Особенности применения коммутаторов.

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. Эта технология основана на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и использовании коммутаторов, позволяющих одновременно передавать пакеты между всеми его парами портов.

Функционально многопортовый коммутатор работает как многопортовый мост. но новшество заключается в том, что он, во-первых, одновременно осуществляет передачу кадров МАС-уровня между несколькими портами, а традиционные мосты делали это последовательно, а, во-вторых, обеспечивает очень маленькую задержку между приходом пакета на входной порт и появлением его первых байтов на выходном порту, в то время как традиционный мост всегда сначала полностью буферизует пакет, а только затем начинает его передачу на другой порт. В результате внутренняя производительность (forwarding) коммутирующего моста значительно превышает внутреннюю производительность обычного моста, что и служит предпосылкой для увеличения общей производительности сети, в которой установлены коммутаторы.

В отличие от таких новых технологий как АТМ, технология коммутации

сохраняет аппаратуру и алгоритмы работы оборудования канального уровня в конечных узлах, что и обеспечило ей большой успех.

На рисунке 5.7 показан принцип использования коммутатора Ethernet для повышения пропускной способности сети. При подключении к портам коммутатора по одной конечной станции каждой такой станции предоставляется полная пропускная способность Ethernet в 10 Мб/с, которая в случае объединения п станций в один домен коллизий уменьшилась бы для каждой станции до величины 10/п Мб/с.

Рис. 5.7. Switching Ethernet

Многие другие фирмы стали развивать этот подход для коммутации и других традиционных технологий, таких как Token Ring и FDDI, также оставляя неизменными алгоритмы работы конечных узлов. Коммутирующие концентраторы могут также прозрачно взаимодействовать и с традиционными мостами и маршрутизаторами, что также очень важно. Обычно коммутирующие концентраторы имеют внутреннюю суммарную производительность, равную сумме пропускных способностей всех его портов. Поэтому такой коммутатор не создает ограничений по пропускной способности при межсегментных обменах при сбалансированном трафике. Под сбалансированным трафиком понимается трафик, равномерно распределенный между портами коммутатора. В этом случае коммутатор полностью используют свою большую внутреннюю производительность, которая в старших моделях доходит до 10 - 14 Гб/с. Пример такого распределения трафика приведен на рисунке 5.8, где каждая из трех рабочих станций с одинаковой интенсивностью обращается к каждому из трех серверов сегмента сети.

Однако, если трафик не сбалансирован, то даже самый быстродействующий коммутатор не всегда сможет гарантировать его поддержание.

Так, если в предыдущем примере все три рабочие станции обмениваются данными только с одним из серверов с максимально возможной скоростью, то на порт этого сервера данные будут поступать с интенсивностью в 30 Мб/с, в то время как порт может их принимать со скоростью 10 Мб/с. Поэтому коммутатор будет помещать избыточные кадры для этого порта в свой внутренний буфер, и какого бы размера буфер не был, все равно наступит такой момент времени, когда буфер полностью заполнится, и коммутатор будет вынужден отбрасывать поступающие пакеты.

Рис. 5.8. Применение динамического переключателя портов.

Такая ситуация возникает из-за того, что мосты и коммутаторы не поддерживают между сегментами базовые алгоритмы доступа к общей среде - метод случайного доступа протоколов Ethernet и Fast Ethernet или метод доступа по токену протоколов Token Ring или FDDI. Методы доступа гарантируют за счет замедления доступа к общей среде, что кадры не будут потеряны из-за неспособности среды и концентраторов поддерживать трафик слишком высокой интенсивности. Таким образом, методы доступа протоколов локальных сетей выполняют роль алгоритмов управления интенсивностями потоков, которые реализуются в протоколах глобальных сетей, предотвращая сеть от перенасыщения кадрами.

Мосты и коммутаторы (и маршрутизаторы также) не поддерживают для межсегментного трафика методы, ограничивающие доступ при слишком высокой интенсивности обмена, поэтому их применение всегда связано с риском потерь кадров данных на канальном уровне. Если же такие потери будут происходить слишком часто, то производительность сети, построенной на коммутаторах, может не повыситься, а упасть, так как потерянные кадры будут повторно передаваться протоколами более верхних уровней, которые работают с более длительными тайм-аутами по сравнению с временами передачи кадров на канальном уровне.

Более четко с графиком работает технология АТМ, в которой предусмотрены процедуры предварительного заказа каждой станцией требуемой полосы пропускания. Коммутаторы сети АТМ могут принять такой заказ, если они видят, что с большой степенью вероятности смогут его выполнить, а могут и отказаться, если в сети наблюдается переполнение или новое соединение может вызвать переполнение. При таком подходе поведение транспортной системы становится более предсказуемым.

При дисбалансе трафика можно применять коммутаторы с различными по скорости портами. В предыдущем примере, можно решить проблему за счет применения коммутатора с низкоскоростными портами для рабочих станций и

высокоскоростным портом для сервера. Однако, если рабочие станции совсем не общаются между собой, то такой коммутатор не даст выигрыша в общей

производительности по сравнению с концентратором, у которого все порты высокоскоростные. Стоимость же такого концентратора может оказаться значительно ниже, чем коммутатора.

Применение коммутаторов для соединения не конечных станций, а целых сегментов, состоящих из десятка станций, повышает вероятность равномерного распределения трафика между сегментами, особенно, если в каждом сегменте имеется свой сервер.

Основные и дополнительные функции коммутаторов.

По функциям любой коммутирующий концентратор является быстродействующим мостом, поэтому его основными характеристиками являются скорость фильтрации и скорость продвижения пакетов.

Как и обычный мост, коммутирующий мост работает с протоколами канального уровня и может выполнять и дополнительные функции, такие как фильтрация пакетов по пользовательским маскам, поддержка алгоритма покрывающего дерева, трансляция одного протокола в другой.

На возможности реализации дополнительных функций существенно сказывается способ передачи пакетов - "на лету" (применяются термины on-the-fly и cut-through) или с буферизацией (buffering). Сравнение этих двух способов коммутации приведено в таблице 5.2.

Средняя величина задержки коммутаторов "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.

Обычно недорогие коммутаторы работают по алгоритму "на лету", а дорогие коммутаторы, выполняющие большое количество дополнительных функций, всегда буферизуют пакеты. Появились и коммутаторы, которые работают в режиме "на лету" до тех пор, пока не обнаруживается слишком большая интенсивность "плохих" пакетов, то есть пакетов некорректной длины или с неверной контрольной суммой. После этого они переходят на режим работы с буферизацией.

Таблица 5.2.

Поддержка виртуальных сегментов.

Кроме своего основного назначения - повышения пропускной способности

связей в сети - коммутатор позволяет локализовать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, образуя виртуальные сегменты. Так как динамический коммутатор передает пакет только между источником и адресатом, то он, как и обычный мост, локализует трафик, что уменьшает нагрузку в сети и повышает конфиденциальность информации. Кроме того, многие коммутаторы позволяют контролировать передачу пакетов и разрешать ее только для определенных сочетаний адресов источника и адресата. Разрешенные пары адресов образуют виртуальный сегмент сети, доступ внутрь которого остальным адресам запрещен. Таким образом легко реализуются различные права доступа пользователей сети на уровне МАС-адресов их станций. Каждая станция может входить в несколько виртуальных сегментов, соответствующих связям работников предприятия между собой.

Очевидно, что при подключении к порту коммутатора не отдельной станции, а целого сегмента традиционной технологии с разделяемой средой, например, сегмента коаксиального кабеля со станциями Ethernet 10Base-2, администратор сети будет ограничен в выборе станций для образования виртуальных рабочих групп. Все станции, принадлежащие разделяемому кабелю, необходимо помещать в одну группу, так как все равно они будут видеть все пакеты, помещаемые на этот кабель. Таким образом, количество виртуальных рабочих групп коммутатора не может превышать количества его портов.

Если же к каждому порту подключена только одна станция, то виртуальные рабочие группы могут образовываться произвольно. Обычно каждый коммутатор снабжается специальным программным обеспечением фирмы-производителя, с помощью которого администратор может в удобной графической форме создавать и изменять виртуальные рабочие группы.

Если сеть образуется с помощью нескольких коммутаторов, то рабочие группы можно создавать, не принимая во внимание, к порту какого коммутатора подключена станция или сегмент. Пример таких сегментов, принадлежащих нескольким коммутаторам, приведен на рис.5.9.

Рис. 5.9. Виртуальные сегменты и сети, образованные несколькими коммутаторами, поддерживающими функции маршрутизации

Однако, при использовании коммутаторов, реализующих алгоритм моста, невозможно обеспечить взаимодействие между изолированными виртуальными сегментами. Для объединения виртуальных сегментов нужно использовать маршрутизатор. Это может быть отдельный традиционный маршрутизатор, к каждому порту которого подключен соответствующий порт коммутатора, или же это может быть коммутатор, который наряду с функциями моста поддерживает и функции маршрутизатора.