Класичний варіант мережі Ethernet суворо передбачає, що між будь-якою парою вузлів можливий тільки один шлях проходження сигналу. Це забезпечується шинної топологією для коаксіальногокабелю і зіркоподібною або деревовидної топологією для інших середовищ передачі. Мости і перші комутатори не дозволяли порушувати це правило. Якщо при помилковою комутації утворювалася петля, то домен колізій, в яку вона потрапляла, ставав практично непрацездатним. У ньому кадри розмножувалися і нескінченно повторювалися, викликаючи завантаження сегмента і масові колізії.
Единственность шляху робить мережу вразливою - при порушенні зв'язку в лінії вузли, що знаходяться на її протилежних кінцях, виявляються ізольованими одна від одної. Крім того, в комутованій мережі можуть утворюватися вузькі місця - лінії, на передачу за якими претендують учасники кількох доменів колізій. У мережах без комутаторів вузьким місцем ставала вся поділюване середовище передачі. Застосування комутаторів дозволяє організовувати магістралі, що несуть основне навантаження, і розвантажувати периферійні області мережі. Магістралі стали вимагати забезпечення більш високої пропускної здатності, а також забезпечення резервування ліній для підвищення живучості мережі. Для ув'язки цих потреб з «природою» Ethernet застосовуються різні стандартні і фірмові підходи, описані нижче.
Надлишкові зв'язку і алгорітмSpanningTree
Алгоритм STA (Spanning Tree Algorithm - алгоритм остовного, або покриває дерева) і протокол STP (Spanning Tree Protocol) визначені стандарту IEEE 802.1d. Цей алгоритм реалізується в мережі, побудованої із застосуванням інтелектуальних мостів (комутаторів). Ідея його полягає у виділенні з. зв'язкового графа мережі з надлишковими лініями дерева, що з'єднує всі вузли і оптимального за певними критеріями. У нормальному стані комутатори мають інформацію про всі з'єднання, але ігнорують резервні лінії зв'язку (схема "а"). Якщо ж через аварію основної лінії зв'язок втрачається, комутатори перераховують граф, визначаючи нове дерево (схема "б"), і зв'язок відновлюється.
Protocol Identifier (ідентифікатор протоколу) - 2-байтний код, визначений IEEE.
Protocol Version Identifier (ідентифікатор версії) - 1 байт.
BPDU Туре (тип) - 1 байт, що розрізняє конфігураційний BPDU і BPDU зміни топології.
Flags (прапори) -1-байтное поле з прапорами зміни топології і підтвердження зміни топології.
Root Path Cost (вартість шляху до кореня) - 4-байтное поле, яке використовується для знаходження оптимального шляху до кореня.
Port Identifier (ідентифікатор порту) - 2-байтное поле, що складається з 1-байтного пріоритету порту, призначеного при ручному конфігуруванні моста, і 1-байтного номера порту моста. Менший ідентифікатор відповідає більшому пріоритету.
Message Age (вік повідомлення) - 2-байтное поле, що визначає давність приходу конфігураційного повідомлення (занадто старі відкидаються).
Max Age (максимальний вік) - 2-байтное поле таймаута, яке встановлюється кореневих мостом. Використовується при порівнянні з віком при визначенні актуальності повідомлення.
Hello Time (період привітань) - 2-байтное поле інтервалу, з яким кореневої міст генерує конфігураційні BPDU. Якщо міст не почує чергове повідомлення за зазначений час, він ініціює зміну топології і намагається оголосити себе новим коренем.
BPDU зміни топології в поле даних містить тільки ідентифікатор протоколу, номер версії та поле типу.
Недоліком протоколу STP є помітне час, що йде на перерахунок графа при виявленні відмови лінії. Протягом цього часу абоненти розірваних фрагментів мережі не мають зв'язку між собою. Крім того, резервні лінії при працюючих основних простоюють, а їх хотілося б використовувати для підвищення продуктивності магістральної мережі. Перевагою є довільність топології надлишкових зв'язків, що дозволяє дублювати і лінії зв'язку, і комутатори. При цьому не накладається ніяких обмежень на швидкість передачі - в резерв можна ставити і відносно дешеві низькошвидкісні комутатори. Правда, чим складніше граф, тим довше він буде перераховуватися на підводному човні. STP є визнаним стандартом, що дозволяє об'єднувати мости (комутатори) різних виробників, що підтримують даний протокол.
Дублірованіелініі (Resilient Link, LinkSafe)
Головний недолік STP - великий час відновлення - усувається в фірмових технологіях Resilient Link (3Com), LinkSafe (Bay). Ідея полягає в прокладці між двома комутаторами не однієї, а двох ліній. Пара фізичних інтерфейсів комутатора, сконфигурированних на дублювання, розглядається як один порт. Таким чином повинні бути налаштовані інтерфейси комутаторів на обох кінцях резервованої лінії. У нормальному режимі передача даних відбувається тільки по основній лінії, резервна простоює. У разі виявлення відмови основної лінії її інтерфейс відключається і обмін триває по резервній лінії. Оскільки виявлення відмови відбувається на фізичному рівні (а не по таймаут очікування кадрів BPDU), реакція і відновлення зв'язку відбувається швидко (порівнянно з часом передачі одного кадру). Недоліком цієї технології є топологічна обмеженість: основна і резервна лінії пов'язують одні і ті ж комутатори. Звичайно, для страховки фізичний резервний кабель можна прокласти по інший трасі, але це не рятує від відмови комутатора (навіть одного його порту). Резервна лінія при справній основний простоює, як і при STP. Технології не є промисловими стандартами - сумісність апаратури різних виробників не гарантується.
Об'єднання портів служить двом цілям - підвищення надійності і збільшення продуктивності. Пара магістральних комутаторів з'єднується кількома (як правило до 4) паралельними лініями. Ці лінії підключаються до портів, сконфігурованим на роботу «в унісон». Логічно група цих портів представляється одним портом, продуктивність якого дорівнює сумі продуктивності задіяних ліній. У разі відмови однієї з ліній навантаження розподіляється по іншим - продуктивність падає, але мережу живе. Механізм об'єднання портів також поки не стандартизований, хоча і використовується багатьма виробниками активного обладнання. Крім назви Port Trunking ( «магістралізація» портів), застосовують і Port Bundling (зв'язка портів).
Активна полносвязная топологія (АМТ)
Фірма Cabletron розробила технологію SecureFast, яка дозволяє використовувати активну повнозв'язну топологію з'єднання комутаторів АМТ (Active Mesh Topology). Приклад з'єднання чотирьох комутаторів, який ілюструє її можливості, наведено на схемі нижче. Тут між клієнтами А і В, а також А і С існують три можливих шляхи: 1-2-4, 1-3-4 і 1-2-3-4. Якщо продуктивність каналів, що з'єднують комутатори, однакова, то останню путь явно гірше оптимальних перших двох.
Технологія SecureFast реалізована в досить дорогих комутаторах фірми Cabletron і крім оптимізації завантаження ліній і їх резервування включає підтримку досить складних віртуальних локальних мереж.