Какие протоколы помогут создать отказоустойчивую сеть

Обновлено: 18.04.2024

В большинстве сетевых ОС используется очень небольшой набор собственных протоколов. Эти весьма компактные и высокофункциональные протоколы позволяют сетевой операционной системе рационализировать свою работу, что существенно повышает эффективность совместного использования файлов и принтеров.

Следует отметить, однако, что сами по себе эти протоколы каких-то значительных дополнительных возможностей не предоставляют. В отличие от них, комплект TCP/IP обеспечивает выполнение широчайшей гаммы сервисных функций. Пользователи могут совместно использовать файлы и принтеры. С помощью сервисов эмуляции терминалов они могут выполнять приложения на удаленных компьютерах, позволяя использовать возможности больших систем для выполнения конкретных программ. TCP/IP обладает высокой степенью масштабируемости, и пользователи могут по своему усмотрению выбрать любое подмножество протоколов в качестве клиентских или серверных сервисов.

Другая примечательная черта TCP/IP - его "открытость": это полностью общедоступная спецификация. Любой человек может предлагать дополнения к этой спецификации, и процесс протекает абсолютно открыто. Так, многие фирмы предлагают свои платформы с уже встроенными протоколами и сервисами TCP/IP . Это облегчает конечному пользователю задачу совместного использования различных ресурсов без привязки к какому-то одному поставщику.

Третье важное преимущество TCP/IP состоит в том, что это набор очень надежных протоколов, в состав которого входят транспортные протоколы, эффективно работающие в глобальных сетях. Протокол NBF ( и в меньшей степени IPX ) предназначался для использования в локальных сетях. NBF не предусматривает маршрутизацию, т.е. пользователи, подключенные к одному сетевому кабелю, видят серверы, подключенные к другому кабелю, только в том случае, если два этих сегмента соединены мостом и образуют одну логическую сеть. В глобальных сетевых средах эта схема работает плохо. Протокол IPX - полностью маршрутизируемый, но вот более высокоуровневый NCP предусматривает явное квитирование всех передаваемых сетевых пакетов, что сильно замедляет его работу с глобальными сетевыми каналами. Ни один из этих наборов протоколов не подходит для использования в Internet .

Комплект протоколов TCP/IP с самого начала разрабатывался для соединения хост-компьютеров между собой через глобальные сети, поэтому он и маршрутизируемый, и эффективный. Эти достоинства сохраняются и в локальных сетях, что делает TCP/IP отличным вариантом и для мелко-, и для крупномасштабных сетей. Три вышеупомянутых качества (масштабируемость, открытость и надежность) делают TCP/IP привлекательным вариантом для пользователей разнородных сред. Именно поэтому TCP/IP является стержнем Internet .

Функционирование сети TCP/IP

Чтобы лучше понять, как работают некоторые протоколы из набора TCP/IP , рассмотрим работу небольшой сети, состоящей из двух компьютеров, на которых запущено несколько сетевых приложений.

Однако эти приложения не заработают, пока не будут произведены некоторые подготовительные действия. Например, в Ethernet- кадрах, которые идут от Саши к Коле, должна быть информация, которой Саша пока не располагает, - IP -адрес получателя и его MAC -адрес.

Саша знает имя своего компьютера, IP- и MAC -адрес, т.к. все эти параметры прописаны в конфигурации его компьютера. Остается узнать только IP- и MAC -адрес компьютера Коли. Для этого Саша должен воспользоваться системой доменных имен ( DNS ) и протоколом разрешения адресов ( ARP ). Саша знает IP -адрес DNS , т.к. он прописан в конфигурации Сашиной машины. Далее Саша отправляет DNS -запрос системе DNS , спрашивая у нее IP- адрес Колиной машины. DNS отвечает адресом 10.1.1.2. Но Саше все еще нужен адрес Ethernet MAC , использующий адрес 10.1.1.2, поэтому он выполняет широковещательный ARP -зарос. Такой запрос отправляется по широковещательному Ethernet -адресу, чтобы все компьютеры, находящиеся в сети, его получили. Поскольку компьютер Коли подключен к сети, он получает этот запрос. А так как адрес его компьютера 10.1.1.2, а ARP -запрос ищет MAC -адрес, связанный с адресом 10.1.1.2, Коля сообщает свой MAC -адрес. На рис.1 схематически показан весь этот процесс.

Рис. 1. Работа служб DNS и протокола ARP

Теперь Саша знает адреса IP и Ethernet MAC , которые необходимы для отправки данных Коле. Весь этот процесс проходит автоматически, невидимо для пользователя, но важно знать, как это все происходит, чтобы уметь решать возникающие проблемы.

Коле, соответственно, необходимо знать, какому приложению какие данные предназначаются, но все три пакета приходят от одного IP - и MAC -адреса. Можно было бы, конечно, распределять пришедшие пакеты по использованному при передаче протоколу UDP или TCP , но в нашем случае два из трех приложений используют протокол TCP . К счастью, разработчики протоколов UDP и TCP позаботились о распределении пакетов по приложениям и вставили в передаваемые пакеты специальное поле, которое называется номером порта. Процесс разбиения данных по номерам портов называется мультиплексированием, т.е. определение приложения, которое получает данные из пакета. Каждое приложение Саши использует разные номера портов, поэтому Коля знает, какому приложению предназначаются данные.

Итак, мы рассмотрели, как работает элементарная сеть с несколькими приложениями. Давайте теперь познакомимся с использованными в данном примере протоколами немного поближе.

Протоколы канального уровня SLIP и PPP

На канальном уровне используются протоколы SLIP ( Serial Link Internet Protocol - межсетевой протокол для последовательного канала ) и PPP ( Point-to-Point Protocol - протокол "точка-точка" ) .

Протоколы канального уровня SLIP и PPP применяются как на коммутируемых линиях, так и на выделенных телефонных каналах. С их помощью к глобальной сети подключается большинство индивидуальных пользователей, а также небольшие локальные сети. Подобные линии связи могут обеспечивать скорость передачи данных до 115200 бит/с.

Serial Line Internet Protocol (SLIP )

Согласно RFC -1055 впервые SLIP был включен в качестве средства доступа к IP -сети в пакет фирмы 3COM-UNET . В 1984 г. Рик Адамс реализовал SLIP для BSD 4.2 , и таким образом SLIP стал достоянием Internet в целом. Обычно этот протокол применяют как на выделенных, так и на коммутируемых линиях связи со скоростью передачи от 1200 до 19200 бит/с.

Такие операционные системы, как FreeBSD, Linux, NetBSD , которые можно свободно скопировать и установить на своем персональном компьютере, или HP-UX , которая поставляется вместе с рабочими станциями Hewlett-Packard , имеют в своем арсенале программные средства типа sliplogin (FreeBSD) или slp (HP-UX ), обеспечивающие работу компьютера в качестве SLIP -сервера для удаленных пользователей, подключающихся к IP -сети по телефону. Хотя в стандарте SLIP нет определения понятия " SLIP -сервер", обычно используют термины " SLIP -клиент" для компьютера, инициирующего физическое соединение, и " SLIP -сервер" для машины, постоянно включенной в IP -сеть.

В рамках протокола SLIP осуществляется фрагментация IP -пакетов, при этом SLIP -пакет должен начинаться символом ESC (восьмеричное 333 или десятичное 219) и заканчиваться символом END (восьмеричное 300 или десятичное 192). Стандарт не определяет размер SLIP -пакета, поэтому любой интерфейс имеет специальное поле, в котором пользователь должен указать эту длину. SLIP -модуль не анализирует поток данных и не выделяет какую-либо информацию в этом потоке, а также не позволяет выполнять какие-либо действия, связанные с адресами, т.к. в структуре пакета не предусмотрены поле адреса и его специальная обработка. Компьютеры, взаимодействующие по SLIP , обязаны знать свои IP -адреса заранее. SLIP не предусматривает корректировку ошибок линии связи, и коррекция ошибок возлагается на протоколы транспортного уровня - TCP, UDP . В стандартное SLIP не предусмотрена компрессия данных, но существуют варианты протокола с такими возможностями.

Point to Point Protocol (PPP )

Согласно RFC -1661 данный протокол обеспечивает стандартный метод взаимодействия двух узлов сети. Предполагается, что обеспечивается двунаправленная одновременная передача данных. Как и в SLIP , данные разбиваются на пакеты, которые передаются от узла к узлу упорядоченно. В отличие от SLIP , PPP позволяет одновременно передавать по линии связи пакеты различных протоколов. Кроме того, PPP предполагает процесс автоконфигурации обеих взаимодействующих сторон. Собственно говоря, PPP состоит из трех частей: механизма инкапсуляции ( encapsulation), протокола управления соединением ( link control protocol) и семейства протоколов управления сетью ( network control protocols ).

Под датаграммой в PPP понимается информационная единица сетевого уровня (применительно к IP - IP- пакет). Под фреймом понимают информационную единицу канального уровня (согласно модели OSI ). Для обеспечения быстрой обработки информации длина фрейма PPP должна быть кратна 32 битам. Фрейм состоит из заголовка и хвоста, между которыми содержаться данные. Датаграмма может быть инкапсулирована в один или несколько фреймов (Рис.2). Пакетом называют информационную единицу обмена между модулями сетевого и канального уровней. Обычно каждому пакету ставится в соответствие один фрейм, за исключением тех случаев когда канальный уровень требует большей фрагментации данных или, наоборот, объединяет пакеты для более эффективной передачи.

В поле "Протокол" указывается тип инкапсулированной датаграммы. Существуют специальные правила кодирования протоколов в этом поле (см. ISO 3309 и RFC -1661). В поле "Информация" записывается собственно пакет данных, а в поле "Хвост" добавляется заполнитель для выравнивания на 32-битовую границу. По умолчанию длина фрейма PPP устанавливается в 1500 байт, но в это число не входит длина поля "Протокол".

Рис. 2. PPP -фрейм

Протокол управления соединением предназначен для установки соглашения между узлами сети о параметрах инкапсуляции (размер фрейма и т.п.), кроме того, он позволяет проводить идентификацию узлов. Первой фазой установки соединения является проверка готовности физического уровня передачи данных. При этом такая проверка может осуществляться периодически, позволяя реализовать механизм автоматического восстановления физического соединения, как это бывает при работе через модем по коммутируемой линии. Если физическое соединение установлено, то узлы начинают обмен пакетами протокола управления соединением, настраивая параметры сессии. Любой пакет, отличный от пакета протокола управления соединением, не обрабатывается во время этого обмена. После установки параметров соединения возможен переход к идентификации. После всех этих действий происходит настройка параметров работы с протоколами межсетевого обмена ( IP, IPX и т.п.). Для каждого из них используется свой протокол управления. Для завершения работы по протоколу PPP по сети передается пакет завершения работы протокола управления соединением.

Процедура конфигурации сетевых модулей операционной системы для работы по протоколу PPP более сложна, чем для протокола SLIP , однако возможности PPP -соединения гораздо более широкие. Например, при работе через модем модуль PPP сам восстанавливает соединение при потере несущей частоты. Кроме того, модуль PPP автоматически определяет параметры фреймов, в то время как при SLIP их надо задавать вручную.

Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP )

Протокол PPTP - туннельный протокол "точка-точка" - продвинул концепцию PPP на шаг вперед: этот протокол "заворачивает" в PPTP -обертку PPP -пакеты. С эксплуатационной точки зрения, разница между PPP и PPTP заключается только в следующем: чтобы создать PPP -канал, вы набираете номер телефона, а чтобы создать PPTP -канал, вы "набираете" IP -адрес.

Как и в случае с PPP , пакеты PPTP "заворачиваются", транспортируются на другой конец канала (в данном случае в систему, обозначенную IP -адресом, упомянутым в предыдущем абзаце), и "разворачиваются". в результате между дв4умя системами создается "частная виртуальная сеть", по которой передаются пакеты PPTP . Чтобы этот канал был действительно частным, PPTP поддерживает ряд возможностей защиты, вплоть до шифрования всех данных пакета.

Таким образом, с помощью протоколов PPP и SLIP можно установить глобально-сетевое соединение по коммутируемым линиям, ISDN , сетям X.25 и другим каналам. И PPP , и SLIP характеризуются относительной нечувствительностью к помехам в линии и задержкам приема пакетов.

Протокол PPP более гибок, чем SLIP . Принцип его работы заключается в "заворачивании" пакетов транспортных протоколов TCP , IPX или NBF в пакет особого формата и транспортировке завернутого таким образом пакета по каналу ГВС (глобальной вычислительной сети). На другом конце соединения пакет "разворачивается", и исходные пакеты передаются по локальной сети. После установления соединения все эти операции становятся полностью прозрачными для приложений - приложения видят абсолютно нормальные пакеты TCP, IPX и NBF (хотя эти пакеты могут прибывать несколько медленнее, чем по локальной сети).

SLIP менее гибок. Он представляет собой, по сути дела, расширение IP , предназначенное для работы по низкоскоростным каналам, поэтому и поддерживает только IP -сети. Кроме того, он менее устойчив к помехам в линии. Сервис RAS ( Remote Access Services - служба удаленного доступа) операционной системы Windows NT поддерживает SLIP , главным образом, для совместимости с серверами ГВС, работающими на базе ОС UNIX .

PPTP обладает наибольшими функциональными возможностями по сравнению с SLIP и PPP , позволяя устанавливать частные виртуальные защищенные каналы связи.

Межсетевые протоколы

Internet Protocol (IP)

Протокол IP используется для управления рассылкой TCP/IP -пакетов по сети Internet . Среди различных функций, возложенных на IP , обычно выделяют следующие:

определение пакета, который является базовым понятием и единицей передачи данных в сети Internet ;
определение адресной схемы, которая используется в сети Internet ;
передача данных между канальным уровнем (уровнем доступа к среде передачи) и транспортным уровнем (другими словами, преобразование транспортных дейтаграмм во фреймы канального уровня);
маршрутизация пакетов по сети, т.е. передача пакетов от одного шлюза к другому с целью передачи пакета машине-получателю;
фрагментация и дефрагментация пакетов транспортного уровня.

Главной особенностью протокола IP является отсутствие ориентации на физическое или виртуальное соединение. Это значит, что, прежде чем послать пакет в сеть, модуль операционной системы, реализующий IP , не проверяет возможность установк4и соединения, т.е. никакой управляющей информации кроме той, что содержится в самом IP -пакете, по сети не передается. Кроме того, IP не заботится о проверке целостности информации в поле данных пакета, что заставляет отнести его к протоколам ненадежной доставки. Целостность данных проверяется протоколами транспортного уровня (TCP) или протоколами приложений.

Таким образом, вся информация о пути, по которому должен пройти пакет, определяется по состоянию сети в момент прохождения пакета. Эта процедура называется маршрутизацией, в отличие от коммутации, используемой для предварительного установления маршрута следования отправляемых данных.

Существует несколько версий протокола IP . В настоящее время используется версия Ipv4 (RFC 791) , структура пакета которой представлена на рис. 3.

Рис. 3. формат пакета Ipv4

Фактически в заголовке пакета определены все основные данные, необходимые для перечисленных выше функций протокола IP : адрес отправителя, адрес получателя, общая длина пакета и тип пересылаемой дейтаграммы.

Используя данные заголовка, машина может определить, на какой сетевой интерфейс отправлять пакет. Если IP -адрес получателя принадлежит одной из ее сетей, то на интерфейс этой сети пакет и будет отправлен, в противном случае пакет отправят на другой шлюз.

На основе протокола транспортного уровня IP -модуль производит экскапсуляцию информации из IP -пакета и ее передачу на модуль обслуживания соответствующего транспорта.

При обсуждении формата заголовка пакета IP вернемся еще раз к инкапсулированию. Как уже отмечалось, при обычной процедуре инкапсулирован я пакет просто помещается в поле данных фрейма, а в случае, когда это не может быть осуществлено, разбивается на более мелкие фрагменты. Размер максимально возможного фре2йма, который передается по сети, определяется величиной MTU (Maximum Transmission Unit ), определенной для протокола канального уровня. Для последующего восстановления пакет IP должен держать информацию о своем разбиении, и для этой цели используются поля Flags и Fragmentation offset . В этих полях определяется, какая часть пакета получена в данном фрейме, если этот пакет был фрагментирован на более мелкие части.

Internet Control Message Protocol (ICMP)

Routing Information Protocol (RIP)

Address Resolution Protocol (ARP)

К моменту, когда протокол IP должен отправлять дейтаграмму, он уже информирован протоколами верхних уровней об IP -адресе получателя. В свою очередь, он должен сообщить протоколу канального уровня аппаратный адрес удаленного компьютера. Если этот адрес не известен, для поиска нужной информации применяется протокол определения адресов ARP ( Address Resolution Protocol - протокол разрешения адресов), который ведет широковещательный опрос сети - запрашивает у каждого имеющего определенный IP -адрес компьютера адрес его аппаратного обеспечения (или, другими словами, MAC -адрес). Протокол ARP может перевести IP -адрес в адрес аппаратного обеспечения, например, в MAC -адрес сетевой платы удаленного компьютера.

Протоколы транспортного уровня

User Datagram Protocol (UDP)

Таблица 1. Стандартные сетевые сервисы и соответствующие им порты

Наиболее известными сервисами, основанными на UDP , являются служба доменных имен BIND и распределенная файловая система NFS .

Transfer Control Protocol (TCP)

В том случае, когда контроль качества передачи данных по сети имеет особое значение для приложения, используется протокол TCP . Этот протокол также называют надежным, ориентированным на соединение, потокоориентированным протоколом. Рассмотрим формат передаваемой по сети дейтаграммы (рис. 5).

Рис. 5. Структура пакета TCP

Потоковый характер протокола определяется тем, что SYN определяет стартовый номер для отсчета переданных байтов, а не пакетов. Это значит, что если SYN был установлен в 0 и было передано 200 байтов, то номер, установленный в следующем пакете, будет равен 201, а не 2.

Потоковый характер протокола и требование подтверждения получения данных порождают проблему скорости передачи данных. Для ее решения используется поле Window ( окно). Идея применения "окна" достаточно проста: передавать данные, не дожидаясь подтверждения об их получении. Это значит, что источник передает некоторое количество данных, равное Window , без ожидания подтверждения об их приеме, и только после этого останавливает передачу и ждет подтверждения. Если он получит подтверждение только на часть переданных данных, то начнет передачу новой порции с номера, следующего за подтвержденным.

В заключение приведем таблицу, содержащую сведения о соответствии прикладных протоколов и назначаемым им портам. В таблице отмечается также, какой из транспортных протоколов при этом используется.

Стремление к повышению функциональности устройств значительно опережает темпы развития и усовершенствования существующих методов повышения надежности. В такой ситуации единственным эффективным средством защиты от сбоев в работе является построение отказоустойчивых систем. На что они способны?

Методы построения отказоустойчивых систем

На сегодняшний день не существует системы, гарантирующей 100% отказоустойчивость. Другими словами, не существует системы, которая гарантирует 100% вероятность безотказной работы на протяжении задаваемого промежутка времени (100% доступность).

Примеры систем с различными значениями вероятностей безотказной работы

Существует два основных направления при построении отказоустойчивых систем. Первый способ - использование только отказоустойчивых компонентов. При реализации этого направления каждый компонент системы может продолжать свое функционирование, даже если один/несколько подкомпонентов системы, выходят из строя. Второй способ разработка методов, гарантирующих построение отказоустойчивой системы из компонентов, не являющихся отказоустойчивыми. В таких системах отказоустойчивость реализована за счет введения избыточности и разработки специального программного обеспечения, элементных взаимосвязей и алгоритмов функционирования.

Способы построения отказоустойчивых систем

Внесение отказоустойчивости в систему или отдельно взятый компонент всегда нуждается в появлении некоторой избыточности. Избыточность - это наличие в структуре устройства возможностей сверх тех, которые могли бы обеспечить его нормальное функционирование. Избыточность вводится для повышения надёжности работы и для исключения влияния на достоверность передаваемой информации помех и сбоев (в телекоммуникационных устройствах). В основном используется четыре вида избыточности.

Аппаратная избыточность (Hardware Redundancy, более известна как резервирование). Существуют методы постоянного резервирования (синтез избыточных устройств, нечувствительных к определенному количеству ошибок) и методы резервирования замещением (использование системы контроля, которая может действовать непрерывно или периодически, в этом случае говорят, о так называемом функциональном диагностировании). Исключая даже кратковременный простой, постоянное резервирование имеет относительное преимущество по сравнению со второй группой методов, системы при отказах.

Программная избыточность (Software Redundancy) используется для контроля и обеспечения достоверности наиболее важных решений по управлению и обработке информации. Она заключается в сопоставлении результатов обработки одинаковых исходных данных разными программами и исключении искажения результатов, обусловленных различными аномалиями.

Информационная избыточность (Information Redundancy) наиболее присуща телекоммуникационным системам, в которых информация передается многократно. Информационная избыточность заключается в дублировании накопленных исходных и промежуточных данных.

Временная избыточность (Time Redundancy) заключается в использовании некоторой части производительности компьютера для контроля за исполнением программ и восстановления (рестарта) вычислительного процесса (запас времени для повторного выполнения операции (например, двойного или тройного просчёта на вычислительной машине).

Наглядным примером введения многоуровневой избыточности в систему, для достижения отказоустойчивости, может послужить система контроля и управления авиалайнера Airbus 320 (fly-by-wire flight control system). В процессе функционирования системы управления, и обеспечения взаимосвязей между различными компонентами и контроля за последними, в Airbus 320 задействовано 5 различных независимых компьютеров. Система управления авиалайнером строилась из расчета, что обнаружение ошибок должно осуществляться как в аппаратной, так и в программной части системы. По этой причине, в процессе управления полетом, дополнительно задействовано два типа программного обеспечения, от двух независимых разработчиков.

Сделаем вывод. Отличительными преимуществами отказоустойчивых систем являются: их высокая безотказность, бесперебойность работы системы при наличии отказов и более продолжительный жизненный цикл эксплуатации. Отказоустойчивые системы помимо преимуществ имеют и ряд специфических характеристик, а именно: сложность дизайна и высокая стоимость развертывания, повышение энергопотребления, усложнение системы.

Целью данной лабораторной работы является получение необходимых теоретических и практических знаний, требующихся для построения отказоустойчивых соединений в компьютерных сетях.

Для достижения данной цели будут выполнены следующие задачи:

построение отказоустойчивых соединений методом резервирования каналов связи;

изучение работы протоколов STP и RSTP, а также их аналогов для оборудования Cisco (PVST и RPVST);

изучение основных настроек протокола STP – выбор корневого коммутатора и управление приоритетом устройства;

ознакомление с опциональными настройками протокола STP – функциями PortFast и BPDU Guard;

настройка статического и динамического агрегирования каналов (технология EtherChannel).

Теоретические сведения

При проектировании сетей рано или поздно возникает вопрос создания отказоустойчивых соединений на наиболее важных участках сети, например, на магистралях между коммутаторами. Такие соединения служат для обеспечения бесперебойной работы сети, а в случае сбоя на каком-либо канале связи гарантируется быстрое восстановление работоспособности.

Отказоустойчивые соединения создаются с помощью двух методов:

Резервирование каналов связи: прокладываются дополнительные соединения между устройствами, но в работе участвует только одно. В случае отказа одного соединения связь не прерывается, а включается в работу резервный (запасной) канал.

Агрегирование каналов связи: дополнительные физические соединения объединяются в одно логическое. Одновременно в работе участвуют сразу все соединения, при этом повышается пропускная способность.

Однако в связи с наличием в локальных сетях избыточных каналов связи появляется вероятность того, что кадры начнут бесконечно долго циркулировать в сети, что снижает её производительность. Поэтому в локальных сетях используется протокол связующего дерева (Spanning Tree Protocol — STP), который позволяет применять избыточные каналы в локальной сети и вместе с тем предотвращает возможность бесконечной циркуляции кадров в этой локальной сети через резервные каналы. Если протокол STP введен в действие, то коммутаторы блокируют некоторые порты, поэтому кадры через эти порты не перенаправляются. Согласно протоколу STP выбор блокируемых портов осуществляется так, чтобы был только один активный путь между любой парой сегментов локальной сети. В результате сохраняется возможность доставлять кадры на любое устройство и вместе с тем не возникают проблемы, обусловленные зацикливанием кадров в сети. Иными словами, действие протокола STP можно описать просто как выбор интерфейсов, которые должны применяться для перенаправления трафика.

В Таблица 3 .4 приведены итоговые сведения о трех основных категориях проблем, возникающих в случае отказа от применения протокола STP в локальной сети с избыточными каналами связи.

Таблица 3.4. Проблемы в сетях с избыточной топологией

Повторное перенаправление кадра по одним и тем же каналам связи, что приводит к непроизводительному потреблению значительной части пропускной способности каналов.

Нестабильность таблиц MAC-адресов

Непрекращающееся обновление таблиц МАС-адресов коммутаторов с вводом в них неправильных записей в ответ на появление циркулирующих кадров, что приводит к отправке кадров в несоответствующие им местонахождения.

Многократная передача кадров

Побочный эффект появления циркулирующих кадров, под действием которого многочисленные копии одного и того же кадра доставляются на узел назначения и работа узла нарушается.

В протоколе STP используются три описанных ниже критерия, позволяющие определить, должен ли интерфейс быть переведен в состояние пересылки:

с помощью протокола STP выбирается корневой коммутатор. В ходе дальнейшей работы протокола STP все рабочие интерфейсы корневого коммутатора переводятся в состояние пересылки;

в каждом некорневом коммутаторе осуществляется поиск того из портов, который имеет наименьшую административно устанавливаемую стоимость маршрута передачи пакетов между ним и корневым коммутатором. Согласно протоколу STP интерфейс с наименьшей стоимостью связи с корневым коммутатором, который принято называть корневым портом некорневого коммутатора, переводится в состояние пересылки;

к одному и тому же сегменту Ethernet может быть подключено несколько коммутаторов. Коммутатор с наименьшей административно устанавливаемой стоимостью передачи от себя к корневому коммутатору по сравнению с другими коммутаторами, подключенными к тому же сегменту, переводит свой подключенный к сегменту интерфейс в состояние пересылки. Коммутатор с наименьшей стоимостью маршрута передачи в каждом сегменте именуется выделенным мостом, а интерфейс такого моста, подключенный к соответствующему сегменту, именуется назначенным портом (designated port — DP).

Bridge ID состоит из двух полей:

приоритет— поле, которое позволяет административно влиять на выборы корневого коммутатора. Размер — 2 байта;

MAC-адрес— используется как уникальный идентификатор, который, в случае совпадения значений приоритетов, позволяет выбрать корневой коммутатор. Так как MAC-адреса уникальны, то и Bridge ID уникален, так что какой-то коммутатор обязательно станет корневым.

В Таблица 3 .5 приведены итоговые сведения о том, по каким причинам протокол STP переводит порт в состояние блокирования или перенаправления.

Таблица 3.5. Правила определения состояния портов в протоколе STP

Все порты корневого коммутатора

Корневой коммутатор всегда является назначенным коммутатором для всех подключенных сегментов.

Корневой порт каждого некорневого коммутатора

Порт коммутатора, при передаче через который обеспечивается наименьшая стоимость маршрута к корневому коммутатору.

Выделенный порт каждой локальной сети

Коммутатор, для которого стоимость перенаправления BPDU-блока в сегмент является наименьшей, представляет собой выделенный коммутатор.

Все прочие рабочие порты

Порт в состоянии блокирования не используется для перенаправления кадров, также не рассматриваются как предназначенные для перенаправления какие-либо кадры, полученные через соответствующий интерфейс.

На втором этапе процесса функционирования протокола STPкаждый некорневой коммутатор выбирает среди своих портов один и только один корневой порт. Порт коммутатора, который имеет кратчайший путь к корневому коммутатору, называется корневым портом. У любого не корневого коммутатора может быть только один корневой порт. Корневой порт выбирается на основе меньшего Root Path Cost (стоимость пути до корневого коммутатора) – это общее значение стоимости всех каналов связи до корневого коммутатора. Эта стоимость определяется пропускной способностью канала, чем больше пропускная способность, тем меньше стоимость пути. Если стоимости до корневого коммутатора совпадает у двух портов, то выбор корневого порта происходит на основе меньшего Bridge ID коммутатора. Если и Bridge ID коммутаторов до корневого коммутатора совпадает, то тогда корневой порт выбирается на основе Port ID.

Конечный этап работы протокола STP по созданию топологии STP состоит в выборе выделенного порта для каждого сегмента локальной сети. Назначенным портом в каждом сегменте локальной сети является тот порт коммутатора, который анонсирует в этом сегменте локальной сети BPDU-пакеты с самой низкой стоимостью.

Одним из существенных недостатков протокола STP является долгое время конвергенции. Весь процесс занимает от 30 до 50 секунд – это довольно долго, если рассматривать это время с позиции отказоустойчивости сети. Для сокращения времени конвергенции был создан протокол RSTP (RapidSpanningTreeProtocol). В нем, как правило, оно составляет меньше 10 секунд, а в некоторых случаях 1 – 2 секунды.

На оборудовании Cisco протоколы STP и RSTP должны работать в условиях наличия нескольких виртуальных локальных сетей. Для этого существуют проприетарные расширения Cisco для этих протоколов – PVST и RapidPVST. Главной особенностью этих протоколов является создание отдельного экземпляра STP-процесса для каждого VLAN в сети.

Помимо развертывания протокола RSTP одним из наилучших способов уменьшения времени конвергенции протокола STP состоит в том, чтобы вообще исключить конвергенцию. Альтернативой протоколу RSTP может служить технология агрегирования каналов, в терминологии Cisco называемая EtherChannel. Агрегирование каналов позволяет решить две задачи - повысить пропускную способность канала, а также обеспечить резерв на случай выхода из строя одного из каналов. Суть технологии заключается в логическом объединении двух или более физических каналов связи в один логический.

Для агрегирования каналов на оборудовании Cisco может быть использован один из трёх вариантов:

Протокол LACP(LinkAggregationControlProtocol) - стандартный протокол динамической агрегации каналов связи.

Протокол PAgP(PortAggregationProtocol) - проприетарный протоколCisco, аналог LACP.

Статическое агрегирование без использования протоколов.

Так как LACP и PAgP решают одни и те же задачи (с небольшими отличиями по возможностям), то лучше использовать стандартный протокол, это позволит использовать агрегирование каналов в связке с оборудованием других производителей.

К преимуществам динамического агрегирования по протоколу LACP можно отнести согласование настроек с удаленной стороной, которое позволяет избежать ошибок и петель в сети. Также имеется поддержка standby-интерфейсов, которая позволяет агрегировать до 16-ти портов, 8 из которых будут активными, а остальные в режиме standby. Из недостатков можно выделить дополнительную задержку при поднятии агрегированного канала или изменении его настроек.

Напротив, статическое агрегирование не имеет дополнительной задержки при поднятии агрегированного канала, но также не имеет согласования настроек с удаленной стороной, что может привести к образованию петель в сети.

В качестве дополнительных настроек для коммутаторов, участвующих в действии протоколов STP и RSTP будут рассмотрены режимы PortFast и BPDU Guard.

Режим PortFastпозволяет коммутатору немедленно переводить порт в состояние пересылки после того, как порт становится физически активным, минуя все этапы выбора топологии STP и исключая состояния самообучения и прослушивания. Но единственными портами, в которых можно без опасений разрешить использование режима PortFast, являются те порты, в отношении которых известно, что к ним не подключены какие-либо мосты, коммутаторы или другие устройства, участвующие в работе протокола STP. Режим PortFast в наибольшей степени подходит для соединения с устройствами конечных пользователей. Если режим PortFast установлен в портах, подключенных к устройствам конечных пользователей, то сразу после загрузки персонального компьютера конечного пользователя порт коммутатора может переходить в состояние пересылки протокола STP и перенаправления трафика. Если же режим PortFast не применяется, то каждый порт должен ожидать подтверждения коммутатором того, что этот порт является назначенным, а затем ожидать завершения времени пребывания интерфейса в переходных состояниях прослушивания и самообучения, прежде чем перейти в состояние пересылки.

Технология BPDU Guard, предусмотренная компаниейCiscoзащищает неизменность топологии сети, а главное препятствует злоумышленникам подключать устройства с низким приоритетом, чтобы заставить остальных коммутаторов думать, что в сети появился новый корневой коммутатор и перестроить всю топологию относительно атакующего устройства. Действие технологии заключается в следующем: происходит отключение порта при обнаружении ситуации, в которой через пользовательский порт поступают какие-либоBPDU-блоки. Таким образом, данное средство безопасности становится особенно полезным применительно к портам, которые должны служить исключительно в качестве портов доступа (access-порты) и ни в коем случае не подключаться к другим коммутаторам. Кроме того, средствоBPDUGuardчасто используется в том же интерфейсе, в котором разрешен режимPortFast, поскольку порт с разрешенным режимомPortFastсразу после включения переходит в состояние пересылки, поэтому вероятность перенаправления через него кадров и создания кольцевых маршрутов повышается.