Εξελίξεις του Ethernet

Transcript

1 Κεφάλαιο 5 Εισαγωγή. Εξελίξεις του Ethernet Παρακολουθήσαµε στα προηγούµενα κεφάλαια τον αρχικό τρόπο λειτουργίας των Τ τύπου CSMA/CD (και την πιο κοινή του ενσάρκωση το Ethernet) αλλά και την µετάβαση από το κοινόχρηστο µέσο που στο Ethernet δηµιουργούσε µια επικράτεια συγκρούσεων στη χρήση µεταγωγέα που αφαιρούσε τις ιδιαιτερότητες του κοινόχρηστου µέσου, ώστε τα Τ να διαφέρουν πια λιγότερο στην αρχή λειτουργίας τους από τα άλλα δίκτυα. Αυτό βέβαια ήταν επιθυµητό από την αρχή διότι το κοινόχρηστο µέσο και οι αλγόριθµοι τύπου ALOHA που χρησιµοποίησε το Ethernet συνοδεύονταν από το πολύ ανεπιθύµητο πρόβληµα των πιθανών συγκρούσεων. Οι συγκρούσεις παράγουν πρόσθετη κίνηση και όσο το προσφερόµενο φορτίο αυξάνει, οι επανεκποµπές δηµιουργούν περισσότερες συγκρούσεις και τελικά η παροχέτευση κίνησης (throughput) καταρρέει. Σ' αυτή την κατάσταση ο χρόνος πρόσβασης στο µέσο αυξάνει ραγδαία τείνοντας στο άπειρο µε την παροχέτευση να τείνει στο µηδέν. Αυτό είναι και το µειονέκτηµα της οικογένειας των αλγορίθµων πρόσβασης τύπου ALOHA. Ωστόσο σε αντιστάθµισµα οι αλγόριθµοι αυτοί είναι πολύ απλοί και δίνουν την µικρότερη καθυστέρηση πρόσβασης από κάθε άλλη λύση σε χαµηλά φορτία που ήταν και η συνήθης κατάσταση στα τοπικά δίκτυα. Όταν εισήχθησαν έδωσαν µε µικρό κόστος ρυθµοδότηση 10mbps που για την εποχή ήταν µεγάλη, συνεπώς περίσσευε χωρητικότητα και δεν ήταν κρίσιµη η υψηλή απόδοση, αφήνοντας κενό χώρο που έκανε τις συγκρούσεις σπάνιες. Η γέννηση των Τ βασίστηκε σε µια πολύ απλή ιδέα: αν συνδέσουµε όσους υπολογιστές µπορούµε στο ίδιο καλώδιο (µέσο διάδοσης) φτιάξαµε δίκτυο χωρίς τον (τότε πανάκριβο) µεταγωγέα, αρκεί να λύσουµε το πρόβληµα ποιος θα στέλνει κάθε φορά. Αυτό λύθηκε µε το πρωτόκολλο πρόσβασης στο µέσο µετάδοσης (MAC=Medium Access Control) που στο Ethernet ήταν τύπου CSMA/CD. Ουσιαστικά, το καλώδιο µαζί µε τον αλγόριθµο υποκαθιστούσε τον µεταγωγέα. Απλό και φθηνό. Στα µεγάλα δίκτυα των παρόχων όπως ο ΟΤΕ δεν µπορούσε να γίνει κάτι εξίσου απλό, διότι ο αλγόριθµος δεν δουλεύει σε µεγάλες αποστάσεις. Όσο για το καλώδιο µπορούσε να είναι το σχετικά ακριβό (ανά µέτρο) οµοαξονικό αφού δεν χρειαζόµαστε και πολλά µέτρα αλλά κυρίως τα πανάκριβα σκαψίµατα στους δρόµους αφού µπαίνουν σε κτίρια. Όλη η λογική για την εκτέλεση του αλγορίθµου (ο οποίος δρούσε σαν µεταγωγέας) µπήκε µέσα στην κάρτα δικτύου. Το καλώδιο δρούσε σαν ένα µεγάλος δίαυλος (bus) όπως αυτοί που χρησιµοποιούνται µέσα στους µεταγωγείς, µόνο που στην περίπτωση του µεταγωγέα ο δίαυλος είναι κλεισµένος µέσα στο κουτί και δεν απλώνεται από τερµατικό σε τερµατικό. Αξίζει να σηµειώσουµε εδώ ότι την αρχιτεκτονική του διαύλου χρησιµοποιούν πολλοί µικροί µεταγωγείς αλλά και το γνωστό µας PC για να µετάγει πληροφορία από το ένα περιφερειακό στο άλλο και τον ρόλο του MAC παίζει ο ελεγκτής διαύλου. Όταν π.χ. ο σκληρός δίσκος θέλει να στείλει κάτι στη RAM, τότε ζητά από τον ελεγκτή διαύλου την χρήση του διαύλου και όταν την πάρει τοποθετεί στον δίαυλο την πληροφορία µε την εσωτερική διεύθυνση της RAM στην θέση διευθύνσεων, ούτως ώστε να την διαβάσει µόνο η RAM. Φυσικά συγκρούσεις δεν υπάρχουν διότι αυτό εξασφαλίζεται από τον ελεγκτή διαύλου. Η αρχή αυτή χρησιµοποιείται σε µικρούς µεταγωγείς και µια κατανεµηµένη και παραλλαγµένη µορφή της έγινε το Τ τύπου Ethernet, όπου ο ελεγκτής διαύλου έχει αντικατασταθεί από τον κατανεµηµένο αλγόριθµο του MAC. Αυτό έγινε διότι ο συγκεντρωτικός ελεγκτής διαύλου έπρεπε να σπάσει σε λειτουργίες που θα µοιραστούν σε όλα τα τερµατικά ούτως ώστε όλοι οι σταθµοί να έχουν τα ίδια λογικά κυκλώµατα και να είναι ισοδύναµοι. 85

2 Μία άλλη σηµαντική τεχνολογική εξέλιξη που δεν µπορούσε να αφήσει ανεπηρέαστα και τα Τ ήταν η διαρκώς αυξανόµενη χρήση οπτικών ινών στα δίκτυα Ευρείας Περιοχής. Γρήγορα κατέληξε στην πλήρη φωτονοποίηση µε εξαίρεση τον τοπικό βρόχο (από το σπίτι/κατάστηµα µέχρι το πρώτο τοπικό κέντρο του παρόχου) όπου ο χαλκός µε τη βοήθεια του ADSL και του υψηλού κόστους της εκ νέου εκσκαφής των δρόµων των πόλεων ανθίσταται µέχρι στιγµής σθεναρά. Η φωτονοποίηση των τοπικών δικτύων δεν υπήρξε και τόσο προχωρηµένη διότι όπως ο τοπικός βρόχος είναι ευαίσθητα στο κόστος. Το κόστος των οπτικών συστηµάτων επιβαρύνεται κυρίως από τους οπτικούς ποµποδέκτες που εξακολουθούν να είναι σηµαντικά ακριβότεροι από τους πάµφθηνους ηλεκτρονικούς ποµποδέκτες. Αλλά και πρακτικά ζητήµατα όπως η δυσκολία συνδέσεων και αποµαστεύσεων και η απαγόρευση µικρών ακτινών κάµψεως των οπτικών καλωδίων έχουν περιορίσει τις οπτικές ίνες στα δίκτυα κορµού (backbone) αφήνοντας τον χαλκό να κυριαρχεί πάνω στα γραφεία (και στις κάρτες δικτύου) όπου η κίνηση δεν είναι µεγάλη. Ένας άλλος σοβαρότατος λόγος είναι η εκ των προτέρων ύπαρξη καλωδιώσεων από στριµµένα ζεύγη σε πολλά κτίρια βιοµηχανικής χρήσης που αποτελούν ισχυρό κίνητρο για την συνέχιση της χρήσης του χαλκού. Ωστόσο παρά την αργή διείσδυση η µακροπρόθεσµη φωτονοποίηση και των τοπικών δικτύων έχει αρχίσει από τα σηµεία όπου έχουµε συγκέντρωση κίνησης που δικαιολογεί υψηλές ταχύτητες και κάπως µεγαλύτερες αποστάσεις, δηλ. στη διασύνδεση των µεταγωγέων µεταξύ κτιρίων. Για τέτοιες χρήσεις το πρότυπο του Gigabit Ethernet είναι η κυρίαρχη λύση µε ίνες multi-mode για µέτριες αποστάσεις και mono-mode για µεγαλύτερες αποστάσεις. Καταλυτικό ρόλο έπαιξαν βεβαίως και οι αρχιτεκτονικές αλλαγές προς τοπολογίες αστέρα που έφερε η εισαγωγή των µεταγωγέων που εδραίωσαν την κυριαρχία της τεχνολογίας Ethernet στα Τ µε παράλληλη αποµάκρυνση από την οικογένεια των αλγορίθµων ALOHA οι οποίοι είναι απολύτως ακατάλληλοι για µεγαλύτερα δίκτυα µε πολλούς υπολογιστές και αυξηµένη κίνηση πακέτων. Όλα αυτά άνοιξαν το δρόµο για ταχύτητες 100 Mbps και 1Gbps µε πάντα ιδιαίτερα ανταγωνιστικό κόστος που εκτόπισαν σταδιακά τις άλλες τεχνολογίες Τ. Το γρήγορο Ethernet (Fast Ethernet) και το Gigabit-Ethernet Οι εξελίξεις της ψηφιακής λογικής, της επεξεργασίας σήµατος (DSP) και της ολοκλήρωσης των κυκλωµάτων που έφεραν µια επαναστατική πτώση του κόστους των µεταγωγέων µε παράλληλη αύξηση της ικανότητος των χάλκινων µέσων µεταφοράς και ειδικότερα των στριµµένων ζευγών. ηµιουργήθηκε τότε η δυνατότητα επέκταση της τεχνικής Ethernet σε πολύ υψηλές ταχύτητες όπου χρησιµοποιείται η τεχνική CSMA/CD δηλαδή των συγκρούσεων σε πολύ κοντινές αποστάσεις για χαµηλό κόστος αλλά παρακάµπτεται δίνοντας αντί για πολλαπλή πρόσβαση ένα αποκλειστικό ζευγάρι σε κάθε υπολογιστή προκειµένου για κρίσιµες εφαρµογές ή µακρινότερες αποστάσεις. Αυτό πριν από µία δεκαετία είχε απαγορευτικό κόστος αλλά όχι πλέον τώρα. Έτσι η ΙΕΕΕ προχώρησε στην τυποποίηση των δικτύων Fast Ethernet ταχύτητος 100Mbps και Gigabit-Ethernet (δηλ. ταχύτητος 1Gbps). Αυτά τα δύο είναι συµβατά µε το κλασσικό CSMA/CD, µπορούν να λειτουργήσουν και στις υπάρχουσες καλωδιώσεις και ακολουθούν την κλασσική διαχείριση που οι υπεύθυνοι των δικτύων γνωρίζουν καλά. επεκτείνονται ταχύτατα πράγµα που οδηγεί σε περαιτέρω πτώση του κόστους. Έτσι δείχνουν να κυριαρχούν σε τοπικό επίπεδο. Ταχύ Ethernet: 100Mbps Ethernet (IEEE 802.3u) Το Ταχύ Ethernet (Fast Ethernet) περιγράφεται στο πρότυπο IEEE 802.3u και προσφέρει δεκαπλάσια ταχύτητα διατηρώντας την ίδια φόρµα πλαισίου, το ίδιο πρωτόκολλο MAC, τις ίδιες διεπαφές και την ίδια ιαχείριση. Απλά ο χρόνος ενός Bit µειώθηκε από 100ns σε 10ns. Προσετέθη και ένας µηχανισµός αυτόµατης διαπραγµάτευσης µεταξύ των διεπαφών για 86

3 καθορισµό της ταχύτητας µεταξύ 10-Mbps και 100-Mbps. Σαν αποτέλεσµα οι κάρτες πωλούνται µε διπλή ικανότητα και η χρήση του ταχέως Ethernet δεν γίνεται αντιληπτή από τους χρήστες εκτός εάν η εφαρµογή επωφελείται από τη µεγαλύτερη ταχύτητα κατά τρόπο που κάνει ορατή την µεγαλύτερη διοχέτευση πακέτων. Τα καλώδια που µπορούν να χρησιµοποιηθούν µε το 100BASE-T, οι προτυποποιηµένες µέγιστες αποστάσεις ανά κλάδο (port to port), είναι: 100BASE-TX: δύο στριµµένα ζεύγη χάλκινων καλωδίων: 100µ Full Duplex 100BASE-T4: τέσσερα ζεύγη χάλκινων καλωδίων 100µ Half Duplex 100BASE-FX: πολύτροπη οπτική ίνα 2000µ Full Duplex Ο τύπος "TΧ" αποτελείται από δύο ζευγάρια του διαδεδοµένου καλωδίου UTP5, µόνο που αντί για την κωδικοποίηση Manchester που θα απαιτούσε εύρος 200 MHz χρησιµοποιεί κωδικοποίηση 4Β5Β. Η µέθοδος αυτή που χρησιµοποιείται και στο FDDI, επιτρέπει σε κάθε κύκλο 5 περιόδων ρολογιού να αποστέλλονται 4 bits, έτσι µε 125 MHz µπορεί να στείλει 100 Mbps. Φυσικά κάθε πεντάδα διαθέτει 32 σύµβολα και αφού µόνο 16 είναι για τις τετράδες των data bits, περισσεύουν άλλα τόσα για σύµβολα οριοθέτησης και εξασφάλιση αρκετών ακµών συγχρονισµού ρολογιών. εν προβλέπεται λειτουργία ηµι-αµφίδροµη, αυτό το καλώδιο λειτουργεί σε πλήρως αµφίδροµη λειτουργία µόνο. Ο τύπος "T4" είναι µια προσπάθεια αξιοποίησης των τηλεφωνικών ζευγών UTPcat3 που διέθεταν σε αφθονία τα κτίρια στις προηγµένες χώρες. Λόγω της µετρίας ποιότητας του καλωδίου που δεν ήταν φτιαγµένο για αυτή τη δουλειά απαιτούνται 4 ζεύγη, το ένα στέλνει πάντα προς το hub/switch, το άλλο από το hub/switch και τα άλλα δύο προς την εκάστοτε κατεύθυνση αποστολής δεδοµένων (χρησιµοποιεί µόνο ηµι-αµφίδροµη λειτουργία). Το καλώδιο έχει ωφέλιµο εύρος 25 MHz αλλά σε κάθε ζεύγος χρησιµοποιεί τριαδική σηµατοδοσία δηλ. 3x9=27 δυνατά σύµβολα και στα τρία ζεύγη, όπου τα 16 ορίζονται για δεδοµένα (4bits ανά σύµβολο) και τα υπόλοιπα για πλεονασµατικές χρήσεις (οριοθέτηση, ανίχνευση εσφαλµένων καταστάσεων κτλ). Ετσι τελικά µε 4bits ανά σύµβολο και 25Mbaud (σύµβολα ανά δευτ.) µπορεί να στείλει 100 Mbps Τέλος το καλώδιο 100BASE-FX χρησιµοποιεί δύο πολύτροπες ίνες µια σε κάθε κατεύθυνση σε µια καθαρά αµφίδροµη διάταξη λειτουργίας και έχουν εµβέλεια µέχρι 2Km. Επειδή σε τέτοιες αποστάσεις το MAC και ο αλγόριθµος επίλυσης συγκρούσεων δεν λειτουργούν, αυτή η οπτική διεπαφή πρέπει να συνδέεται αποκλειστικά σε πόρτα µεταγωγέα και όχι πλήµνης. Αντίθετα τα άλλα καλώδια και οι σχετικές διεπαφές λειτουργούν και σε πλήµνες. Βέβαια σήµερα οι πλήµνες έχουν καταργηθεί, αλλά αυτή είναι µια παρατήρηση µε ιστορικό ενδιαφέρον. Σχετικά µε την ηµι-αµφίδροµη λειτουργία του Ethernet, πρέπει να τονίσουµε ότι αρχικά στο οµοαξονικό καλώδιο ήταν σύµφυτη µε την αρχή λειτουργίας του δικτύου. Μετά την εισαγωγή των πληµνών συνέχισε να χρησιµοποιείται διότι δεν είχε νόηµα η πλήρως αµφίδροµη µετάδοση λόγω της κοινοποίησης (broadcast) σε όλες τις πόρτες της πλήµνης, έστω και εάν θεωρητικά η ύπαρξη δύο ζευγών στο καλώδιο UTP5 µε κατάλληλη προσαρµογή των ποµποδεκτών θα µπορούσε να επιτρέψει αµφίδροµη µετάδοση. Αυτό έγινε δυνατό (και προτιµητέο) µε την εισαγωγή των µεταγωγέων, και σήµερα είναι η κατ εξοχήν µέθοδος µετάδοσης. ηλαδή η ηµι-αµφίδροµη µετάδοση συνόδευσε τις συγκρούσεις στην σταδιακή έξωσή τους από τα δίκτυα ΙΕΕΕ802.3/Ethernet 87

4 Gigabit Ethernet: 1000Mbps Ethernet (IEEE 802.3z) Όπως είδαµε το ταχύ Ethernet εισήγαγε τη χρήση οπτικής ίνας στα Τ τύπου Ethernet για να αυξήσει την εµβέλεια στα 2Km και να επιτρέψει τη διαβίβαση συγκεντρωµένης κίνησης, φυσικά στη βάση της χρήσης µεταγωγέων και αµφίδροµων ζεύξεων. Το επόµενο λογικό βήµα ήταν η αύξηση της ταχύτητας σε 1Gbps πάλι πάνω από οπτικές ίνες µε στόχο την πλήρη υποκατάσταση του FDDI και των τεχνολογιών κορµού µε Ethernet. Η προσπάθεια δηµιουργίας του νέου προτύπου ΙΕΕΕ802.3z ξεκίνησε από το 1995 και 3 χρόνια αργότερα η αρχική έκδοση ήταν έτοιµη. Το πρότυπο αυτό κατέληξε σήµερα η κυρίαρχη λύση κορµού (backbone) για την διασύνδεση των Τ και το κύριο όχηµα για την εισαγωγή οπτικών ινών στα Τ. Η κωδικοποίηση των bits που χρησιµοποιεί είναι η 8Β/10Β κατά την οποία κάθε µπλόκ των 8 bits κωδικοποιούνται µε την χρήση 10 κωδικοποίηση τα οποία παρέχουν 1024 συνδυασµούς. Αυτό µας αφήνει συνδυασµούς σαν πλεονασµατικούς πράγµα που επιτρέπει να παραληφθούν όσοι έχουν πολλά 0 και όσοι έχουν πολλά 1 και να έχουµε µέσο όρο 1 και 0 περίπου ίδιο. Έτσι δεν προκύπτει συνεχής συνιστώσα και επίσης υπάρχουν αρκετές εναλλαγές από 0 σε 1 και αντίστροφα, ώστε να συγχρονίζονται τα ρολόγια του δέκτη και να µένουν κλειδωµένα στο ρολόι του ποµπού. Βέβαια για να σταλεί καθαρό 1Gbps µε κώδικα γραµµής 8Β/10Β πρέπει η γραµµή να λειτουργεί στα 1.25 Gbps. Τα µέσα µετάδοσης που προδιαγράφει το πρότυπο είναι: 1000BASE-LX Το 1000BASE-LX χρησιµοποιεί laser σε µήκος κύµατος 1270 έως 1355nm) και έχει θεωρητική εµβέλεια µέχρι 5km µέσα από µονότροπη ίνα 10µm. Στην πράξη λειτουργεί και σε αρκετά µεγαλύτερες αποστάσεις πάνω από 10km. Το 1000BASE-LX µπορεί επίσησς να χρησιµοποιήσει πολύτροπη ίνα αλλά για µήκος µέχρι 550 m. Φυσικά χρησιµοποιείται µόνο σε πλήρως αµφίδροµη λειτουργία µε χρήση µεταγωγέα (χωρίς συγκρούσεις) σε ζεύξεις κορµού. 1000BASE-SX Το 1000BASE-SX χρησιµοποιεί πολύτροπη ίνα σε µήκος κύµατος 770 έως 860nm και έχει θεωρητική εµβέλεια µέχρι 550m µέσα από µονότροπη ίνα 10µm. Στην πράξη δουλεύει καλά σε αρκετά µεγαλύτερες αποστάσεις και χρησιµοποιείται ανάµεσα σε κτίρια. 1000BASE-LH Το 1000BASE-LH δεν είναι προτυποποιηµένο αλλά χρησιµοποιείται ευρέως στην πράξη. Χρησιµοποιεί υψηλής ποιότητας µονότροπη ίνα στα και φθάνει τα 10km. Το πρότυπο 802.3z περιγράφει και ένα καλώδιο χαλκού που ήταν και το πρώτο καλώδιο που προτυποποιήθηκε: 1000BASE-CX Αυτό το µέσον προορίζεται για µικρές αποστάσεις µέχρι 25µ και είναι γνωστό σαν twinax. Aποτελείται από δύο θωρακισµένα συµµετρικά ζεύγη των 150Ω (δεν πρόκειται για το UTP που δεν είναι θωρακισµένο). 1000BASE-T Στη συνέχεια για λόγους συµβατότητας µε τα προηγούµενα Ethernet, το Gigabit Ethernet εµπλουτίστηκε µε την εισαγωγή και καλωδίου UTP5 (1000BASE-Τ, µε το πρότυπο ΙΕΕΕ802.3ab). Χρησιµοποιεί 4 ζεύγη του UTP5 µε διαφορετική κωδικοποίηση από την 88

5 8B/10B και µπορεί να φθάσει µέχρι δύο κλάδους των 100m. ουλεύει ακόµα και µε κοινόχρηστο µέσο µε πλήµνες και συγκρούσεις σε ηµι-αµφίδροµη µετάδοση, παρά τις πρακτικές δυσκολίες. Το πρώτο πρόβληµα ήταν ότι το CSMA/CD δεν είχε σχεδιαστεί για περιστάσεις όπου ο χρόνος διάδοσης µετ επιστροφής από το µακρύτερα ευρισκόµενο τερµατικό ήταν µικρότερος από το χρόνο µετάδοσης του πακέτου, δηλ. τα 51,2µsec. Επίσης η ελάχιστη χρονοσχισµή των 512 bits στην οποία βασίζεται η επίλυση των συγκρούσεων ήταν πολύ µικρή. Έτσι η µεν χρονοσχισµή έγινε 512bytes (4096 bits που διαρκούν 4096microseconds) και επετράπη η συγχώνευση πολλών µικρών πακέτων σε ένα (frame bursting), χωρίς να παραχωρηθεί ενδιαµέσως το κανάλι όπως απαιτούσε το κλασσικό CSMA/CD. Επίσης εισήχθη µία µορφή ελέγχου ροής µε το πλαίσιο παύσης. εν θα ασχοληθούµε περαιτέρω µε όλες τις λεπτοµέρειες διότι στην πράξη το 1000BASE-T δεν έτυχε µεγάλης χρήσης σε περιβάλλον µε πλήµνες και συγκρούσεις, δηλ. κοντά στους σταθµούς (desktop environment). Εκεί το ταχύ Ethernet τα καταφέρνει µια χαρά µε µεγάλη οικονοµία αφήνοντας το Gigabit Ethernet µεταξύ των κτιρίων και στον κορµό του συνολικού δικτύου, όπου δεν υπάρχει κανένα οικονοµικό πλεονέκτηµα να επιτρέπονται συγκρούσεις. Έτσι το Gigabit Ethernet χρησιµοποιείται πλέον πάντοτε µε µεταγωγείς και συχνά µε οπτικά µέσα. Τα εικονικά Τοπικά ίκτυα VLAN (IEEE 802.1Q) Οι βελτιώσεις των Τ και δη του κυρίαρχου πλέον Ethernet άνοιξαν την όρεξη για περαιτέρω διεύρυνση του ρόλου τους. Ήδη η εισαγωγή των µεταγωγέων επέτρεπε την δηµιουργία µεγάλων Τ χωρίς την απειλή της κατάρρευσης λόγω συγκρούσεων και βελτίωνε αισθητά την ασφάλεια αφού δεν έβλεπαν όλοι όλα τα πακέτα. Ωστόσο η δηµιουργία πολύ µεγάλων Τ (που όµως καθίσταντο όλο και πιο απαραίτητα καθώς τα δικτυωµένα τµήµατα και οι δικτυωµένοι υπολογιστές αυξήθηκαν γεωµετρικά) εξακολουθούσε να υπονοµεύεται από τα µηνύµατα κοινοποίησης (broadcasting) όπως κατά την αρχικοποίηση των µεταγωγέων όταν ακόµα δεν έχουν ενηµερωµένους πίνακες. Τα µηνύµατα αυτά αποτελούσαν και σοβαρό κίνδυνο ασφάλειας πέραν της πληµµύρας των µηνυµάτων κοινοποίησης που αυξάνουν γεωµετρικά µε το πλήθος των διασυνδεδεµένων υπολογιστών. Ήταν λοιπόν επιθυµητός αφ ενός ο διαχωρισµός των Τ των τµηµάτων µιας εταιρείας ή Πανεπιστηµίου και από την άλλη µεριά υπήρχαν δίκτυα εταιρειών σε άλλες τοποθεσίες τα οποία ήταν επιθυµητό να εµφανίζονται σαν ενιαίο δίκτυο. Την απάντηση έδωσαν τα εικονικά ή νοητά Τ (VLAN-Virtual Local Area Networks) τα οποία χωρίζουν τα Τ σε διαφορετικές επικράτειες κοινοποίησης (Broadcast domains) και έτσι σε διαφορετικά νοητά δίκτυα τα οποία δεν επικοινωνούν σαν ενιαία workgroups δηλ. µε µηχανισµούς 2 ου στρώµατος. Για να επικοινωνήσουν πλέον δύο τερµατικά που ανήκουν σε διαφορετικά VLAN πρέπει να συνδέονται µέσω δροµολογητή όπως και δύο οποιοιδήποτε άλλοι υπολογιστές στον κόσµο. Οι δροµολογητές όµως παρέχουν έλεγχο βάσει πολιτικών π.χ. φιλτράρισµα διευθύνσεων και διαχείριση των κοινοποιήσεων άρα ασφάλεια. Αυτό βεβαίως πολλές φορές είναι επιθυµητό αλλά δεν είναι και χωρίς προβλήµατα. Επί παραδείγµατι, συνήθως οι servers ενός οργανισµού είναι συγκεντρωµένοι σε ένα σηµείο για λόγους ασφαλείας, ευκολίες διαχείρισης (π.χ. back up αρχείων, συγκεντρωµένα UPS κτλ). Η εισαγωγή εικονικού Τ σηµαίνει ότι όσοι ανήκουν σε άλλο εικονικό VLAN πρέπει πλέον να προσπελάζουν µέσω δροµολογητή (πιο ακριβός, πιο αργός). Υπάρχουν δύο τρόποι (δεν εξετάζουµε λύσεις µε χρήση του IP ή ATM) για δηµιουργία VLAN µε µεταγωγείς Ethernet: 89

6 Βάσει διευθύνσεων MAC µε χρήση ενός πίνακα όπου κρατούνται οι διευθύνσεις των µελών του κάθε VLAN και τους οποίους συµβουλεύεται ο µεταγωγές για να δει που επιτρέπεται να προωθήσει τα πακέτα κοινοποίησης. Στο σχήµα 5.1. π.χ. ο πίνακας λέει ότι οι διευθύνσεις MAC των V1-A έως V1-D ανήκουν στο VLAN1 και οι διευθύνσεις των V2-A έως V2-D στο VLAN2 Βάσει θυρών µε χρήση µιας βάσης δεδοµένων που λέει σε ποιο VLAN ανήκει κάθε πόρτα του µεταγωγέα, π.χ. στο σχήµα 5.1. ο πίνακας λέει ότι οι 5 πρώτες πόρτες και των δύο µεταγωγέων ανήκουν στο VLAN1, ενώ οι άλλες 5 στο VLAN2. Ωστόσο πρέπει να µπορούµε να διασυνδέσουµε τους µεταγωγείς µεταξύ τους (όπως π.χ. στο Σχήµα 5.1) και τότε γεννιέται το ερώτηµα πώς η κίνηση που προωθείται από το ένα στον άλλο θα συγκρατήσει τη πληροφορία σε ποιο VLAN ανήκει το κάθε πακέτο διότι δεν ξέρει πλέον ο επόµενος µεταγωγέας από ποια πόρτα µπήκε το πακέτο. Το πρόβληµα αυτό λύνει το πρότυπο IEEE 802.1Q (ή το ISL που είναι το αντίστοιχο ιδιόκτητο της CISCO) το οποίο περιγράφει προσθήκες στο πλαίσιο ώστε να µεταφέρεται η πληροφορία αυτή µεταξύ µεταγωγέων ακόµα και µεταξύ διαφορετικών φυσικών Τ. Το βασικό εργαλείο είναι µία πρόσθετη ετικέττα (tag) των 32bits η οποία µπαίνει στη γνωστή φόρµα του Ethernet µετά την διεύθυνση πηγής (MAC source address) και τα δεδοµένα χρήστη (payload) και έχει την κατωτέρω µορφή: 16 bits 3 bits 1 bit 12 bits TPID PCP CFI VID Tag Protocol Identifier (TPID): Αυτό το πεδίο των 16-bit παίρνει τιµή HEX: 0x8100 για να ταυτοποιήσει το πλαίσιο σαν τύπου IEEE 802.1Q (tagged frame). Priority Code Point (PCP): Είναι ένα πεδίο των 3-bit που ορίζει µια από 8 προτεραιότητες όπως τις ορίζει η προδιαγραφή ΙΕΕΕ802.1p την οποία εξετάζουµε πιο κάτω. Canonical Format Indicator (CFI): Είναι µία σηµαία (1-bit) που δείχνει εάν η διεύθυνση MAC είναι κανονικού τύπου (τιµή 0) ή όχι (τιµή 1). Οι µεταγωγείς Ethernet έχουν πάντα 0. Τιµή 1 έχουν πλαίσια του Token Ring και η κυριότερη χρήση αυτού του πεδίου είναι η ασυµβατότητα µε δίκτυα Token Ring VLAN Identifier (VID): Αυτό είναι το βασικό πεδίο µε 12-bit που προσδιορίζει το VLAN στο οποίο ανήκει το πλαίσιο. Επιτρέπει µέχρι 4094 VLANs (οι τιµές 0 και FFF έχουν άλλες χρήσεις, ενώ η τιµή 1 συχνά χρησιµοποιείται για το δίκτυο διαχείρισης (management). Η εισαγωγή της ετικεττας απαιτεί εκ νέου υπολογισµό του αρχικού πεδίου FCS στην ουρά του πλαισίου. Η ετικέττα προστίθεται από τον µεταγωγέα στα εισερχόµενα πακέτα, διατηρείται µεταξύ των µεταγωγέων και ξανά αφαιρείται από την τελευταία πόρτα διότι εάν µια κάρτα παλαιού τύπου δει την ετικέττα θα την θεωρήσει σφάλµα και επίσης θα βρει το µέγεθος πακέτου εκτός προδιαγραφών (εκτός εάν έχει φτιαχτεί µετά την εισαγωγή του IEEE 802.1Q). 90

7 Πώς λοιπόν λειτουργεί ένα εικονικό Τ ; Όταν δέχεται ένα πακέτο µια πόρτα µεταγωγέα, προσδιορίζεται το VLAN που ανήκει το πακέτο (από την ετικέττα εάν προέρχεται από συσκευή που γνωρίζει να µαρκάρει την ετικέττα, άλλως µε αίτηση στην βάση δεδοµένων (VLAN filtering database) η οποία προσδιορίζει το εικονικό δίκτυο είτε βάσει θύρας εισόδου, είτε βάσει διεύθυνσης MAC. Ακολούθως µαρκάρεται η ταυτότητα του εικονικού (VID= VLAN Identity) και το πακέτο προωθείται στην έξοδο βάσει της κλασσικής λειτουργίας των µεταγωγέων (δηλ. µε αναζήτηση στον πίνακα δροµολόγησης). Η VID και τα λοιπά πεδία ωστόσο δεν ενηµερώνονται εάν το πακέτο θα σταλεί σε συσκευή που δεν είναι γνωρίζει περί VLAN. Βέβαια αυτό µπορεί να συµβεί µόνο εάν έχουµε φθάσει κοντά στο τέλος και πάντως µέσα σε µια επικράτεια που το VLAN προσδιορίζεται µέσω φυσικής σύνδεσης (π.χ. κάρτα του PC ή πλήµνη), διότι δεν µπορεί να συναντήσουµε αλλού συσκευή που δεν χειρίζεται εικονικά δίκτυα. Με άλλα λόγια, δεν µπορούµε να φτιάξουµε προφανώς εικονικά δίκτυα µε συσκευές παλαιού τύπου, αλλά µπορούν αυτές να διατηρηθούν µόνο όταν περιορίζονται στα άκρα. Εάν διαθέτουν πολλές θύρες (π.χ. πλήµνη) αυτές πρέπει όλες αναγκαστικά να ανήκουν σε ένα και µόνο VLAN). Σχήµα 5.1. VLANs VTP (VLAN Trunking Protocol) Σε πολύ µεγάλα δίκτυα ο καθορισµός των διαφόρων VLAN σε κάθε µεταγωγέα θα ήταν πολύ χρονοβόρος. Για να διευκολύνει αυτή την εργασία η εταιρεία Cisco δηµιούργησε το πρωτόκολλο VLAN Trunking Protocol (VTP), το οποίο µπορεί αφού ορίσουµε τα εικονικά δίκτυα σε ένα µεταγωγέα να επαναλάβει τον ορισµό σε όσους άλλους µεταγωγείς του ζητήσουµε. Ο τρόπος που λειτουργεί είναι να στέλνει την πληροφορία σε όλους τους γειτονικούς µεταγωγείς µε ασφαλείς πολυεκποµπές (multicasts) που ονοµάζονται αναγγελίες VTP (VTP advertisements). Με αυτές µπορούµε να προσθέσουµε, µετονοµάσουµε, διαγράψουµε ένα VLANs µέσα σε µία διαχειριστική επικράτεια VTP. 91

8 Εισαγωγή προτεραιοτήτων στα Τοπικά ίκτυα (IEEE 802.1p) Όπως είδαµε προηγουµένως, η ετικέττα του IEEE 802.1Q περιέχει και ένα πεδίο που ορίζει την προτεραιότητα του κάθε πακέτου σχετικά µε την προώθησή του στους µεταγωγείς. Η προτεραιότητα µπορεί (εφόσον ο µεταγωγέας έχει αποκτήσει αυτή την πρόσθετη λειτουργικότητα) να χρησιµοποιηθεί για να επιτρέψει σε ένα πακέτο που ανήκει σε µια απαιτητική εφαρµογή (π.χ. VoIP), να οδηγηθεί στην έξοδο του µεταγωγέα πριν από ένα άλλο πακέτο που έφθασε µαζί, ή και λίγο αργότερα, αλλά ανήκει σε υπηρεσία που ανέχεται καθυστέρηση (π.χ. ftp). Τα 3 bits µπορούν να διακρίνουν 8 κλάσεις υπηρεσίας από 0 (χαµηλότερη) µέχρι 7 (υψηλότερη). Αυτά περιέχονται σε ένα ξεχωριστό πρότυπο, το IEEE802.1p. Το ίδιο το πρότυπο δεν καθορίζει την συµπεριφορά των µεταγωγέων ούτε τις κλάσεις υπηρεσιών που αφήνονται στους κατασκευαστές των µεταγωγέων. Πάντως έχει κάνει κάποιες γενικές συστάσεις συµφωνα µε τις οποίες η αντιστοίχιση µπορεί να είναι: Προτεραιότητα Υπηρεσία 0 Best effort 1 background 2 εφεδρική 3 Excellent Effort 4 Controlled load 5 βίντεο 6 φωνή 7 Ελεγχος δικτύου Για να υλοποιήσει ένας µεταγωγέας τις προτεραιότητες πρέπει να έχει χωριστές λογικές ουρές εισόδου όπου θα εισέρχονται τα πακέτα ανάλογα µε την κλάση τους εν αναµονή της εξυπηρέτησης, και κάθε ουρά χαµηλότερης προτεραιότητας θα εξυπηρετείται όταν αυτές της ανώτερης προτεραιότητας είναι άδειες (πράγµα που συνήθως συµβαίνει αλλιώς το δίκτυο είναι σε συµφόρηση µε την εισερχόµενη κίνηση να υπερτερεί της εξερχόµενης και να συσσωρεύεται στους ταµιευτήρες µέχρι υπερχείλισης). Αυτή η υλοποίηση (απόλυτη τήρηση προτεραιοτήτων) είναι η απλούστερη. Στην βιβλιογραφία υπάρχουν και άλλοι πιο πολύπλοκοι αλγόριθµοι (π.χ. WFQ-Weighted Fair Queuing δηλ. σταθµισµένη δίκαιη ουρά αναµονής) οι οποίοι απαιτούν προκαθορισµένες συµφωνίες για τον απαιτούµενο ρυθµό εξυπηρέτησης ανά υπηρεσία, και ταιριάζουν σε δίκτυα παρόχων και όχι σε Τ. Βεβαίως κάποιος πρέπει να µαρκάρει τα πακέτα και αυτός µπορεί να είναι η κάρτα δικτύου σε συνεννόηση µε το λογισµικό της εφαρµογής (π.χ. να δίνει εντολή η εφαρµογή VoIP στην κάρτα να µαρκάρει τα δικά της πακέτα µε υψηλή προτεραιότητα) αλλά αυτό σηµαίνει ότι πρέπει να κατασκευάζονται κάρτες µε τέτοιες ικανότητες. Όλα αυτά γενικεύονται σιγά-σιγά αλλά προς το παρόν δεν µπορούµε να πούµε ότι είναι το πιο πιθανό να τα υλοποιεί η κάρτα µας ή το Τ µας. Κλείνοντας αξίζει να σηµειώσουµε ότι και τα δύο πρότυπα 802.1p και 802.1Q ενσωµατώθηκαν τελικά στο αρχικό πρότυπο IEEE802.1D, το οποίο περιέγραφε την λειτουργία των γεφυρών (bridging). 92