31. Коммутаторы, типы коммутаторов, способы снижения трафика с использованием коммутатора, способы передачи информации, принцип передачи с помощью мостов.

Основным назначением коммутаторов является прием, анализ и отправка данных по выбранному направлению.

Коммутатор и мост - это функциональные близнецы. Оба эти устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов: алгоритм прозрачного моста, либо алгоритм моста с маршрутизацией от источника. Эти стандарты были разработаны задолго до появления первого коммутатора, поэтому в них используется термин «мост». Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор - параллельно. Это связано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим. Сеть чаще всего делили на два сегмента.

При разделении сети на большое количество сегментов - классические мосты перестали справляться с работой. Эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм моста. По сути, коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов.

Постепенно коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого - очень высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Кроме того постепенно коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции, которые появлялись в результате развития сетевых технологий. К этим функциям относятся, например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), приоритезация трафика, использование магистрального порта по умолчанию и т. п.

Сегодня мосты по-прежнему работают в сетях, но только на достаточно медленных глобальных связях между двумя удаленными локальными сетями. Такие мосты называются удаленными.

Технология коммутации сегментов Ethernet при помощи коммутаторов была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.

Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР. Системный модуль координирует работу всех про­цессоров ЕРР. Системный модуль ведет об­щую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матри­ца, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах. Коммутационная матрица работает по прин­ципу коммутации каналов. Для 8 портов мат­ри­ца может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР считывает адрес назначения. Затем процессор сразу же принимает решение о передаче пакета. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а 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.

После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим. Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.

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.

После того как нужный путь установлен, в него направляются байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Данный вид обработки кадра называется обычной обработкой с полной буферизацией.

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

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 модели коммутаторов.

Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают.

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.

Типы 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.

По технической реализации коммутаторы делятся:

1. Коммутатор на центральном процессоре общего назначения.

Для связи с интерфейсными портами I/O используется внутренняя скоростная шина.

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.

2. Коммутатор на основе коммутационной матрицы.

Коммутационная матрица обеспечивает основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов. Однако реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора.

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. 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.

Недостатки: 1. 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. 2. Сложность наращивания числа коммутиру­емых портов.

Достоинства - высокая скорость ком­мутации и регулярная структура, которую удобно реализовывать в интегральных микросхемах

3. 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 производительности всех портов коммутатора.

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. 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.

4. Коммутаторы с разделяемой памятью.

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 процессорапорта.

5. Комбинированные коммутаторы.

У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и недостатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются в различных комбинациях друг с другом.

В конструктивном исполнении коммутаторы делятся на следующие типы:

1. Автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов. Используются в основном для организации небольших рабочих групп;

2. Модульные коммутаторы на основе шасси. Используются на магистральных сетях.

3. коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек. Это 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 (образуют стек). Обычно такой специальный интерфейс представляет собой высокоскоростную шину. Стековые коммутаторы применяются для создания сетей рабочих групп и отделов.

Дополнительные функции коммутаторов:

Наиболее распространенные дополнительные функции коммутаторов, которые поддерживаются большинством производителей коммуникационного оборудования.

1. Поддержка алгоритма Алгоритма покрывающего дерева - (STA) позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединения портов между собой.

2. Трансляция протоколов канального уровня. Коммутаторы могут выполнять трансляцию одного протокола канального уровня в другой, например Ethernet в FDDI, Fast Ethernet в Token Ring и т. п. При этом они работают по тем же алгоритмам, что и транслирующие мосты.

3. Возможности коммутаторов по фильтрации трафика. Многие коммутаторы позволяют администраторам задавать дополнительные условия фильтрации кадров наряду со стандартными условиями их фильтрации в соответствии с информацией адресной таблицы. Пользовательские фильтры предназначены для создания дополнительных барьеров на пути кадров, которые ограничивают доступ определенных групп пользователей к определенным службам сети.

4.Приоритетная обработка кадров. Коммутатор обычно ведет для каждого входного и выходного порта не одну, а несколько очередей, причем каждая очередь имеет свой приоритет обработки. При этом коммутатор может быть сконфигурирован, например, так, чтобы передавать один низкоприоритетный пакет на каждые 10 высокоприоритетных пакетов.

Логическая структуризация сетей при помощи коммутаторов и мостов.

Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, которые представляют самостоятельные разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает более высокой производительностью и надежностью, т.к. для сетей с общей разделяемой средой существует ряд ограничений. Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов и коммутаторов.

При построении небольших сетей, состоящих из 5-30 узлов возможно использование общей разделяемой среды. Хотя использование стандартных технологий на разделяемых средах передачи данных приводит к экономичным и эффективным решениям. Эффективность разделяемой среды для небольшой сети проявляется в первую очередь в следующих свойствах:

- простой топологии сети, допускающей легкое наращивание числа узлов (в небольших пределах);

- отсутствии потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как новый кадр не передается в сеть, пока не принят предыдущий ;

- простоте протоколов, обеспечившей низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов.

Но средние и крупные сети, насчитывающие от десятков до тысяч узлов, не могут быть построены на основе одной разделяемой среды даже такой скоростной технологии, как Gigabit Ethernet. И не только потому, что практически все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде: все виды семейства Ethernet - 1024 узлами, Token Ring - 260 узлами, a FDDI - 500 узлами. Даже укладываясь в эти нормы, сеть будет работать неэффективно( повторная передача кадров, которые вызывают коллизии) на одной разделяемой среде.

Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порога количества узлов, подключенных к разделяемой среде, и состоят в следующем. Даже та доля пропускной способности разделяемого сегмента, которая должна в среднем доставаться одному узлу (то есть, например, 10/N Мбит/с для сегмента Ethernet с N компьютерами), очень часто узлу не достается. Причина заключается в случайном характере метода доступа к среде, используемом во всех технологиях локальных сетей.

Для сети Ethernet трафик, который она должна передать, равен сумме интенсивностей трафика, генерируемого каждым узлом сети. Количество узлов, при которых коэффициент использования сети начинает приближаться к опасной границе, зависит от типа функционирующих в узлах приложений( текстовые документы, мультимедиа и т.д.). При повышении интенсивности генерируемого узлами трафика сеть все больше времени начинает проводить неэффективно, повторно передавая кад­ры, которые вызвали коллизию. При возрастании интенсивности генериру­емого трафика до такой величины, когда коэффициент использования сети приближается к 1, вероятность стол­кновения кадров настолько увеличи­вается, что практически любой кадр, который какая-либо станция пытается передать, сталки­вается с другими кадрами, вызывая коллизию. Сеть перестает передавать полезную пользовательскую информацию и работает «на себя», обрабатывая коллизии ( поэтому сегменты Ethernet рекомендуется загружать до 30%).

Поэтому ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сегмента, оказываются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов. В результате даже сеть средних размеров трудно построить на одном разделяемом сегменте так, чтобы она работала эффективно при изменении интенсивности генерируемого станциями трафика. Кроме того, при использовании разделяемой среды проектировщик сети сталкивается с жесткими ограничениями максимальной длины сети, которые для всех технологий лежат в пределах нескольких километров, и только технология FDDI позволяет строить локальные сети, длина которых измеряется десятками километров.

Ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, можно преодолеть, разделив сеть на несколько разделяемых сред, и соединив отдельные сегменты сети такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы.

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 - на основе номера сети. При этом единая разделяемая среда, созданная концентраторами (или в предельном случае - одним сегментом кабеля), делится на несколько частей, каждая из которых присоединена к порту моста, коммутатора или маршрутизатора.

Сеть делится на логические сегменты или сеть подвергается логической структуризации. Деление сети на логические сегменты приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся на каждый из вновь образованных сегментов, почти всегда оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывала исходная сеть. Следовательно, уменьшаются вредные эффекты от разделения среды: снижается время ожидания доступа, интенсивность коллизий. После разделения сети на сегменты нагрузка каждого сегмента изменилась. При ее вычислении теперь нужно учитывать только внутрисегментный трафик, то есть трафик кадров, которые циркулируют между узлами одного сегмента, а также межсегментный трафик, который либо направляется от узла данного сегмента узлу другого сегмента, либо приходит от узла другого сегмента в узел данного сегмента. Внутренний трафик другого сегмента теперь нагрузку на данный сегмент не создает.

Большинство крупных сетей разрабатывается на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и маршрутизаторы присоединяются подсети. Эти подсети обслуживают различные отделы. Подсети могут делиться и далее на сегменты, предназначенные для обслуживания рабочих групп.

В общем случае деление сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет разгрузки сегментов), а также гибкость построения сети, увеличивая степень защиты данных, и облегчает управление сетью.

Сегментация увеличивает гибкость сети. При построении сети как совокупности подсетей каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Например, в одной подсети может использоваться технология Ethernet и ОС NetWare, а в другой Token Ring и OS-400, в соответствии с традициями того или иного отдела или потребностями имеющихся приложений. Вместе с тем, у пользователей обеих подсетей есть возможность обмениваться данными через межсетевые устройства, такие как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Процесс разбиения сети на логические сегменты можно рассматривать и в обратном направлении, как процесс создания большой сети из модулей - уже имеющихся подсетей.

Подсети повышают безопасность данных. При подключении пользователей к различным физическим сегментам сети можно запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других сегментов, устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах.

Подсети упрощают управление сетью. Побочным эффектом уменьшения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы очень часто локализуются внутри сегмента. Подсети образуют логические домены управления сетью.

Управление потоком данных ( трафиком ).

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. При полнодуплексном режиме узлу разрешается отправлять кадры в коммутатор всегда, когда это ему нужно, поэтому коммутаторы сети могут в этом режиме сталкиваться с перегрузками., которые возникают из-за ограниченной пропускной способности отдельного порта.

В полнодуплексном режиме для борьбы с перегрузками коммутаторов используется метод управления потоком, описанный в стандарте 802.3х ( Ethernet). Он повторяет алгоритмы полной приостановки трафика по специальной команде. Подразумевает две команды - «Приостановить передачу» и «Возобновить передачу», которые направляются соседнему узлу. Эти команды реализуются на уровне символов кодов физического уровня, таких как 4В/5В, а не на уровне команд, оформленных в специальные управляющие кадры. Порт коммутатора, поддерживающий стандарт 802.3x и получивший команду «Приостановить передачу», должен прекратить передавать кадры впредь до получения команды «Возобновить передачу».

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.

1. Метод обратного давления 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.

2. Метод агрессивного захвата среды. Основан на так называемом агрессивном поведении порта коммутатора при захвате среды либо после окончания передачи очередного пакета, либо после коллизии. Оба этих случая проиллюстрированы на рисунке. 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.

Агрессивное поведение коммутатора при перегрузках

Существуют две основные схемы применения коммутаторов: со стянутой в точку магистралью и с распределенной магистралью. В больших сетях эти схемы применяют комбинированно.

Стянутая в точку магистраль — это структура, при которой объединение узлов, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Преимуществом такой структуры является высокая производительность магистрали.

Распределенная магистраль — это разделяемый сегмент сети, поддерживающий определенный протокол, к которому присоединяются коммутаторы сетей рабочих групп и отделов. Распределенная магистраль упрощает связи между этажами, сокращает стоимость кабельной системы и преодолевает ограничения на расстояния.