urzadzenia, sieci komputerowe [ Pobierz całość w formacie PDF ]
Urządzenia sieciowe technologii Ethernet –
koncentrator i przełącznik
1 Wprowadzenie
Wymagania wstępne: znajomość podstaw technologii Ethernet.
Oprócz karty sieciowej, dwoma najważniejszymi urządzeniami technologii Ethernet są
koncentrator i przełącznik; ich badaniu poświęcone jest niniejsze ćwiczenie. Obydwa te
urządzenia umożliwiają łączenie komputerów w sieć, ale działają według zupełnie innych
zasad, omówionych poniżej.
1.1 Zasada działania koncentratora
A B C D
Koncentrator (ang. hub) jest urządzeniem warstwy fizycznej modelu OSI, zbudowanym jako
wieloportowy regenerator sygnału elektrycznego. Pojedynczy port służy do przyłączenia
jednego komputera. Sygnał otrzymany na dowolnym porcie najpierw jest wzmacniany, a
następnie wysyłany na wszystkie pozostałe porty. W ten sposób umożliwia się komunikację
między komputerami. Ponadto koncentrator zapewnia pewien poziom niezawodności -
uszkodzenie kabla jednego z komputerów nie przerywa pracy całej sieci.
Ilekroć dwa lub więcej komputerów połączonych koncentratorem usiłuje nadać ramkę,
zachodzi kolizja i uruchamiany jest protokół CSMA/CD. Oznacza to, że komputery połączone
za pośrednictwem koncentratora współdzielą pasmo transmisyjne sieci.
1.2 Zasada działania przełącznika
Przełącznik (ang. switch) jest urządzeniem warstwy łącza danych modelu OSI. W odróżnieniu
od koncentratora przełącznik kieruje ramkę tylko do właściwego portu wyjściowego.
A B C D
Pomiędzy parami portów przełącznika pasmo transmisyjne jest dedykowane, gdyż istnieje
wiele niezależnych kanałów transmisyjnych (tzw. mikrosegmentacja). Dla powyższego
rysunku oznacza to na przykład, że w tym samym czasie komputer A może nadawać do
komputera C, a komputer B do D bez kolizji między tymi transmisjami, z maksymalną
prędkością danej technologii, np. 10 Mb/s. Co więcej, jeśli do nadawania do przełącznika
komputery używają jednej pary żył swojego przewodu, a do odbioru innej pary, oraz jeśli ich
karty umożliwiają jednoczesne nadawanie i odbiór z pełną prędkością (tryb pełnodupleksowy
karty, ang. full-duplex), to komputer A może w tym samym czasie nadawać do- i odbierać
ramki od C z pełną prędkością.
1.2.1 Algorytm Transparent Bridging
Przełącznik automatycznie kojarzy adresy MAC komputerów z portami, do których są one
przyłączone. Dzięki temu kieruje ramki tylko do właściwych portów. Aby nauczyć się
skojarzeń, przełącznik stosuje algorytm zwany po angielsku Transparent Bridging lub
Backward Learning, uruchamiany natychmiast po włączeniu zasilania.
Powiązania adresów MAC z portami przełącznik zapamiętuje w tablicy adresów MAC
(ang. MAC address table lub forwarding table). Jej wiersz ma postać pary (adres MAC, port).
Gdy przełącznik rozpoczyna pracę, tablica ta jest pusta. Ramki, których adresu docelowego
nie ma w tablicy, są rozgłaszane, tzn. wysyłane pod adres ff-ff-ff-ff-ff-ff na wszystkie porty
oprócz źródłowego. Jednocześnie przełącznik analizuje adresy źródłowe takich ramek i
zapamiętuje powiązania (adres źródłowy MAC, port źródłowy) w tablicy. Po pewnym czasie
może już kierować ramki tylko do właściwych portów, bez rozgłaszania. Przepełnienia tablicy
unika się przez usuwanie z niej przestarzałych wpisów.
1.2.2 Protokół drzewa rozpinającego
W celu zwiększenia niezawodności sieci, często tworzonych jest kilka alternatywnych ścieżek
między węzłami. Przyczynia to jednak dodatkowego problemu, gdyż w połączeniach między
węzłami pojawiają się cykle. W sieci zawierającej cykl ramka rozgłoszeniowa może być
rozsyłana bez końca. Aby eliminować cykle, przełączniki stosują protokół drzewa
rozpinającego (ang. Spanning Tree Protocol, w skrócie STP).
Obliczenie drzewa rozpinającego rozpoczyna się od wybrania jednego z przełączników na
korzeń drzewa. Korzeniem zostaje ten, którego numer seryjny (unikalny w skali światowej)
jest najmniejszy. Następnie wyznaczane są najkrótsze ścieżki od korzenia do wszystkich
innych przełączników. Odpowiadające tym ścieżkom połączenia między przełącznikami
pozostają aktywne, a pozostałe przestają być używane.
W kontekście algorytmu Transparent Bridging i protokołu STP warto wspomnieć, że
pierwotnie realizowało je urządzenie sieciowe most (ang. bridge). Główną funkcją mostu jest
łączenie sieci LAN wykonanych w różnych technologiach. To samo czynią dziś jednak
rutery, dlatego most rzadko jest już realizowany w postaci odrębnego urządzenia. Przełącznik
natomiast stanowi połączenie najkorzystniejszych cech koncentratora i mostu.
1.3 Domena kolizyjna i domena rozgłoszeniowa
Między ramkami wysyłanymi przez komputery będące w tym samym segmencie sieci mogą
zachodzić kolizje. Takie komputery tworzą
domenę kolizyjną
.
Domenę rozgłoszeniową
tworzą
zaś wszystkie komputery, które odbierają ramki rozgłaszane przez dowolny komputer.
Powyższe pojęcia mają ścisły związek z omawianymi urządzeniami sieciowymi.
Komputery przyłączone do wspólnego koncentratora należą do jednej domeny kolizyjnej.
Przełącznik separuje domeny kolizyjne, gdyż każdy jego port stanowi odrębny segment sieci.
Wszystkie komputery połączone za pośrednictwem przełącznika należą jednak do wspólnej
domeny rozgłoszeniowej. Separowaniem domen rozgłoszeniowych zajmuje się ruter, będący
urządzeniem warstwy sieciowej modelu
ISO/OSI
. Poniższy rysunek ilustruje różnicę między
domeną kolizyjną i rozgłoszeniową.
domeny kolizyjne
domena rozgłoszeniowa
2. Organizacja, wymagany sprzęt i oprogramowanie
• zadanie wykonywane jest przez parę studentów;
• sprzęt: 4 komputery PC, 1 koncentrator, 1 przełącznik;
• oprogramowanie: program netperf (Linux) i dumeter (Windows).
Program netperf służy do testowania prędkości transmisji między dwoma komputerami, z
których jeden pełni rolę serwera. Uruchomienie programu netperf:
Po stronie serwera: polecenie netserver
Po stronie klienta: polecenie netperf -H <adres IP serwera>
3. Zadania
1. Po podłączeniu do urządzenia czterech komputerów należy wykonać cztery ćwiczenia,
zilustrowane poniżej (dla koncentratora wystarczą pierwsze dwa). Strzałki reprezentują
transmisje danych (równoczesne, gdy strzałek jest więcej niż jedna).
Należy odczytać i zinterpretować otrzymane wyniki. Komentarze umieszczone z
prawej strony rysunków dotyczą przełącznika i sygnalizują pojęcia ilustrowane w
kolejnych ćwiczeniach.
mikrosegmentacja
buforowanie
tryb pełnodupleksowy
2. Zbadać transmisję do adresu 127.0.0.1, oznaczającego lokalny komputer; adres ten
nazywa się „pętlą zwrotną” (ang. loopback) i służy do testowania programów
sieciowych bez konieczności dołączania komputera do sieci. Należy sprawdzić, czy przy
transmisji przez pętlę zwrotną angażowana jest karta sieciowa.
4. Pytania sprawdzające
1. Co to jest domena kolizyjna i domena rozgłoszeniowa?
2. Jaka jest zasada działania koncentratora i przełącznika?
3. Jak w sieci Ethernet można całkowicie uniknąć występowania kolizji?
4. Jak działają: algorytm transparent bridging i protokół STP?
5. Jak można przechwytywać ramki powielone w koncentratorze, a jak ramki z
przełącznika?
6. Czym się charakteryzuje sieć w pełni przełączana (ang. fully-switched network)?
7. Czy przełącznik musi posiadać własny adres MAC? Jeśli tak, to ilu adresów potrzebuje i
do czego?
8. Niektórym przełącznikom nadawane są adresy IP. Dlaczego?
5. Literatura
1. Zasada działania urządzeń sieciowych: książki A. S. Tanenbaum „Computer Networks”
oraz J. F. Kurose, F. Ross „Computer Networking – A Top-Down Approach”.
2. Zasada działania przełącznika oraz algorytm transparent bridging: dokument „How
LAN switches work”, dostępny pod adresem
3. Konfiguracja przełączników Cisco: serwis internetowy
.
4. Protokół STP: książki A. S. Tanenbaum „Computer Networks”, L. L. Peterson i B.
Davie „Computer Networks – A System Approach” oraz J. Kurose i K. Ross „Computer
Networking – A Top-Down Approach Featuring the Internet”, dokument ze strony
5. Strona domowa projektu netperf:
[ Pobierz całość w formacie PDF ]