Аппаратное и программное обеспечение сетей Раздел 2 Структура сетей передачи данных Лекция Тема 6 Построение локальных сетей с помощью мостов и коммутаторов

Рис Логическая структуризация сети

Рис Изменение нагрузки при делении сети на сегменты

Рис Принцип работы прозрачного моста/коммутатора

Рис Структура моста/коммутатора

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

Рис 2-6.5(Б). Адресная таблица коммутатора

Рис Влияние замкнутых маршрутов на работу коммутаторов

Рис Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpana

Рис Передача кадра через коммутационную матрицу

Рис Экономия времени при конвейерной обработке кадра: а конвейерная обработка, б обычная обработка с полной буферизацией

Передача кадра через коммутационную матрицу 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

Коммутатор называют не блокирующим, если он может предавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. 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. 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.

Рис Агрессивное поведение коммутатора при перегрузках буферов

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

Рис Коммутационная матрица 8 8 на двоичных переключателях.

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

Архитектура коммутатора с общей шиной 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. 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

Архитектура коммутаторов. 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 летуС буферизацией 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 производительности 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) и имеет шестнадцатеричный код 00-01; В поле параметров подуровня управления указывается время, на которое узел, получивший такой код, должен прекратить передачу кадров узлу, отправившему кадр с операцией PAUSE. 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