Коммутаторы

Коммутация по праву считается одной из самых популярных современных технологий. Коммутаторы по всему фронту теснят мосты и маршрутизаторы, оставляя за последними только организацию связи через глобальную сеть. По­пулярность коммутаторов обусловлена прежде всего тем, что они позволяют за счет сегментации повысить производительность сети. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность создавать логические сети и легко перегруппировывать устройства в них. Иными словами, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети.

В 1994 году компания IDC дала свое определение коммутатора локальных сетей: «коммутатор — это устройство, конструктивно выполненное в виде сете­вого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование ло­кальной сети, а также выделить полосу пропускания конечным станциям в сети».

Впервые коммутаторы появились в конце 80-х годов. Первые коммутаторы использовались для перераспределения пропускной способности и, соответст­венно, повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально применялись исключительно для сегментации сети. В наше время произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы используются для прямого подключения к конечным станциям. Согласно про­гнозам, сделанным аналитиками фирмы IDC, коммутаторы для прямых подклю­чений будут применяться все чаще, а число коммутаторов, приобретаемых для этих целей, к 1999 году составит 95 % от общего числа.

Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между пользователями и приложениями. Несмотря на то что первоначальная стоимость коммутаторов была довольно высока, тем не менее они были значи­тельно дешевле и проще в настройке и использовании, чем маршрутизаторы. Широкое распространение коммутаторов на уровне рабочих групп можно объ­яснить тем, что коммутаторы позволяют повысить отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных пользователей.

Общий термин «коммутация» применяется для четырех различных техноло­гий:

• конфигурационной коммутации;

• коммутации кадров;

• коммутации ячеек;

• преобразования между кадрами и ячейками.

В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие может программно настраиваться при подключении или перемеще­нии пользователей в сети.

При коммутации кадров используются стандартные форматы кадров сетей Ethernet, Token Ring и т. д. Кадр при поступлении в сеть обрабатывается пер­вым коммутатором на его пути. Под термином обработка понимается вся совокупность действий, производимых коммутатором для определения своего выходного порта, на который необходимо направить данный кадр. После обра­ботки он передается далее по сети следующему коммутатору или непосредствен­но получателю.

В технологии ATM также применяется коммутация, но в ней единицы ком­мутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т. д. непосредственно взаимо­действовать с устройствами ATM. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.

Коммутаторы делятся на четыре категории.

1. Простые автономные коммутаторы сетей рабочих групп позволяют неко­торым сетевым устройствам или сегментам обмениваться информацией с максимальной для данной кабельной системы скоростью. Они могут вы­полнять роль мостов для связи с другими сетевыми сегментами, но не транслируют протоколы и не обеспечивают повышенную пропускную спо­собность с отдельными выделенными устройствами, такими как серверы.

2. Коммутаторы рабочих групп второй категории обеспечивают высокоско­ростную связь одного или нескольких портов с сервером или базовой сетью.

3. Третью категорию составляют коммутаторы сети отдела предприятия, ко­торые часто используются для взаимодействия сетей рабочих групп. Они предоставляют более широкие возможности администрирования и повы­шения производительности сети. Такие устройства поддерживают древо­видную архитектуру связей, которая используется для передачи информации по резервным каналам и фильтрации пакетов. Физически такие коммутаторы поддерживают резервные источники питания и позво­ляют оперативно менять модули.

4. Последняя категория — это коммутаторы сети масштаба предприятия, вы­полняющие диспетчеризацию трафика, определяя наиболее эффективный маршрут. Они могут поддерживать большое количество логических соеди­нений локальной сети. Многие производители корпоративных коммутато­ров предлагают в составе своих изделий модули ATM. Эти коммутаторы осуществляют трансляцию протоколов Ethernet в протоколы ATM.

Технология конфигурационной коммутации сегментов Ethernet была предло­жена фирмой Kalpana в 1990 году. Эта технология основана на отказе от исполь­зования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и применении коммутаторов, позволяющих передавать пакеты одновременно между всеми па­рами портов. Новшество заключалось в параллельной обработке поступающих кадров.

На рис. 5.5 показана функциональная схема коммутатора EtherSwitch, пред­ложенного фирмой Kalpana.

В этом коммутаторе системный модуль поддерживает общую адресную таб­лицу коммутатора. Коммутационная матрица отвечает за пересылку кадров между портами. Каждый порт имеет свой процессор кадров. При поступлении кадра в один из портов его процессор отправляет в буфер несколько первых байт кадра для того, чтобы прочитать адрес назначения. После определения ад­реса процессор принимает решение о передаче кадра, не анализируя остальные его байты. Чтобы определить, куда передавать кадр, используется адресная таб­лица. Если данный адрес записан в таблице, выбирается соответствующий выходной порт. Выбор порта и формирование соединения производится коммута­ционной матрицей. Если такого адреса нет, он записывается в новой строке ад­ресной таблицы, а кадр передается методом широковещания через все порты, за исключением принявшего.

Наиболее часто используются три типа функциональной структуры коммута­торов:

• с коммутационной матрицей;

• с общей шиной;

• с разделяемой многовходовой памятью.

Коммутаторы с коммуникационной матрицей за счет параллельной обработ­ки осуществляют взаимодействие портов быстрее портов. Однако число портов в таких коммутаторах ограничено, так как сложность реализации коммутатора возрастает пропорционально квадрату числа портов. На рис. 5.6 показана топо­логия связей коммутационной матрицы.

Предположим, коммутатору необходимо передать кадр из порта 1 в порт 5. Процессор коммутатора дает команду коммутационной матрице на установку пути, связывающего эти два порта. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, если выходной порт 5 в данный момент свободен. Если он занят, кадр буферизуется процессором порта 1, после чего процессор коммута­тора ожидает освобождения порта 5 и образования коммутационной матрицей нужного пути. После установления коммутационного пути по нему направляют­ся буферизованные портом 1 кадры, которые после получения доступа к среде передаются в сеть через порт 5.

Матрица может быть реализована на разных комбинационных схемах, но в любом случае в ее основе лежит технология коммутации физических каналов. Основным недостатком данной технологии является невозможность буфериза­ции данных внутри самой коммутационной матрицы. А даже из приведенного примера понятно, что основным фактором, определяющим пропускную способ­ность, является буферизация данных. Без буферизации пакеты или ячейки могут быть просто потеряны в ожидании освобождения выходного порта. Поте­ря одного кадра или одной ячейки может повлечь за собой необходимость по­вторной передачи всего пакета, который может состоять из сотни ячеек или из десятков кадров.

Ситуация, когда выходной порт занят, встречается достаточно часто — она называется коллизией выходного порта. В большинстве коммутаторов преду­смотрено реагирование на коллизию выходного порта. Чтобы уберечь данные от потери, в коммутаторах предусмотрена буферная область памяти, где и хранятся уже принятые кадры. Буферная память способна сглаживать случайные всплес­ки трафика, не допуская потери информации. По мнению производителей ком­мутаторов, лучшей схемой буферизации является буферизация на входном порту. При буферизации на входе данные могут поступать в коммутатор прак­тически с любой скоростью. Как только появляется возможность отправить дан­ные в порт назначения, коммутатор берет их из буфера и пересылает,

Большая буферная память может приводить к некоторой задержке передачи. Это входит в противоречие с основной целью коммутаторов, так как они приме­няются именно для устранения замедления. Для разрешения этого противо­речия коммутаторы для локальных сетей и сетей ATM имеют буферы разных размеров. В технологии ATM коммутаторы образуют магистраль с ограничен­ной полосой пропускания. В коммутаторах ATM часто устанавливается большая буферная память. Для коммутаторов в локальных сетях, в особенности на уров­не рабочих групп, можно подобрать достаточно быстрый виртуальный носитель, который не позволит возникать заторам, поэтому буферы коммутаторов для ло­кальных сетей часто невелики по размеру.

В коммутаторах с общей шиной используется высокоскоростная шина, пред­назначенная для связи процессоров портов. Связь портов через шину осуществ­ляется в режиме разделения времени. В данном случае высокоскоростная шина играет пассивную роль. Активными являются специализированные процессоры портов. Для того чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производи­тельность должна быть в несколько раз выше скорости поступления данных на входные порты. Для уменьшения задержек при передаче кадр должен переда­ваться по шине небольшими частями. Размер этих частей определяется произ­водителем коммутатора. Шина, так же, как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию.

Третий тип коммутаторов — коммутаторы с разделяемой многовходовой па­мятью. На рис. 5.7 показана примерная схема коммутатора с разделяемой мно­говходовой памятью.

Входные блоки процессоров портов соединяются через переключатели входа с разделяемой памятью, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с памятью через переключатели выхода. Переключением входа и выхода разделя­емой памяти заведует блок управления портами. Этот блок организует в разде­ляемой памяти несколько очередей данных — по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают блоку управления запросы на за­пись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Блок управления портами по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей блок управления производит поочередное подключение выхода разделяемой многовходовой па­мяти к выходным портам и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.

Каждая из описанных архитектур имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому часто в функционально сложных коммутаторах комбинируют различ­ные архитектуры.

Производители коммутаторов применяют в своих изделиях различные алго­ритмы управления потоком кадров для предотвращения потерь кадров при перегрузках в сети. Потеря даже небольшого количества кадров обычно резко снижает полезную производительность сети. Поэтому при возникновении пере­грузки разумно было бы снизить интенсивность поступления кадров от конеч­ных узлов к коммутатору. Для замедления потока в распоряжении коммутатора должен быть механизм снижения интенсивности трафика подключенных к его портам узлов. Существуют два таких механизма:

• агрессивное поведение порта;

• метод обратного давления.

Порт коммутатора для захвата среды должен «вести себя агрессивно» и при передаче, и при коллизии в сети (для сети Ethernet).

В первом случае коммутатор оканчивает передачу очередного кадра и делает технологическую паузу в 9.1 мкс вместо положенной паузы в 9.6 мкс. При этом компьютер, выждав паузу в 9.6 мкс, не может захватить среду передачи данных. После коллизии, когда кадры коммутатора и компьютера сталкиваются, компью­тер делает стандартную паузу в 51.2 мкс, а коммутатор — в 50 мкс. И в этом случае среда передачи остается за коммутатором.

В основе второго метода — метода обратного давления — лежит передача фиктивных кадров компьютеру при отсутствии в буфере коммутатора кадров для передачи по данному порту. В этом случае коммутатор может не нарушать алгоритм доступа, однако интенсивность передачи кадров в коммутатор в сред­нем уменьшается вдвое. Метод обратного давления используется либо для раз­грузки общего буфера, либо для разгрузки буфера процессора другого порта, в который передает свои кадры данный порт.

Известны три способа коммутации в локальных сетях:

• коммутация «на лету» (cut-through);

• бесфрагментная коммутация (fragment-free switching);

• коммутация с буферизацией (store-and-forward switching).