индекса таблицы, в которой ищет, на какие порты передать фрейм. Но откуда берется эта таблица? Если она разрабатывается вручную, это означает возврат в исходную точку: ручное конфигурирование мостов. Вся прелесть прозрачности мостов состоит в том, что они настраиваются автоматически и не требуют никакого вмешательства извне. Было бы ужасно жаль потерять это свойство. К счастью, мосты для виртуальных сетей также настраиваются сами в зависимости от тегов входящих фреймов. Если фрейм, помеченный как VLAN 4, приходит на порт 3, это означает, что одна из станций, подключенных к этому порту, находится внутри VLAN 4. Стандарт 802.1Q вполне четко поясняет, как строятся динамические таблицы, преимущественно ссылаясь на соответствующие части стандарта 802.1D.

Прежде чем завершить обсуждение маршрутизации VLAN, отметим следующее. Многие пользователи интернета и Ethernet весьма привязаны к сетям без установления соединения и активно выступают против любых систем, в которых есть хотя бы намек на соединение на сетевом или канальном уровне. Однако в виртуальных сетях есть кое-что, сильно напоминающее установку соединения. Работа VLAN невозможна без идентификатора в каждом фрейме. Он используется как индекс таблицы в коммутаторе, чтобы определить дальнейший путь фрейма. Именно это и происходит в сетях, ориентированных на установление соединения. В системах без установления соединения маршрут определяется с помощью адреса назначения, а не идентификатора. Мы подробнее обсудим эту тенденцию в главе 5.

4.8. Резюме

В некоторых сетях для любой связи используется единственный канал. При их разработке основной проблемой является распределение этого канала между конкурирующими станциями, желающими им воспользоваться. Самые простые и эффективные схемы распределения при небольшом количестве станций и постоянном трафике — это FDM и TDM. Оба метода широко применяются, например, для разделения полосы пропускания телефонных магистралей. При большом и непостоянном числе станций или при трафике, создающем периодическую пиковую нагрузку (типичный случай для компьютерных сетей), FDM и TDM не подходят.

Существует несколько алгоритмов динамического распределения каналов. Многочисленные варианты протокола ALOHA (чистого или дискретного) используются в реальных системах (например, в сетях DOCSIS). Его усовершенствование — возможность прослушивать состояния канала. Станции могут отказываться от передачи, если слышат, что канал занят другой станцией. Применение метода контроля несущей привело к созданию различных CSMA-протоколов для LAN и MAN. Это основа сетей классического Ethernet и 802.11.

Уже много лет широко применяется класс протоколов, который полностью устраняет или, по крайней мере, снижает конкуренцию за канал. Протокол битовой карты, протокол с двоичным обратным отсчетом и протоколы на базе маркерных колец полностью исключают конкуренцию, а протокол адаптивного дерева — снижает. Он динамически делит станции на две непересекающиеся группы разного размера и разрешает состязание только внутри группы. В идеале группа формируется так, чтобы только одна станция была готова к передаче, когда это разрешено. Современные версии протоколов подуровня MAC, включая DOCSIS и Bluetooth, явно стремятся к устранению конкуренции, выделяя интервалы передачи каждому отправителю.

В беспроводных LAN возникают дополнительные проблемы. В них сложно выявлять коллизии, а у станций могут различаться зоны покрытия. Станции IEEE 802.11 (доминирующей беспроводной LAN) применяют CSMA/CA, оставляя небольшие интервалы, чтобы избежать коллизий и решить первую проблему. Для решения проблемы скрытой станции используется протокол RTS/CTS. Однако этот метод приводит к большим накладным расходам из-за проблемы засвеченной станции, которая особенно остро проявляется в ситуациях с большим числом радиоустройств.

Многие станции избегают конкуренции путем использования механизмов выбора канала. IEEE 802.11 обычно применяется для подключения ноутбуков и других устройств к беспроводным точкам доступа, а также для соединения самих устройств. Можно использовать любой из нескольких физических уровней, в том числе многоканальный FDM с несколькими антеннами (или без них), и расширение спектра. Современные версии стандарта 802.11 содержат функции безопасности на канальном уровне, в том числе поддержку аутентификации, а также расширенные возможности кодирования, позволяющие передавать данные с использованием технологии MIMO.

Ethernet является основной технологией проводных LAN. Классический Ethernet использовал CSMA/CD для распределения канала в желтом кабеле толщиной с садовый шланг, который тянулся от одного компьютера к другому. Архитектура изменилась, скорости увеличились с 10 Мбит/с до 1 Гбит/с и продолжают расти. Теперь двухточечные линии, такие как витая пара, присоединяются к концентраторам и коммутаторам. Современные коммутаторы и полнодуплексные каналы исключают конкуренцию — коммутатор может передавать фреймы между различными портами параллельно.

Когда в здании много локальных сетей, нужен способ для их объединения. Для этого используются plug-and-play-устройства — мосты. При построении мостов применяются алгоритмы обратного обучения и связующего дерева. Как только этот функционал был добавлен в современные коммутаторы, термины «мост» и «коммутатор» стали синонимами. Чтобы упростить управление LAN с мостами, были созданы VLAN, которые позволили отделить физическую топологию от логической. В стандарте IEEE 802.1Q, разработанном для VLAN, был введен новый формат Ethernet-фреймов.

Вопросы и задачи

1. Для решения задачи используйте формулу, приведенную в данной главе, записав ее в общем виде. Фреймы для передачи произвольно приходят на 100-мегабитный канал. Если канал занят, фрейм ставится в очередь. Длина фрейма распределяется по экспоненциальному закону с математическим ожиданием, равным 10 000 бит/фрейм. Для каждой из приведенных ниже скоростей получения фреймов вычислите задержку (включая время ожидания в очереди и время передачи) фрейма средней длины:

а) 90 фреймов/с;

б) 900 фреймов/с;

в) 9000 фреймов/с.

2. N станций совместно используют канал чистой системы ALOHA, работающий со скоростью 56 Кбит/с. Каждая станция передает 1000-битный фрейм в среднем каждые 100 с, даже если предыдущий фрейм еще не был передан (например, станции могут буферизовать исходящие фреймы). Каково максимальное значение N?

3. Десять тысяч систем бронирования авиабилетов конкурируют за доступ к каналу дискретной системы ALOHA. В среднем, каждая станция делает 18 запросов в час. Каждый слот составляет 125 мкс. Приблизительно оцените общую нагрузку канала.

4. Оценка загруженности канала дискретной системы ALOHA с бесконечным количеством пользователей показала, что 10 % слотов не используется.

а) Какова при этом нагрузка канала G?

б) Какова пропускная способность?

в) Канал недогружен или перегружен?

5. Самая низкая максимальная пропускная способность достигается при использовании чистой системы ALOHA, а самая высокая — при использовании CSMA с настойчивостью 0,01 (см. илл. 4.4). Для ее повышения каждый протокол идет на некоторые компромиссы, например обеспечивает расширенную аппаратную поддержку или увеличивает время ожидания. Расскажите, на какие компромиссы идут протоколы, представленные на илл. 4.4.

6. Какова длина слота конкуренции в CSMA/CD для:

а) 2-километрового двухпроводного кабеля (скорость распространения сигнала составляет 82 % скорости распространения сигнала в вакууме);

б) 40-километрового многомодового оптоволоконного кабеля (скорость распространения сигнала составляет 65 % скорости распространения сигнала в вакууме)?

7. Как долго станция