3.8. Коммутируемые локальные сети и дуплексные протоколы

В первой части дисциплины (1.4.2) мы пришли к выводу о том, что при построении сетей средних и крупных размеров необходима логическая структуризация сети. ЛС, разделенные на логические сегменты, называются коммутируемыми ЛС. Деление сети на логические сегменты повышает производительность, надежность, гибкость построения и управляемость сети. Для логической структуризации сети обычно применяются мосты и их современные преемники – коммутаторы. При этом пассивный способ построения адресной таблицы коммутаторами (путем слежения за проходящим трафиком) приводит к невозможности их работы в сетях с петлевидными связями. Но применение коммутаторов позволяет сетевым адаптерам использовать более производительный дуплексный режим работы протоколов ЛС [1].

Изменения в работе подуровня MAC в дуплексном режиме. Технология коммутации не имеет непосредственного отношения к методу доступа к среде передачи, который используется портами коммутатора.

Вспомним о вариантах разделяемых и индивидуальных сред. При подключении к порту коммутатора сегмента, представляющего собой разделяемую среду, данный порт, как и все остальные узлы такого сегмента, должен поддерживать полудуплексный режим.

Но когда к каждому порту коммутатора подключен не сегмент, а только один компьютер (микросегментация), причем по двум физически раздельным каналам, как это происходит почти во всех стандартах Ethernet (кроме коаксиальных), ситуация становится уже не такой однозначной. При этом порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в дуплексном. Как это осуществляется?

В обычном для Ethernet полудуплексном режиме работы в случае микросегментации порт коммутатора по-прежнему распознает коллизии. Доменом коллизий в этом случае является участок сети, включающий передатчик и приемник коммутатора, передатчик и приемник сетевого адаптера компьютера, а также две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками. Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера, посчитав, что сегмент свободен, одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров. Конечно, вероятность коллизии здесь мала, но она ненулевая.

В дуплексном режиме последняя ситуация коллизией не считается, что позволяет портам Ethernet передавать данные со скоростью 20 Мбит/с – по 10 Мбит/с в каждом направлении. Но при этом необходимо, чтобы оба MAC-узла взаимодействующих устройств поддерживали дуплексный режим, а для этого не фиксировали и не обрабатывали коллизии в сетях Ethernet. При микросегментации в сетях Token Ring или FDDI сетевой адаптер и порт коммутатора должны посылать свои кадры, не дожидаясь прихода токена доступа, а сразу при возникновении необходимости.

Таким образом, фактически ситуация становится такой, что при работе в дуплексном режиме MAC-узел должен игнорировать метод доступа к среде, разработанный для данной базовой технологии.

При разработке технологий Fast Ethernet и GE дуплексный режим стал одним из двух полноправных стандартных режимов работы узлов сети. Сетевые адаптеры сегодня могут поддерживать оба этих режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в дуплексном режиме при подключении к порту коммутатора.

Но при работе могут случаться перегрузки. Рассмотрим их подробнее.

Перегрузки при полудуплексной и дуплексной работе. Простой отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет к повышению вероятности потерь кадров коммутаторами, поскольку при этом теряется контроль за потоками кадров, направляемыми конечными узлами в сеть.

В полудуплексном режиме, свойственном технологиям с разделяемой средой, поток кадров регулируется самим методом доступа к разделяемой среде, который соседний узел обязан отрабатывать. Со стороны коммутатора применяются два основных способа управления потоком кадров для борьбы с перегрузками:

• обратное давление, которое заключается в создании искусственных коллизий в сегменте, слишком интенсивно посылающем кадры в коммутатор. Для этого коммутатор обычно отправляет jam-последовательность на выход порта, к которому подключен сегмент или узел, чтобы приостановить его чрезмерную активность;

• агрессивный захват среды коммутатором, реализуемый двумя способами:

  • после окончания передачи очередного кадра. Коммутатор вместо технологической паузы в 9,6 мкс делает паузу 9,1 мкс, после чего сам гарантированно начинает передачу следующего кадра (опередив всех);

  • после коллизии. Коммутатор снова может уменьшить длину паузы, также работая на опережение.

При этом коммутатор может использовать описанные способы адаптивно, постепенно увеличивая степень своей агрессивности по мере необходимости.

А при переходе в дуплексный режим узлу разрешается отправлять кадры в коммутатор всегда, когда ему это нужно. Поэтому коммутаторы сети в дуплексном режиме, не имея никаких средств временного «торможения» потока кадров, могут сталкиваться с перегрузками. Причина перегрузок коммутатора кроется не в нехватке производительности его процессоров, а в ограниченной пропускной способности его отдельного выходного порта, которая определяется параметрами протокола.

В целях борьбы с перегрузками для сетей Ethernet в 1997 году был стандартизован механизм обратной связи (спецификация 802.3x), используемый только в дуплексном режиме работы портов коммутатора. Спецификация 802.3x вводит в стеке протоколов Ethernet новый необязательный подуровень управления уровня MAC, который располагается над MAC. Его задача – приостановка передачи кадров другими узлами на определенное время (оно измеряется в 512 bt конкретной реализации Ethernet, диапазон возможных вариантов приостановки составляет 0÷65535).

Коммутатор использует специальный кадр подуровня управления, когда ему нужно на время приостановить поступление кадров от соседнего узла, чтобы разгрузить свои внутренние очереди [1, 5].