3.8. Коммутируемые локальные сети и дуплексные протоколы

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 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. 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. Порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в дуплексном.

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 (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. Фактически, 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.

Перегрузки при 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:

• 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 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].