Сейчас, во время всевозможных гаджетов и электронных девайсов, которые переполняют среду обитания обычного человека, актуальна проблема – как эти все интеллектуальные устройства увязать между собой. Почти в любой квартире есть телевизор, компьютер/ноутбук, принтер, сканер, звуковая система, и хочется как-то скоординировать их, а не перекидывать бесконечное количество информации флешками, и при этом не запутаться в бесконечных километрах проводов. Та же самая ситуация касается офисов – с немалым количеством компьютеров и МФУ, или других систем, где нужно увязать разных представителей электронного сообщества в одну систему. Вот тут и возникает идея построения локальной сети. А основа грамотно организованной и структурированной локальной сети – сетевой коммутатор.
Для построения локальных сетей используются и другие устройства – концентраторы (хабы) и маршрутизаторы (роутеры). Сразу, во избежание путаницы, стоит указать на различия между ними и коммутатором.
Концентратор (он же хаб)
– является прародителем коммутатора. Время использования хабов фактически ушло в прошлое, из-за следующего неудобства: если информация приходила на один из портов хаба, он тут же ретранслировал ее на другие, «забивая» сеть лишним трафиком. Но изредка они еще встречаются, впрочем, среди современного сетевого оборудования выглядят, как самоходные кареты начала 20-го века среди электрокаров современности.
Маршрутизаторы – устройства, с которыми часто путают коммутаторы из-за похожего внешнего вида, но у них более обширный спектр возможностей работы, и ввиду с этим более высокая стоимость. Это своего рода сетевые микрокомпьютеры, с помощью которых можно полноценно настроить сеть, прописав все адреса устройств в ней и наложив логические алгоритмы работы – к примеру, защиту сети.
Коммутаторы и хабы чаще всего используются для организации локальных сетей, маршрутизаторы – для организации сети, связанной с выходом в интернет. Однако следует заметить, что сейчас постепенно размываются границы между коммутаторами и маршрутизаторами – выпускаются коммутаторы, которые требуют настройки и работают с прописываемыми адресами устройств локальной сети. Они могут выполнять функции маршрутизаторов, но это, как правило, дорогостоящие устройства не для домашнего использования.
Самый простой и дешевый вариант конфигурации домашней локальной сети средних размеров (с количеством объектов более 5), с подключением к интернету, будет содержать и коммутатор, и роутер:
Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.
Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис.2.18.
Рис. 2.18.Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpona
Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.
Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.
При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а 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.
После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.
Если же кадр нужно передать на другой.порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.
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 образования коммутационной матрицей нужного пути.
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 алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра.
При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.
Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи.
1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.
2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).
3. Коммутация матрицы.
4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.
5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.
6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.
7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.
Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.
Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.
Этот эффект иллюстрирует рис.2.19. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на 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 даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4x10 = 40 Мбит/с, а" при обобщении примера для N портов - (N/2)xl0 Мбит/с.
Рис.2.19.Параллельная передача кадров коммутатором
Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования - сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы.
Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети, если они там имелись.
Конструктивное исполнение коммутаторов
В конструктивном отношении коммутаторы делятся на следующие типы:
Ø автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;
Ø модульные коммутаторы на основе шасси;
Ø коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.
Первый тип коммутаторов обычно предназначен для организации небольших рабочих групп.
Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего предназначены для применения на магистрали сети. Поэтому они выполняются на основе какой-либо комбинированной схемы, в которой взаимодействие модулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема. Модули такого коммутатора выполняются на основе технологии «hot swap», то есть опускают замену на ходу, без выключения коммутатора, так как центральное коммуникационное устройство сети не должно иметь перерывов в работе. Шасси обычно снабжается резервированными источниками, питания и резервированными вентиляторами в тех же целях.
С технической точки зрения определенный интерес представляют стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работатъ автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему, работающую как единый коммутатор. Говорят, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек. Структура стека коммутаторов, соединяемых по скоростным специальным портам, показана на рис.2.20.
Рис.2.20.Стек коммутаторов, объединяемых по высокоскоростным каналам
Коммутация в локальных сетях (ЛВС) является одной из основ происходящего сегодня перехода к использованию технологий следующего поколения. Традиционные ЛВС рассчитаны на совместное использование ресурсов пользователями небольшого числа станций (обычно до 50). К числу разделяемых ресурсов относятся файлы и периферийные устройства (принтеры, модемы и т.п.). Поскольку картина трафика в таких сетях имеет ярко выраженный взрывной характер, использование разделяемой между всеми пользователями полосы может приводить к существенному замедлению работы. Стандарты Ethernet и token ring регулируют доступ сетевых устройств к разделяемой среде передачи. Когда одно из устройств передает данные в сеть, все остальные должны ждать окончания передачи, не делая попыток передать в сеть свои данные.
Такая схема разделения доступа к среде очень эффективна в небольших сетях, используемых для совместного использования файлов или принтеров. Сегодня размер и сложность локальных сетей значительно возрасли, а число устройств измеряется тысячами. В сочетании с ростом потребностей пользователей недетерминистический характер традиционных сеетвых архитектур (таких как Ethernet и token ring) начал ограничивать возможности сетевых приложений. Коммутация ЛВС является популярной технологией, способной продлить жизнь существующих ЛВС на базе Ethernet и token ring. Преимущества коммутации заключаются в сегментировании сетей - делении их на более мелкие фрагменты со значительным снижением числа станций в каждом сегменте. Изоляция трафика в небольшом сегменте приводит к многократному расширению доступной каждому пользователю полосы, а поддержка виртуальных ЛВС (VLAN) значительно повышает гибкость системы.
Администраторы сетей должны представлять себе технологические аспекты коммутации ЛВС и стоимость перехода к использованию коммутаторов в существующих сетях. Технологические вопросы включают понимание архитектуры коммутаторов ЛВС различий между коммутацией на MAC-уровне и маршрутизацией на сетевом, а также разницы между выполнением операций на программном и аппаратном уровне. Экономические аспекты включают сравнение соотношения производительность/цена для маршрутизаторов и коммутаторов, оценку эффективности вложения средств, а также расходов на организацию и поддержку сетей (включая управление сетью).
Еще недавно для сегментации ЛВС использовались мосты, но развитие технологий позволило использовать для этого более эффективные решения. Еще несколько лет назад для объединения сегментов ЛВС использовались маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Маршрутизаторы обеспечивают эффективную сегментацию, но они достаточны дороги и сложны в управлении. Появление коммутаторов, основанных на базе специализированных контроллеров ASIC, сделало эти устройства значительно более эффективным инструментом сегментации сетей.
Коммутаторы ЛВС отличаются большим разнообразием возможностей и, следовательно, цен - стоимость 1 порта колеблется в диапазоне от 50 до 1000 долларов. Одной из причин столь больших различий является то, что они предназначены для решения различных классов задач. Коммутаторы высокого класса должны обеспечивать высокую производительность и плотность портов, а также поддерживать широкий спектр функций управления. Такие устройства зачастую кроме традиционной коммутации на MAC-уровне выполняют функции маршрутизации. Простые и дешевые коммутаторы имеют обычно небольшое число портов и не способны поддерживать функции управления.
Одним из основных различий является используемая в коммутаторе архитектура. Поскольку большинство современных коммутаторов работают на основе патентованных контроллеров ASIC, устройство этих микросхем и их интеграция с остальными модулями коммутатора (включая буферы ввода-вывода) играет важнейшую роль. Коммутаторы, реализующие также функции сетевого уровня (маршрутизацию), оснащены, как правило, RISC-процессорами для выполнения ресурсоемких программ маршрутизации.
Рисунок 2.1 Блок-схема коммутатора с архитектурой cross-bar
Контроллеры ASIC для коммутаторов ЛВС делятся на 2 класса - большие ASIC, способные обслуживать множество коммутируемых портов (один контроллер на устройство) и небольшие ASIC, обслуживающие по несколько портов и объединяемые в матрицы коммутации. Вопросы масштабирования и стратегия разработчиков коммутаторов в области организации магистралей и/или рабочих групп определяет выбор ASIC и, следовательно, - скорость продвижения коммутаторов на рынок.
Существует 3 варианта архитектуры коммутаторов - переключение (cross-bar) с буферизацией на входе, самомаршрутизация (self-route) с разделяемой памятью и высокоскоростная шина. На показана блоксхема коммутатора с архитектурой, используемой для поочередного соединения пар портов. В любой момент такой коммутатор может обеспечить организацию только одного соединения (пара портов). При невысоком уровне трафика не требуется хранение данных в памяти перед отправкой в порт назначения - такой вариант называется коммутацией на лету cut-through). Однако, коммутаторы cross-bar требуют буферизации на входе от каждого порта, поскольку в случае использования единственного возможного соединения коммутатор блокируется (). Несмотря на малую стоимость и высокую скорость продвижения на рынок, коммутаторы класса cross-bar слишком примитивны для эффективной трансляции между низкоскоростными интерфейсами Ethernet или token ring и высокоскоростными портами ATM и FDDI.
Рисунок 2.2 Блокировка коммутатора с архитектурой cross-bar
Коммутаторы с разделяемой памятью имеют общий входной буфер для всех портов, используемый как внутренняя магистраль устройства (backplane). Буферизагия данных перед их рассылкой (store-and-forward - сохранить и переслать) приводит к возникновению задержки. Однако, коммутаторы с разделяемой памятью, как показано на не требуют организации специальной внутренней магистрали для передачи данных между портами, что обеспечивает им более низкую цену по сравнению с коммутаторами на базе высокоскоростной внутренней шины.
Рисунок 2.3 Архитектура коммутатора с разделяемой памятью
Рисунок 2.4 Коммутатор с высокоскоростной шиной
Рисунок 2.5 Коммутация и маршрутизация в модели OSI
Большинство современных сетевых устройств - концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы - поддерживают отдельные функции коммутации и маршрутизации. Администратор сети должен решить, какие услуги каждого типа требуются в сети и чье оборудование наиболее соответствует задачам.
Аппаратные реализации коммутаторов ЛВС используют специализированные микросхемы ASIC (собственной разработки или других фирм), в которых реализованы функции коммутации. Аппаратная реализация обеспечивает более высокую скорость по сравнению с программной. Однако, этого еще недостаточно для создания хорошего коммутатора. При разработке ASIC должны создавать и проверяться программы коммутации, реализуемые в микросхемах. После создания контроллера программный код уже нельзя изменить, поэтому эффективность машины коммутации играет важнейшую роль. Стремление быстрее предложить устройства на рынок зачастую определяет уровень функциональности ASIC. Программные решения используют процессоры общего назначения, для работы которых требуется загрузить программный код. Преимущества такого подхода включают более высокий уровень сервиса (например, маршрутизация), но эти преимущества зачастую полностью подавляются ростом задержек.
Очевидно, что основной причиной столь быстрого внедрения коммутаторов является более низкая, по сравнению с традиционными маршрутизаторами, стоимость самих устройств и существенное снижение расходов на организацию и поддержку сетей. Будучи устройством MAC-уровня, коммутатор не требует какой-либо настройки и обеспечивает решение plug-and-play (это относится прежде всего к простым коммутаторам). Коммутаторы легко позволяют решить проблему расширения полосы и могут работать в сетях с традиционными маршрутизаторами, обеспечивая деление сети на сегменты, связываемые потом маршрутизаторами. Поскольку на канальном уровне сеть выглядит плоской, все дополнительные услуги маршрутизации должны выполняться традиционными маршрутизаторами. Таким образом, коммутаторы в рабочих группах позволяют эффективно сегментировать сеть, оставляя маршрутизаторам функции связи между сегментами.
Другой причиной быстрого роста популярности коммутаторов является то, что они оптимизированы для решения различных сетевых задач (в частности для организации рабочих групп). Поскольку потребности рабочих групп связаны прежде всего с высокой скоростью обмена и обеспечением неблокируемых путей передачи трафика между членами группы, коммутаторы ЛВС содержат в качестве ядра аппаратную машину коммутации (switching engine). Массовое производство контроллеров ASIC привело к значительному снижению цен. Дополнительные высокоскоростные порты (uplink) для подключения к серверам, маршрутизаторам или магистралям обеспечивают пользователям рабочих групп удовлетворение всех возникающих потребностей. Гибкое и масштабируемое выделение полосы делает коммутаторы ЛВС важной частью процесса модернизации существующих сетей на базе разделяемых сред. Возможность простого переноса из одной точки сети в другую обеспечивает высокую эффективность капиталовложений, поскольку при изменении задач или структуры сети не приходится покупать новые устройства взамен имеющихся.
Возможно наибольшая экономия в результате использования коммутаторов связана с эффектиной сегментацией сети (рост пропускной способности) и простотой управления (plug-and-play). В отличие от маршрутизаторов, коммутаторы ЛВС практически не требуют настройки и не отнимают много времени у сетевых администраторов. MAC-адреса подключенных к коммутатору устройств определяются автоматически, а сложные схемы IP-адресации, используемые в сегодняшних сетях остаются полностью прозрачными для рабочих групп. Установка коммутатора в рабочей группе обычно не требует ничего, кроме подключения устройств к портам коммутатора взамен портов концентратора или размещения коммутатора между концентраторами и маршрутизатором как показано на рисунках , и .
Рисунок 2.6 Традиционная ЛВС на основе концентратора
Рисунок 2.7 Коммутатор ЛВС взамен хаба
Рисунок 2.8 Совместное использование коммутаторов и концентраторов
Сегментирование ЛВС с разделяемой средой можно проиллюстрировать на примере разделения участников большой конференции на специализированные группы, разделенные в разных помещениях. Сегментация сети обеспечивает многократный рост агрегатной полосы, позволяя вместо одного устройства вести передачу многим устройствам сразу. Сети Ethernet и token ring аналогичны пленарным заседаниям конференций, где все слушают одного оратора. Заседания рабочих групп позволяют выступать одному человеку в каждой группе. Таким образом и сегментация сетей позволяет вести передачу данных нескольким устройствам одновременно (по одному на сегмент).
При рассмотрении вопросов коммутации ЛВС важно понимать картину трафика и изменения в структуре ЛВС. Картины трафика в традиционных ЛВС с состязательным доступом к среде и сетях с выделенной полосой для каждого порта существенно отличаются. При изучении картины администратор наверняка увидит, что отдельным пользователям или группам требуется более широкая полоса, а часть задач весьма чувствительна к задержкам.
Сейчас уже очевидно, что используемый в сетях с разделяемой полосой состязательный механизм доступа является основной причиной недостаточной пропускной способности традиционных ЛВС. Напомним, что в каждый момент времени передавать данные в разделяемую среду может лишь одна станция - остальные должны "слушать". Реализации механизмов доступа в сетях Ethernet и token ring отличаются, следовательно, будут различаться и результаты использования коммутаторов.
Доступ к среде в сетях Ethernet основан на алгоритме CSMA/CD (множественный доступ с детектированием несущей и обнаружением конфликтов). Когда станции требуется передать данные, она сначала проверяет канал на предмет его использования другой станцией (обнаружение несущей - CS). Если среда в данный момент не используется, станция может начать передачу. Если среда занята, станция повторяет попытку доступа по истечении случайного интервала времени. Несмотря на предварительное прослушивание среды две (или более) станции могут начать передачу одновременно - возникает конфликт или коллизия (CD). В этом случае обе станции должны немедленно прекратить передачу и пытаться повторить ее по истечение случайного интервала времени.
В небольших сетях взрывной характер трафика (пакеты данных передаются лишь время от времени) обеспечивает достаточно малую вероятность возникновения конфликтов. В большой сети интервалы между пакетами сокращаются и вероятность коллизий растет. Это приводит к тому (), что в больших сетях возможна (хотя и маловероятна) ситуация, когда какая-либо станция (например, с медленным процессором) вообще не сможет получить доступа к среде передачи, поскольку какой-либо очередности доступа не соблюдается (известный принцип - кто первый встал, тому и тапочки). Сегментация такой сети позволит обеспечить существенное повышение пропускной способности.
Figure 2.9 Пример сети рабочей группы
В сетях Token ring доступ к среде основан на передаче маркера (token) - специального пакета, распространяемого по кольцу. Получившая маркер станция может начать начать передачу своих данных в сеть. Здесь не возникает конфликтов, но станция, не владеющая маркером, не может передавать данные, даже при свободной среде. В маленьких сетях цикл передачи маркера по кольцу занимает немного времени и станции не ждут подолну возможности начать передачу. Однако, в большой сети время ожидания может стать слишком большим. Разделение кольца на несколько меньших колец с помощью коммутатора (сегментация) уменьшает число станций в кольце и снижает время ожидания маркера. Кроме того, коммутация token ring повышает устойчивость сети к повреждениям.
Причиной нехватки пропускной способности является то, что каждая станция сегмента слышит "разговоры" всех других станций. Переход к ориентированным на организацию соедиений "точка-точка" технологиям типа ATM, является важнейшим шагом вперед. Преимущества полностью коммутируемых сетей, ориентированных на организацию соединений, очевидны, но что делать с имеющимися сетевыми приложениями и услугами на основе широковещательных пакетов в традиционных ЛВС. До тех пор, пока все эти приложения не будут переписаны для сетей на основе организации прямых соединений, проблема широковещательного трафика будет основным вопросом в связи с коммутацией ЛВС.
Рисунок 2.10 Число пользователей Ethernet и эффективная полоса
Широкополосные приложения, такие как multimedia и базы данных клиент-сервер являются достаточно тяжелым грузом для ЛВС с разделяемой средой, рассчитанных просто на совместное использование файлов и принтеров. Использование состязательных механизмов доступ к среде не позволяет обеспечить пользователям графических приложений высокоскоростной перенос по сети больших объемов данных с малой задержкой. Администраторы сетей часто решают эту проблему организацией для таких пользователей отдельных сегментов без перехода на высокоскоростные технологии типа FDDI. Подбор числа пользователей для каждого порта коммутатора обеспечивает экономичное решение проблемы недостаточной пропускной способности без перехода на новые технологии.
Файловые серверы, серверы приложений и пользователи с высокими запросами можно подключить к коммутатору через скоростные порты Fast Ethernet, FDDI или ATM. Этот путь требует замены сетевых адаптеров в серверах и, возможно, кабельной системы, но обеспечивает гибкое и масштабируемое решение.
Широкополосные приложения отнюдь не являются единственной проблемой сетевых администраторов. Чувствительные к задержкам задачи реального времени (например, видео) в разделяемых средах с недетерминистическим способом доступа (типа Ethernet).
Коммутация ЛВС позволяет создавать виртуальные сети (VLAN) из групп пользователей, основываясь на их задачах, а не по физическому расположению в сети. Технология виртуальных ЛВС позволяет пользователям свободно перемещаться по сети, оставаясь в своей рабочей группе.
Простота приспособления виртуальных ЛВС к перемещению и добавлению узлов, а также другим изменениям в сети вместе с эффективной интеграцией традиционных ЛВС в сети ATM способна поразить воображение каждого. Перестройка сети с учетом роста числа мобильных пользователей и необходимости обеспечения доступа на базе правил, позволяет многочисленным пользователям свободно работать даже находясь за пределами офиса. Планирование интеграции традиционных ЛВС в сети на базе ATM требует от администраторов с осторожностью относится к выбору технологии. Правильный выбор позволит создать эффективную сеть и обеспечит возможность поэтапного перехода на новые технологии.
Сотрудники многих организаций работают над различными проектами, группируясь в рабочие команды для решения конкретных задач. По мере решения задачи состав группы может меняться, а по завершении потребуется создание новой группы. Организация рабочих групп по физическому расположнию компьютеров (как это делается в сетях с разделяемой средой) зачастую создает трудноразрешимые проблемы. Приходится переносить рабочие места пользователей или передавать большие объемы информации через перегруженные маршрутизаторы. Кроме того, трудоемкость настройки маршрутизаторов делает практически нереальной задачу создания временных рабочих групп из числа сотрудников, удаленных друг от друга. Виртуальные ЛВС позволяют группировать пользователей, не обращая внимание на их физическое расположение в сети - вы можете создать рабочую группу из сотрудников, расположенных в разных зданиях или даже в разных городах.
Возможность организации VLAN с использованием WAN-каналов требует интеграции коммутаторов ЛВС и ATM. На показан пример использования ATM для организации логического соединения между портами удаленных коммутаторов ЛВС. Таким образом можно создавать широковещательные домены (виртуальные ЛВС) из станций, расположенных на значительном удалении
Рисунок 2.11 Логические соединения коммутаторов ATM через WAN-каналы
Виртуальные ЛВС обеспечивают многочисленные преимущества. Рассмотрим для примера организацию с большим числом работающих на выезде сотрудников. При переезде такого сотрудника в другое место меняется его сетевой адрес и требуется полностью обновлять таблицу маршрутизации. Пользователю после такого переезда также придется вносить конфигурационные изменения для получения привычного сервиса. Виртуальные ЛВС на базе коммутаторов с поддержкой функций маршрутизации значительно упрощают операции, связанные с перемещениями пользователей. Возможно обеспечить полное сохранение рабочей среды независимо от местоположения пользователя ().
Рисунок 2.12 Построение виртуальной ЛВС
В дополнение к возможности организации распределенных рабочих групп технология VLAN позволяет создавать такие группы на основе широкого набора критериев (правил), задаваемых администратором сети. Таким образом, вопросы доступа, обеспечения безопасности, ведения счетов на оплату услуг можно решать автоматически за счет задания соответствующих правил организации VLAN. Виртуальные сети на базе правил позволяют обеспечить высочайшую гибкость при надежном обеспечении безопасности сети. Управление VLAN на основе технолгии drag-and-drop позволяет легко настраивать права доступа, создавать и менять логические рабочие группы.
Рисунок 2.13 Построение виртуальной ЛВС
Возможно одним из основных преимуществ коммутации ЛВС является возможность удовлетворения разнообразных потребностей пользователей в части предоставления полосы и типа сервиса. Как мы показали ранее установка коммутатора ЛВС, работающего на MAC-уровне не требует внесения изменений на уровне рабочих станций или уже имеющихся в сети маршрутизаторов. За счет возможности управления числом станций на каждом порту коммутатора администратор может обеспечить каждому пользователю или приложению требуемую полосу и величину задержки. Высокоскоростные магистральные модули (uplink) обеспечивают хорошее масштабирование за счет возможности подключения к высокоскоростным серверам и магистралям. Поскольку установка коммутаторов практически не требует настройки, добавление коммутаторов вследствие роста сети не вызывает затруднений и не требует высоких расходов.
Наконец, возможность поэтапной модернизации позволяет оценить необходимость использования новых технологий (типа ATM) для расширения возможностей существующих сетей. Реализация сетей полностью на базе ATM требует значительных средств и возможность использования преимуществ этой технологии при сохранении существующих сетей Ethernet и token ring имеет очень важное значение.
Приведенная в документе техническая информация может быть изменена без предупреждения.
© 1997 Xylan Corporation.
Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.
Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 4.23.
Рис. 4.23. Структура коммутатора EtherSwitch компании Ка1рапа
Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.
Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.
При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а 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.
После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.
Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.
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 образования коммутационной матрицей нужного пути.
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 алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 4.24).
Рис. 4.24. Передача кадра через коммутационную матрицу
При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.
Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: а - конвейерная обработка; б - обычная обработка с полной буферизацией
1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.
2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).
3. Коммутация матрицы.
4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.
5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.
6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.
7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.
Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.
По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также приведенном на рис. 4.25, экономия от конвейеризации получается ощутимой.
Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.
Этот эффект иллюстрирует рис. 4.26. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на 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 даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4*10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов - (N/2)*l0 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.
Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изображена на рис. 4.26. Если двум станциям, 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 выделить каждой станции поток данных по 10 Мбит/с, так как порт 8 не может передавать данные со скоростью 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.
Рис. 4.26. Параллельная передача кадров коммутатором
Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, это его высокая производительность, то разработчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (non-blocking) модели коммутаторов.
Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. Естественно, что даже неблокирующий коммутатор не может разрешить в течение долгого промежутка времени ситуации, подобные описанной выше, когда блокировка кадров происходит из-за ограниченной скорости выходного порта.
Обычно имеют в виду устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, когда коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для обеспечения такого режима нужно, естественно, такое распределение потоков кадров по выходным портам, чтобы они справлялись с нагрузкой и 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 памяти коммутатора, а при превышении ее объема - просто отбрасываться. Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необходимо выполнение достаточно простого условия:
Cк= (∑ Cpi)/2,
где Ck- производительность коммутатора, Cpi- максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора. Суммарная производительность портов учитывает каждый проходящий кадр дважды - как входящий кадр и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт работает в полудуплексном режиме, например Ethernet 10 Мбит/с, то производительность порта Cpiравна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его Cpiбудет составлять 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 максимальной скорости протоколов, 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 неблокирующего мгновенного режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно, она должна быть равна суммарной производительности его портов:
Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина - эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.
Некоторые компании стали развивать технологию коммутации для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Эти коммутаторы поддерживали как алгоритм работы прозрачного моста, так и алгоритм моста с маршрутизацией от источника. Внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch, однако принцип параллельной обработки кадров по каждому порту оставался неизменным.
Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования - сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент.
Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети, если они там имелись.
Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.
Похожая информация.
