Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Раздел 4 Уровень передачи данных (Канальный уровень) Тема 19. Построение локальных сетей с помощью мостов и коммутаторов

Мосты и коммутаторы Ethernet Ограничения, возникающие из-за использования одной разделяемой среды, можно преодолеть, выполнив логическую структуризацию сети, то есть сегментировать единую разделяемую среду на несколько и соединить полученные сегменты сети такими устройствами как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы (рис ). Перечисленные устройства передают кадры с одного своего порта на другой, анализируя адрес назначения, помещенный в этих кадрах. Мосты и коммутаторы выполняют операцию передачи кадров на основе плоских адресов канального уровня, то есть МАС-адресов, а маршрутизаторы используют для этой цели иерархические адреса сетевого уровня (IP-адрес). Логическая структуризация позволяет решить несколько задач, основные из них: 1)повышение производительности, 2)гибкости, 3)безопасности и 4) управляемости сети.

Рис Логическая структуризация сети

Мосты и коммутаторы Ethernet Повышение производительности. -является главной целью логической структуризации, рис. 4-19_2. Если обозначить среднюю интенсивность трафика, идущего от узла i к узлу j, через С ij, то суммарный трафик, который должна была передавать сеть до деления на сегменты, равен C = C ij (считаем, что суммирование проводится по всем узлам). После разделения сети подсчитаем нагрузку отдельно для каждого сегмента. Например, нагрузка сегмента S1 стала равна C S1 + C S1 _ S2, где C S1 внутренний трафик сегмента SI, a C S1 _ S2 межсегментный трафик. Чтобы показать, что нагрузка сегмента S1 стала меньше, чем нагрузка исходной сети, заметим, что общую нагрузку сети до разделения на сегменты можно представить в таком виде: C Σ = C S1 + C S1 _ S2 + C S2.

Рис Изменение нагрузки при делении сети на сегменты Общий трафик в сети C Σ = C S1 + C S1 _ S2 + C S2 CS1_S2CS1_S2 Трафик в сегменте S1= C S1 Трафик в сегменте S2= C S2

Мосты и коммутаторы Ethernet Повышение производительности. -Значит, нагрузка сегмента S1 после разделения стала равной C C S2, то есть стала меньше на величину внутреннего трафика сегмента S2. Аналогичные рассуждения можно повторить относительно сегмента S2. -Повышение гибкости сети. При построении сети как совокупности сегментов каждый из них может быть адаптирован к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Например, в одном сегменте может использоваться технология Ethernet и ОS Unix, в другом Token Ring и OS-400. Вместе с тем, у пользователей обоих сегментов есть возможность обмениваться данными через мосты и коммутаторы. -Процесс разбиения сети на логические сегменты можно рассматривать и в обратном направлении, как процесс создания большой сети из уже имеющихся небольших сетей. -Повышение управляемости сети. Побочным эффектом снижения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы очень часто локализуются внутри сегмента. Сегменты образуют логические домены управления сетью.

Мосты и коммутаторы Ethernet Оба эти устройства продвигают кадры на основании одного и того же алгоритма, а именно алгоритма прозрачного моста, описанного в стандарте IEEE 802.ID. Этот стандарт, разработанный задолго до появления первого коммутатора, описывал работу моста, поэтому совершенно естественно, что в его названии и содержании используется термин «мост». И хотя мосты, для которых алгоритм был разработан, сегодня уже относятся к практически «вымершему» виду коммуникационных устройств, в стандартах, описывающих работу коммутатора, следуя традиции, используют термин «мост». Мост и коммутатор – это функциональные близнецы. Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор параллельно.

Мосты и коммутаторы Ethernet Алгоритм прозрачного моста IEEE 802.1D Работа моста (коммутатора) заключается в том, что он принимает целый кадр в буфер, анализирует его (прежде всего по адресу назначения) и только потом перенаправляет кадр на соответствующий порт. Буферизация разрывает логику работы всех сегментов как единой разделяемой среды. Для работы мост (коммутатор) применяет адресную таблицу. Причем коммутатор строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах. При этом коммутатор учитывает адреса источников кадров данных, поступающих на порты коммутатора. По адресу источника кадра коммутатор делает вывод о принадлежности узла-источника тому или иному сегменту сети. ВНИМАНИЕ Порты коммутатора не нуждаются в МАС- адресах, так как они работают в так называемом неразборчивом режиме захвата кадров, когда все поступающие на порт кадры, независимо от их адреса назначения, запоминаются на время в буферной памяти.

Рис Принцип работы прозрачного моста/коммутатора

Мосты и коммутаторы Ethernet Алгоритм прозрачного моста IEEE 802.1D В исходном состоянии коммутатор не знает о том, компьютеры с какими МАС-адресами подключены к каждому из его портов. В этой ситуации коммутатор просто передает любой захваченный и буферизованный кадр на все свои порты за исключением того порта, от которого этот кадр получен. Одновременно с передачей кадра на все порты коммутатор изучает адрес источника кадра и делает запись о его принадлежности к тому или иному сегменту в своей адресной таблице. Эту таблицу также называют таблицей фильтрации, или таблицей маршрутизации. Например, получив на порт 1 кадр от компьютера 1, коммутатор делает первую запись в своей адресной таблице. Рассмотрим действие коммутатора на примере (см.рис ). 1)При получении кадра, направленного от компьютера 1 компьютеру 3, коммутатор просматривает адресную таблицу на предмет совпадения адреса в какой-либо из ее записей с адресом назначения МАС-адресом 3. Запись с искомым адресом имеется в адресной таблице.

Мосты и коммутаторы Ethernet Алгоритм прозрачного моста IEEE 802.1D 2) Второй этап анализ таблицы. Коммутатор проверяет, находятся ли компьютеры с адресами источника и назначения в одном сегменте. Если нет, то коммутатор выполняет операцию продвижения (forwarding) кадра передает кадр на порт 2, в сегмент получателя. Как обычно получает доступ к сегменту и передает туда кадр. 3) Если компьютеры принадлежат одному сегменту, то кадр просто удаляется из буфера. Такая операция называется фильтрацией ( filtering). 4) Если бы запись МАС-адрес 3 отсутствовала в адресной таблице, т.е. адрес назначения был неизвестен коммутатору, то он передал бы кадр на все свои порты, кроме порта источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения. Процесс обучения коммутатора никогда не заканчивается и происходит одновременно с продвижением и фильтрацией кадров. Коммутатор постоянно следит за адресами источника буферизуемых кадров, чтобы автоматически приспосабливаться к изменениям, происходящим в сети, перемещениям компьютеров из одного сегмента сети в другой, отключению и появлению новых компьютеров.

Мосты и коммутаторы Ethernet Алгоритм прозрачного моста IEEE 802.1D Записи адресной таблицы могут быть динамическими, создаваемыми в процессе самообучения коммутатора, и статическими, создаваемыми вручную администратором сети. Статические записи не имеют срока жизни, что дает администратору возможность влиять на работу коммутатора. Динамические записи имеют срок жизни при создании или обновлении записи в адресной таблице с ней связывается отметка времени. По истечении определенного тайм-аута запись помечается как недействительная, если за это время коммутатор не принял ни одного кадра с данным адресом в поле адреса источника. Это дает возможность коммутатору автоматически реагировать на перемещения компьютера из сегмента в сегмент при его отключении от старого сегмента запись о его принадлежности к нему со временем вычеркивается из адресной таблицы. После подключения этого компьютера к другому сегменту его кадры начнут попадать в буфер коммутатора через другой порт, и в адресной таблице появится новая запись, соответствующая текущему состоянию сети.

Мосты и коммутаторы Ethernet Алгоритм прозрачного моста IEEE 802.1D Кадры с широковещательными МАС-адресами, как и кадры с неизвестными адресами назначения, передаются коммутатором на все его порты. Такой режим распространения кадров называется затоплением сети (flooding). Наличие коммутаторов в сети не препятствует распространению широковещательных кадров по всем сегментам сети. Однако это является достоинством только тогда, когда широковещательный адрес выработан корректно работающим узлом. Нередко в результате каких-либо программных или аппаратных сбоев протокол верхнего уровня или сетевой адаптер начинают работать некорректно, а именно постоянно с высокой интенсивностью генерировать кадры с широковещательным адресом. Коммутатор в соответствии со своим алгоритмом передает ошибочный трафик во все сегменты. Такая ситуация называется широковещательным штормом (broadcast storm).

Мосты и коммутаторы Ethernet Алгоритм прозрачного моста IEEE 802.1D Для борьбы со штормом – администратор может установить для каждого узла предельно допустимую интенсивность генерации кадров с широковещательным адресом на коммутаторе. На рис показана типичная структура коммутатора. Функции доступа к среде при приеме и передаче кадров выполняют микросхемы MAC, которые идентичны микросхемам сетевого адаптера Протокол, реализующий алгоритм коммутатора, располагается между уровнями MAC и LLC (рис. 206_5.5).

Рис Структура моста/коммутатора

Рис 2-6.5(a). Место протокола коммутатора в стеке протоколов

Рис 2-6.5(Б). Адресная таблица коммутатора

Мосты и коммутаторы Ethernet Топологические ограничения коммутаторов в локальных сетях Серьезным ограничением функциональности мостов и коммутаторов является отсутствие поддержки петлеобразной конфигурации сети. Два сегмента Ethernet параллельно соединены двумя коммутаторами, так что образовалась петля. (Рис ) Пусть новая станция с МАС- адресом 123 впервые начинает работу в данной сети. Обычно начало работы любой операционной системы сопровождается рассылкой широковещательных кадров, в которых станция заявляет о своем существовании и одновременно ищет серверы сети…. Рис

Рис Влияние замкнутых маршрутов на работу коммутаторов

Мосты и коммутаторы Ethernet П оследствия наличия петли в сети: Кадр с MAC-123 попадает как в коммутатор 1, так и в коммутатор 2. В обоих коммутаторах новый адрес источника 123 заносится в адресную таблицу с пометкой « й порт» (сегмент 1). Оба коммутатора должны передать широковещат-й кадр на остальные порты в данном случае порт 2. В соответствии с CSMA/CD оба комм-ра стремятся завладеть сегментом 2. Пусть коммутатор – «1» захватывает первым. Он передает кадр «123» в разделяемую среду сегмента 2, в том числе и коммутатору «2». Комм-р «2», получив кадр 123 с порта -2 переписывает запись таблицы коммутации заново и перенаправляет кадр опять в сегмент 1.

Мосты и коммутаторы Ethernet Топологические ограничения коммутаторов в локальных сетях П оследствия наличия петли в сети: «Размножение» кадра, то есть появление нескольких его копий (в данном случае двух, но если бы сегменты были соединены тремя коммутаторами то трех и т. д.). Бесконечная циркуляция обеих копий кадра по петле в противоположных направлениях, а значит, засорение сети ненужным трафиком. Постоянная перестройка коммутаторами своих адресных таблиц, так как кадр с адресом источника 123 будет появляться то на одном порту, то на другом

Мосты и коммутаторы Ethernet Топологические ограничения коммутаторов в локальных сетях В целях исключения всех этих нежелательных эффектов строить сеть с помощью коммутаторов только древовидный структуры, гарантирующие наличие единственного пути между любыми двумя сегментами. Тогда кадры от каждой станции будут поступать в коммутатор всегда с одного и того же порта, и коммутатор сможет правильно решать задачу выбора рационального маршрута в сети. Избыточные связи необходимо блокировать, то есть переводить их в неактивное состояние. В сетях с простой топологией эта задача решается вручную, путем блокирования соответствующих портов коммутаторов. В больших сетях со сложными связями используются алгоритмы, которые позволяют решать задачу обнаружения петель автоматически. Например алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STА).

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы В коммутаторах для обслуживания потока, поступающего на каждый порт ставится отдельный специализированный процессор, который реализовывает алгоритм моста. Коммутатор это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Помимо мульти процессоров коммутаторы имеют в своем составе коммутационную матрицу для соединения одного порта с другим. Производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов – коммутаторы могут передавать до нескольких миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывают 3-5 тыс. кадров в секунду. Производительность коммутаторов, а также дополнительные функции, такие как VLAN например, предопределили судьбу мостов и коммутаторов.

Рис Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpana (Ethernet Packet Processor, EPP)

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы На рис представлена структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенная фирмой Kalpana. У коммутатора фирмы Kalpana задержка между получением первого байта кадра на входном порту и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом. Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet (Ethernet Packet Processor, EPP). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР, в частности ведет общую адресную таблицу коммутатора. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица. Она функционирует по принципу коммутации каналов, соединяя порты коммутатора. При поступлении кадра в какой-либо порт, соответствующий процессор ЕРР буферизует несколько первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же приступает к обработке кадра, не дожидаясь прихода остальных его байтов (рис ).

Рис Передача кадра через коммутационную матрицу

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы 1)Процессор ЕРР просматривает свой кэш адресной таблицы, и если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования. 2)Если адрес назначения найден в адресной таблице и кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра. (если адрес назначения того же сегмента, что и адрес источника)

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы 3)Если же адрес найден и кадр нужно передать на другой порт, процессор, продолжая прием кадра в буфер, обращается к коммутационной матрице, пытаясь установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который прокладывет маршрут к адресу назначения. 4)Коммутационная матрица проключает в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом данного коммутатора. 5)Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

Мосты и коммутаторы Ethernet 6)После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байтов принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис ). Описанный выше способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету»- (on- the-fly), или «напролет»- (cut-through). Этот способ представляет собой, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи. (Есть и с буферизацией- SAF (store-and- forward, или buffered switching -буферная коммутация).

Рис Экономия времени при конвейерной обработке кадра: а конвейерная обработка, б обычная обработка с полной буферизацией 2)Поиск адреса DA в адресной таблице 3)Коммутация матрицы 4)Прием остальных байтов кадра 5)Прием байтов кадра выходным портом 6)Получение доступа к среде 7)Передача кадра в сеть

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы 1)Прием первых байтов кадра процессором входного порта, включая прием байтов 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 байтов кадра процессором входного порта. 5)Прием байтов кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу. 6)Получение доступа к среде процессором выходного порта. 7)Передача байтов кадра процессором выходного порта в сеть.

Рис Параллельная передача кадров коммутатором

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы На Рис показана идеальная в отношении производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мбит/с. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4 х 10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов (N/2) х 10 Мбит/с. В таком случае говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Коммутатор называют не блокирующим, если он может предавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. Мгновенный неблокирующий режим- Это означает, что коммутатор может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протокола, независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Обработка некоторых кадров при этом может быть неполной - при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Для поддержки мгновенного не блокирующего режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно она должна равна суммарной производительности его портов C k = C pi. Неблокирующие коммутаторы Для обеспечения подобного режима нужно таким образом распределить потоки кадров по выходным портам, чтобы: во-первых, порты справлялись с нагрузкой, во-вторых, коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Для поддержания устойчивого неблокирующего режима коммутатора необходимо, чтобы его производительность удовлетворяла условию C k = (C pi )/2, где C k – производительность коммутатора, C pi -максимальная производительность протоколов, поддерживаемого i-м портом коммутатора.

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы Борьба с перегрузками 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. Агрессивный захват среды - либо после окончания передачи очередного кадра, либо после коллизии. В первом случае (рис , а) коммутатор окончил передачу очередного кадра и вместо технологической паузы в 9,6 мкс сделал паузу в 9,1 мкс, после чего 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.

Рис Агрессивное поведение коммутатора при перегрузках буферов

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы Борьба с перегрузками Во втором случае (рис ,б) кадры коммутатора и компьютера столкнулись, то есть 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. Эти методы используют алгоритмы чередования передаваемых и принимаемых кадров (frame interleave). Алгоритм чередования позволят коммутатору в критических ситуациях на каждый принимаемый кадр передавать несколько своих, разгружая внутренний буфер кадров.

Трансляция протоколов канального уровня I.Коммутаторы в соответствии со спецификациями IEEE 802.1Н и RFC 1042 могут выполнять трансляцию одного протокола канального уровня в другой, например Ethernet в FDDI, Fast Ethernet в Token Ring и т. п. II.Все конечные узлы локальных сетей имеют уникальные адреса одного и то же формата – (MAC- адреса) независимо от протокола. III.Помимо изменения порядка следования битов при передаче байтов адреса трансляция протокола Ethernet (и Fast Ethernet) в протоколы FDDI и Token Ring включает выполнение перечисленных ниже операций: 1)Вычисление длины поля данных кадра и помещение его в соотв-е поле. 2)Заполнение полей статуса кадра при передаче кадров из сети FDDI или Token Ring в сеть Ethernet. 3)Отбрасывание кадров, передаваемых из сетей FDDI или Token Ring в сеть Ethernet с размером поля данных большим, чем 1500 байт, так как это максимально возможное значение поля данных для сетей Ethernet 4)Заполнение поля типа протокола кадра Ethernet II при приходе кадров из сетей, поддерживающих кадры FDDI или Token Ring, в которых это поле отсутствует, зато имеются поля DSAP и SSAP того же назначения, но с другими кодами для обозначения протоколов 5)Пересчет контрольной суммы кадра в соответствии со сформированными значениями служебных полей кадра

Фильтрация трафика Многие модели коммутаторов позволяют администраторам задавать пользовательские фильтры кадров наряду со стандартными условиями их фильтрации в соответствии с информацией адресной таблицы на основе МАС- адресов станций. Необходимые параметры пользовательских фильтров (условия фильтрации) указываются в дополнительном поле адресной таблицы, рис. 2-06_6 Б (например, условие отбрасывать кадры с определенным адресом). Таким способом пользователю, работающему на компьютере с данным МАС- адресом, полностью запрещается доступ к ресурсам другого сегмента сети В качестве признака фильтрации, администратор указывает пару «смещение-размер» относительно начала поля данных кадра канального уровня, а затем еще приводит шестнадцатеричное значение этого поля. Сложные условия фильтрации обычно записываются в виде булевых выражений, формируемых с помощью логических операторов AND и OR

Фильтрация трафика Рис. 2-06_6 Б. Адресная таблица коммутатора

Архитектура и конструктивное исполнение коммутаторов В настоящее время в коммутаторах узел обмена строится на основе одной из трех схем: I.коммутационная матрица; II.общая шина; III.разделяемая многовходовая память 1.Коммутационная матрица обеспечивает наиболее простой способ взаимодействия процессоров портов, и именно этот способ был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей.

Рис Коммутационная матрица

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутационная матрица На рис представлен пример коммутационной матрицы 8 8 на двоичных переключателях. Процессоры ERP 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 тега. Для данного примера тег представляет собой просто 3- разрядное двоичное число, соответствующее номеру выходного порта. Матрица (см. Рис ) состоит из трех уровней двоичных переключателей, которые соединяют свой вход с одним из двух выходов в зависимости от значения бита тега. Переключатели первого уровня управляются первым битом тега, второго вторым, а третьего третьим.

Рис Коммутационная матрица 8 8 на двоичных переключателях.

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутационная матрица 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 N х N в составе БИС проявляется еще один ее недостаток сложность наращивания числа коммутируемых портов.

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы с общей шиной В коммутаторах с общей шиной процессоры портов связывают высокоскоростной шиной, используемой в режиме разделения времени. Чтобы шина не блокировала работу коммутатора, ее производительность должна равняться, по крайней мере, сумме производительностей всех портов коммутатора. Кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байтов, чтобы передача кадров между портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители выбирают в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку ATM с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол ATM, если коммутатор поддерживает эти технологии.

Архитектура и конструктивное исполнение коммутаторов с общей шиной Рис Архитектура коммутатора с общей шиной

Мосты и коммутаторы Ethernet Коммутаторы с общей шиной Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тег, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тегов, который выбирает теги, предназначенные данному порту. Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но поскольку данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет здесь работает принцип коммутации пакетов, а не каналов.

Архитектура коммутаторов с разделяемой памятью Рис Архитектура коммутаторов с разделяемой памятью

Архитектура коммутаторов с разделяемой памятью 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.

Архитектура коммутаторов. Комбинированные коммутаторы Рис Комбинирование архитектур коммутационной матрицы и общей шины

Комбинированные коммутаторы 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 гигабит в секунду, а у наиболее мощных моделей до нескольких десятков гигабит в секунду.

Характеристики производительности коммутаторов Скорость фильтрации, и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в секунду 1.Скорость фильтрации это скорость, с которой коммутатор выполняет обработку кадров: Прием кадра в свой буфер. Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра. Уничтожение кадра, если его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту.

Характеристики производительности коммутаторов 2.Скорость продвижения это скорость, с которой коммутатор выполняет обработку 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 По умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт

Характеристики производительности коммутаторов 3.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. 4.Производительность коммутатора определяется количеством пользовательских данных, переданных в единицу времени через его порты (измеряется в мегабитах в секунду)

Таблица Возможности коммутаторов при коммутации «на лету» и с полной буферизацией Функция На лету cut-through С буферизацией store-and-forward (SAF) Защита от плохих кадров НетДа Поддержка разнородных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM) НетДа Задержка передачи кадров Низкая (5-40 мкс) при низкой наг- рузке, средняя при высокой наг-ке Средняя при любой нагрузке Поддержка резервных связей НетДа Функция анализа трафика НетДа

Характеристики коммутаторов 4.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, Коммутаторы магистралей сетей до нескольких тысяч, обычно адресов

Дуплексный режим работы коммутатора Когда к каждому порту коммутатора подключен только один компьютер, по двум физически раздельным каналам (это происходит почти во всех стандартах Ethernet, кроме коаксиальных версий Ethernet) - порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в дуплексном Подключение к портам коммутатора отдельных компьютеров называется микро сегментацией. Рис Для полудуплексного режима

Дуплексный режим работы коммутатора В дуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком порта коммутатора и сетевого адаптера коллизией не считается. Чтобы МАС- узла, он мог работать в дуплексном режиме нужно просто отменить фиксацию и обработку коллизий в сетях Ethernet, но возникает новая проблема- борьба с перегрузками Причина перегрузок обычно кроется в ограниченной пропускной способности отдельного выходного порта, которая фиксирована и определяется параметрами протокола если входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами: на один из портов поступает трафик с нескольких входных портов, то возникает ситуация с перегрузкой. существуют различные типы средств контроля перегрузки: управление очередями в коммутаторах, обратная связь, резервирование пропускной способности

Дуплексный режим работы коммутатора Рис Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика

Дуплексный режим работы коммутатора Для управления трафиком при дуплексном режиме используется механизм обратной связи. Спецификация 802.3х вводит новый подуровень в стеке протоколов Ethernet подуровень управления уровня MAC

Дуплексный режим работы коммутатора Кадр подуровня управления в поле дины/типа всегда содержится шестнадцатериччое значение Коммутатор использует кадр подуровня в том случае, когда ему нужно на время приостановить поступление кадров от соседнего узла (компьютера), чтобы разгрузить свои внутренние очереди. В поле кода операции подуровня управления указывается шестнадцатеричный код 00-01; эта операция называется PAUSE (пауза); В поле параметров подуровня управления указывается время, на которое узел, получивший такой код, должен прекратить передачу кадров узлу. Время измеряется в 512 битовых интервалах конкретной реализации Ethernet, диапазон возможных вариантов приостановки равен Если соседний узел – коммутатор- в качестве адреса назначения можно использовать зарезервированное для этой цели значение группового адреса С (так как порты коммутатора не имеют уникальных МАС- адресов). Если сосед конечный узел, можно также использовать уникальный МАС-адрес.

Дуплексный режим работы коммутатора Рис Формат кадра подуровни управления