1.                Цели сегментация локальных сетей с использованием мостов и коммутаторов. В пределах сегмента локальной сети реализуется метод множественного доступа, когда отправляемый компьютером сегмента пакет сообщения доставляется всем остальным компьютерам в этом сегменте, а принимается только тем компьютером, которому он адресован. Остальные компьютеры этот пакет сообщения игнорируют. Соответственно, если большая локальная сеть состоит только из одного сегмента, то из-за увеличения трафика производительность этой сети снижается. При разделении локальной сети на сегменты с помощью мостов, коммутаторов или маршрутизаторов за пределы каждого сегмента распространяются только те пакеты сообщений, которые адресованы не входящему в него компьютеру. В результате за счет сокращения трафика улучшается общая производительность сети. Также для повышения гибкости, безопасности, количества пользователей и улучшения управляемости сети.

2.               Алгоритм прозрачного моста. Алгоритм  назван "прозрачным" потому, что мост при работе не обращает внимания на концентраторы, повторители и сетевые адаптеры узлов, а они на него.

Мост строит свою адресную таблицу на основе наблюдения за трафиком, проходящим через его порты. При этом извлекается информация об адресах источников кадров. По адресу источника делается вывод о принадлежности конкретного узла тому или иному сегменту сети.

Изначально мост ничего не знает о том, узлы с какими MAC-адресами подключены к каждому из его портов. Поэтому он передает любой полученный кадр на все свои порты, за исключением того, от которого он был получен. Одновременно с такой передачей мост изучает адрес источника кадра и заполняет свою таблицу на предмет принадлежности конкретного MAC-адреса тому или иному сегменту.

В последующем мост использует свою таблицу в качестве базиса для продвижения трафика. Когда на один из интерфейсов моста принят блок данных, мост ищет адрес пункта назначения этого блока данных в своей внутренней таблице. Если таблица содержит взаимосвязь между адресом пункта назначения и любым из портов этого моста, за исключением того, в котором был принят этот блок данных, то блок данных продвигается из указанного порта. Если не найдено никакой взаимосвязи, то блок данных отправляется лавинной адресацией во все порты, кроме порта вхождения блока данных.

Прозрачный мост успешно изолирует внутрисегментный трафик, тем самым сокращая трафик, видимый в каждом отдельном сегменте. Это обычно уменьшает время реакции сети, видимое пользователю. Степень сокращения трафика и уменьшения времени реакции зависят от объема межсегментного трафика относительно общего трафика.

3.               Формирование таблицы коммутации. Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется.

4.               Отличия архитектуры мостов и коммутаторов. Несмотря на то, что коммутаторы подобны высокоскоростным многопортовым мостам, их внутренняя архитектура существенно отличается от архитектуры мостов. Коммутатор может обрабатывать много пакетов одновременно. Он проверяет пакеты, управляет таблицей адресов и принимает решение об одновременной или параллельной ретрансляции для всех своих портов.

Мосты обрабатывают трафик, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему для коммутации пакетов).

5.               Принцип работы коммутатора.  Коммутаторы, называемые еще переключателями, как и мосты, функционируют на канальном уровне модели OSI и применяются для разбиения локальной сети на сегменты, а также объединения полученных сегментов и небольших локальных сетей.

Каждый порт коммутатора, подобно порту сетевого адаптера, имеет принимающую и передающую части. Каждая часть порта логически связана с перекрестной матрицей, реализованной аппаратным способом на основе микросхем ASIC. Принимающая часть каждого порта соединена с горизонтальной линейкой перекрестной матрицы, а передающая - с вертикальной. Когда горизонтальная линейка соединяется с вертикальной, создается путь от принимающей части одного порта к передающей части другого. Таким способом можно соединить любую пару портов. Например, если соединены пары портов 2 и 4, а также 3 и 5, то два пакета могут быть одновременно получены на портах 2 и 3 и переданы в порты 4 и 5.

Когда порт получает пакет, коммутатор считывает адрес получателя и на основе таблицы адресов принимает решение о ретрансляции. Если пакет нуждается в ретрансляции, то создается связь с нужным портом. Поскольку между портами коммутатора может быть много логических путей, то одновременно можно ретранслировать много кадров.

6.               Ограничения мостов и коммутаторов. 

1). В топологии получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост/коммутатор может решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет образования резервных путей.

2). Логические сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами, слабо изолированы друг от друга (не защищены от так называемых широковещательных штормов). Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Защита от широковещательных штормов в сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, имеет количественный, а не качественный характер: администратор просто ограничивает количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу в единицу времени. Использование же механизма виртуальных сетей, реализованного во многих коммутаторах, хотя и позволяет достаточно гибко создавать изолированные по трафику группы станций, но при этом изолирует их полностью, так что узлы одной виртуальной сети не могут взаимодействовать с узлами другой виртуальной сети.

3). В сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете. В таких сетях это возможно только с помощью пользовательских фильтров, для задания которых администратору приходится иметь дело с двоичным представлением содержимого пакетов.

4). Реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровней, к которым относятся мосты и коммутаторы, приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации: в качестве адреса назначения используется МАС - адрес, жестко связанный с сетевым адаптером.

5). Возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают не все типы мостов и коммутаторов, и эти возможности ограничены. В объединяемых сетях должны совпадать максимально допустимые размеры полей данных в кадрах, так как мостами и коммутаторами не поддерживается функция фрагментации кадров. Наличие серьезных ограничений у протоколов канального уровня показывает, что построение на основе средств этого уровня больших неоднородных сетей является проблематичным. Решение в этих случаях - это привлечение средств более высокого, сетевого уровня.

7.               Возникновение очередей в коммутаторах и перегрузки. Перегрузка возникает в силу ограниченной пропускной способности отдельного выходного порта, если потоки кадров по выходным портам распределены неудачно.  

8.              Управление потоком в полудуплексном режиме. При работе порта в полудуплексном режиме коммутатор не может изменять протокол и пользоваться для управления потоком новыми командами, такими как «Приостановить передачу» и «Возобновить передачу».

Зато у коммутатора появляется возможность воздействовать на конечный узел с помощью механизмов алгоритма доступа к среде, который конечный узел обязан отрабатывать. Эти приемы основаны на том, что конечные узлы строго соблюдают все параметры алгоритма доступа к среде, а порты коммутатора - нет. Обычно применяются два основных способа управления потоком кадров - обратное давление на конечный узел и агрессивный захват среды.

Метод обратного давления состоит в создании искусственных коллизий в сегменте, который чересчур интенсивно посылает кадры в коммутатор. Для этого коммутатор обычно использует jam-последовательность, отправляемую на выход порта, к которому подключен сегмент (или узел), чтобы приостановить его активность. Кроме того, метод обратного давления может применяться, когда процессор порта не рассчитан на поддержку максимально возможного для данного протокола трафика.

Второй метод «торможения» конечного узла в условиях перегрузки внутренних буферов коммутатора основан на так называемом агрессивном поведении порта коммутатора при захвате среды либо после окончания передачи очередного пакета, либо после коллизии.

В первом случае коммутатор окончил передачу очередного кадра и вместо технологической паузы в 9,6 мкс сделал паузу в 9,1 мкс и начал передачу нового кадра. Компьютер не смог захватить среду, так как он выдержал стандартную паузу в 9,6 мкс и обнаружил после этого, что среда уже занята.

Во втором случае кадры коммутатора и компьютера столкнулись, и была зафиксирована коллизия. Так как компьютер сделал паузу после коллизии в 51,2 мкс, как это положено по стандарту (интервал отсрочки равен 512 битовых интервалов), а коммутатор - 50 мкс, то и в этом случае компьютеру не удалось передать свой кадр

Коммутатор может пользоваться этим механизмом адаптивно, увеличивая степень своей агрессивности по мере необходимости.

Многие производители реализуют с помощью сочетания двух методов тонкие механизмы управления потоком кадров при перегрузках. Эти методы используют алгоритмы чередования передаваемых и принимаемых кадров. Алгоритм чередования должен быть гибким и позволять компьютеру в критических ситуациях на каждый принимаемый кадр передавать несколько своих, разгружая внутренний буфер кадров, причем, не снижая интенсивность приема кадров до нуля, а просто уменьшая ее до необходимого уровня, тем самым не способствуя переносу перегрузки в соседний коммутатор, если к порту подключен не конечный узел, а другой коммутатор.

9.               Дуплексный режим. Микросегменты. Режим дуплексной передачи позволил удвоить пропускную способность между узлами. Дуплексная передача между станциями возможна при использовании Ethernet-соединения типа ‘‘точка-точка’’. Эта функция может быть полезна, например, при подключении узлов, интенсивно использующих полосу пропускания, как в случае соединения между сервером и коммутатором. Дуплексный режим передачи обеспечивает передачу данных без коллизий. Поскольку прием и передача могут осуществляться одновременно, нет необходимости в анализе доступной полосы пропускания.

10.          Управление потоком в дуплексном режиме.

11.            Характеристики производительности коммутаторов.

a.      Скорость фильтрации -  скорость, с которой коммутатор принимает кадр в буфер, просматривает адресную таблицу, дабы найти выходной порт для кадра и удаляет кадр, если выходной порт совпадает с тем, через который кадр поступил.

b.     Скорость продвижения – скорость, с которой коммутатор принимает кадр в буфер, просматривает адресную таблицу дабы найти выходной порт для кадра и передает кадр через этот порт.

c.     Задержка передачи кадра – время с момента поступления кадра на входной порт коммутатора до появления его на выходном порту.

d.     Производительность коммутатора – количество данных переданных через его порты за единицу времени (Мбит/с)

e.      Емкость адресной таблицы – количество МАК-адресов, которыми может одновременно оперировать коммутатор.