблицы соответствий (далее – CAM, от англ. content-addressable memory), которая формируется коммутатором в процессе «самообучения»: когда порт коммутатора получает ответ от устройства с неким MAC-адресом, тогда появляется строчка соответствия в таблице CAM.
Кадры направляются в соответствии с таблицей CAM. В случае отправки всем узлам или при отсутствии известного адреса назначения, кадр направляется на все активные порты. В процессе работы MAC адреса подключенных устройств могут меняться, соответственно, меняется запись в таблице CAM.
Рисунок 4. Структурная схема EtherSwitch
Описанная схема работы коммутатора была предложена фирмой Kalpana и реализована в коммутаторе EtherSwitch, структурная схема которого представлена на рисунке 4.
В коммутаторе EtherSwitch было 8 портов, каждый из которых, обслуживался одним процессором пакетов EPP (ethernet packet processor). Системный модуль коммутатора координирует работу всех процессоров EPP и ведет таблицу CAM. Между портами кадры передаются с помощью коммутационной матрицы. Все это позволило производить передачу кадров между портами по «отдельным», независимым каналам с большой полосой пропускания, что является общим принципом устройства всех сетевых коммутаторов.
4.2 Производители коммутаторов
Современным вычислительным сетям требуется широкий спектр сетевого оборудования: от моделей для дома и малого офиса, до огромных корпоративных сетей, или же промышленные коммутаторы, на которые могут налагаться специфические требования при применении. Естественно, в связи с потребностями рынка, возникло и множество компаний, которые производят те или иные модели коммутаторов. Среди них можно выделить следующих, наиболее крупных, производителей сетевого оборудования:
а) 3Сom;
б) Allies Telesyn International;
в) Cisco Systems, Inc.;
г) Dell;
д) D-Link, Inc.;
е) HP ProCurve Networkin;
ж) Netgear;
з) Nortel Networks Corporation;
4.3 Классификация коммутаторов
Выше мы убедились, что на рынке существует огромное множество различных моделей коммутаторов, представленных большим числом производителей. Каждая модель имеет свои отличительные особенности: по способам продвижения кадров, внутренней логической архитектуре, возможностям управления и настройки, областям применения, возможностям работы с теми или иными сетевыми протоколами и д. р.
Таблица 1. Типы коммутаторов
Тип | Краткая характеристика |
Неуправляемые коммутаторы (unmanaged switches) | Простота реализации. Не высокая цена. Отсутствует возможность управления. |
Настраиваемые коммутаторы (intelligent switches) | Более сложные в реализации, относительно неуправляемых коммутаторов. Более высокая цена (средний ценовой диапазон). Возможность конфигурирования некоторых важных параметров. |
Управляемые коммутаторы (fully managed switches) | Сложность реализации. Высокая цена (высший ценовой диапазон). Возможность конфигурирования множества параметров и большой набор функций. |
В данной работе будет уделено внимание именно управляемым коммутаторам, так как моделях этого типа производители реализовали коммутацию 3 и 4 уровней.
Таблица 2 Способы продвижения кадров
Функции | На лету (cut – through) |
(store – and – forward) |
Защита от плохих кадров | Отсутствует | Есть |
Поддержка разнородных сетей (token-ring, ethernet, ATM и д. р.) | Отсутствует | Есть |
Задержка передачи пакетов | Низкая (порядка 5 – 40 мкс) в зависимости от нагрузки | Средняя при любой нагрузке |
Поддержка резервных связей | Отсутствует | Есть |
Функция анализа трафика | Отсутствует | Есть |
Так же следует отметить, что наиболее дорогие модели коммутаторов имеют возможность смены механизма передачи кадров в зависимости от каких-то факторов (например объема трафика).
Таблица 3 Внутренняя логическая архитектура
Архитектура | Краткая характеристика |
Коммутационная матрица (рис. 5) | Наиболее быстрый способ. Кадры, которые должны пройти через один порт, проходят последовательно. Сложность масштабирования данной архитектуры (реализация для большого числа портов). |
Многовходовая разделяемая память (рис. 6) | Блоки входа и выхода данных соединяются через общую память, управляемую менеджером очередей. Сложность системы и ее реализации. Большая требовательность к использованию дорогой быстродействующей памяти. Отсутствие ярко-выраженных преимуществ, перед более простыми системами с шинной архитектурой. |
Общая шина (рис. 7) | Для связи процессоров портов используется одна шина. Кадр не передается целиком, а разбивается на небольшие блоки, передающиеся параллельно между портами. Достаточная простота реализации системы. Хорошая надежность. Доминирование на рынке. |
Рисунок 5. Архитектура с коммутационной матрицей
Рисунок 6. Архитектура с многовходовой разделяемой памятью
Рисунок 7. Архитектура с общей шиной
Таблица 4 Области применения
Область применения | Краткая характеристика |
Настольные коммутаторы | Работа с небольшим числом пользователей. Просты в установке и обслуживание. Низкая цена за один порт. |
Коммутаторы для рабочих станций | Используются для соединения настольных коммутаторов с остальными частями сети. Позволяется использование в качестве маршрутизаторов. Не поддерживают фильтрацию. Средняя цена за один порт. |
Магистральные коммутаторы | Используются для соединения настольных и групповых коммутаторов, серверов, сегментов сетей и сетей. Высокопроизводительные. Возможность применения вместо маршрутизаторов. Возможность фильтрации пакетов. Модульное устройство. Сложность установки и конфигурирования. Большая цена за один порт. |
И, наконец, коммутаторы можно разделить по уровню модели OSI, на котором они выполняют свои основные функции. Рассмотрению коммутаторов использующих при своей работе 3 уровень (сетевой) модели OSI и посвященная данная работа.
4.4 Коммутаторы сетевого уровня
В последнее время количество пользователей вычислительных сетей стремительно растет. Они уже не представляют свою работу в сети без возможности обмена графической, аудио и видеоинформацией, различных видео трансляций и конференций. Это вызывает дополнительный рост сетевого трафика, потоки которого становятся все менее локальными, что вызывает перегрузку маршрутизаторов.
Для решения этой проблемы возможны два варианта: отказаться от маршрутизации, либо увеличивать ее производительность. Вторым вариантом, как наиболее перспективным, заинтересовались производители коммутаторов, которые начали наделять свои продукты некоторыми возможностями маршрутизаторов. В результате на рынке сетевого оборудование появились коммутаторы третьего уровня.
В данный момент существует три основных концепции работы коммутаторов 3 уровня, которые реализуются различными производителями:
а) коммутаторы потоков (flow switches);
б) коммутирующие маршрутизаторы (switched routing);
в) маршрутизирующие коммутаторы (routing switches).
4.5 Коммутаторы потоков
Основным принципом работы коммутаторов потоков является обнаружение больших потоков трафика между узлами. Когда поток определяется на сетевом уровне, тогда между отправителем и получателем организуется коммутируемое соединение и в дальнейшем поток управляется оборудованием, работающим на втором уровне. Если трафик не удовлетворяет требования, то он маршрутизируется обычными способами.
На рисунке 8 представлена схема работы коммутатора потоков: расчет маршрута и обработка пакета осуществляется сетевым уровнем до тех пор, пока не находится поток. После его обнаружения, обработка пакетов переносится на канальный уровень.
Рисунок 8
Для обмена информацией о потоках в сети, коммутаторы используют специальные протоколы управления потоками.
Коммутаторы потоков применяются в магистралях ISP (internet service provider) или в больших корпоративных сетях, их основными разработчиками являются компании ATM Forum и Ipsilon.
4.6 Коммутирующие маршрутизаторы
Принцип работы коммутирующих маршрутизаторов заключается в следующем: как обработка пакетов, так и выбор маршрута происходит на сетевом уровне, за исключением случаев, когда в тегах есть информация о рассылке пакетов (рис. 9).
Рисунок 9
Хорошим примером описания работы таких коммутаторов, является пример коммутации тегов компании Cisco. Для реализации такой архитектуры Cisco делает маршрутизаторы программно-модернизируемыми, чтобы иметь возможность использовать различные режимы:
а) Tag edge router – маршрутизатор, который располагается на границе сети. Он добавляет теги в пакеты, передаваемые в сеть.
б) Tag switch – коммутатор или маршрутизатор, находящийся внутри сети и использующий теги для определения маршрута. Таким образом, снижается сложность декодирования адресов и необходимость просмотра таблиц при рассылке пакетов.
Коммутирующие маршрутизаторы разработаны для устранения «пробок» в сложных магистральных сетях и сетях ISP, их основными разработчиками являются компании 3Com, Cisco.
4.7 Маршрутизирующие коммутаторы
Принципом работы маршрутизирующих коммутаторов является определение пути передачи на основе информации, хранящейся в заголовке каждого пакета сетевого уровня.
На рисунке 10 представлена схема работы маршрутизирующего коммутатора: выбор пути выполняется программными или аппаратными средствами и происходит на сетевом уровне, обработка же пакетов осуществляется на канальном уровне.
Для обмена информацией о возможных путях маршрутизации, такие коммутаторы используют стандартные протоколы маршрутизации.
Рисунок 10
Маршрутизирующие коммутаторы используются в первую очередь в корпоративных сетях, хотя некоторые компании позиционируют их и как устройства для применения в сетях ISP. Маршрутизирующие коммутаторы выпускают большое количество компаний, такие как Cisco, Nortel Networks, D-link и др.
4.8 Сравнение архитектур коммутации 3 уровня
Рассмотренные выше архитектуры коммутации на сетевом уровне можно представить в виде таблицы 5.
Таблица 5. Сравнение архитектур коммутации сетевого уровня
Архитектура | Коммутаторы потоков | Коммутирующие маршрутизаторы | Маршрутизирующие коммутаторы |
Краткое описание | Поток определяется на сетевом уровне, коммутируется на канальном уровне. | Схемы для снижения сложности определения маршрута | Интегрированы функции обычных маршрутизаторов. |
Преимущества | Устраняет сложность расчета пути после определения потока. | Упрощает маршрутизацию; масштабируется для больших сетей. | Простота настройки и использования. |
Недостатки | При отсутствии потоков требуется использование обычной маршрутизации; различные схемы реализации у разных производителей. | Различные схемы реализации у разных производителей. | Сложности при модернизации функций; потеря некоторых функций маршрутизации. |
Область применения | Сети ISP и большие корпоративные сети. | Сети ISP и WAN. | Корпоративные и ISP сети. |
5 Применение коммутаторов сетевого уровня при проектировании корпоративных сетей
5.1 Введение
Проектирование сети является сложной задачей, включающей в себя нечто большее, чем просто создание связи между компьютерами. Для того чтобы сеть была управляемой и расширяемой, требуется учитывать множество параметров и особенностей. Естественно, большое внимание следует уделять выбору сетевого оборудования, которое будет использоваться в сети. Оно должно не только обеспечивать стабильную связь между пользователями, но и предоставлять дальнейшие возможности расширения; также предоставлять широкие возможности конфигурирования и управления сетью, что позволит повысить уровень безопасности и качества сети.
5.2 Пример применения
Рисунок 11. Средняя корпоративная сеть
Многие средние и небольшие сети можно свести к топологии, изображенной на рисунке 11. А из нескольких подобных сетей и сегментов уже можно построить более крупную сетевую инфраструктуру.
По приведенной на рисунке 11 топологии видно, что большинство сетевого оборудования – это коммутаторы. Естественно, в данной ситуации, возможно множество вариаций применения различных коммутаторов. Я рассмотрю два варианта, в которых будет использоваться коммутаторы 3 уровня:
а) Коммутаторы Switch_1, Switch_2, Switch_3 и Switch_4 – управляемые коммутаторы сетевого уровня, остальные управляемые коммутаторы второго уровня. Такой вариант является стандартным для корпоративных сетей
б) Все коммутаторы – управляемые. Такой вариант является хоть и не плохим, но, пожалуй, избыточным.
Достоинства вариант а) в полном объеме можно рассмотреть на примере корпоративной сети, которая распределена по нескольким зданиям или другим отдаленным территориям, которые связаны мостами. В таком случае, коммутаторы 3 уровня позволят строить сети без установки маршрутизаторов на каждый сегмент, что существенно сказывается на цене. А так же такой вариант позволяет минимально загружать линию, пересылая только данные, адресованные непосредственно на другую территорию.
Вариант б) является же наиболее затратным, но позволяет обеспечивать хорошую скорость внутри сети, так и большие возможности по настройки VLAN и безопасности сети.
Таким образом, устанавливая на каждый сегмент коммутаторы сетевого уровня, мы не только экономим деньги на покупке и обслуживание маршрутизаторов, но и локализуем трафик внутри сети, загружая узкие каналы между сегментами только необходимым трафиком.
6 Заключение
В ходе выполнения данной курсовой работы было определено основное назначение коммутаторов третьего уровня – это создание высокопроизводительных магистралей и устранение заторов трафика в локальных сетях. Изучены основные функциональные возможности этих устройств, позволяющих решать множество других сетевых задач. А так же определены методы, которыми достигается столь впечатляющая производительность коммутаторов сетевого уровня.
Помимо всего прочего, изученный материал, послужит хорошей базой в ходе дальнейшего обучения в институте по специализации «Сети» и позволит более быстро овладевать новыми аспектами знаний в области сетевых технологий, так как были отработаны навыки поиска материала и заложена начальная база знаний.
7 Литература и список ресурсов
1) Основы организации сетей Cisco, том 1. Изд. дом «Вильямс», 2004 г. ISBN -5 (рус.)
2) Основы организации сетей Cisco, том 2. Изд. дом «Вильямс», 2004 г. ISBN -5 (рус.)
3) Принципы коммутации в локальных сетях Cisco. Изд. дом «Вильямс», 2003 г ISBN -1
4) Локальные сети на основе коммутаторов. В. Олифер, Н. Олифер.
5) Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник. В. Олифер, Н. Олифер.
6) Компьютерные решения. Журнал. № 4-6 за 2000 год.
7) How LAN switches work. http://www. , document ID: 10607
8) Программа сетевой академии Cisco CCNA 3 и 4. Вспомогательное руководство. Изд. дом «Вильямс», 2007 г. ISBN:
9) http://www. /en/US/docs
10) http://en. wikipedia. org/wiki/Network_switch
