Коммутаторы

Обслуживание потока кадров между большим количество портов с помощью одного ЦП требовало значительного повышения его производительности, что было либо дорого, либо невозможно сделать из-за сложности реализации. Выход – реализация многопроцессорного устройства(ЦП+по процессору на каждый порт для алгоритма прозрачного моста). Данное устройство назвали коммутатором, что связано с тем, что первый коммутатор, разработанный фирмой Kalpana – 1990 год, был построен на базе коммутационной матрицы.

Структурно он выглядит следующим образом:

Каждый из портов обслуживался отдельным процессором, кроме того в состав коммутаторов входил единый системный модуль, который управлял работой всех остальных процессоров. В основе коммутатора лежала коммутационная матрица, которая работает по принципу коммутации каналов.

При поступлении кадра в какой либо порт, процессор порта буферизировал несколько первых байт кадра, с целью прочитать адрес назначения, затем, выявив адрес назначения и продолжая принимать следующие байты кадра процессор принимал решение, куда данный кадр необходимо перенаправить, если получатель находился в сегменте, который подключен к этому же порту, прием кадра прекращался, если к другому порту и этот порт был известен, тогда процессор обращался к коммутационной матрице, что бы обеспечить подключение к выходному порту, если выходной порт в это время не был скоммутирован выходным портом, тогда коммутационная матрица обеспечивала подключение, после которого кадр перенаправлялся на выходной порт.

Если между портами разная скорость, то часть кадра буферизируется в коммутаторе.

Если выходной порт занят передачей с другого порта, в этом случае коммутационная матрица отказывала в подключении, в этом случае кадр просто полностью буферизировался входным портом и перенаправлялся на выходной после организации коммутации. Описанный способ называется коммутацией налету. И по своей сути представляет конвейерную обработку кадра, когда совмещаются во времени несколько этапов передачи кадра.

Этапы:

1) прием первых байтов кадра процессором порта, включая прием байт адреса назначения.

2) поиск адреса назначения в таблице коммутации

3) коммутация матрицы

4) прием остальных байт адреса процессором входного порта

5) прием байт кадра процессором выходного порта через коммутационную матрицу

6) получение доступа к разделяемой среде передачи выходным портом

7) передача байт кадра процессором выходного порта в сеть

DA – MAC-адрес назначения

Если часто попадаются кадры с искаженной суммой, то будет лишняя передача информации, в данном случае нужно отключать режим работы “налету”.

Описанный способ налету является одним из нескольких, обеспечивающих ускорение передачи данных, но не является определяющим для повышения производительности.

Главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров, данный эффект можно проиллюстрировать следующим рисунком:

В данном идеальном случае изображена ситуация, когда 4 порта из 8 возможных передают данные с максимальной для протокола скоростью, причем они передают эти данные на остальные 4 порта не конфликтуя. В данном случае получили производительность – в 4 раза выше, чем если бы это мог обеспечить обычный разделяемый сегмент

Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал свои позиции – это его высокая производительность, то разработчики стараются выпускать т.н. неблокирующие коммутаторы. Неблокирующий коммутатор – такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они поступают. Широкому применению коммутаторов способствовало:

1. Внедрение технологии коммутации не потребовало никакой замены установленного в сетях оборудования,

2. Коммутаторы прозрачны для протоколов сетевого уровня, и их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы,

3. Коммутаторы – самообучающиеся устройства, и в принципе могут работать без вмешательства человека.

Методы коммутации:

1. С полной буферизацией

2. С проверкой контрольной суммы

3. С буферизацией первых 64 байт кадра(чтобы гарантированно отловить коллизию)

4. С буферизацией налету