Учебно-методическое пособие представляет собой первую часть конспекта лекций по дисциплине «Компьютерные сети и системы» (стр. 26 из 28)

Широкому применению коммутаторов способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не потребовало замены установленного в сети оборудования – сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Кроме того, коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, следовательно, их появление в сети не оказывает никакого влияния и на маршрутизаторы сети, если они имеются. Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, конфигурировать коммутатор не обязательно – нужно только правильно подключить разъемы кабелей к его портам, а дальше коммутатор будет работать самостоятельно.

Полнодуплексные протоколы локальных сетей

При подключении к коммутатору сегментов, представляющих собой разделяемую среду, каждый порт коммутатора должен поддерживать полудуплексный режим, т.к. он является одним из узлов соответствующего сегмента. Однако когда к порту коммутатора подключен не сегмент, а только один компьютер, причем по двум раздельным каналам (приемному и передающему), как это происходит почти во всех стандартах физического уровня (кроме коаксиальных версий Ethernet), то данный порт можно использовать и в полнодуплексном режиме. Подключение к портам коммутатора не сегментов, а отдельных компьютеров называется микросегментацией.

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

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров. Естественно, что вероятность коллизий в таком сегменте намного меньше, чем в сегменте, состоящем из 20-30 узлов, но она не нулевая. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet (14880 кадр/с) делится между передатчиком порта коммутатора и передатчиком сетевого адаптера.

В полнодуплексном режиме одновременная передача кадров передатчиками коммутатора и сетевого адаптера коллизией не считается. При полнодуплексной связи порты Ethernet могут передавать данные с суммарной скоростью 20 Мбит/с – по
10 Мбит/с в каждом направлении.

Понятно, что MAC-узлы взаимодействующих устройств должны поддерживать этот режим. Однако, изменения, которые нужно сделать в логике работы MAC-узла, чтобы он мог работать и в полнодуплексном режиме, минимальны – нужно просто отменить фиксацию коллизий в сетях Ethernet, а в сетях Token Ring и FDDI – посылать кадры в коммутатор, не дожидаясь маркера доступа, а тогда, когда это нужно конечному узлу. Фактически, при работе в полнодуплексном режиме MAC-узел не использует метод доступа к среде, разработанный для данной технологии.

Простой отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде ведет к возможности потери кадров коммутаторами, т.к. при этом теряется контроль за потоком кадров, направляемых узлами в сеть. В полудуплексном режиме поток кадров естественным образом регулируется методом доступа к разделяемой среде, так что узел, слишком часто генерирующий кадры, должен был ждать своей очереди к среде. При переходе на полнодуплексный режим узлу разрешается передавать кадры в сеть всегда, поэтому коммутаторы сети, не имея никаких средств регулирования потока кадров, в этом режиме могут сталкиваться с перегрузками.

По этой причине в случаях, когда входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами, легко получить ситуацию, при которой в какой-либо выходной порт коммутатора будет направляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протокольный максимум. При этом, каков бы ни был объем буфера этого порта, он в какой-то момент обязательно переполнится.

Коммутаторы локальных сетей – не первые устройства, которые столкнулись с такой проблемой. Например, в глобальных сетях коммутаторы технологии X.25 поддерживают протокол канального уровня LAP-B, который имеет специальные кадры управления потоком «Приемник готов» RR и «Приемник не готов» RNR, аналогичные по назначению соответствующим кадрам протокола LLC2, рассмотренным выше. В сетях X.25 необходимость в таком протоколе обусловлена тем, что эти сети никогда не использовали разделяемые среды передачи данных, а работают по индивидуальным каналам связи в полнодуплексном режиме.

При разработке коммутаторов локальных сетей ситуация коренным образом отличается от ситуации, при которой разрабатывались коммутаторы территориальных сетей. Основной задачей здесь было сохранение конечных узлов в неизменном виде, что исключало корректировку протоколов MAC-уровней. А в этих протоколах процедур управления потоком данных исходно не было, т.к. общая среда передачи данных исключала возникновение ситуаций, когда сеть переполнялась бы за счет необработанных кадров.

Работа над выработкой стандарта для управления потоком данных в полнодуплексных режимах работы Ethernet/Fast Ethernet привела к принятию в 1997 г. стандарта IEEE 802.3x для полнодуплексных версий Ethernet. Он определяет весьма простую процедуру управления потоком кадров, подобную той, которая используется в протоколах LLC2 и LAP-B. Главное его отличие от протокола LLC2 состоит в том, что он реализуется на уровне кодов физического уровня, таких как 4B/5B, а не на уровне команд, оформленных в специальные управляющие кадры.

Техническая реализация коммутаторов

Несмотря на то, что в коммутаторах работают известные алгоритмы прозрачных мостов и мостов с маршрутизацией от источника, существует большое разнообразие моделей коммутаторов. Коммутаторы отличаются как внутренней организацией, так и набором дополнительных факультативных функций, таких как трансляция протоколов, поддержка алгоритма покрывающего дерева Spanning Tree, образование виртуальных логических сетей и др.

Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, т.е. основывались на архитектуре с центральным процессором общего назначения, связанном с интерфейсными портами по скоростной внутренней шине данных.

Основным недостатком таких однопроцессорных коммутаторов была низкая скорость, т.к. универсальный процессор никак не мог справиться с большим количеством специализированных операций по пересылке кадров между портами коммутатора.

Сегодня все коммутаторы используют заказные процессорные 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.

Кроме процессорных микросхем коммутатору также нужно иметь быстродействующий узел для передачи кадров между портами коммутатора. В настоящее время используется одна из трех базовых схем, на которых строится такой узел обмена:

· коммутационная матрица;

· разделяемая многовходовая память;

· общая шина.

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутационная матрица обеспечивает самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов. Именно он был выбран в первом промышленном коммутаторе для локальных сетей. Однако реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора.

Рис.24. Реализация коммутационной матрицы из 8*8 портов

Один из возможных вариантов реализации коммутационной матрицы представлен на рис.24. 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 трехразрядное 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 и т.д. Матрица может быть реализована и на комбинационных схемах.

Недостатком такой технологии является отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы. В результате, если составной канал нельзя построить, например, из-за занятости выходного порта, то данные должны накапливаться в их источнике, в данном случае – во входном буфере порта, принявшего кадр. Основные достоинства таких матриц – высокая скорость коммутации и регулярная структура, которую удобно реализовывать в интегральных микросхемах.

Коммутаторы с общей шиной

В коммутаторах с общей шиной процессоры портов связывают высокоскоростной шиной, используемой в режиме разделения времени. Чтобы общая шина не блокировала работу коммутатора, ее производительность должна быть не меньше суммарной производительности всех портов коммутатора.

Кадр должен передаваться по шине небольшими порциями/ячейками, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме (рис.25). Размер ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например, LANNET, выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку ATM с размером поля данных 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол ATM, если коммутатор поддерживает эти технологии.