Построение локальных сетей по стандартам физического и канального уровней

1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.

2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

3. Коммутация матрицы.

4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.

5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также приведенном на рис. 25, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Этот эффект иллюстрирует рис. 26. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4*10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов - (N/2)*l0 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изображена на рис. 26. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции поток данных по 10 Мбит/с, так как порт 8 не может передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet.

Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, это его высокая производительность, то разработчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (non-blocking) модели коммутаторов.

Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. Естественно, что даже неблокирующий коммутатор не может разрешить в течение долгого промежутка времени ситуации, подобные описанной выше, когда блокировка кадров происходит из-за ограниченной скорости выходного порта.

Обычно имеют в виду устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, когда коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для обеспечения такого режима нужно, естественно, такое распределение потоков кадров по выходным портам, чтобы они справлялись с нагрузкой и коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора, а при превышении ее объема - просто отбрасываться. Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необходимо выполнение достаточно простого условия:

C_к = (? C_pi)/2,

где C_k - производительность коммутатора, C_pi - максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора. Суммарная производительность портов учитывает каждый проходящий кадр дважды - как входящий кадр и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт работает в полудуплексном режиме, например Ethernet 10 Мбит/с, то производительность порта C_pi равна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его C_pi будет составлять 20 Мбит/с.

Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протоколов, независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной - при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Для поддержки неблокирующего мгновенного режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно, она должна быть равна суммарной производительности его портов:

C_k =? C_pi.

Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина - эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.

Некоторые компании стали развивать технологию коммутации для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Эти коммутаторы поддерживали как алгоритм работы прозрачного моста, так и алгоритм моста с маршрутизацией от источника. Внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch, однако принцип параллельной обработки кадров по каждому порту оставался неизменным.

Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования - сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент.

Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети, если они там имелись.

Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.

3.6 Полнодуплексные протоколы локальных сетей

Технология коммутации сама по себе не имеет непосредственного отношения к методу доступа к среде, который используется портами коммутатора. При подключении сегментов, представляющих собой разделяемую среду, порт коммутатора должен поддерживать полудуплексный режим, так как является одним из узлов этого сегмента.

Однако, когда к каждому порту коммутатора подключен не сегмент, а только один компьютер, причем по двум раздельным каналам, как это происходит почти во всех стандартах физического уровня, кроме коаксиальных версий Ethernet, ситуация становится не такой однозначной. Порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в полнодуплексном. Подключение к портам коммутатора не сегментов, а отдельных компьютеров называется микросегментацией.

В обычном режиме работы порт коммутатора по-прежнему распознает коллизии, Доменом коллизий в этом случае будет участок сети, включающий передатчик коммутатора, приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера компьютера, приемник сетевого адаптера компьютера и две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками (рис. 27).

Рис. 27. Домен коллизий, образуемый компьютером и портом коммутатора

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что изображенный на рисунке сегмент свободен. Правда, вероятность коллизии в таком сегменте гораздо меньше, чем в сегменте, состоящем из 20-30 узлов, но она не нулевая. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet в 14 880 кадров в секунду при минимальной длине кадра делится между передатчиком порта коммутатора и передатчиком сетевого адаптера. Если считать, что она делится пополам, то каждому предоставляется возможность передавать примерно по 7440 кадров в секунду.

В полнодуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком порта коммутатора и сетевого адаптера коллизией не считается. В принципе, это достаточно естественный режим работы для индивидуальных полнодуплексных каналов связи, и он часто используется в протоколах территориальных сетей. При полнодуплексной связи порты Ethernet могут передавать данные со скоростью 20 Мбит/с - по 10 Мбит/с в каждом направлении.

Естественно, необходимо, чтобы МАС - узлы взаимодействующих устройств поддерживали этот специальный режим. В случае когда только один узел будет поддерживать полнодуплексный режим, второй узел будет постоянно фиксировать коллизии и приостанавливать свою работу, в то время как другой узел будет продолжать передавать данные, которые никто в этот момент не принимает. Изменения, которые нужно сделать в логике МАС - узла, чтобы он мог работать в полнодуплексном режиме, минимальны - нужно просто отменить фиксацию и отработку коллизий в сетях Ethernet, а в сетях Token Ring и FDDI - посылать кадры в коммутатор, не дожидаясь прихода токена доступа, а тогда, когда это нужно конечному узлу. Фактически, при работе в полнодуплексном режиме МАС - узел не использует метод доступа к среде, разработанный для данной технологии.

Так как переход на полнодуплексный режим работы требует изменения логики работы МАС - узлов и драйверов сетевых адаптеров, то он сначала был опробован при соединении двух коммутаторов. Уже первые модели коммутатора EtherSwitch компании Kalpana поддерживали полнодуплексный режим при взаимном соединении, обеспечивая скорость взаимного обмена 20 Мбит/с.

Позже появились версии полнодуплексного соединения FDDI-коммутаторов, которые при одновременном использовании двух колец FDDI обеспечивали скорость обмена в 200 Мбит/с.

Сейчас для каждой технологии можно найти модели коммутаторов, которые поддерживают полнодуплексный обмен при соединении коммутатор-коммутатор.

После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее и в сетевых адаптерах, в основном адаптерах Ethernet и Fast Ethernet. При разработке технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet полнодуплексный режим стал одним из двух полноправных стандартных режимов работы узлов сети. Многие сетевые адаптеры сейчас могут поддерживать оба режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключении к порту коммутатора.

При использовании полнодуплексных версий протоколов происходит некоторое сближение различных технологий, так как метод доступа во многом определял лицо каждой технологии. Различие технологий остается в различных форматах кадров, а также в процедурах контроля корректности работы сети на физическом и канальном уровнях.

Полнодуплексные версии протоколов могли бы быть реализованы и в мостах. Принципиальных препятствий для этого не было, просто в период применения локальных мостов потребности в высокоскоростной передаче межсегментного трафика не возникало.

Проблема управления потоком данных при полнодуплексной работе

Простой отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет к повышению вероятности потерь кадров коммутаторами, так как при этом теряется контроль за потоками кадров, направляемых конечными узлами в сеть. Раньше поток кадров регулировался методом доступа к разделяемой среде, так что слишком часто генерирующий кадры узел вынужден был ждать своей очереди к среде и фактическая интенсивность потока данных, который направлял в сеть этот узел, была заметно меньше той интенсивности, которую узел хотел бы отправить в сеть. При переходе на полнодуплексный режим узлу разрешается отправлять кадры в коммутатор всегда, когда это ему нужно, поэтому коммутаторы сети могут в этом режиме сталкиваться с перегрузками, не имея при этом никаких средств регулирования (притормаживания) потока кадров.

Причина перегрузок обычно кроется не в том, что коммутатор является блокирующим, то есть ему не хватает производительности процессоров для обслуживания потоков кадров, а в ограниченной пропускной способности отдельного порта, которая определяется временными параметрами протокола. Например, порт Ethernet не может передавать больше 14 880 кадров в секунду, если он не нарушает временных соотношений, установленных стандартом.

Поэтому, если входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами, легко представить ситуацию, когда в какой-либо выходной порт коммутатора будет направляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протокольный максимум. На рис. 28 изображена как раз такая ситуация, когда в порт 3 коммутатора направляется трафик от портов 1,2,4 и 6, с суммарной интенсивностью в 22 100 кадров в секунду. Порт 3 оказывается загружен на 150 %, Естественно, что когда кадры поступают в буфер порта со скоростью 20 100 кадров в секунду, а уходят со скоростью 14 880 кадров в секунду, то внутренний буфер выходного порта начинает неуклонно заполняться необработанными кадрами.

Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то момент времени обязательно переполнится. Нетрудно подсчитать, что при размере буфера в 100 Кбайт в приведенном примере полное заполнение буфера произойдет через 0,22 секунды после начала его работы (буфер такого размера может хранить до 1600 кадров размером в 64 байт). Увеличение буфера до 1 Мбайт даст увеличение времени заполнения буфера до 2,2 секунд, что также неприемлемо. А потери кадров всегда очень нежелательны, так как снижают полезную производительность сети, и коммутатор, теряющий кадры, может значительно ухудшить производительность сети вместо ее улучшения.

Коммутаторы локальных сетей - не первые устройства, которые сталкиваются с такой проблемой. Мосты также могут испытывать перегрузки, однако такие ситуации при использовании мостов встречались редко из-за небольшой интенсивности межсегментного трафика, поэтому разработчики мостов не стали встраивать в протоколы локальных сетей или в сами мосты механизмы регулирования потока. В глобальных сетях коммутаторы технологии Х.25 поддерживают протокол канального уровня LAP-В, который имеет специальные кадры управления потоком Приемник готов (RR) и Приемник не готов (RNR), аналогичные по назначению кадрам протокола LLC2 (это не удивительно, так как оба протокола принадлежат семейству протоколов HDLC. Протокол LAP-B работает между соседними коммутаторами сети Х.25 и в том случае, когда очередь коммутатора доходит до опасной границы, запрещает своим ближайшим соседям с помощью кадра Приемник не готов передавать ему кадры, пока очередь не уменьшится до нормального уровня. В сетях Х.25 такой протокол необходим, так как эти сети никогда не использовали разделяемые среды передачи данных, а работали по индивидуальным каналам связи в полнодуплексном режиме.

При разработке коммутаторов локальных сетей ситуация коренным образом отличалась от ситуации, при которой создавались коммутаторы территориальных сетей. Основной задачей было сохранение конечных узлов в неизменном виде, что исключало корректировку протоколов локальных сетей. А в этих протоколах процедур управления потоком не было - общая среда передачи данных в режиме разделения времени исключала возникновение ситуаций, когда сеть переполнялась бы необработанными кадрами. Сеть не накапливала данных в каких-либо промежуточных буферах при использовании только повторителей или концентраторов.

ПРИМЕЧАНИЕ Здесь речь идет о протоколах МАС - уровня (Ethernet, Token Ring и т. п.), так как мосты и ко Здесь речь идет о протоколах МАС - уровня (Ethernet, Token Ring и т. п.), так как мосты и коммутаторы имеют дело только с ними. Протокол LLC2, который умеет управлять потоком данных, для целей управления потоком кадров в коммутаторах использовать нельзя. Для коммутаторов протокол LLC (все его процедуры: 1,2 и 3) прозрачен, как и все остальные протоколы верхних уровней, - коммутатор не анализирует заголовок LLC, считая его просто полем данных кадра МАС - уровня.

Применение коммутаторов без изменения протокола работы оборудования всегда порождает опасность потери кадров. Если порты коммутатора работают в обычном, то есть в полудуплексном режиме, то у коммутатора имеется возможность оказать некоторое воздействие на конечный узел и заставить его приостановить передачу кадров, пока у коммутатора не разгрузятся внутренние буферы. Нестандартные методы управления потоком в коммутаторах при сохранении протокола доступа в неизменном виде будут рассмотрены ниже.

Если же коммутатор работает в полнодуплексном режиме, то протокол работы конечных узлов, да и его портов все равно меняется. Поэтому имело смысл для поддержки полнодуплексного режима работы коммутаторов несколько модифицировать протокол взаимодействия узлов, встроив в него явный механизм управления потоком кадров.

Работа над выработкой стандарта для управления потоком кадров в полнодуплексных версиях Ethernet и Fast Ethernet продолжалась несколько лет. Такой длительный период объясняется разногласиями членов соответствующих комитетов по стандартизации, отстаивающих подходы фирм, которые реализовали в своих коммутаторах собственные методы управления потоком.

В марте 1997 года принят стандарт IEEE 802.3x на управление потоком в полнодуплексных версиях протокола Ethernet. Он определяет весьма простую процедуру управления потоком, подобную той, которая используется в протоколах LLC2 и LAP-B. Эта процедура подразумевает две команды - Приостановить передачу и Возобновить передачу, которые направляются соседнему узлу. Отличие от протоколов типа LLC2 в том, что эти команды реализуются на уровне символов кодов физического уровня, таких как 4В/5В, а не на уровне команд, оформленных в специальные управляющие кадры. Сетевой адаптер или порт коммутатора, поддерживающий стандарт 802.3x и получивший команду Приостановить передачу, должен прекратить передавать кадры впредь до получения команды Возобновить передачу.

Некоторые специалисты высказывают опасение, что такая простая процедура управления потоком окажется непригодной в сетях Gigabit Ethernet. Полная приостановка приема кадров от соседа при такой большой скорости передачи кадров (1 488 090 кадр/с) может быстро вызвать переполнение внутреннего буфера теперь у этого соседа, который в свою очередь полностью заблокирует прием кадров у своих ближайших соседей. Таким образом, перегрузка просто распространится по сети, вместо того чтобы постепенно исчезнуть. Для работы с такими скоростными протоколами необходим более тонкий механизм регулирования потока, который бы указывал, на какую величину нужно уменьшить интенсивность потока входящих кадров в перегруженный коммутатор, а не приостанавливал этот поток до нуля. Подобный плавный механизм регулирования потока появился у коммутаторов АТМ через несколько лет после их появления. Поэтому существует мнение, что стандарт 802.3х - это временное решение, которое просто закрепило существующие фирменные простые механизмы управления потоком ведущих производителей коммутаторов. Пройдет некоторое время, и этот стандарт сменит другой стандарт - более сложный и более приспособленный для высокоскоростных технологий, таких как Gigabit Ethernet.

3.7 Управления потоком кадров при полудуплексной работе

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 (backpressure) 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 в тех случаях, когда процессор порта не рассчитан на поддержку максимально возможного для данного протокола трафика. Один из первых примеров применения метода обратного давления как раз связан с таким случаем - метод был применен компанией LANNET в модулях LSE-1 и LSE-2, рассчитанных на коммутацию трафика Ethernet с максимальной интенсивностью соответственно 1 Мбит/с и 2 Мбит/с.

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. Эти два случая иллюстрируются рис. 29, а и б.



Рис. 29. Агрессивное поведение коммутатора при перегрузках буферов

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 описанных двух методов достаточно тонкие механизмы управления потоком кадров при перегрузках. Эти методы используют алгоритмы чередования передаваемых и принимаемых кадров (frame interleave). Алгоритм чередования должен быть гибким и позволять компьютеру в критических ситуациях на каждый принимаемый кадр передавать несколько своих, разгружая внутренний буфер кадров, причем не обязательно снижая при этом интенсивность приема кадров до нуля, а просто уменьшая ее до необходимого уровня.

Практически во всех моделях коммутаторов, кроме самых простых моделей для рабочих групп, реализуют тот или иной алгоритм управления потоком кадров при полудуплексном режиме работы портов. Этот алгоритм, как правило, реализует более тонкое управление потоком, чем стандарт 802.3х, не приостанавливая до нуля прием кадров от соседнего узла и тем самым не способствуя переносу перегрузки в соседний коммутатор, если к порту подключен не конечный узел, а другой коммутатор.

Выводы

· Логическая структуризация сети необходима при построении сетей средних и крупных размеров. Использование общей разделяемой среды приемлемо только для сети, состоящей из 5-10 компьютеров.

· Деление сети на логические сегменты повышает производительность, надежность, гибкость построения и управляемость сети.

· Для логической структуризации сети применяются мосты и их современные преемники - коммутаторы и маршрутизаторы. Первые два типа устройств позволяют разделить сеть на логические сегменты с помощью минимума средств - только на основе протоколов канального уровня. Кроме того, эти устройства не требуют конфигурирования.

· Логические сегменты, построенные на основе коммутаторов, являются строительными элементами более крупных сетей, объединяемых маршрутизаторами.

· Коммутаторы - наиболее быстродействующие современные коммуникационные устройства, они позволяют соединять высокоскоростные сегменты без блокирования (уменьшения пропускной способности) межсегментного трафика.

· Пассивный способ построения адресной таблицы коммутаторами - с помощью слежения за проходящим трафиком - приводит к невозможности работы в сетях с петлевидными связями. Другим недостатком сетей, построенных на коммутаторах, является отсутствие защиты от широковещательного шторма, который эти устройства обязаны передавать в соответствии с алгоритмом работы.

· Применение коммутаторов позволяет сетевым адаптерам использовать полнодуплексный режим работы протоколов локальных сетей (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI). В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных удваивается.

· В полнодуплексном режиме для борьбы с перегрузками коммутаторов используется метод управления потоком, описанный в стандарте 802.3х. Он повторяет алгоритмы полной приостановки трафика по специальной команде, известной из технологий глобальных сетей.

· При полудуплексном режиме работы коммутаторы используют для управления потоком при перегрузках два метода: агрессивный захват среды и обратное давление на конечный узел. Применение этих методов позволяет достаточно гибко управлять потоком, чередуя несколько передаваемых кадров с одним принимаемым.

4. Техническая реализация и дополнительные функции коммутаторов

Несмотря на то что в коммутаторах работают известные и хорошо отработанные алгоритмы прозрачных мостов и мостов с маршрутизацией от источника, существует большое разнообразие моделей коммутаторов. Они отличаются как внутренней организацией, так и набором выполняемых дополнительных функций, таких как трансляция протоколов, поддержка алгоритма покрывающего дерева, образование виртуальных логических сетей и ряда других.

Особенности технической реализации коммутаторов

После того как технология коммутации привлекла общее внимание и получила высокие оценки специалистов, многие компании занялись реализацией этой технологии в своих устройствах, применяя для этого различные технические решения. Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, то есть основывались на центральном процессоре общего назначения, связанном с интерфейсными портами по внутренней скоростной шине (рис. 30). Однако это были скорее пробные устройства, предназначенные для освоения самой компанией технологии коммутации, а не для завоевания рынка.

Рис. 30. Коммутатор на процессоре общего назначения

Основным недостатком таких коммутаторов была их низкая скорость. Универсальный процессор никак не мог справиться с большим объемом специализированных операций по пересылке кадров между интерфейсными модулями.

Для ускорения операций коммутации нужны были специализированные процессоры со специализированными средствами обмена данными, как в первом коммутаторе Kalpana, и они вскоре появились. Сегодня все коммутаторы используют заказные специализированные БИС - ASIC, которые оптимизированы для выполнения основных операций коммутации. Часто в одном коммутаторе используется несколько специализированных БИС, каждая из которых выполняет функционально законченную часть операций. Сравнительно низкая стоимость современных коммутаторов по сравнению с их предшественниками 3-5-летней давности объясняется массовым характером производства основных БИС, на которых каждая компания строит свои коммутаторы.

Кроме процессорных микросхем для успешной неблокирующей работы коммутатору нужно также иметь быстродействующий узел для передачи кадров между процессорными микросхемами портов.

В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем, на которой строится такой узел обмена:

· коммутационная матрица;

· разделяемая многовходовая память;

· общая шина.

Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутационная матриц обеспечивает основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов, именно он был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей. Однако реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора (рис. 31).

Более детальное представление одного из возможных вариантов реализации коммутационной матрицы для 8 портов дано на рис. 32. Входные блоки процессоров портов на основании просмотра адресной таблицы коммутатора определяют по адресу назначения номер выходного порта. Эту информацию они добавляют к байтам исходного кадра в виде специального ярлыка - тэга (tag). Для данного примера тэг представляет собой просто 3-разрядное двоичное число, соответствующее номеру выходного порта.

Матрица состоит из трех уровней двоичных переключателей, которые соединяют свой вход с одним из двух выходов в зависимости от значения бита тэга. Переключатели первого уровня управляются первым битом тэга, второго - вторым, а третьего - третьим.

Матрица может быть реализована и по-другому, на основании комбинационных схем другого типа, но ее особенностью все равно остается технология коммутации физических каналов. Известным недостатком этой технологии является отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы - если составной канал невозможно построить из-за занятости выходного порта или промежуточного коммутационного элемента, то данные должны накапливаться в их источнике, в данном случае - во входном блоке порта, принявшего кадр. Основные достоинства таких матриц - высокая скорость коммутации и регулярная структура, которую удобно реализовывать в интегральных микросхемах. Зато после реализации матрицы NxN в составе БИС проявляется еще один ее недостаток - сложность наращивания числа коммутируемых портов.

Коммутаторы с общей шиной

В коммутаторах с общей шиной процессоры портов связывают высокоскоростной шиной, используемой в режиме разделения времени.

Пример такой архитектуры приведен на рис. 33. Чтобы шина не блокировала работу коммутатора, ее производительность должна равняться по крайней мере сумме производительности всех портов коммутатора. Для модульных коммутаторов некоторые сочетания модулей с низкоскоростными портами могут приводить к неблокирующей работе, а установка модулей с высокоскоростными портами может приводить к тому, что блокирующим элементом станет, например, общая шина.

Рис. 33. Архитектура коммутатора с общей шиной

Кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по нескольку байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например LANNET или Centillion, выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку АТМ с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол АТМ, если коммутатор поддерживает эти технологии.

Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тэг, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту.

Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет - здесь работает принцип коммутации пакетов, а не каналов.

Коммутаторы с разделяемой памятью

Третья базовая архитектура взаимодействия портов - двухвходовая разделяемая память. Пример такой архитектуры приведен на рис. 3

Рис. 3 Архитектура разделяемой памяти

Входные блоки процессоров портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с переключаемым выходом этой памяти. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходных портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных кадра в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит также поочередное подключение выхода разделяемой памяти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.

Память должна быть достаточно быстродействующей для поддержания скорости переписи данных между N портами коммутатора. Применение общей буферной памяти, гибко распределяемой менеджером между отдельными портами, снижает требования к размеру буферной памяти процессора порта.

Комбинированные коммутаторы

У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и недостатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются в комбинации друг с другом. Пример такого комбинирования приведен на рис. 35.

Коммутатор состоит из модулей с фиксированным количеством портов (2-12), выполненных на основе специализированной БИС, реализующей архитектуру коммутационной матрицы. Если порты, между которыми нужно передать кадр данных, принадлежат одному модулю, то передача кадра осуществляется процессорами модуля на основе имеющейся в модуле коммутационной матрицы. Если же порты принадлежат разным модулям, то процессоры общаются по общей шине. При такой архитектуре передача кадров внутри модуля будет происходить быстрее, чем при межмодульной передаче, так как коммутационная матрица - наиболее быстрый, хотя и наименее масштабируемый способ взаимодействия портов. Скорость внутренней шины коммутаторов может достигать нескольких Гбит/с, а у наиболее мощных моделей - до 20-30 Гбит/с.

Можно представить и другие способы комбинирования архитектур, например использование разделяемой памяти для взаимодействия модулей.

Конструктивное исполнение коммутаторов

В конструктивном отношении коммутаторы делятся на следующие типы:

· автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;

· модульные коммутаторы на основе шасси;

· коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.

Первый тип коммутаторов обычно предназначен для организации небольших рабочих групп.

Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего предназначены для применения на магистрали сети. Поэтому они выполняются на основе какой-либо комбинированной схемы, в которой взаимодействие модулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема. Модули такого коммутатора выполняются на основе технологии hot swap, то есть допускают замену на ходу, без выключения коммутатора, так как центральное коммуникационное устройство сети не должно иметь перерывов в работе. Шасси обычно снабжается резервированными источниками питания и резервированными вентиляторами в тех же целях.

С технической точки зрения определенный интерес представляют стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работать автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему, работающую как единый коммутатор. Говорят, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.

Обычно такой специальный интерфейс представляет собой высокоскоростную шину, которая позволяет объединить отдельные корпуса подобно модулям в коммутаторе на основе шасси. Так как расстояния между корпусами больше, чем между модулями на шасси, скорость обмена по шине обычно ниже, чем у модульных коммутаторов: 200-400 Мбит/с. Не очень высокие скорости обмена между коммутаторами стека обусловлены также тем, что стековые коммутаторы обычно занимают промежуточное положение между коммутаторами с фиксированным количеством портов и коммутаторами на основе шасси. Стековые коммутаторы применяются для создания сетей рабочих групп и отделов, поэтому сверхвысокие скорости шин обмена им не очень нужны и не соответствуют их ценовому диапазону.

Структура стека коммутаторов, соединяемых по скоростным специальным портам, показана на рис. 36.

Компания Cisco предложила другой подход к организации стека. Ее коммутатор Catalyst 3000 также имеет специальный скоростной интерфейс 280 Мбит/с для организации стека, но с его помощью коммутаторы соединяются не друг с другом, а с отдельным устройством, содержащим коммутационную матрицу 8х8, организующую более высокопроизводительный обмен между любыми парами коммутаторов.

Существуют коммутаторы, которые позволяют объединить два коммутатора полнодуплексным каналом более чем по одной паре портов. Например, коммутаторы модели 28115 компании Nortel Networks имеют по два порта Fast Ethernet, с помощью которых можно соединять коммутаторы, образуя полнодуплексный канал с производительностью 400 Мбит/с (рис. 37).

Рис. 37.Транковое полнодуплексное соединение коммутаторов 28115 компании Nortel Networks

Такие соединения называются транковыми и являются частной разработкой каждой компании, выпускающей коммуникационное оборудование, так как нарушают не только логику доступа к разделяемым средам, но и топологию соединения мостов, запрещающую петлевидные контуры (а такой контур всегда образуется при соединении коммутаторов более чем одной парой портов). При соединении коммутаторов разных производителей транк работать не будет, так как каждый производитель добавляет к логике изучения адресов сети коммутатором по транковой связи что-то свое, чтобы добиться от него правильной работы.

Характеристики, влияющие на производительность коммутаторов

Производительность коммутатора - то свойство, которое сетевые интеграторы и администраторы ждут от этого устройства в первую очередь.

Основными показателями коммутатора, характеризующими его производительность, являются:

· скорость фильтрации кадров;

· скорость продвижения кадров;

· пропускная способность;

· задержка передачи кадра.

Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:

· тип коммутации - на лету или с полной буферизацией;

· размер буфера (буферов) кадров;

· производительность внутренней шины;

· производительность процессора или процессоров;

· размер внутренней адресной таблицы.

Скорость фильтрации и скорость продвижения

Скорость фильтрации и продвижения кадров - это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.

Скорость фильтрации (filtering) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

· прием кадра в свой буфер;

· просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;

· уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту.

Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов является неблокирующей - коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.

Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров.

· прием кадра в свой буфер;

· просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;

· передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в секунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт (без преамбулы) с полем данных в 46 байт. Если скорости указаны для какого-либо определенного протокола, например Token Ring или FDDI, то они также даны для кадров минимальной длины этого протокола (например, кадров длины 29 байт для протокола FDDI). Применение в качестве основного показателя скорости работы коммутатора кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности переносимых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика. Кроме того, для пакетов минимальной длины скорость фильтрации и продвижения максимальна, что имеет немаловажное значение при рекламе коммутатора.

Пропускная способность коммутатора измеряется количеством пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня - Ethernet, Token Ring, FDDI и т. п. Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, а время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше. Поэтому коммутатор может быть блокирующим для кадров минимальной длины, но при этом иметь очень хорошие показатели пропускной способности.

Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором, - просмотра адресной таблицы, принятия решения о фильтрации или продвижении и получения доступа к среде выходного порта.

Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется на лету, то задержки обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров - от 50 до 200 мкс (для кадров минимальной длины).

Коммутатор - это многопортовое устройство, поэтому для него принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки передачи кадра) давать в двух вариантах. Первый вариант - суммарная производительность коммутатора при одновременной передаче трафика по всем его портам, второй вариант - производительность, приведенная в расчете на один порт. Обычно производители коммутаторов указывают общую максимальную пропускную способность устройства.

Коммутация на лету или с буферизацией

На производительности коммутатора сказывается способ передачи пакетов - на лету или с буферизацией. Коммутаторы, передающие пакеты на лету, вносят меньшие задержки передачи кадров на каждом промежуточном коммутаторе, поэтому общее уменьшение задержки доставки данных может быть значительным, что важно для мультимедийного трафика. Кроме того, выбранный способ коммутации оказывает влияние на возможности реализации некоторых полезных дополнительных функций, например трансляцию протоколов канального уровня. В табл. 2 дается сравнение возможностей двух способов коммутации.

Средняя величина задержки коммутаторов, работающих на лету, при высокой нагрузке объясняется тем, что в этом случае выходной порт часто бывает занят приемом другого пакета, поэтому вновь поступивший пакет для данного порта все равно приходится буферизовать.

Коммутатор, работающий на лету, может выполнять проверку некорректности передаваемых кадров, но не может изъять плохой кадр из сети, так как часть его байт (и, как правило, большая часть) уже переданы в сеть.

Так как каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, в тех моделях коммутаторов, которым н нужно транслировать протоколы, иногда применяется механизм адаптивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора - коммутация на лету, но коммутатор постоянно контролирует трафик и при превышении интенсивности появления плохТак как каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, в тех моделях коммутаторов, которым н нужно транслировать протоколы, иногда применяется механизм адаптивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора - коммутация на лету, но коммутатор постоянно контролирует трафик и при превышении интенсивности появления плохих кадров некоторого порога переходит на режим полной буферизации. Затем коммутатор может вернуться к коммутации на лету.

Размер адресной таблицы

Максимальная емкость адресной таблицы определяет предельное количество MAC-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт. Экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей не обязательно содержат одну и ту же адресную информацию - скорее всего, повторяющихся адресов будет не так много, если только распределение трафика каждого порта между остальными портами не полностью равновероятно. Каждый порт хранит только те наборы адресов, с которыми он работал в последнее время.

Значение максимального числа МАС - адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей - до нескольких тысяч, обычно 4000-8000 адресов.

Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, процессор должен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем не обязательны.

Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом. В маршрутизаторах такой прием применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц в сетях, организованных по иерархическому принципу.

Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору при иерархическом соединении коммутаторов в крупной сети, который имеет достаточную емкость адресной таблицы и знает, куда нужно передать любой кадр.

Объем буфера кадров

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика. Ведь даже если трафик хорошо сбалансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений графика, это не гарангирует, что их производительности хватит при пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты.

Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполнится.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Хорошо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.

Дополнительные функции коммутаторов

Так как коммутатор представляет собой сложное вычислительное устройство, имеющее несколько процессорных модулей, то естественно нагрузить его помимо выполнения основной функции передачи кадров с порта на порт по алгоритму моста и некоторыми дополнительными функциями, полезными при построении надежных и гибких сетей. Ниже описываются наиболее распространенные дополнительные функции коммутаторов, которые поддерживаются большинством производителей коммуникационного оборудования.