Koncepcia prepínania

4.1.2. Faktory, ktoré majú dopad na sieťový výkon

Multicastingové prostredie umožňuje simultánne sieťové transakcie. Klient – server aplikácie umožňujú administrátorom centralizovať informácie, lepšia správa a ochrana.

4.1.3.         Základy Ethernetových 802.3 sietí
Ethernet je použitý na transport dát medzi zariadeniami na sieti, tieto zariadenia predstavujú počítače, tlačiarne a súborové servery. Negatívne faktory Ethernetu 802.3:

1. rámce sú doručované broadcastovým spôsobom
2. naraz môže vysielať len jedna stanica
3. pri multimédiách z vyššími požiadavkami na šírku pásma môže dôjsť k preťaženiu linky
4. oneskorenie pri prechode paketu cez L1, L2 a L3
5. oneskorenie sa ešte zväčší pri prechode cez opakovač

The carrier sense multiple access/collision detect (CSMA/CD) – táto metóda umožňuje prenášať len jednej stanici v tom istom čase, istý počet kolízií je očakávaný.
4.1.4.         Siete s polovičným duplexom (half-duplex)

Z postupný vývinom technológií 10Mbps sieť nepostačovala, zvyšoval sa počet užívateľov, ktorí zdieľali väčšie súbory, pristupovali na súborové servery a pripájali sa na internet. Výsledkom bola pomalá sieť, užívatelia dosiahli nižšiu produktivitu, vznikla požiadavka na vyššiu prenosovú rýchlosť.
4.1.6. Oneskorenie v sieti
Oneskorenie je čas paketu alebo rámca potrebný na prechod od zdroja do cieľa. Zdroje oneskorenia:

1. čas potrebný na sieťovej karte na prijatie alebo poslanie impulzov, tzv. NIC oneskorenie, 1 microsekunda pri 10BASE-T
2. oneskorenie pri ceste cez kábel 0,556 microsekundy na 100m pri CAT 5 UTP
3. v závislosti od sieťového zariadenia, L1, L2 a L3.

4.1.7. Čas prenosu pri Ethernete 10 BASE-T
Bit time – je to jednotka času, za ktorí môže byť poslaný jeden bit, musí byť nejaká oneskorenie kým bit je 1 alebo 0.
Každý 10 Mbps Ethernet má 100ns prenosné okno. 1 byte = 8 bitov, preto 1 byte potrebuje na prenos minimálne 800ns. 64 bytový rámec, čo je najmenší rámec, potrebuje 51 200 ns aby CSMA/CD pracovalo správne.
4.1.8. Výhody použitia opakovačov

Pri prechode signálu cez sieť, dochádza k útlmu, opakovače tento signál zosilnia na fyzickej vrstve. Použitie opakovačov, alebo hubov so sebou prináša problémy spojené z broadcastom a kolíziami.

Umožňuje posielanie a prijímanie paketov v rovnakom čase. Komunikácia prebieha po dvoch oddelených vedeniach, vysielanie (TX) a príjem (RX). Spojenie je bod – bod a bez kolízií.
Požiadavky:
-     NIC na všetkých pripojených zariadeniach musí podporovať Full-duplex
-      podporované pre 10BASE-T, 100BASE-TX, alebo 100BASE-FX
Porovnanie Ethernetu:

1. Ethernet využíva len 50 – 60 % 10Mbps šírky pásme kvôli kolíziám a oneskoreniu
2. Ethernet na Full-duplex využíva 100% šírky pásma v oboch smeroch, vďaka čomu sa dosahuje priepustnosť až 20 Mbps, 10 pre príjem a 10 pre vysielanie.

4.2.1. Členenie LAN
Segment – menšia časť siete. Kolízna doména – každý segment siete Backbone – chrbtica: slúži na komunikáciu medzi segmentmi cez bridge, routre a switche

4.2.2.   Delenie siete s bridges
Bridge – sú zariadenia, ktoré smerujú dátové rámce na základe MAC adries. Z MAC adries vytvárajú bridging table. Na sieti však vytvárajú oneskorenie od 10 – 30 % Sú považované za zariadenia ulož a presuň, musia preveriť cieľové adresné pole a vypočítať cyclic redundancy check (CRC) pred presunom dát. Pri zaneprázdnení cieľového portu vie dočasne uložiť paket.
4.2.3.   Sieťová segmentácia s routrami
Routre – pridávajú oneskorenie od 20 - 30 %. Pracuje na sieťovej vrstve a používa IP adresy na určenie najlepšej cesty. Poskytujú konektivitu medzi sieťami a podsieťami. Cez routre sa nešíri broadcast.
4.2.4. Segmentácia siete s prepínačmi (switches)

Prepínač delí sieť na mikrosegment, zmenšuje veľkosť kolíznej domény. Medzi prepínačom a stanicou vytvára virtuálne okruhy, ktoré majú maximálny prístup k šírke pásma. Virtuálne sieťové okruhy sú vytvorené vo vnútri prepínača a existuje len pokiaľ potrebujú body medzi sebou komunikovať.
Swítched Ethernet     ___

Ethernet Switch

4.2.6.   Oneskorenie v ethernetových prepínačoch
Latencia je perióda času, kedy rámec vstúpi do prepínača a kedy s neho odíde.
4.2.7.   Prepínanie na 2 a 3 vrstve
Vrstvu 3 používajú routre na prepínanie paketov, vrstvu 2 zas prepínače. Rozdiel je v type informácie čítanej z rámca na určenie výstupu. Vrstva 2 používa MAC adresy a vrstva 3 IP adresy. Spôsob komunikácie:

1. zariadenia na 2. vrstve pozerá v hlavičke paketu cieľovú MAC adresu a paket presunie na port, ku ktorému zodpovedá MAC v prepínacej tabuľke. Ak nemá ešte záznam, pošle dáta na všetky cez broadcast, pri odpovedi si zaznamená novú adresu v Content Addressable Memory (CAM).
2. zariadenia na 3. vrstve pracuje s IP adresou v hlavičke paketu

4.2.8.   Symetrické a asymetrické prepínanie
Rozdelenie podľa spôsobu prepínania:

1. symetrické: prepojenie medzi portami je rovnakou rýchlosťou
2. asymetrické: prepínanie medzi postami rôznou rýchlosťou, napr.: kombinácia 10 a 100 Mbps portov. Je vyžadovaný buffer.

4.2.9.   Memory buffering
Buffering sa používa pri Ethernetovom prepínaní a pri nedosiahnuteľnosti portu.
memory buffer - oblasť pamäte, kde prepínač ukladá data, sú dve metódy ukladania dát, do portovo
založenej pamäte a zdieľanej pamäte
Portovo založený buffering: rámce sú uložené v poradí, pre špecifický prichádzajúci port. Rámec je
prenesený na odchádzajúci port len keď všetky rámcové hlavičky boli v poradí úspešne poslané. Tento
spôsob vnáša oneskorenie do komunikácie, rámec musí čakať, kým iný rámec je poslaný na cieľový
port.
Buffering zdieľanej pamäte: uloženie všetkých rámcov do všeobecnej pamäte určenej pre všetky
porty. Rámce v buffere sú dynamicky prilinkované na transportný port.
4.2.10. Dve metódy prepínania
Prepínacie módy:

1. Store-and-forward (ulož a presuň), pred odoslaním je najskôr prijatý celý rámec a vykonaná kontrola CRC. Prepínač číta zdrojovú a cieľovú adresu a pred poslaním ju filtruje. Oneskorenie nastáva počas príjmu.
2. Cut-through , rámec je presunutý cez prepínač ešte pred prijatím celého rámca. Číta sa len cieľová adresa, týmto spôsobom sa výrazne znižuje oneskorenie, ale nedochádza ku kontrole CRC.

Metódy cut-through prepínania:

1. rýchle prepínanie: nižšia úroveň oneskorenia, paket sa presúva po prečítaní cieľovej adresy
2. Fragment-free: filtruje odchádzajúci kolízny fragment pred posielaním, sú to väčšinou chybné pakety, kolízny paket je menší než 64 bytov. Väčšie než 64 bytov sú prenesené.

4.3.1. Funkcie Ethernetového prepínania
Prepínač aj bridge pracujú na L2 OSI modelu. Prepínač sú niekedy nazývané aj viacportový most. Robia rozhodnutie na MAC adrese. Huby len regenerujú signál na L1 bez akýchkoľvek rozhodnutí. Prepínač - koncentruje konektivitu, rámce sú prepínané z príchodzieho portu na odchádzajúci s využitím celej šírky pásma. Spravuje adresovú tabuľku, pri príchode rámca si zaznamená MAC a priradí ju k danému portu.
Ethernetový HUB – všetky pripojené zariadenia zdieľajú jednu šírku pásma, ak jedno zariadenie komunikuje, ostatné majú degradovanú šírku pásma.

Hlavné rysy prepínania:

1. izolujú dopravu medzi segmentmi – mikrosegmentácia. Takáto segmentácia umožňuje viacerým užívateľom posielať informácie v rovnakom čase na rozličné segmenty bez spomalenia siete.
2. lepšie využitie šírky pásma vytváraním menšej kolíznej domény

4.3.2. Módy prenosu rámcov
Módy prenosu:

1. Fast-forward: číta informáciu o cieľovom porte pred poslaním rámca, posielanie nastáva ešte pred prijatím celého rámca. Tento spôsob prepínania je rýchly ale bez kontroly CRC
2. Store-and-forward: rámec je prijatý celý pred poslaním. Sú aplikované filtre na zdrojovú a cieľovú adresu. Vykonáva sa kontrola CRC, oneskorenie je väčšie kvôli načítaniu celého paketu
3. Fragment-free: číta sa 1. 64 bytov rámca pred posielaním na vhodný port.

4.3.3.   Ako sa prepínače a mosty učia adresy
Most – je považovaný za inteligentné zariadenie, rozhodnutie robí na základe MAC adresy, záznamy má v adresovej tabuľke. Po zapnutí zariadenia pošle broadcastovú požiadavku na všetky stanice, tie odpovedia cez broadcastovú správu, na základe ktorej si bridge postaví tabuľku lokálnych adries, tomuto procesu sa hovorí učenie. Cesty učenia:

1. čítaním MAC adresy každého prijatého rámca
2. zaznamenaním portu na ktorom bola MAC adresa prijatá

V CAM sú uložené MAC adresy s priradenými portami. CAM porovnáva prijatú cieľovú adresu, ak nájde záznam, presunie paket na daný port. Procesy nasledované po CAM:

1. pri nenájdení záznamu v CAM sa rámec pošle na všetky porty okrem portu, z ktorého bol prijatý. Tomuto procesu sa hovorí flooding /zaplavenie/
2. ak je záznam nájdený, ale MAC adresa je spojená s portom, z ktorého prišiel rámec, potom je zahodený.
3. ak záznam bol nájdený a port nie je ten, z ktorého prišiel rámec, most presunie rámec na port spojený s príslušnou adresou

4.3.4.   Ako prepínače a mosty filtrujú rámce
Mosty sú schopné filtrovať rámce na L2. Delenie rámcov:
-     filtrovaný, je ignorovaný rámec
-      dopravný, je kopírovaný rámec
Filtrovanie špecifického zdroja a cieľovej adresy:

1. zastaví posielanie rámcov od jednej stanice von z lokálnej siete
2. zastaví všetky vonkajšie rámce určené pre príslušnú stanicu

Mosty vedia filtrovať broadcast a multicast. Dnešné mosty sú schopné filtrovať na základe protokolov sieťovej vrstvy.
4.3.5.   Segmentácia LAN použitím mostov
Poskytujú väčšiu šírku pásma pre jednotlivých užívateľov vďaka rozdeleniu siete na menšie segmenty. Zvyšujú oneskorenie o 10 – 30%. Sú považované za store-and-forward zariadenia, najskôr paket prímu, skontrolujú CRC a následne prepnú.

4.2.6. Prečo segmentovať LAN

1. izolovať dopravu medzi segmentmi
2. väčšia šírka pásma pre používateľov vytvorením menšej kolíznej domény

Segmentácia siete je možná použitím mostov, prepínačov
a routrov.
Mosty a prepínače redukujú kolíznu doménu ale nie
broadcastovú doménu
Routre vytvára menšiu kolíznu doménu a menšiu
broadcastovú doménu, nešíri broadcast.
Prepínače vytvárajú microsegmentáciu na redukovanie
kolíznej domény, vytvárajú pripojenia
bod-bod. Prepínače prepájajú tieto segmenty vo
virtuálnych sieťach vnútri prepínača.
4.2.7.   Implementácia microsegmentácie
Prepínače sú považované za multi-portové mosty. Dáta sú vymieňané veľkou rýchlosťou na ich cieľ. Prepínače zvyšujú šírku pásma na sieti použitím dedikovaných sietí prepájaných vnútri prepínača cez virtuálne siete. Sú nazývané virtuálne okruhy, existujú len kým treba
4.3.8.   Prepínače a kolízne domény
Hlavnou nevýhodou sietí 802.3 sú kolízie. Kolízia nastane, keď dvaja hosti súčasne vysielajú,
výsledkom je poškodený alebo zničený rámec. Vysielajúci host zastaví vysielanie na náhodnú periódu
času založenú na pravidle CSMA/CD.
Kolízna doména – je oblasť, kde vznikol a kolidoval rámec.
Prepínač si buduje prepínaciu tabuľku učením sa MAC adries hostov, ktoré sú pripojené na každý
port. Pri požiadavke na komunikáciu sa vytvorí dočasné virtuálne prepojenie medzi portami.
4.3.9.   Prepínače a broadcastové domény

Typy komunikácie:

1. unicast: jeden vysielač sa pokúša dosiahnuť jeden prijímač
2. multicast: jeden vysielač sa pokúša dosiahnuť len podsieť alebo časť siete
3. broadcast: jedna stanica sa pokúša dosiahnuť všetky prijímače na sieti, cieľová adresa je FF:FF:FF:FF:FF:FF, je šírený medzi prepínačmi

4.3.10. Komunikácia medzi prepínačmi a pracovnými stanicami