Коммутаторы

Коммутаторы

Параллельная коммутация

При появлении в конце 80-х начале 90-х годов быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации и разделении сети на большое количество сегментов классические мосты перестали справляться с работой. Обслужи­ вание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного про­ цессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение.

Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы: для об­ служивания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм прозрачного моста. По сути, коммутатор —это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Но если при добавлении процессорных блоков компьютер не перестали называть компьютером, а добавили только прилагательное «мультипроцессорный», то с мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза —во многом по маркетинговым причинам они превратились в коммутаторы. Нужно отметить, что помимо процессоров портов коммутатор имеет центральный процессор, который ко­ ординирует работу портов, отвечая за построение общей таблицы продвижения, а также поддерживая функции конфигурирования и управления коммутатором.

Со временем коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессор­ ные мосты. Основная причина этого —существенно более высокая производительность, скоторой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, спо­ собными передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Ну а добавление к этому возможности параллельной передачи кадров между портами предопределило судьбу и мостов, и коммутаторов.

Производительность коммутаторов йа йеокряыш порядковвыш$, чем мостов ^ коммутаторы могутпередавать до нескольких десятков* а иногда и соте#миллионов кадров в секунду* вто

времякак мосты обычнообрабатывали 3~5 тысяч кадров а секунду.

Завремя своего существования уже без конкурентов-мостов коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции, родившиеся в результате естественного развития сете­ вых технологий. К этим функциям относятся, например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), агрегирование линий связи, приоритезация трафика и т. п. Развитие технологии производства заказных микросхем также способствовало успеху коммутаторов, в резуль­ тате процессоры портов сегодня обладают такой вычислительной мощностью, которая позволяет им быстро реализовывать весьма сложные алгоритмы обработки трафика, на­ пример выполнять его классификацию и профилирование.

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена небольшой компанией Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способ­ ности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. У ком­ мутатора компании Kalpana при свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между получением первого байта кадра и появлением этого же байта на

выходе порта адреса назначения составляла всего 40 мкс, что было гораздо ниже задержки кадра при его передаче мостом.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представ­ лена на рис. 13.8.

Системный модуль

Управление Многозадачное ядро

Рис. 13.8. Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpana

Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet (Ethernet Packet Processor, EPP). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, ко­ торый координирует работу всех процессоров ЕРР, в частности ведет общую адресную таблицу коммутатора. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица. Она функционирует по принципу коммутации каналов, соединяя порты комму­ татора. Для 8 портов матрица может одновременно обеспечить 8 внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 —при дуплексном, когда передатчик и при­ емник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт соответствующий процессор ЕРР буферизует несколько первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же приступает к обработке кадра, не дожидаясь при­ хода остальных его байтов.

1.Процессор ЕРР просматривает свой кэш адресной таблицы, и 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.

2.Если адрес назначения найден в адресной таблице и кадр нужно отфильтровать, про-, цессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет nqступления нового кадра.

3.Если же адрес найден и кадр нужно передать на другой порт, процессор, продолжая прием кадра в буфер, обращается к коммутационной матрице, пытаясь установит^ в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу

назначения. Коммутационная матрица способна помочь только в том случае, если порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом данного коммутатора.

4.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 об­ разования коммутационной матрицей нужного пути.

5.После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по ал­ горитму CSMA/CD1, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байтов принимаемого кадра в своем буфе­ ре, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 13.9).

Описанный пособ передачи кадра без его полной буферизации получил название комму­ тации «на лету* (on-the-fly), или «напролет* (cut-through). Этот способ представляет

1Во время появления коммутатора Kalpana основным режимом работы сегментов был режим раз­ делениясреды.

остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя: потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в при­ веденном примере составит 4 х 10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов —

(N/2) х 10 Мбит/с. В таком случае говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту,подключенному к его портам,выделенную пропускную способность протокола.

© - ( 4 ) — потоки кадров между компьютерами

Рис. 13.11. Параллельная передача кадров коммутатором

Естественно, что в сети не всегда складывается описанная ситуация. Если двум станци­ ям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет вы­ делить каждой станции по 10 Мбит/с, так как порт 8 не в состоянии передавать данные соскоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet или Gigabit Ethernet.

Дуплексный режим работы

Технология коммутации сама по себе не имеет непосредственного отношения к методу доступа к среде, который используется портами коммутатора. При подключении к порту коммутатора сегмента^представляющего собой разделяемую среду, данный порт, как и все остальные узлы такого сегмента, должен поддерживать полудуплексный режим.

Однако когда к каждому порту коммутатора подключен не сегмент, а только один ком­ пьютер, причем по двум физически раздельным каналам, как это происходит почти во всех стандартах Ethernet, кроме коаксиальных версий Ethernet, ситуация становится не такой однозначной. Порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в дуплексном.

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

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновре­ менно или почти одновременно начинают передачу своих кадров.

Вдуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком порта коммутатора

исетевого адаптера коллизией не считается. В принципе, это достаточно естественный режим работы для отдельных дуплексных каналов передачи данных, и он всегда исполь­ зовался в протоколах глобальных сетей. При дуплексной связи порты Ethernet стандарта 10 Мбит/с могут передавать данные со скоростью 20 Мбит/с —по 10 Мбит/с в каждом направлении.

Уже первые коммутаторы Kalpana поддерживали оба режима работы своих портов, по­ зволяя использовать коммутаторы для объединения сегментов разделяемой среды, как делали их предшественники-мосты, и в то же время позволяя удваивать скорость обмена данными на предназначенных для связи между коммутаторами портах за счет работы этих портов в дуплексном режиме.

Долгое время коммутаторы Ethernet сосуществовали в локальных сетях с концентра­ торами Ethernet: на концентраторах строились нижние уровни сети здания, такие как сети рабочих групп и отделов, а коммутаторы служили для объединения этих сегментов в общую сеть.

Постепенно коммутаторы стали применяться и на нижних этажах, вытесняя концентра­ торы, так как цены коммутаторов постоянно снижались, а их производительность росла (за счет поддержки не только технологии Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, но и всех последующих более скоростных версий этой технологии, то есть Fast Ethernet со скоро­ стью 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и 10G Ethernet со скоростью 10 Гбит/с). Этот процесс завершился вытеснением концентраторов Ethernet и переходом к полностью коммутируемым сетям, пример такой сети показан на рис. 13.12.

Рис. 13.12. Полностью коммутируемая сеть Ethernet

Вполностью коммутируемой сети Ethernet все порты работают в дуплексном режиме,

апродвижение кадров осуществляется на основе МАС-адресов.

Приразработке технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet дуплексный режим стал одним издвухполноправных стандартных режимов работы узлов сети. Однако уже практика при­ менения первых коммутаторов с портами Gigabit Ethernet показала, что они практически всегдаприменяются в дуплексном режиме для взаимодействия с другими коммутаторами или высокоскоростными сетевыми адаптерами. Поэтому при разработке стандарта 10G Ethernet его разработчики не стали создавать версию для работы в полудуплексном режи­ ме,окончательно закрепив уход разделяемой среды из технологии Ethernet.

Неблокирующие коммутаторы

Какуже отмечалось, высокая производительность является одним из главных достоинств коммутаторов. С понятием производительности тесно связано понятие неблокирующего коммутатора.

Когда говорят, что коммутатор может поддерживать устойчивый неблокирующий режим работы, то имеют в виду, что коммутатор передает кадры со скоростью их поступления втечение произвольного промежутка времени. Для поддержания подобного режима нуж­ но таким образом распределить потоки кадров по выходным портам, чтобы, во-первых, порты справлялись с нагрузкой, во-вторых, коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памятикоммутатора и при переполнении просто отбрасываться.

Вэтом соотношении под производительностью коммутатора в целом понимается его спо­ собностьпродвигать определенное количество кадров, принимаемых от приемников всех его портов, на передатчики всех его портов.

Всуммарной производительности портов каждый проходящий кадр учитывается дважды, как входящий и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен вы­ ходному,то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки не­ блокирующегорежима равна половине суммарной производительности портов. Если порт, например, стандарта Ethernet со скоростью 10 Мбит/с работает в полудуплексном режиме, то производительность порта Cpi равна 10 Мбит/с, а если в дуплексном —20 Мбит/с.

Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на макси­ мальной скорости протокола независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого

равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной —при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора.

Для поддержки мгновенного неблокирующего режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно она должна быть равна суммарной производительности его портов: Ck =

Приведенные соотношения справедливы для портов с любыми скоростями, то есть портов стандартов Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Ethernet.

Способы, которыми обеспечивается способность коммутатора поддерживать неблоки­ рующий режим, могут быть разными. Необходимым требованием является умение про­ цессора порта обрабатывать потоки кадров с максимальной для физического уровня этого порта скоростью. В главе 12 мы подсчитали, что максимальная производительность порта Ethernet стандарта 10 Мбит/с равна 14 880 кадров в секунду. Это означает, что процессоры портов Ethernet стандарта 10 Мбит/с неблокирующего коммутатора должны поддерживать продвижение кадров со скоростью 14 880 кадров в секунду.

Однако только адекватной производительности процессоров портов недостаточно для того, чтобы коммутатор был неблокирующим. Необходимо, чтобы достаточной произво­ дительностью обладали все элементы архитектуры коммутатора, включая центральный процессор, общую память, шины, соединяющие отдельные модули между собой, саму архитектуру коммутатора (наиболее распространенные архитектуры коммутаторов мы рас­ смотрим позже). В принципе, задача создания неблокирующего коммутатора аналогична задаче создания высокопроизводительного компьютера —в обоих случаях она решается комплексно: за счет соответствующей архитектуры объединения модулей в едином устрой­ стве и адекватной производительности каждого отдельного модуля устройства.

Борьба с перегрузками

Даже в том случае, когда коммутатор является неблокирующим, нет гарантии того, что он во всех случаях справится с потоком кадров, направляемых на его порты. Неблокирую­ щие коммутаторы тоже могут испытывать перегрузки и терять кадры из-за переполнения внутренних буферов.

Причина перегрузок обычно кроется не в том, что коммутатору не хватает производитель­ ности для обслуживания потоков кадров, а в ограниченной пропускной способности от­ дельного выходного порта, которая определяется параметрами протокола. Другим словами, какой бы производительностью коммутатор не обладал, всегда найдется такое распреде­ ление потоков кадров, которое приведет к перегрузке коммутатора из-за ограниченной производительности выходного порта коммутатора.

Возникновение таких перегрузок является платой за отказ от применения алгоритма до­ ступа к разделяемой среде, так как в дуплексном режиме работы портов теряется контроль за потоками кадров,''направляемых конечными узлами в сеть. В полудуплексном режиме, свойственном технологиям с разделяемой средой, поток кадров регулировался самим ме­ тодом доступа к разделяемой среде. При переходе на дуплексный режим узлу разрешается отправлять кадры в коммутатор всегда, когда это ему нужно, поэтому в данном режиме коммутаторы сети могут сталкиваться с перегрузками, не имея при этом никаких средств «притормаживания» потока кадров.

Таким образом, если входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами, легко представить ситуацию, когда на какой-либо выходной порт коммутатора будетнаправляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протоколь­ ный максимум. На рис. 13.13 показана как раз такая ситуация, когда на порт 3 коммутатора Ethernet направляется от портов 1, 2,4 и 6 поток кадров размером в 64 байт с суммарной интенсивностью в 22 100 кадров в секунду. Вспомним, что максимальная скорость в кадрах

всекунду для сегмента Ethernet составляет 14 880. Естественно, что когда кадры поступают

вбуфер порта со скоростью 22 100 кадров в секунду, а уходят со скоростью 14 880 кадров

всекунду, то внутренний буфер выходного порта начинает неуклонно заполняться необ­ работанными кадрами.

Рис. 13.13. Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика

В приведенном примере нетрудно подсчитать, что при размере буфера в 100 Кбайт полное заполнение буфера произойдет через 0,22 секунды после начала работы в таком интенсив­ ном режиме. Увеличение размера буфера до 1 Мбайт даст увеличение времени заполнения буфера до 2,2 секунды, что также неприемлемо. Проблему можно решить с помощью средств контроля перегрузки, которые были рассмотрены в главе 7.

Как мы знаем, существуют различные средства контроля перегрузки: управление оче­ редями в коммутаторах, обратная связь, резервирование пропускной способности. На основе этих средств можно создать эффективную систему поддержки показателей QoS длятрафика разных классов.

В этом разделе мы рассмотрим механизм обратной связи, который был стандартизован для сетей Ethernet в марте 1997 как спецификация IEEE 802.3х. Механизм обратной связи 802.3х используется только в дуплексном режиме работы портов коммутатора. Этот механизм очень важен для коммутаторов локальных сетей, так как он позволяет сократить потери кадров из-за переполнения буферов независимо от того, обеспечивает сеть дифференцированную поддержку показателей QoS для разных типов трафика или жепредоставляет базовый сервис по доставке с максимальными усилиями («по возмож­ ности»). Другие механизмы поддержания показателей QoS рассматриваются в следующей главе.

Спецификация 802JX вводит новый подуровень в стеке протоколов Ethernet —подуровень управленияуровня MAC. Он располагается над уровнем MAC и является необязательным (рис. 13.14).

Кадры этого подуровня могут использоваться в различных целях, но пока в стандартах Ethernet для них определена только одна задача —приостановка передачи кадров другими узлами на определенное время.

соответствии скорости портов наиболее вероятному распределению трафика полностью исключить перегрузки невозможно.

Поэтому в общем случае для уменьшения потерь кадров из-за перегрузок нужно применять оба средства: подбор скорости портов для наиболее вероятного распределения трафика в сети и протокол 802.3х для снижения скорости источника трафика в тех случаях, когда перегрузки все-таки возникают.

Характеристики производительности коммутаторов

Скорости фильтрации и продвижения кадров —две основные характеристики произво­ дительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.

С к о р о с т ь ф и л ь т р а ц—иэтои скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

1.Прием кадра в свой буфер.

2.Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра.

3.Уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту.

Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов блокирующим фактором не яв­ ляется —коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.

С к о р о с т ь п р о д в и ж е—н иэтоя скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров.

1.Прием кадра в свой буфер.

2.Просмотр адресной таблицы с цельюнахождения порта для адреса назначения кадра.

3.Передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в се­ кунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров мини­ мального размера, то есть кадров длиной 64 байт. Как мы уже обсуждали, режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен подтвердить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика.

З а д е р ж к а п е р е д а ч и к аизмеряетсяад как время, прошедшее с момента прихода перво­ го байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байтов кадра, и времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором —просмотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продвижении, получение доступа к среде выходного порта. Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров —от 50 до 200 мкс для кадров минимальной длины при передаче со скоростью 10 Мбит/с. Коммутаторы, под­

держивающие более скоростные версии Ethernet, вносят меньшие задержки в процесс продвижения кадров.

П р о и з в о д и т е л ь н о с т ь к о м м у т определяетсяоа р а количеством пользовательских дан­ ных, переданных в единицу времени через его порты, и измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательски­ ми данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров Ethernet. Максимальное значение производительности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информа­ цию кадра минимальна. Коммутатор —это многопортовое устройство, поэтому для него в качестве характеристики принято давать максимальную суммарную производительность приодновременной передаче трафика по всем его портам.

Еще одной важнойконструюгивной характеристикой коммутатора является максимальная

Для выполнения операций каждого порта в коммутаторах чаще всего используется вы­ деленный процессорный блок со своей памятью для хранения собственного экземпляра адресной таблицы. Каждый порт хранит только те наборы адресов, с которыми он работал в последнее время, поэтому экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей, какправило, не совпадают.

Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно под­ держивают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей —до нескольких тысяч (обычно 4000-8000 адресов).

Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем кадре, процессордолжен удалить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимает у процессора часть времени, но главные потери производительности наблюдаются при поступлении кадра с адресом назначения, кото­ рый пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, коммутатору приходится передавать этот кадр на все остальные порты. Некоторые про­ изводители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадровс неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом1. Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот портподключен к вышестоящему коммутатору (при иерархическом соединении коммута­ торов в крупной сети), который имеет достаточную емкость адресной таблицы и «знает», кудаможно передать любой кадр.

1В маршрутизаторах такой прием применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц в сетях, организованных до иерархическому принципу.