Konstrukcja sieci LAN uległa ewolucji. Do niedawna projektanci tworzyli sieci koncentratorów i mostów. Obecnie kluczowymi składnikami sieci LAN są przełączniki i routery, a wydajność i możliwości tych urządzeń stale się zwiększają.
Do niedawna w większości sieci Ethernet używano Hub'ów. Gdy zbyt wiele urządzeń znajdowało się w tym samym segmencie sieci, wydajność sieci spadała. Dlatego konstruktorzy sieci dodawali mosty, tworząc wiele domen kolizyjnych. W miarę rozrostu sieci i coraz większej ich złożoności mosty przekształcały się we współczesne przełączniki, które umożliwiają mikrosegmentację sieci. Współczesne sieci są oparte na przełącznikach i routerach, przy czym często obie funkcje realizuje jedno urządzenie.
Wiele dzisiejszych przełączników może wykonywać zróżnicowane, złożone zadania w sieci. Przełączniki i mosty wykonują większość ciężkiej pracy w sieciach LAN, gdzie muszą podejmować niemal natychmiastowe decyzje w momencie otrzymania ramki.
Przełączniki są urządzeniami warstwy 2, służącymi do zwiększania dostępnej przepustowości i zmniejszania przeciążenia sieci. Przełącznik umożliwia segmentację sieci LAN na mikrosegmenty, które są segmentami zawierającymi tylko po jednym hoście. Mikrosegmentacja umożliwia utworzenie wielu domen bezkolizyjnych z jednej dużej domeny. Jako urządzenie warstwy 2 przełącznik LAN zwiększa liczbę domen kolizyjnych, ale wszystkie podłączone do niego hosty są nadal częścią jednej domeny rozgłoszeniowej.
Najwcześniejsze technologie sieci LAN wykorzystywały infrastrukturę sieci thick Ethernet lub thin Ethernet. Dodanie koncentratorów do sieci pozwoliło ulepszyć technologie thick Ethernet i thin Ethernet. Koncentrator jest urządzeniem sieciowym warstwy 1. Czasami jest nazywany hubem lub wieloportowym wtórnikiem. Koncentratory zapewniają wielu użytkownikom lepszy dostęp do sieci. Regeneracja sygnałów danych umożliwia rozszerzenie sieci na większe odległości. Koncentratory osiągają to przez regenerację sygnału danych. Nie podejmują one żadnych decyzji w momencie odebrania sygnału. Koncentratory jedynie regenerują i wzmacniają sygnały danych oraz przesyłają je do wszystkich podłączonych urządzeń z wyjątkiem tego, które wysłało sygnał.
Sieć Ethernet jest w założeniu siecią współużytkowaną, w której wszyscy użytkownicy w danym segmencie sieci LAN współzawodniczą o tą samą dostępną przepustowość. Występuje tu analogia do sytuacji, gdy kilka samochodów próbuje jednocześnie wjechać na drogę jednopasmową. Ponieważ istnieje tylko jedno pasmo, w danym momencie może na nie wjechać tylko jeden samochód. W miarę dodawania do sieci koncentratorów coraz więcej użytkowników współzawodniczy o tę samą przepustowość.
Kolizje są efektem ubocznym występującym w sieciach Ethernet. Jeśli co najmniej dwa urządzenia próbują wysyłać dane jednocześnie, następuje kolizja. Jest to sytuacja analogiczna do takiej, w której dwa samochody próbują jednocześnie wjechać na jedno pasmo i powodują zderzenie. Do momentu ustąpienia kolizji ruch zostaje wstrzymany. Nadmierna liczba kolizji w sieci powoduje wydłużenie czasu reakcji sieci. Oznacza to, że sieć jest przeciążona lub zbyt wielu użytkowników próbuje jednocześnie uzyskać do niej dostęp.
Urządzenia warstwy 2 są bardziej inteligentne od urządzeń warstwy 1. Urządzenia warstwy 2 podejmują decyzje o przesyłaniu na podstawie adresów kontroli dostępu do medium MAC zawartych w nagłówkach przesyłanych ramek z danymi.
Most jest urządzeniem warstwy 2, które służy do dzielenia, czyli segmentacji sieci. Mosty zbierają i selektywnie przesyłają ramki danych między dwoma segmentami sieci. W tym celu muszą znać adresy MAC urządzeń w każdym podłączonym segmencie. Mając te informacje, most tworzy tabelę mostowania i na jej podstawie przekazuje lub blokuje ruch. Wynikiem tego są mniejsze domeny kolizyjne i większa wydajność sieci. Mosty nie ograniczają ruchu rozgłaszania. Zapewniają one jednak większą kontrolę nad ruchem w sieci.
Przełącznik jest również urządzeniem warstwy 2 i można go określić mianem wieloportowego mostu. Przełączniki podejmują decyzje o przesyłaniu na podstawie adresów MAC zawartych w przesyłanych ramkach z danymi. Przełączniki uzyskują adresy MAC podłączonych do każdego portu urządzeń i wprowadzają tę informację do tabeli przełączania.
Następnie tworzą one obwód wirtualny między dwoma podłączonymi urządzeniami, które chcą się ze sobą komunikować. Po utworzeniu obwodu wirtualnego ustanawiana jest dedykowana ścieżka komunikacyjna między dwoma urządzeniami. Zastosowanie przełącznika w sieci umożliwia mikrosegmentację. Zapewnia to bezkolizyjne środowisko między nadawcą i odbiorcą, dzięki któremu dostępna przepustowość jest wykorzystana w maksymalnym stopniu. Przełączniki ułatwiają tworzenie wielu jednoczesnych połączeń za pomocą obwodów wirtualnych. Występuje tu analogia do autostrady podzielonej na wiele pasm, na której każdy samochód ma własne, wydzielone pasmo.
Wadą urządzeń warstwy 2 jest fakt, że przekazują one ramki rozgłoszeniowe do wszystkich urządzeń podłączonych do sieci. Nadmierna ilość pakietów rozgłoszeniowych w sieci powoduje wydłużenie czasu reakcji sieci.
Router jest urządzeniem warstwy 3. Routery podejmują decyzje na podstawie grup adresów sieciowych, czyli klas, a nie na podstawie pojedynczych adresów MAC. Korzystają one z tablic routingu, w których zapisują adresy warstwy 3 sieci bezpośrednio podłączonych do lokalnych interfejsów oraz ścieżki do sieci uzyskane od sąsiednich routerów.
Poniżej przedstawiono funkcje routera:
Routery nie przesyłają rozgłaszania, chyba że zostaną specjalnie do tego celu zaprogramowane. Dlatego zmniejszają one wielkość zarówno domen kolizyjnych, jak i domen rozgłoszeniowych w sieci. Są one najważniejszymi urządzeniami regulującymi ruch w dużych sieciach. Zapewniają komunikację między dwoma dowolnymi komputerami niezależnie od ich położenia lub systemu operacyjnego.
W sieciach LAN zazwyczaj stosuje się kombinację urządzeń warstw 1, 2 i 3. Na sposób wykorzystania tych urządzeń mają wpływ czynniki zależne od konkretnych potrzeb organizacji.
Dzisiejsze sieci LAN są coraz bardziej przeciążone. Oprócz dużej liczby użytkowników sieci niektóre inne czynniki w połączeniu ze sobą wystawiają ograniczenia tradycyjnych sieci LAN na próbę:
Ethernet jest technologią polegającą na przesyłaniu informacji przez rozgłaszanie. Dzięki tej technologii takie urządzenia sieciowe, jak komputery, drukarki i serwery plików, mogą komunikować się ze sobą za pośrednictwem współużytkowanego nośnika. Na wydajność sieci LAN wykorzystującej technologię Ethernet/802.3 ze współużytkowanym nośnikiem mogą ujemnie wpływać następujące czynniki:
W sieciach Ethernet jest używany mechanizm CSMA/CD i mogą one obsługiwać duże prędkości transmisji. Sieci Fast Ethernet, inaczej 100BASE-T, zapewniają szybkość transmisji do 100 Mb/s. Sieci Gigabit Ethernet zapewniają szybkość transmisji do 1000 Mb/s, a sieć 10-Gigabit Ethernet do 10 000 Mb/s. Celem sieci Ethernet jest zapewnienie usług dostarczania danych z dołożeniem wszelkich starań oraz umożliwienie wszystkim urządzeniom podłączonym do współużytkowanego nośnika przesyłania danych na jednakowych zasadach. Projekt sieci Ethernet oraz mechanizmu CSMA/CD uwzględnia występowanie pewnej liczby kolizji. Kolizje, które są naturalnym aspektem sieci Ethernet, mogą stać się poważnym problemem.
Początkowo sieci Ethernet pracowały w technologii półdupleksu. Półdupleks umożliwia hostom w danym momencie wysyłanie lub odbieranie informacji, ale nie wysyłanie i odbieranie jednocześnie. Zanim host wyśle kolejne dane, sprawdza, czy w sieci nie są w tym momencie wysyłane inne dane. Jeśli sieć jest zajęta, transmisja zostaje odroczona. Mimo odraczania transmisji może dojść do wysyłania informacji przez kilka hostów jednocześnie. Rezultatem tego jest kolizja. Gdy tak się stanie, host, który pierwszy wykryje kolizję, wysyła sygnał o zatorze do innych hostów. Po odebraniu tego sygnału hosty przerywają wysyłanie danych, a następnie oczekują przez losowo wybrany czas, zanim ponowią transmisję. Opóźnienie to jest generowane przez algorytm odczekiwania. W miarę dodawania do sieci kolejnych hostów, które wysyłają dane, zwiększa się prawdopodobieństwo kolizji.
Sieci Ethernet zapełniają się, ponieważ użytkownicy uruchamiają oprogramowanie intensywnie korzystające z sieci, na przykład aplikacje klient-serwer, które powodują, że hosty przesyłają dane częściej i przez dłuższe okresy. Karta sieciowa NIC używana przez urządzenia pracujące w sieci LAN udostępnia kilka obwodów umożliwiających komunikację między urządzeniami.
Postęp technologiczny sprawia, że komputery klasy desktop i stacje robocze są coraz szybsze i bardziej inteligentne. Wydajniejsze systemy i aplikacje intensywnie korzystające z sieci stwarzają potrzebę zwiększenia przepustowości, inaczej szerokości pasma, sieci. Wszystkie te czynniki powodują duże obciążenie sieci o przepustowości 10 Mb/s, dlatego obecnie wiele sieci LAN obsługuje przepustowość 100 Mb/s.
Następujące rodzaje danych multimedialnych mają wpływ na zwiększenie strumieni transmisji w sieciach:
Uległa także zwiększeniu liczba użytkowników sieci. W miarę, jak coraz więcej osób używa sieci, udostępniając większe pliki, korzystając z serwerów plików i łącząc się z Internetem, pojawiają się przeciążenia sieci. Powoduje to wydłużenie czasu reakcji i przesyłania plików oraz zmniejszenie efektywności pracy użytkowników. Aby zlikwidować przeciążenia, konieczna jest większa przepustowość lub efektywniejsze wykorzystanie dostępnej przepustowości.
Opóźnienie jest to czas, w jakim ramka lub pakiet są przesyłane ze stacji źródłowej do punktu docelowego. W sieciach LAN i WAN istotne jest obliczenie łącznego opóźnienia ścieżki między nadawcą a odbiorcą. W konkretnym przypadku sieci Ethernet ważne jest zrozumienie opóźnienia i jego wpływu na zależności czasowe w sieci, gdyż umożliwia ono określenie, czy mechanizm CSMA/CD będzie działał prawidłowo.
Opóźnienie ma co najmniej trzy przyczyny:
Opóźnienie nie wynika wyłącznie z odległości czy liczby urządzeń. Na przykład, jeśli dwie stacje robocze są oddzielone od siebie przez trzy prawidłowo skonfigurowane przełączniki, opóźnienie może być mniejsze niż w przypadku dwóch oddzielających je prawidłowo skonfigurowanych routerów. Dzieje się tak dlatego, że routery realizują bardziej złożone i czasochłonne funkcje. Router musi analizować dane warstwy 3.
We wszystkich sieciach istnieje parametr zwany czasem trwania bitu lub czasem trwania szczeliny. W większości technologii sieci LAN, w tym również w sieciach Ethernet, czas trwania bitu jest określany jako podstawowa jednostka czasu, w której można przesłać jeden bit. Aby urządzenia elektroniczne lub optyczne rozpoznawały dwójkową jedynkę lub zero, musi istnieć pewien okres, przez jaki bit jest włączony lub wyłączony.
Czas transmisji jest równy liczbie bitów do wysłania pomnożonej przez czas trwania bitu w danej technologii. O czasie transmisji można inaczej myśleć jako o czasie między początkiem a końcem transmisji ramki lub między początkiem transmisji ramki a kolizją. Małe ramki wymagają do przesłania mniej czasu. Duże ramki wymagają więcej czasu.
| Rozmiar ramki w bajtach | Czas transmisji w mikrosekundach |
| 64 | 51,2 |
| 512 | 410 |
| 1000 | 800 |
| 1518 | 1214 |
W każdej sieci Ethernet 10 Mb/s okno transmisji wynosi 100 ns. Jest to czas trwania bitu. Bajt składa się z ośmiu bitów, tak więc przesłanie 1 bajtu zajmuje co najmniej 800 ns. Czas transmisji ramki 64-bajtowej, która jest najmniejszą ramką 10BASE-T umożliwiającą prawidłowe funkcjonowanie techniki CSMA/CD, wynosi 51 200 ns, czyli 51,2 mikrosekundy. Wysłanie całej 1000-bajtowej ramki wymaga 800 mikrosekund. Czas, po którym ramka w rzeczywistości dociera do stacji docelowej, zależy od dodatkowego opóźnienia powodowanego przez sieć. Opóźnienie to może wynikać z wielu różnych opóźnień, między innymi następujących:
Odległość, na jaką może rozciągać się sieć LAN, jest ograniczona przez tłumienie. Tłumienie jest to słabnięcie sygnału w miarę jego wędrówki przez sieć. Rezystancja kabla lub nośnika, przez który sygnał jest przesyłany, powoduje utratę mocy sygnału. Hub w sieci Ethernet jest urządzeniem warstwy fizycznej, które wzmacnia, inaczej: regeneruje, sygnał. Po zastosowaniu Hub'a do wydłużenia odległości obsługiwanej przez sieć LAN jedna sieć może obejmować większy obszar, dzięki czemu może z niej korzystać więcej użytkowników. Dodawanie Hub'ów i koncentratorów zwiększa jednak problemy związane z rozgłaszaniem i kolizjami. Ma ono także negatywny wpływ na ogólną wydajność sieci LAN ze współużytkowanym nośnikiem.
Jednoczesne wysyłanie i odbieranie danych wymaga dwóch par przewodów w kablu oraz przełączanego połączenia pomiędzy poszczególnymi węzłami. Takie połączenie jest traktowane jak połączenie typu "punkt-punkt" i jest bezkolizyjne. Ponieważ oba węzły mogą nadawać i odbierać jednocześnie, nie muszą one negocjować wykorzystania przepustowości. Sieć Ethernet w trybie pełnego dupleksu może wykorzystywać istniejącą infrastrukturę przewodów pod warunkiem, że spełniają one minimalne standardy sieci Ethernet.
W celu jednoczesnego wysyłania i odbierania danych dla każdego węzła wymagany jest dedykowany port w przełączniku. Połączenia w trybie pełnego dupleksu mogą wykorzystywać nośniki 10BASE-T, 100BASE-TX lub 100BASE-FX do tworzenia połączeń typu "punkt-punkt". Karty sieciowe wszystkich podłączonych urządzeń muszą obsługiwać tryb pełnego dupleksu.
Przełącznik Ethernet obsługujący pełny dupleks wykorzystuje dwie pary przewodów w kablu i tworzy bezpośrednie połączenie między parą przewodów transmisji TX na jednym końcu obwodu z parą odbioru RX na drugim. Po połączeniu w ten sposób dwóch stacji tworzone jest środowisko bezkolizyjne, gdyż wysyłanie i odbiór danych odbywa się w oddzielnych obwodach, które nie przeszkadzają sobie nawzajem.
Kolizje i opóźnienia powodują, że sieć Ethernet zazwyczaj wykorzystuje jedynie 5060 procent dostępnej przepustowości 10 Mb/s. Sieć Ethernet w trybie pełnego dupleksu umożliwia wykorzystanie 100 procent przepustowości w obu kierunkach. Daje to potencjalną przepustowość 20 Mb/s, na którą składają się przepustowości: 10 Mb/s w kanale TX i 10 Mb/s w kanale RX.
Na rysunku przedstawiono przykładową posegmentowaną sieć Ethernet. Cała sieć składa się z piętnastu komputerów. Sześć z nich to serwery, a dziewięć - stacje robocze. Każdy segment korzysta z metody dostępu CSMA/CD i obsługuje ruch między użytkownikami segmentu. Każdy segment jest sam dla siebie domeną kolizyjną.
|
|
Segmentacja znacznie zmniejsza przeciążenie sieci w ramach poszczególnych segmentów. Podczas przesyłania danych wewnątrz segmentu znajdujące się w nim urządzenia korzystają wspólnie z całkowitej dostępnej przepustowości. Dane przesyłane między segmentami są przesyłane przez szkielet sieci za pomocą mostu, routera lub przełącznika.
Mosty są urządzeniami warstwy 2, które przesyłają ramki danych na podstawie adresów MAC. Aby określić, jakie urządzenia znajdują się w poszczególnych segmentach, mosty odczytują źródłowe adresy MAC w pakietach danych. Następnie adresy te służą do tworzenia tablicy mostowania. Dzięki temu mosty mogą blokować pakiety, których nie trzeba przekazywać dalej poza lokalny segment.
Mimo iż mosty są niewidoczne dla innych urządzeń w sieci, użycie mostu powoduje zwiększenie opóźnienia w sieci o 1030 procent. Większe opóźnienie wynika z decyzji, jakie most musi podjąć przed przekazaniem pakietu. Most jest uznawany za urządzenie zachowujące i przesyłające (store and forward). Przed przesłaniem ramki dalej most analizuje pole zawierające adres odbiorcy i oblicza kod cyklicznej kontroli nadmiarowej CRC podany w polu kodu kontrolnego ramki. Jeśli port docelowy jest zajęty, most tymczasowo zachowuje ramkę do momentu, gdy będzie on wolny.
|
Segmentacja sieci z wykorzystaniem routerów powoduje zwiększenie współczynnika opóźnienia o 2030 procent w stosunku do sieci przełączanej. Zwiększenie opóźnienia wynika z faktu, że router działa w warstwie sieciowej i do określenia najlepszej ścieżki do węzła docelowego używa adresu IP.
Mosty i przełączniki umożliwiają segmentację jednej sieci lub podsieci. Routery zapewniają połączenie między sieciami i podsieciami.
Poza tym nie przesyłają one ramek rozgłaszania, podczas gdy przełączniki i mosty muszą to robić
|
Przełączniki zmniejszają zużycie przepustowości i redukują występowanie "wąskich gardeł" w sieci, na przykład między wieloma stacjami roboczymi i zdalnym serwerem plików. Przełączniki dzielą sieci LAN na mikrosegmenty, co zmniejsza liczbę domen kolizyjnych. Wszystkie hosty podłączone do przełącznika należą jednak wciąż do tej samej domeny rozgłoszeniowej.
W przypadku w pełni przełączanej sieci Ethernet węzeł źródłowy i docelowy działają tak, jakby były jedynymi węzłami w sieci. Gdy nawiązują one połączenie, czyli ustanawiają obwód wirtualny, uzyskują one dostęp do maksymalnej dostępnej przepustowości. Łącza takie zapewniają znacznie większą przepustowość niż w sieciach LAN połączonych mostami lub koncentratorami. Wirtualny obwód sieciowy jest ustanawiany w przełączniku i istnieje tylko w czasie, gdy węzły komunikują się ze sobą.
|
Przełączanie jest technologią zmniejszającą przeciążenia w sieciach Ethernet, Token Ring i FDDI. Przełączniki zmniejszają liczbę domen kolizyjnych i ruch w sieci dzięki mikrosegmentacji. Umożliwia to efektywniejsze wykorzystanie dostępnego pasma i zwiększa przepustowość. Przełączniki w sieci LAN często zastępują koncentratory i są tak zaprojektowane, aby mogły korzystać z gotowej, istniejącej infrastruktury.
Poniżej wymieniono dwie podstawowe czynności wykonywane przez przełącznik:
Opóźnienie przełącznika jest to czas od dotarcia ramki do przełącznika do opuszczenia go przez nią. Opóźnienie jest bezpośrednio powiązane ze skonfigurowanym procesem przełączania oraz natężeniem ruchu.
Opóźnienie mierzy się w ułamkach sekundy. Urządzenia sieciowe pracują z wyjątkowo dużą szybkością, dlatego każda dodatkowa nanosekunda opóźnienia negatywnie wpływa na wydajność sieci.
Routery i przełączniki warstwy 3 przesyłają pakiet na podstawie adresów IP. Przełączniki sieci LAN, czyli przełączniki warstwy 2, przekazują ramki w oparciu o adresy MAC. Obecnie terminy "przełączanie w warstwie 3" i "routing" są stosowane zamiennie.
Ramki danych można przełączać na dwa sposoby: w warstwie 2 i w warstwie 3. Routery i przełączniki warstwy 3 do przełączania pakietów używają przełączania w warstwie 3. Przełączniki warstwy 2 i mosty do przesyłania ramek używają przełączania w warstwie 2.
Różnica między przełączaniem w warstwie 2 i w warstwie 3 dotyczy typu informacji znajdujących się w ramce, które są używane do określania prawidłowego interfejsu wyjściowego. Przełączanie w warstwie 2 jest oparte na adresach MAC. Przełączanie w warstwie 3 jest oparte na adresach warstwy sieciowej, czyli adresach IP. Charakterystyka i funkcje przełączników warstwy 3 oraz routerów wykazują wiele podobieństw. Jedyną istotną różnicą między routerem a przełącznikiem warstwy 3 jest fizyczna implementacja przełączania pakietów. W routerach ogólnego zastosowania przełączanie pakietów odbywa się programowo, z wykorzystaniem mikroprocesora, natomiast przełącznik warstwy 3 przekazuje pakiety z wykorzystaniem dedykowanych układów scalonych ASIC. Przełączanie w warstwie 2 polega na sprawdzeniu docelowego adresu MAC w nagłówku ramki i przekazaniu ramki do odpowiedniego interfejsu lub portu w oparciu o adres MAC wpisany w tablicy przełączania. Tablica przełączania przechowywana jest w pamięci asocjacyjnej CAM. Jeśli przełącznik warstwy 2 nie wie, gdzie wysłać ramkę, rozgłasza ją do wszystkich portów w sieci. Po odebraniu odpowiedzi przełącznik zapisuje nowy adres w pamięci CAM.
Przełączanie w warstwie 3 jest funkcją warstwy sieciowej. W jego przypadku analizowane są informacje zawarte w nagłówku warstwy 3, a pakiet jest przesyłany w oparciu o adres IP.
Ruch w sieci przełączanej, czyli sieci o strukturze płaskiej, różni się zasadniczo od ruchu w sieci routowanej, czyli hierarchicznej. Sieci hierarchiczne zapewniają bardziej elastyczny przepływ danych niż sieci o strukturze płaskiej.
Przełączanie w sieci LAN może być sklasyfikowane jako symetryczne lub asymetryczne w zależności od sposobu przydzielenia przepustowości do portów przełącznika. Przełącznik symetryczny zapewnia połączenia między portami o jednakowej prędkości. Asymetryczny przełącznik LAN zapewnia połączenia między portami o różnych prędkościach, na przykład umożliwiając zestawienie połączenia między portami 10 Mb/s i 100 Mb/s.
Przełączanie asymetryczne umożliwia przydzielenie większej przepustowości do portu przełącznika, do którego podłączony jest serwer, w celu zapobieżenia wąskim gardłom. Usprawnia to przepływ danych w sytuacji, gdy z serwerem komunikuje się wielu klientów jednocześnie. Przełącznik asymetryczny wymaga stosowania buforowania w pamięci. Zastosowanie buforów zapewnia ciągłość ramek między portami o różnej szybkości.
Przełącznik Ethernet może stosować technikę buforowania w celu przechowywania i przekazywania ramek. Technikę buforowania można także wykorzystać, gdy port docelowy jest zajęty. Obszar pamięci, w którym przełącznik przechowuje dane, nosi nazwę buforu. Stosuje się w nim dwie metody przesyłania ramek: buforowanie oparte na portach i buforowanie w pamięci współużytkowanej.
W przypadku buforowania opartego na portach ramki są przechowywane w kolejkach powiązanych z konkretnymi portami przychodzącymi. Ramka jest przesyłana do portu wychodzącego tylko wtedy, gdy wszystkie ramki znajdujące się przed nią w kolejce zostały z powodzeniem przesłane. Istnieje wtedy możliwość, że jedna ramka opóźni transmisję wszystkich ramek w pamięci z powodu zajętego portu docelowego. Opóźnienie to występuje nawet wtedy, gdy pozostałe ramki mogłyby zostać wysłane do wolnych portów docelowych.
Buforowanie w pamięci współużytkowanej powoduje umieszczanie wszystkich ramek we wspólnym buforze pamięci, z którego korzystają wszystkie porty przełącznika. Wymagana przez dany port ilość pamięci buforu jest przydzielana dynamicznie. Ramki w buforze są dynamicznie wiązane z portem docelowym. Umożliwia to odebranie pakietu na jednym porcie, a następnie wysłanie go do innego bez przenoszenia do innej kolejki.
Przełącznik przechowuje mapę połączeń ramek z portami zawierającą informacje, gdzie należy przesłać dany pakiet. Po pomyślnym przesłaniu ramki połączenie jest usuwane z mapy. Bufor w pamięci jest współużytkowany. Liczba ramek w nim przechowywanych jest ograniczona przez wielkość całego buforu pamięci, nie zaś jego części przeznaczonej dla pojedynczego portu. Umożliwia to przesyłanie większych ramek i zmniejsza liczbę ramek odrzuconych. Jest to istotne w przypadku przełączania asymetrycznego, gdzie ramki są przekazywane między portami o różnej szybkości.
Dostępne są następujące dwa tryby przełączania umożliwiające przekazywanie ramek:
Poniżej opisano dwa rodzaje przełączania "cut-through":
Opóźnienie poszczególnych trybów przełączania zależy od sposobu przesyłania ramek przez przełącznik. Aby uzyskać szybsze przesyłanie ramek, przełącznik skraca czas kontroli błędów. Może to jednak prowadzić do większej liczby ponownych transmisji.
Przełącznik jest urządzeniem, które łączy segmenty sieci LAN, używając tablicy adresów MAC do określenia segmentu, do którego należy przesłać ramkę. Zarówno przełączniki, jak i mosty działają w warstwie 2 modelu OSI.
Przełączniki noszą czasami nazwę mostów wieloportowych lub koncentratorów przełączających. Przełączniki podejmują decyzje na podstawie adresów MAC, dlatego są urządzeniami warstwy 2. W odróżnieniu od nich koncentratory regenerują sygnały warstwy 1 ze wszystkich portów bez podejmowania jakichkolwiek decyzji. Ponieważ przełącznik ma możliwość wyboru ścieżki, taka sieć LAN staje się znacznie wydajniejsza. Zazwyczaj w sieci Ethernet stacje są połączone bezpośrednio z przełącznikiem. Przełączniki dowiadują się, które hosty są podłączone do danego portu, odczytując źródłowe adresy MAC w ramkach. Przełącznik zestawia obwód wirtualny tylko między węzłem źródłowym i docelowym. Powoduje to ograniczenie komunikacji tylko do tych dwóch portów i nie wpływa na ruch przez pozostałe porty. Z kolei koncentrator wysyła wszystkie dane przez wszystkie porty, przez co każdy host odbiera dane i musi je przetworzyć, nawet jeśli nie były one dla niego przeznaczone. Sieci LAN o wysokiej wydajności są zazwyczaj w całości przełączane.
Aby skutecznie przełączać ramki między interfejsami, przełącznik używa tablicy adresów. Gdy przełącznik odbiera ramkę, przypisuje on adres MAC stacji wysyłającej do interfejsu, przez który ramka została odebrana.
Główne zadania przełączników Ethernet polegają na:
Pierwsza funkcja, izolacja ruchu między segmentami, zapewnia większą ochronę hostów w sieci. Każdy segment korzysta z metody dostępu CSMA/CD do obsługi przepływu danych między użytkownikami segmentu. Taka segmentacja umożliwia wielu użytkownikom wysyłanie informacji jednocześnie do różnych segmentów bez spowalniania sieci.
Podział sieci na segmenty powoduje, że mniejsza liczba użytkowników i/lub urządzeń korzysta z tej samej przepustowości, komunikując się ze sobą. Każdy z segmentów ma swoją domenę kolizyjną. Przełączniki Ethernet filtrują ruch, przekierowując datagramy do właściwego portu lub portów w oparciu o adresy MAC warstwy 2.
Druga funkcja nosi nazwę mikrosegmentacji. Mikrosegmentacja umożliwia utworzenie dedykowanych segmentów sieciowych, w których na segment przypada po jednym hoście. Każdy host uzyskuje dostęp do pełnej przepustowości i nie musi współzawodniczyć o nią z innymi hostami. W takiej sytuacji intensywnie używane serwery można podłączyć do pojedynczych łączy 100 Mb/s. W dzisiejszych sieciach przełącznik Fast Ethernet obsługuje szkielet sieci LAN, natomiast koncentratory Ethernet, przełączniki Ethernet lub koncentratory Fast Ethernet zapewniają połączenia systemom klasy desktop w grupach roboczych. W miarę wzrostu popularności nowych aplikacji obsługujących dane multimedialne i wideokonferencje niektóre pojedyncze komputery klasy desktop będą miały dedykowane połączenia 100 Mb/s z siecią.
Mosty i przełączniki przesyłają tylko te ramki, które muszą przejść z jednego segmentu sieci LAN do innego. Aby móc zrealizować to zadanie, muszą one dowiedzieć się, jakie urządzenia są podłączone do poszczególnych segmentów sieci LAN.
Most uznawany jest za urządzenie inteligentne, ponieważ podejmuje decyzje w oparciu o adresy MAC. W tym celu most odwołuje się do tablicy adresów. Po włączeniu mostu wysyła on komunikaty rozgłoszeniowe żądające odpowiedzi od wszystkich stacji w lokalnym segmencie sieci. W miarę jak stacje odpowiadają na ten komunikat, most zestawia tablicę adresów lokalnych. Proces ten nosi nazwę uczenia się.
Mosty i przełączniki uczą się adresów w następujący sposób:
W ten sposób most lub przełącznik uczy się, jakie adresy należą do urządzeń podłączonych do poszczególnych portów.
Poznane adresy oraz powiązane z nimi porty lub interfejsy są przechowywane w tablicy adresów. Most analizuje adresy docelowe wszystkich odebranych ramek, a następnie w tablicy adresów wyszukuje adres odbiorcy.
Tablica przełączania jest przechowywana w pamięci asocjacyjnej CAM. Jest to rodzaj pamięci o krótkim czasie dostępu. Pamięć CAM jest wykorzystywana w przełącznikach do realizacji następujących funkcji:
Pamięć CAM przechowuje adresy MAC hostów i powiązane z nimi numery portów. Pamięć CAM porównuje odebrane adresy MAC odbiorców z zawartością tablicy. Jeśli zostanie znaleziony pasujący adres, pamięć CAM podaje numer portu, a mechanizm routingu przesyła pakiet do odpowiedniego portu i adresu.
Przełącznik Ethernet może poznać adres każdego urządzenia w sieci, odczytując adres źródłowy każdej wysłanej ramki i zapisując port, przez który ramka została odebrana. Następnie przełącznik dodaje tę informację do bazy danych przesyłania. Uczenie się adresów ma charakter dynamiczny. Oznacza to, że w miarę odczytywania nowych adresów są one zapamiętywane i zapisywane w pamięci CAM. Jeśli brak w niej danego adresu nadawcy, zostaje on zapamiętany i zapisany w celu przyszłego użycia.
Każdorazowo podczas zapisywania adresu zostaje również zapisany znacznik czasowy. Dzięki temu adresy mogą być przechowywane przez określony czas. Za każdym razem, gdy następuje odwołanie do adresu lub jest on zapisywany w pamięci CAM, otrzymuje on nowy znacznik czasowy. Adresy, do których przez ustalony czas nie następuje odwołanie, są usuwane z listy. Dzięki usuwaniu starych adresów w pamięci CAM znajduje się dokładna i funkcjonalna baza danych przesyłania.
Pamięć CAM realizuje następujące procesy:
Jeśli adres zostanie odnaleziony w tablicy adresów i nie jest powiązany z portem, przez który został odebrany, most przesyła ramkę do portu powiązanego z tym adresem.
Większość mostów jest w stanie filtrować ramki w oparciu o dowolne pole ramki warstwy 2. Na przykład można zaprogramować most, aby odrzucał wszystkie ramki pochodzące z określonej sieci. Ponieważ informacje warstwy łącza często zawierają odwołanie do protokołu wyższej warstwy, mosty mogą zazwyczaj dokonywać filtrowania na podstawie tego parametru. Co więcej, filtry mogą być przydatne w celu pozbycia się zbędnych pakietów rozgłaszania i rozsyłania grupowego.
Gdy most utworzy lokalną tablicę adresów, może zacząć działać. Po odebraniu ramki analizuje on adres docelowy. Jeśli jest on lokalny, most go ignoruje. Jeśli ramka jest przeznaczona dla innego segmentu sieci LAN, most kopiuje ją do tego segmentu.
Podstawowe filtrowanie polega na pozostawieniu lokalnych ramek w lokalnym segmencie i wysłaniu zdalnych do innego segmentu sieci LAN.
Filtrowanie według konkretnych adresów nadawcy i odbiorcy umożliwia wykonanie następujących czynności:
Oba rodzaje filtrowania zapewniają pewien poziom kontroli nad ruchem w intersieci i mogą zwiększyć poziom bezpieczeństwa.
Większość mostów sieci Ethernet potrafi filtrować ramki rozgłaszania i rozsyłania grupowego. Mosty i przełączniki, które potrafią filtrować ramki na podstawie adresów MAC, mogą także służyć do filtrowania ramek Ethernet z adresami rozgłaszania i rozsyłania grupowego. Filtrowanie to osiąga się poprzez implementację mechanizmu wirtualnych sieci lokalnych VLAN. Sieci VLAN umożliwiają administratorom zapobieganie przesyłaniu niepotrzebnych komunikatów rozgłaszania i rozsyłania grupowego przez sieć. Zdarza się, że urządzenie ulegnie awarii i będzie w sposób ciągły wysyłało ramki rozgłaszania do całej sieci. Zjawisko takie nosi nazwę burzy rozgłoszeń i może znacząco zmniejszyć wydajność sieci. Most będący w stanie filtrować ramki rozgłaszania zmniejsza negatywny wpływ burzy rozgłoszeń. Obecnie mosty potrafią także prowadzić filtrowanie w oparciu o protokół warstwy sieci. W ten sposób zaciera się granica między mostami a routerami. Router działa w warstwie sieci, kierując ruchem w sieci za pomocą protokołu routingu. Most oferujący zaawansowane funkcje filtrowania bywa często zwany brouterem (bridge+router). Broutery realizują filtrowanie na podstawie informacji warstwy sieci, nie korzystają jednak z protokołu routingu.
Istnieją dwa podstawowe powody segmentowania sieci LAN. Pierwszym jest izolacja ruchu między segmentami. Drugim powodem jest udostępnienie każdemu użytkownikowi większej przepustowości przez utworzenie mniejszych domen kolizyjnych.
Bez segmentacji sieci LAN większe niż mała grupa robocza mogłyby szybko ulec zapchaniu ruchem i kolizjami.
Segmentację sieci LAN można uzyskać, wykorzystując mosty, przełączniki i routery. Każde z tych urządzeń ma swoje wady i zalet.
Przez dodanie tych urządzeń sieć LAN zostaje posegmentowana na pewną liczbę mniejszych domen kolizyjnych.
Dzięki podziałowi dużych sieci na samodzielne jednostki mosty i przełączniki zapewniają wiele korzyści. Zmniejszają one ruch obserwowany przez urządzenia we wszystkich podłączonych segmentach, gdyż tylko pewna część ruchu jest przesyłana dalej. Zmniejszają one także domenę kolizyjną, nie zmniejszają jednak domeny rozgłoszeniowej.
Każdy interfejs routera połączony jest z oddzielną siecią. Dlatego wstawienie routera do sieci LAN powoduje zmniejszenie domen kolizyjnych i domen rozgłoszeniowych. Dzieje się tak dlatego, że routery nie przesyłają pakietów rozgłoszeniowych, chyba że zostaną specjalnie do tego celu zaprogramowane.
W celu zmniejszenia domeny kolizyjnej w sieci przełączniki stosują "mikrosegmentację". Odbywa się to poprzez utworzenie dedykowanych segmentów sieci, czyli połączeń typu "punkt-punkt". Przełącznik łączy w sobie te segmenty w sieć wirtualną.
Taki obwód sieci wirtualnej istnieje tylko wtedy, gdy dwa węzły muszą komunikować się ze sobą. Nosi on nazwę obwodu wirtualnego, gdyż istnieje tylko w czasie, gdy jest potrzebny, i ustanawiany jest wewnątrz przełącznika.
Przełączniki LAN są uznawane za mosty wieloportowe bez domeny kolizyjnej, co wynika z mikrosegmentacji. Dane są wymieniane z dużą szybkością dzięki przełączaniu ramki do miejsca docelowego. Odczytując docelowe adresy MAC warstwy 2, przełącznik może zapewnić transfer danych z podobną szybkością jak most. Zmniejsza to opóźnienie i przyspiesza przesyłanie ramek.
Przełączanie w sieci Ethernet zwiększa dostępną w sieci przepustowość. Odbywa się to poprzez tworzenie dedykowanych segmentów sieci, czyli połączeń typu "punkt- punkt", a następnie łączenie ich w sieć wirtualną w przełączniku. Taki obwód sieci wirtualnej istnieje tylko wtedy, gdy dwa węzły muszą komunikować się ze sobą. Nosi on nazwę obwodu wirtualnego, gdyż istnieje tylko w czasie, gdy jest potrzebny, i ustanawiany jest wewnątrz przełącznika.
Mimo iż przełącznik LAN zmniejsza domeny kolizyjne, to wszystkie podłączone do niego hosty są nadal częścią jednej domeny rozgłoszeniowej. Dlatego wysłany z jednego węzła pakiet rozgłoszeniowy nadal będzie widoczny dla pozostałych węzłów podłączonych do przełącznika.
Przełączniki są urządzeniami warstwy łącza danych, które podobnie jak mosty umożliwiają połączenie wielu fizycznych segmentów sieci LAN w jedną większą sieć. Podobnie jak mosty, przełączniki LAN przekazują i routują rozpływowo ruch w sieci w oparciu o adresy MAC. Ze względu na to, że przełączanie odbywa się sprzętowo, a nie programowo, czynność ta jest znacznie szybsza. Każdy port przełącznika można uznać za mikro-most działający jak oddzielny most i udostępniający pełną przepustowość nośnika każdemu hostowi.
Kolizje mają miejsce, gdy dwa hosty jednocześnie wysyłają ramki. Gdy wystąpi kolizja, wysyłane ramki ulegają uszkodzeniu lub zniszczeniu. Host wysyłający przerywa dalszą transmisję na wybrany losowo okres czasu zgodny z regułami mechanizmu CSMA/CD dla standardu Ethernet 802.3. Nadmierna liczba kolizji może spowodować utratę funkcjonalności sieci.
Obszar sieci, z którego ramki pochodzą i w którym kolidują ze sobą, nosi nazwę domeny kolizyjnej. Wszystkie środowiska z nośnikiem współużytkowanym są domenami kolizyjnymi. Gdy host zostaje podłączony do portu przełącznika, ten ostatni tworzy dedykowane połączenie. Takie połączenie stanowi jedną domenę kolizyjną. Na przykład, jeśli do każdego portu dwunastoportowego przełącznika jest podłączone jakieś urządzenie, zostaje utworzonych dwanaście domen kolizyjnych.
Przełącznik tworzy tablicę przełączania, zapamiętując adresy MAC hostów podłączonych do każdego portu przełącznika. Gdy dwa połączone ze sobą hosty chcą się ze sobą komunikować, przełącznik sprawdza zawartość tabeli przełączania i ustanawia połączenie wirtualne między odpowiednimi portami. Obwód wirtualny jest utrzymywany do momentu zakończenia sesji.
Przełączniki zmniejszają liczbę kolizji i zwiększają przepustowość segmentów sieci, ponieważ zapewniają dedykowaną przepustowość dla każdego segmentu.
Najpowszechniejszym sposobem komunikowania się jest transmisja pojedyncza ( ang. unicast). W jej przypadku jeden nadajnik próbuje wysłać dane do jednego odbiornika.
Innym sposobem komunikowania się jest rozsyłanie grupowe (ang. multicast). Ma ono miejsce, gdy jeden nadajnik próbuje wysłać informacje do podzbioru urządzeń, grupy lub całego segmentu.
Ostatnim sposobem komunikowania się jest rozgłaszanie (ang. broadcast). Ma ono miejsce, gdy jeden nadajnik próbuje wysłać informacje do wszystkich odbiorników w sieci. Serwer wysyła komunikat, a wszystkie urządzenia w danym segmencie otrzymują go.
Gdy urządzenie próbuje wykonać rozgłaszanie w warstwie 2, docelowy adres MAC w ramce przyjmuje wartość złożoną z samych jedynek. W układzie szesnastkowym adres MAC złożony z samych jedynek wynosi FF:FF:FF:FF:FF:FF. Po ustawieniu tej wartości jako adresu odbiorcy wszystkie urządzenia będą akceptowały i przetwarzały taką rozgłaszaną ramkę.
Domena rozgłoszeniowa w warstwie 2 nosi nazwę domeny rozgłoszeniowej MAC. Domena rozgłoszeniowa MAC składa się ze wszystkich urządzeń w sieci LAN, które odbierają ramki rozgłaszane przez danego hosta do wszystkich urządzeń w tej sieci.
Przełącznik jest urządzeniem warstwy 2. Gdy przełącznik odbierze dane rozgłaszane, przekazuje je do każdego portu z wyjątkiem tego, przez które dane te dotarły do niego. Każde podłączone urządzenie musi przetworzyć ramkę rozgłaszania. Zmniejsza to wydajność sieci, ponieważ dostępna przepustowość jest wykorzystywana do rozgłaszania.
Po połączeniu dwóch przełączników domena rozgłoszeniowa ulega zwiększeniu.
W rezultacie dostępna przepustowość ulega zmniejszeniu. Dzieje się tak, ponieważ wszystkie urządzenia w domenie rozgłoszeniowej muszą odebrać tę ramkę i przetworzyć ją.
Routery są urządzeniami warstwy 3. Nie przesyłają one pakietów rozgłoszeniowych. Umożliwiają one segmentację zarówno domeny kolizyjnej, jak i domeny rozgłoszeniowej.
Gdy stacja robocza zostaje podłączona do sieci LAN, nie mają dla niej znaczenia inne podłączone do tego samego nośnika urządzenia. Po prostu wysyła ona ramki z danymi za pośrednictwem karty sieciowej do nośnika sieciowego.
Stacja robocza może być podłączona bezpośrednio do innej stacji za pomocą kabla krosowego. Kable krosowe służą do tworzenia następujących połączeń:
Kable proste służą do tworzenia następujących połączeń:
Przełączniki są urządzeniami warstwy 2, które w sposób inteligentny poznają adresy MAC urządzeń podłączonych do ich portów. Dane te zostają wprowadzone do tablicy przełączania. Gdy tablica taka jest gotowa, przełącznik może odczytać adres MAC odbiorcy z przychodzącej do portu ramki z danymi i natychmiast przesłać tę ramkę dalej. Dopóki urządzenie nie zacznie transmisji, przełącznik nie zna jego adresu MAC.
Przełączniki zapewniają znaczną skalowalność sieci i mogą być połączone ze sobą bezpośrednio.
Ethernet jest najczęściej używaną architekturą sieci LAN. Jest on wykorzystywany do przesyłania danych między urządzeniami w sieci. Początkowo sieci Ethernet pracowały w technologii półdupleksu. Półdupleks umożliwia hostom w danym momencie wysyłanie lub odbieranie informacji, ale nie wysyłanie i odbieranie jednocześnie. Gdy co najmniej dwa hosty w sieci Ethernet wysyłają jednocześnie dane przez nośnik współużytkowany, następuje kolizja. Czas, w jakim ramka lub pakiet przesyłane są ze stacji nadawcy do punktu docelowego, nosi nazwę opóźnienia. Istnieją trzy rodzaje opóźnienia: opóźnienie karty sieciowej, rzeczywiste opóźnienie propagacji oraz opóźnienie spowodowane przez konkretne urządzenia sieciowe.
Czas trwania bitu, inaczej szczelina czasowa, jest podstawową jednostką czasu, w której można wysłać JEDEN bit. Aby urządzenie rozpoznało dwójkową jedynkę lub zero, wymagany jest minimalny okres, w którym bit jest włączony lub wyłączony.
Tłumienie jest to słabnięcie sygnału w miarę jego wędrówki przez sieć. Ogranicza ono maksymalną odległość, jaką objąć może sieć LAN. Hub może wydłużyć tę odległość, ale ma on także ujemny wpływ na ogólną wydajność sieci.
Transmisję między dwiema stacjami w trybie pełnego dupleksu uzyskuje się dzięki wykorzystaniu połączeń Ethernet typu "punkt-punkt". Transmisja w trybie pełnego dupleksu zapewnia bezkolizyjne środowisko transmisji. Obie stacje mogą nadawać i odbierać jednocześnie, nie jest również potrzebna negocjacja przepustowości. Można wykorzystać istniejącą infrastrukturę przewodów, pod warunkiem, że spełniają one minimalne standardy sieci Ethernet.
Segmentacja polega na podziale sieci na mniejsze jednostki w celu zmniejszenia przeciążenia i zwiększenia bezpieczeństwa. W każdym segmencie ruch między użytkownikami odbywa się z wykorzystaniem metody dostępu CSMA/CD. Segmentacja za pomocą mostu warstwy 2 jest przezroczysta dla innych urządzeń sieciowych, ale znacznie zwiększa opóźnienia. Im więcej czynności wykonuje urządzenie sieciowe, tym większe opóźnienie wprowadza ono do sieci. Routery umożliwiają segmentację sieci, ale zwiększają współczynnik opóźnienia o 2030 procent w stosunku do sieci przełączanej. Zwiększenie opóźnienia wynika z faktu, że router działa w warstwie sieciowej i do określenia najlepszej ścieżki do węzła docelowego używa adresu IP. Przełącznik dzieli sieć LAN na mikrosegmenty, co zmniejsza wielkość domen kolizyjnych. Wszystkie hosty podłączone do przełącznika należą jednak wciąż do tej samej domeny rozgłoszeniowej.
Przełączanie jest technologią zmniejszającą przeciążenia w sieciach Ethernet, Token Ring i FDDI. Przełączanie jest procesem odbierania przychodzącej ramki na jednym interfejsie i dostarczania jej do drugiego interfejsu. Routery korzystają z przełączania w warstwie 3 do kierowania pakietów. Przełączniki korzystają z przełączania w warstwie 2 do przesyłania ramek. Przełącznik symetryczny zapewnia połączenia między portami o jednakowej prędkości. Asymetryczny przełącznik LAN zapewnia połączenia pomiędzy portami o różnych szerokościach pasma, na przykład 10 Mb/s i 100 Mb/s.
Bufor pamięci jest obszarem, w którym przełącznik przechowuje dane. Stosuje się w nim dwie metody przesyłania ramek: buforowanie oparte na portach i buforowanie w pamięci współużytkowanej.
Ramki mogą być przesyłane w jednym z dwóch trybów. Tryb "store-and-forward" polega na odbieraniu całej ramki przed przesłaniem jej dalej, natomiast w trybie "cut-through" ramka jest przesyłana w miarę jej odbierania, co powoduje zmniejszenie opóźnienia. Tryby "fast-forward" i "fragment-free" są dwoma rodzajami przesyłania w trybie "cut-through".