Технологии комутації кадрів (frame switching) в локальних сетях

Технологии комутації кадрів (frame switching) в локальних мережах Обмеження традиційних технологій (Ethernet, Token Ring), заснованих на виключно поділюваних середовищах передачі.

Повторители і концентратори локальних мереж реалізують базові технології, розроблені для поділюваних середовищ передачі. Класичним представником такий технології є технологія Ethernet на коаксіальному кабелі. У такій мережі все комп’ютери поділяють у часі єдиний канал зв’язку, освічений сегментом коаксіального кабелю (малюнок 2.1).

.

Рис. 2.1. Поділюваний канал передачі у мережі Ethernet

При передачі якимось комп’ютером кадру даних й інші комп’ютери приймають його за загальному коаксиальному кабелю, перебуваючи з передавачем в постійному побитном синхронизме. Тимчасово передачі цього кадру ніякі інші обміни інформацією мережі не дозволяються. Спосіб доступу до спільного кабелю управляється нескладним розподіленим механізмом арбітражу — кожен комп’ютер проти неї розпочати передачу кадру, якби кабелі відсутні інформаційні сигнали, а за одночасної передачі кадрів кількома комп’ютерами схеми приймачів вміють розпізнавати і дозволяють опрацьовувати цю ситуацію, звану колізією. Обробка колізії також нескладна — все передають вузли припиняють виставляти біти своїх кадрів на кабель і повторюють спробу передачі кадру через випадковий проміжок часу.

Работа всіх вузлів мережі Ethernet як великий розподіленої електронної схеми із загальним тактовым генератором призводить до кільком обмеженням, накладываемым на мережу. Основними обмеженнями є:

Максимально допустима довжина сегмента. Вона залежить від типу використовуваного кабелю: для кручений пари це 100 м, для тонкого коаксиала — 185 м, для товстого коаксиала — 500 м, а оптоволокна — 2000 м. Для найдешевших і поширених типів кабелю — кручений пари тонкого коаксиала — це обмеження часто стає дуже небажаним. Технологія Ethernet пропонує використовуватиме подолання цього обмеження повторювачі і концентратори, виконують функції посилення сигналу, поліпшення форми фронтів імпульсів і виправлення похибок синхронізації. Проте можливості цих пристроїв до збільшення максимально припустимого відстані між двома будь-якими вузлами мережі (що називається діаметром мережі) невідь що великі - число повторювачів між вузлами неспроможна перевищувати 4-х (зване правило чотирьох хабів). Для кручений пари це дає збільшення до 500 м (малюнок 2.2). З іншого боку, існує загальне обмеження на діаметр мережі Ethernet — трохи більше 2500 м. для будь-яких типів кабелю і жодного кількості встановлених концентраторів. Це обмеження слід дотримуватися для чіткого розпізнавання колізій усіма вузлами мережі, як б далеко (в заданих межах) вони друг від друга не перебували, інакше кадр може бути з спотвореннями.

.

Рис. 2.2. Максимальний діаметр мережі Ethernet на кручений парі

Максимальне число вузлів у мережі. Стандарти Ethernet обмежують число вузлів у мережі граничним значенням в 1024 комп’ютера незалежно від типу кабелю і кількість сегментів, а кожна специфікація для конкретного типу кабельної системи встановлює що й своє, жорсткіший обмеження. Так, до сегменту кабелю на тонкому коаксиале не можна підключити понад 34 вузлів, а товстого коаксиала їх кількість збільшується до 100 вузлів. У мережах Ethernet на кручений парі і оптоволокне кожен відрізок кабелю з'єднує усього дві вузла, але бо таких відрізків специфікація не обумовлює, то тут діє загальне обмеження в 1024 вузла.

Существуют й інші причини, крім наявності вказаних у стандартах обмежень, якими число вузлів у мережі Ethernet звичайно перевершує кілька десятків. Ці причини лежать у самому принципі поділу у часі одного каналу передачі поміж усіма вузлами мережі. При підключенні до такого каналу кожен вузол користується його пропускною спроможністю — 10 Мб/с — протягом лише деякою частки загального часу роботи мережі. Відповідно, на вузол доводиться ця сама частка пропускну здатність каналу. Навіть якщо взяти спрощено вважати, що це вузли отримують порівну часу роботи каналу та непродуктивні втрати часу відсутні, за наявності у мережі N вузлів однією вузол припадає лише 10/N Мб/с пропускну здатність. Вочевидь, що з великих значеннях N пропускну здатність, що виділятимуться кожному вузлу, виявляється настільки малою величиною, що нормальна робота додатків і користувачів стає неможливою — затримки доступу до мережним ресурсів перевищують тайм-аути додатків, а користувачі просто відмовляються тривалий час чекати відгуку мережі.

Случайный характер алгоритму доступу до середовища передачі, прийнятий у технології Ethernet, погіршує ситуацію. Якщо запити на доступом до середовищі генеруються вузлами в випадкові моменти часу, то, при великій зоні їх інтенсивності можливість появи колізій також зростає й призводить до неефективного використання каналу: час виявлення колізії і її обробки становлять непродуктивні витрати. Частка часу, протягом якого канал надається у розпорядження конкретному вузлу, стає менше.

На малюнку 2.3 показано залежність затримок доступу до середовища передачі у мережі Ethernet кількості вузлів мережі. Експонентний зростання затримок зі збільшенням числа вузлів дуже характерне як для технології Ethernet, так інших локальних мереж, заснованих на виключно поділі каналів у часі - Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

.

Рис. 2.3. Залежність затримок доступу до середовища передачі мережі Ethernet від кількості вузлів мережі.

До останнього часу в локальних мережах рідко використовувалися мультимедійні докладання, перекачувальні великі файли даних, нерідко які з кілька десятків мегабайт. Додатка ж, хто з алфавітно-цифровий інформацією, не створювали значного трафіку. Тому час для сегментів Ethernet було дійсним емпіричне правило — в разделяемом сегменті повинно бути більше 30 вузлів. Тепер ситуація змінилася і часто 3−4 комп’ютера повністю завантажують сегмент Ethernet з його максимальної пропускною спроможністю удесятеро Мб/с або ж 14 880 кадрів в секунду.

Более універсальним критерієм завантаженості сегмента Ethernet проти чисельністю вузлів є сумарна навантаження сегмент, створювана його вузлами. Якщо кожен вузол генерує загалом mi кадрів в секунду передачі через мережу, то середня сумарна навантаження мережа буде складати Si mi кадрів в секунду. Відомо, що за відсутності колізій, тобто за найсприятливішому розкиді запитів передати кадрів у часі, сегмент Ethernet може передати максимум 14 880 кадрів в секунду (найбільш коротких за стандартом кадрів на 64-му байта). Тому, якщо взяти цю величину за одиницю, то ставлення Si mi/14 880 характеризуватиме рівень використання каналу, званий також коефіцієнтом завантаження.

Зависимость часу очікування доступу до неї від коефіцієнта завантаження набагато менше залежить від інтенсивності трафіку кожного вузла, тому цю величину зручно використовуватиме оцінки пропускну здатність мережі, що з довільного числа вузлів. Імітаційне моделювання мережі Ethernet і дослідження її з допомогою аналізаторів протоколів показали, що з коефіцієнті завантаження у районі 0.3 — 0.5 починається швидке зростання числа колізій і часу очікування доступу. Тож у багатьох системах управління мережами порогова кордон для індикатора коефіцієнта завантаження по вмовчанням встановлюється на величину 0.3.

Ограничения, пов’язані з виникаючими колізіями та очі великою часом очікування доступу при значної завантаженні яке поділяється сегмента, найчастіше серйознішими, ніж обмеження на якомога більше вузлів, певне у стандарті із міркувань стійкою передачі електричних сигналів в кабелях.

Технология Ethernet було обрано за приклад під час демонстрування обмежень, властивих технологіям локальних мереж, позаяк у цій технології обмеження виявляються найяскравіше, які причини досить очевидні. Але такі обмеження властиві й решті технологіям локальних мереж, так як вони спираються використання середовища передачі як одного яке поділяється ресурсу. Кільця Token Ring і FDDI також можна використовувати вузлами мережі лише як яке поділяється ресурсу. Відмінність від каналу Ethernet полягає в тому, що маркерный метод доступу визначає детерміновану черговість надання доступу до кільцю, але досі при наданні доступу одного вузла до кільцю й інші вузли що неспроможні передавати свої кадри і дружина мають чекати, поки володіє правом доступу вузол не завершить свою передачу.

Как й у технології Ethernet, в технологіях Token Ring, FDDI, Fast Ethernet і 100VG-AnyLAN так само визначені максимальні довжини окремих фізичних сегментів кабелю та обмеження на максимальний діаметр сіті й якомога більше у ній вузлів. Ці обмеження трішки менше стеснительны, ніж в технології Ethernet, але й може бути серйозною перешкодою під час створення великої мережі.

Особенно само швидко може проявитися обмеження, що з коефіцієнтом завантаження загальної середовища передачі. Хоча метод маркерного доступу, вживаний у технологіях Token Ring і FDDI, чи метод пріоритетних вимог технології 100VG-AnyLAN дозволяють працювати з більш завантажені середовищами, все одно відмінності ці лише кількісних — різке зростання часу очікування починається у таких мережах на великих коефіцієнти завантаження, у межах 60% - 70%. Якісний характер наростання часу очікування доступу й у основі цих технологій хоча б, і вона може бути принципово іншим, коли загальна середовище передачі поділяється у часі між комп’ютерами мережі.

Общее обмеження локальних мереж, побудованих тільки з використанням повторювачів і концентраторів, у тому, що це загальна продуктивність такий мережі завжди фіксована і дорівнює максимальної продуктивності використовуваного протоколу. І це продуктивність можна підвищити лише перейшовши в іншу технології, що пов’язані з дорогої заміною усього обладнання.

Рассмотренные обмеження є платою за переваги, що дає використання поділюваних каналів в локальних мережах. Ці переваги істотні, недарма технології подібного типу існують і близько 20 років.

К переваг потрібно віднести насамперед:

простоту топології мережі; гарантію доставки кадру адресата за дотримання обмежень стандарту коректно працюючої апаратурі; простоту протоколів, що забезпечила низькій вартості мережевих адаптерів, повторювачів і концентраторів;

Однако розпочатий процес витіснення повторювачів і концентраторів комутаторами свідчить, що пріоритети змінилися, і поза підвищення загальної пропускну здатність мережі користувачі готові вдатися до витрати, пов’язані після придбання комутаторів замість концентраторів.

Локальні мости — попередники комутаторів

Для подолання обмежень технологій локальних мереж уже давно почали застосовувати локальні мости, функціональні попередники комутаторів.

Мост — цей прилад, що забезпечує взаємозв'язок двох (рідше кількох) локальних мереж з передачі кадрів з однієї мережі до іншої з допомогою їх проміжної буферизации. Міст, на відміну повторителя, не намагається підтримати побітовий синхронізм на обох объединяемых мережах. Замість цього він виступає стосовно кожної з тенет як кінцевий вузол. Він погоджується на кадр, буферизует його, аналізує адресу призначення кадру і лише у тому випадку, коли адресуемый вузол справді належить інший мережі, він передає його туди.

Для передачі кадру до іншої мережу міст має одержати доступ її поділюваної середовищі передачі відповідно до тими самими правилами, як і звичайний вузол.

Таким чином міст, ізолює трафік одного сегмента від трафіку іншого сегмента, фільтруючи кадри. Позаяк у кожен із сегментів тепер іде трафік від меншої кількості вузлів, то коефіцієнт завантаження сегментів зменшується (малюнок 2.4).

.

Рис. 2.4. Локалізація трафіку під час використання мосту

Мост як знижує навантаження в об'єднаної мережі, а й зменшує можливості несанкціонованого доступу, оскільки пакети, призначені для циркуляції всередині одного сегмента, фізично не є інших, що виключає їхнє «прослушивание «станціями інших сегментів.

По своєму принципу дії мости поділяються на два типу. Мости першого типу виконують так звану маршрутизацію джерела (Source Routing), метод, розроблений фірмою IBM на свої мереж Token Ring. Цей метод вимагає, щоб узел-отправитель пакета розміщував у ньому інформацію про маршруті пакета. Інакше кажучи, кожна станція повинна виконувати функції по маршрутизації пакетів. Другий тип мостів здійснює прозору для кінцевих станцій передачу пакетів (Transparent Bridges). Саме це тип мостів ліг основою сучасних комутаторів, тому зупинимося у ньому докладніше.

Функции і алгоритми прозорих мостов.

Прозрачные мосты являются найпоширенішим типом мостів. Для прозорих мостів мережу представляється наборами МАС-адресов пристроїв, використовуваних на канальном рівні, причому кожен набір пов’язані з певним портом мосту.

Мосты використовують ці адреси ухвалення рішення просування кадру, коли кадр записується у внутрішній буфер мости з будь-якого його порту. Мости не мають доступу до інформацію про адреси мереж, що належить до вищому — мережному — рівню, і вона нічого не знають топології зв’язків сегментів чи мереж між собою. Отже, мости є цілком прозорими для протоколів, починаючи зі рівня життя та вище. Ця прозорість дозволяє мостам передавати пакети різних протоколів високого рівня, у разі не впливаючи з їхньої вміст.

Вследствие функціональної обмеженості мости мають досить простий пристрій і є зручне і недороге засіб для побудови интерсети.

Мосты забезпечують можливість поєднання двох чи більше мереж для освіти єдиної логічного мережі. Вихідні мережі стають мережними сегментами результуючої мережі. Кожен такий сегмент залишається доменом колізій, тобто ділянкою мережі, де всі вузли одночасно фіксують і обробляють колізію. Проте колізії одного сегмента не призводять до виникнення колізій й інші сегменті, оскільки міст не здійснює побітовий синхронізм сегментів і обмежує колізії тим сегментом, де вони виникають.

Мосты регенерують пакети, що вони передають з однієї порту в інший (операція forwarding). Однією з переваг використання мостів є збільшення відстані, покрываемого интерсетью, бо пересекаемых мостів не впливає на якість сигналу.

.

Рис. 2.5. Міст як комунікаційне пристрій канального рівня

Прозрачные мости мають справу і з адресою джерела, і з адресою призначення, наявними кадрів локальних мереж. Міст використовує адресу джерела для автоматичного побудови своєї ресурсної бази даних адрес пристроїв, званої також таблицею адрес пристроїв. У таблиці встановлюється приналежність адреси вузла якомусь порту мосту. Усі операції, що виконує міст, пов’язані з цим базою даних. На малюнку 2.5 показаний фрагмент мережі, у якому двухпортовый міст, й гарантована відповідна цьому фрагмента частина таблиці адрес пристроїв. Внутрішня структура мосту показано малюнку 2.6. Функції доступу до середовища прийому і передачі кадрів виконують мікросхеми MAC.

.

Рис. 2.6. Склад і структура мосту

Все порти мосту працюють у так званому «нерозбірливому «(promisquous) режимі захоплення пакетів, тобто вступники на порт пакети запам’ятовуються у буферній пам’яті. З допомогою такого режиму міст стежить до всього трафіком, переданих в приєднаних щодо нього сегментах та «використовує які відбуваються нього пакети з вивчення складу мережі.

Когда міст отримує кадр від будь-якого свого порту, він (після буферизации) порівнює адресу джерела із елементами бази даних адрес. Якщо адресу немає у базі, він додається у ній. Якщо це адресу вже є у базі, можливі два варіанта — або адресу прийшов із тієї самої порту, який зазначений в таблиці, або він з іншого порту. У разі рядок таблиці, відповідна обрабатываемому адресою, оновлюється — номер порту замінюється на нового значення (очевидно, станцію з цим адресою перемістили на другий сегмент мережі). У такий спосіб міст «вивчає «адреси пристроїв сіті й їх приналежність портам і відповідатиме сегментам мережі. Через здібності мосту до «навчання «до неї можуть додаватися нові устрою без необхідності реконфигурирования мосту. Адміністратор може оголосити частина адрес статичними і що у процесі навчання (при цьому він створив їх має поставити сам). Що стосується статичного адреси прихід пакета з цим адресою і значенням порту, не співпадаючим з що зберігається у базі, буде проігнорований й базу не оновиться.

Кроме адреси джерела міст переглядає й адреса призначення кадру, щоб взяти постанову по його подальше просування. Міст порівнює адресу призначення кадру з адресами, хранящимися у його базі. Якщо адресу призначення належить до того ж сегменту, як і адресу джерела, то міст «фільтрує «(filtering) пакет, тобто видаляє його зі свого буфера і куди передає. Ця операція допомагає уберегти мережу від засмічення непотрібним трафіком.

Если адресу призначення є у базі даних, і належить іншому сегменту проти сегментом адреси джерела, то міст визначає, який з його портів пов’язаний із цим адресою і «просуває «(forwarding) кадр на відповідний порт. Потім порт повинен мати доступом до середовищі підключеного щодо нього сегмента і просить передати кадр вузлам цього сегменту.

Если ж адресу призначення немає у базі чи це широкомовний адресу, то міст передає кадр попри всі порти, крім того порту, з якого вона прийшла. Такий процес називається «затопленням «(flooding) мережі. Затоплення гарантує, що пакет буде поміщений попри всі сегменти сіті й, отже, доставлений адресата чи адресатам. Так само міст надходить стосовно кадрам з невідомим адресою призначення, затопляючи їм сегменти мережі. Вочевидь, що час після ініціалізації міст виконує лише операцію затоплення, оскільки він не знає про належність адрес сегментам мережі.

Рисунок 2.5 ілюструє процеси навчання, фільтрації і. Припустимо, що станції 1 і 2 є новими станціями на сегменті 1. Коли станція 1 вперше спрямовує кадр станції 2, то міст визначає, що адреси станції 1 немає у базі адрес і додає його туди. Потім, оскільки адреси станції 2 також має у базі адрес, міст «затоплює «все сегменти (у разі це тільки один сегмент 2).

Когда станція 2 посилає відповідний кадр, міст додає на свій базу та «адреса 2. Потім він переглядає таблицю бази адрес бачить, що адресу 1 в ній є і належить до сегменту 1, якому належить і записуйте адресу джерела. І він фільтрує цей кадр, тобто видаляє його з буфера і куди передає.

Мост, який працює за описаного алгоритму, прозорий як для протоколів всіх рівнів, вище канального, але й кінцевих вузлів мережі. Ця прозорість у тому, що вузли не посилають мосту свої кадри спеціальним чином, вказуючи у яких адресу порту мосту. Навіть за наявності мосту у мережі кінцеві вузли продовжують посилати кадри даних безпосередньо іншим вузлам, вказуючи їх адреси як адрес призначення кадрів. Тому порти мостів взагалі мають МАС-адресов, працюючи як «нерозбірливого «захоплення всіх кадрів. Така прозорість мосту спрощує роботу кінцевих вузлів, і це властивість докорінним чином відрізняла міст від маршрутизатора, якому вузол відправляє кадр явно, вказуючи МАС-адрес порту маршрутизатора у своїй кадрі.

На малюнку 2.7 показано копія екрана з адресної таблицею модуля мосту концентратора System 3000 компанії Bay Networks. З нього видно, що мережа і двох сегментів — LAN A і LAN B. У сегменті LAN A є по крайнього заходу 3 станції, а сегменті LAN B — 2. Чотири адреси, позначені зірочками, є статичними, причому кадри, мають адреси, позначені Flood, повинні поширюватися широкомовно.

Описанная процедура добре працює до того часу, поки користувачі не переносять свої комп’ютери вже з логічного сегмента на другий. Оскільки MAC-адрес мережного адаптера апаратно встановлюється виробником, то, при переміщенні комп’ютера мости повинні періодично оновлювати вміст своїх адресних баз. Задля більшої цієї функції запис у адресної базі діляться на два типу — статичні і динамічні. З кожної динамічної записом пов’язаний таймер неактивности. Когда міст приймає кадр з адресою джерела, відповідним деякою запис у адресної базі, то відповідний таймер неактивності скидається у початковий стан. Якщо того ж від будь-якої станції довгий час не надходить кадрів, то таймер неактивності вичерпує свій інтервал, й гарантована відповідна йому запис видаляється з адресної бази.

.

Рис. 2.7. Таблиця рухів мосту System 3000 Local Bridge

Проблема петель під час використання мостов.

Обучение, фільтрація і засновані на існуванні одного логічного шляху між будь-якими двома вузлами мережі. Наявність кількох шляхів між пристроями, відомих як і «активні петлі «, створює проблеми для мереж, побудованих з урахуванням мостів.

.

Рис. 2.8. Вплив замкнутих маршрутів працювати мостів

Рассмотрим за приклад мережу, наведену малюнку 2.8. Два сегмента паралельно з'єднані двома мостами отже утворилася активна петля. Нехай нова станція з адресою 10 вперше посилає пакет інший станції мережі, адресу яка також поки невідомий мосту. Пакет потрапляє як і міст 1, і у міст 2, де його адресу заноситься до бази адрес із позначкою про його приналежності сегменту 1. Оскільки адресу призначення невідомий мосту, то кожен міст передає пакет на сегмент 2. Ця передача відбувається по черзі, відповідно до методом випадкового доступу технології Ethernet. Нехай першим доступом до сегменту 2 отримав міст 1. За появи пакета на сегменті 2 міст 2 приймає його у свій буфер і опрацьовує. Він бачить, що адресу 10 вже у базі даних, але який прийшов пакет є свіжим, і він стверджує, що адресу 10 належить сегменту 2, а чи не 1. Тому міст 2 коригує вміст бази й робить запис у тому, що адресу 10 належить сегменту 2. Аналогічно надходить міст 1, коли міст 2 передає свою буферизованную раніше першу версію пакета на сегмент 2. Через війну пакет нескінченно циркулює по активної зашморгу, а мости постійно оновлюють запис у базі, відповідні адресою 10. Мережа засмічується непотрібним трафіком, а мости входить у стан «вібрації «, постійно оновлюючи власні бази даних.

В простих мережах порівняно легко гарантувати існування один і лише одну шляху між двома пристроями. Однак коли кількість сполук зростає чи интерсеть стає складної, то ймовірність ненавмисного освіти петлі стає високої. З іншого боку, бажано підвищення надійності мати між мостами резервні зв’язку, які беруть участь при нормальної роботі основних зв’язків у передачі інформаційних пакетів станцій, але у відмові будь-якої основний зв’язку утворюють нову зв’язну робочу конфігурацію без петель. Описані завдання вирішує алгоритм який покриває дерева (Spanning Tree Algorithm, STA).

Требования до пропускну здатність моста.

До цього часу ми припускали, що час використання мосту для зв’язку двох сегментів замість повторителя загальна продуктивність мережі завжди підвищується, оскільки зменшується кількість вузлів у кожному сегменті і завантаження сегмента зменшується на частку трафіку, який тепер внутрішнім трафіком іншого сегмента. Це так, але за умови що міст передає межсегментный трафік без значних затримок і втрат кадрів. Проте, аналіз розглянутої алгоритму роботи мосту свідчить, що міст може і затримувати кадри і за певних умов, втрачати їх. Затримка, яку вносить мостом, дорівнює по крайнього заходу часу записи кадру в буфер. Зазвичай, після записи кадру на обробку адрес також йде кілька днів, якщо розмір адресної таблиці великий. Тому затримка поповнюється час обробки кадру.

Время обробки кадру впливає як на затримку, а й у ймовірність втрати кадрів. Якщо час обробки кадру виявиться менше інтервалу до надходження наступного кадру, то наступний кадр буде поміщений у буфер і чекатиме там, поки процесор мосту не звільнитися і займеться обробкою надходження кадру. Якщо середня інтенсивність надходження кадрів буде вирішена протягом багато часу перевищувати продуктивність мосту, тобто величину, зворотний середньому часу обробки кадру, то буферна пам’ять, що є у мосту для зберігання необроблених кадрів, може переповнитися. За такого стану мосту нікуди записуватиме вступники кадри і він почне їх втрачати, тобто просто відкидати.

Потеря кадру — ситуація дуже небажана, оскільки її наслідки не ліквідуються протоколами локальних мереж. Втрата кадру виправлять лише протоколами транспортного чи прикладного рівнів, які помітять втрату частини своїх даних, і організують їх повторну пересилку. Проте, при регулярних втрати кадрів канального рівня продуктивність мережі може зменшиться у кілька разів, оскільки тайм-аути, використовувані в протоколах верхніх рівнів, істотно перевищують часи передачі кадрів на канальном рівні, і повторна передача кадру може відбутися через десятки секунд.

Для запобігання втрат кадрів міст має мати продуктивністю, перевищує середню інтенсивність межсегментного трафіку і великий буфер для зберігання кадрів, що передаються у періоди пікової навантаження.

В локальних мережах часто виявляється справедливим емпіричне правило 80/20, говорящее у тому, що з правильному розбивці мережі на сегменти 80% трафіку виявляється внутрішнім трафіком сегмента, і тільки 20 можна% виходить поза її межі. Якщо брати, що цього правила рухається за відношення до конкретної мережі, то міст повинен мати продуктивністю в $ 20% від максимальної пропускну здатність сегмента Ethernet, тобто продуктивністю 0.2 (14 880 = 3000 кадру в секунду. Зазвичай локальні мости мають продуктивністю від 3000 кадрів в секунду і від.

Однако, гарантій на доставку кадрів у різноманітних ситуаціях міст, на відміну повторителя, це не дає. Це її принциповий недолік, з яким доводиться миритися.

Принципи комутації сегментів та вузлів локальних мереж, використовують традиційні технології

Технология комутації сегментів Ethernet було запропоновано фірмою Kalpana 1990 року у відповідь зростаючі потреби щодо підвищення пропускну здатність зв’язків високопродуктивних серверів з сегментами робочих станцій. Ця технологія полягає в відмовиться від використання поділюваних ліній зв’язок між усіма вузлами сегмента й використанні комутаторів, дозволяють одночасно передавати пакети поміж усіма його парами портів.

Функционально многопортовый комутатор працює як многопортовый міст, тобто дбає про канальном рівні, аналізує заголовки кадрів, автоматично будує адресну таблицю і основі цієї таблиці перенаправляє кадр одного з своїх вихідних портів чи фільтрує його, видаляючи з буфера. Нововведення полягала у паралельної обробці вступників кадрів, тоді як міст обробляє кадр за кадром. Комутатор ж зазвичай має низку внутрішніх процесорів обробки кадрів, кожен із яких може виконувати алгоритм мосту. Отже, вважатимуться, що комутатор — це мультипроцессорный міст, має з допомогою внутрішнього паралелізму високу продуктивність.

Структурная схема комутатори EtherSwitch, запропонованого фірмою Kalpana, представлена малюнку 2.9.

Каждый порт обслуговується одним процесором пакетів Ethernet — EPP (Ethernet Packet Processor). З іншого боку, комутатор має системний модуль, який координує роботу всіх процесорів EPP. Системний модуль веде загальну адресну таблицю комутатори і відданість забезпечує управління комутатором по протоколу SNMP. Для передачі кадрів між портами використовується комутаційна матриця, така тим, які працюють у телефонних комутаторах чи мультипроцессорных комп’ютерах, поєднуючи кілька процесорів з кількома модулями пам’яті.

.

Рис. 2.9. Структура комутатори Kalpana

При вступі кадру у будь-якій порт процесор EPP буферизует кілька перших байт кадру, у тому, щоб прочитати адресу призначення. Після набуття адреси призначення процесор відразу ж потрапити приймають рішення про передачу пакета, без очікування приходу інших байт кадру. І тому він переглядає свій власний кеш адресної таблиці, і якщо не знаходить там потрібного адреси, то звертається до системного модулю, який працює у многозадачном режимі, паралельно обслуговуючи запити всіх процесорів EPP. Системний модуль виробляє перегляд загальної адресної таблиці і повертає процесору знайдену рядок, яку та буферизует у своїй кэше на подальше використання.

После перебування адреси призначення до адресної таблиці, процесор EPP знає, що потрібно далі робити з що надходять кадром (під час перегляду адресної таблиці процесор продовжував буферизацію що у порт байт кадру). Якщо кадр потрібно відфільтрувати, то процесор просто припиняє нотувати у буфер байти кадру і чекає надходження нового кадру.

Если ж кадр потрібно передати в інший порт, то процесор звертається до комутаційної матриці і намагається встановити ній шлях, зв’язуючий його порт з портом адреси призначення. Комутаційна матриця може зробити в тому разі, коли порт адреси призначення до народних обранців вільний, тобто не з'єднаний із іншим портом. Якщо ж порт зайнятий, то кадр повністю буферизуется процесором вхідного порту, після чого процесор очікує звільнення вихідного порту і гуманітарної освіти комутаційної матрицею потрібного шляху.

После того, як потрібний шлях встановився, до нього направляються буферизованные байти кадру, затверджені процесором вихідного порту, а після отримання їм доступу до середовища передаються до мережі. Процесор вхідного порту постійно зберігає кілька байт прийнятого кадру у своїй буфері, що дозволяє йому незалежно і асинхронно ухвалювати й передавати байти кадру (малюнок 2.10).

.

Рис. 2.10. Передача кадру через коммутационную матрицю

При вільному, в останній момент прийому кадру, стані вихідного порту затримка між прийомом першого байта кадру комутатором і появою цього ж байта на виході порту адреси призначення становила у комутатори компанії Kalpana всього 40 мкс, було набагато менше затримки кадру за його передачі мостом.

Описанный спосіб передачі кадру без його повної буферизации отримав назву комутації «на льоту «(«on-the-fly ») чи «навиліт «(«cut-through »). Такий спосіб представляє власне конвеєрну обробку кадру, коли частково поєднуються у часі кілька етапів його передачі (малюнок 2.11):

Прийом перших байт кадру процесором вхідного порту, включаючи прийом байт адреси призначення. Пошук адреси призначення до адресної таблиці комутатори (в кэше процесора чи загальної таблиці системного модуля). Комутація матриці. Прийом інших байт кадру процесором вхідного порту. Прийом байт кадру (включаючи перші) процесором вихідного порту через коммутационную матрицю. Одержання доступу до середовища процесором вихідного порту. Передача байт кадру процесором вихідного порту мережу.

Этапы 2 і трьох поєднати у часі не можна, оскільки не повідомляючи номери вихідного порту операція комутації матриці втрачає сенс.

По порівнянню з режимом повної буферизации кадру, також наведеному малюнку 2.11, від конвейеризации виходить суттєва.

Однако, головна причина підвищення продуктивності мережі під час використання комутатори є паралельна обробка кількох кадрів.

.

Рис. 2.11. Економія часу при конвеєрної обробці кадру а) конвеєрна обробка; б) звичайна обробка з повним буферизацией.

Рисунок 2.12 ілюструє цей ефект. На малюнку зображено ідеальна щодо підвищення продуктивності ситуація, коли два порту з 4-х, підключених до комутатору, передають дані з максимальною для протоколу Ethernet швидкістю 10 Мб/с, причому вони передають ці дані решту два порту комутатори не конфліктуючи — в кожного вхідного порту свій вихідний порт. Якщо комутатор може встигати обробляти вхідний трафік навіть за максимальної інтенсивності надходження кадрів на вхідні порти, то загальна продуктивність комутатори у наведеному прикладі становитиме 2(10 Мб/с, а при узагальненні прикладу на N портів — (N/2)(10 Мб/с. Кажуть, що комутатор надає кожної станції чи сегменту, підключеним для її портам, виділену пропускну спроможність протоколу.

.

Рис. 2.12. Підвищення продуктивності мережі з допомогою одночасної обробки кількох кадрів.

Первый комутатор для локальних мереж невипадково з’явився для технології Ethernet. Крім очевидної причини, що з найпопулярніші мереж Ethernet, панувала і інша, щонайменше важлива причина — ця технологія найбільше страждають від підвищення часу очікування доступу до середовища при підвищенні завантаження сегмента. Тому сегменти Ethernet у крупних мережах насамперед потребували засобі розвантаження вузьких місць мережі, і вже цим засобом стали комутатори фірми Kalpana, та був та інші.

Некоторые компанії стали розвивати технологію комутації й у підвищення продуктивності інших локальних мереж, як-от Token Ring і FDDI. Позаяк у основі технології комутації лежить алгоритм роботи прозорого мосту, то принцип комутації залежить від методу доступу, формату пакета і інших деталей кожної технології. Комутатор вивчає виходячи з який струменіє нього трафіку адреси кінцевих вузлів мережі, будує адресну таблицю сіті й потім їхньому підставі виробляє межкольцевые передачі у мережах Token Ring чи FDDI (малюнок 2.13). Принцип роботи комутатори у мережах будь-яких технологій залишався незмінним, хоча внутрішня організація комутаторів різних виробників іноді дуже відрізнялася від структури першого комутатори EtherSwitch.

.

Рис. 2.13. Комутація кілець FDDI

Широкому застосуванню комутаторів безумовно сприяло те обставина, що почнеться впровадження технології комутації вимагало заміни лише концентраторів чи навіть додавання комутаторів потреби ділити сегментів, освічених з допомогою комутаторів більш дрібні сегменти. Уся величезна встановлена база устаткування кінцевих вузлів — мережевих адаптерів, і навіть кабельної системи, повторювачів і концентраторів — залишалася недоторканою, що дозволило величезну економію капіталовкладень проти переходом у будь-яку цілком нову технологію, наприклад, АТМ.

Так як комутатори, як і мости, прозорі для протоколів мережного рівня, їх появу у мережі залишило в незмінному вигляді як обладнання та програмне забезпечення кінцевих вузлів, а й маршрутизатори мережі, якщо вони там використовувалися.

Удобство використання комутатори ще що у цьому, що це самообучающееся пристрій, і, якщо адміністратор не навантажує його додатковими функціями, то конфіґурувати їх обов’язково — потрібно лише правильно підключити рознімання кабелів до портів комутатори, а далі він працювати самостійно й більше намагатися ефективно виконувати поставлене ним завдання підвищення продуктивності мережі.

Безусловно, підвищення продуктивності мережі за умови встановлення комутатори у випадку нічого очікувати такої значної, як і прикладі. Ефективність роботи комутатори впливає багато чинників, й у окремих випадках, як це буде показано нижче, комутатор може не дати ніяких переваг порівняно з концентратором. Прикладом такого чинника може бути незбалансованість трафіка у мережі - якщо порт 1 і порт 2 комутатори найчастіше звертаються на порт 3 комутатори, то порт 3 буде періодично зайнятий і недоступний одного з цих двох портів і входить у них трафік буде простоювати, очікуючи звільнення порту 3.

Полнодуплексные (full-duplex) протоколи локальних мереж — орієнтація виключно на комутацію кадрів

Технология комутації залишає метод доступу до середовища в незмінному вигляді. Це дає можливість підключення до портів як окремі комп’ютери, як це було показано малюнку 2.12, а й сегменти локальних мереж (малюнок 2.14).

.

Рис. 2.14. Комутатор зберігає в сегментах локальних мереж метод доступу до поділюваної середовищі.

Узлы сегмента поділяють загальну середу передачі, використовуючи або пасивний коаксіальний кабель, або концентратори, як показано в прикладі, наведеному малюнку. Якщо це комутатор Ethernet, то його порт бере участь у процесі виявлення й відпрацювання колізій, і цієї функції комутатор там було підключати до сегменту, оскільки він повністю порушив нормальну роботу інших вузлів сегмента. Якщо це комутатор кілець FDDI, його порти повинні участь у процесі захоплення та звільнення токена доступу до кільцю відповідно до алгоритмами МАС-уровня стандарту FDDI.

Однако, коли до кожного порту комутатори підключений лише одне комп’ютер, ситуація стає такої однозначної.

В звичайному режимі роботи комутатор як і розпізнає колізії. Якщо мережу є Ethernet на кручений парі, то доменом колізій у тому цьому разі буде ділянку мережі, до складу якого передавач комутатори, приймач комутатори, передавач мережного адаптера комп’ютера, приймач мережного адаптера комп’ютера та дві кручені пари, що з'єднують передавачі з приймачами (малюнок 2.15).

Коллизия виникає, коли передавачі порту комутатори і мережевого адаптера одночасно або «майже одночасно починають передачу своїх кадрів, вважаючи, що зображений малюнку сегмент вільний. Через війну суворого дотримання правил поділу середовища за протоколом Ethernet порт комутатори і мережевий адаптер використовують який би з'єднав їх кабель в полудуплексном режимі, тобто за черги — спочатку кадр чи кадри передаються щодо одного напрямі, потім у іншому. У цьому максимальна продуктивність сегмента Ethernet в 14 880 кадрів в секунду при мінімальної довжині кадру ділиться між передавачем порту комутатори і передавачем мережного адаптера. Якщо брати, що вона ділиться навпіл, то кожному дають можливість передавати приблизно на 7440 кадрів в секунду.

.

Рис. 2.15. Домен колізій, утворюваний комп’ютером і портом комутатори

В той час, передавач і приймач як мережного адаптера, і порту комутатори здатні ухвалювати й передавати кадри з максимальною швидкістю 14 880 кадрів в секунду. Така швидкість буває у тому випадку, коли впродовж багато часу передача іде у одному напрямку, наприклад, від комп’ютера до комутатору.

Способность устаткування стандарту 10Base-T, тобто Ethernet «a на кручений парі, працювати з максимальною швидкістю кожному напрямі використовували розробники комутаторів у нестандартних реалізаціях технологій, що дістали назву полнодуплексных версій Ethernet, Token Ring, FDDI тощо.

Полнодуплексный режим роботи можлива лише за наявності незалежних каналів обміну для кожного напряму, і при поєднанні «точка-точка «двох взаємодіючих пристроїв. Природно, необхідно, щоб МАС-узлы взаємодіючих пристроїв підтримували цей спеціальний режим. Що стосується, коли лише одне вузол підтримуватиме полнодуплексный режим, другий вузол буде постійно фіксувати колізії і припиняти своєї роботи, тоді як інший вузол продовжуватиме передавати дані, що ніхто на той час так само.

Так як на полнодуплексный режим роботи вимагає зміни логіки роботи МАС-узлов і драйверів мережевих адаптерів, він спочатку був випробуваний при поєднанні двох комутаторів. Вже перші моделі комутатори EtherSwitch компанії Kalpana підтримували полнодуплексный режим при взаємній поєднанні, підтримуючи швидкість відбувається обмін 20 Мб/с.

Позже з’явилися версії полнодуплексного сполуки FDDI-коммутаторов, які за одночасному використанні двох кілець FDDI забезпечували швидкість обміну в 200 Мб/с.

Сейчас кожної технології можна знайти моделі комутаторів, які підтримують полнодуплексный обмін при поєднанні коммутатор-коммутатор. Існують комутатори, що дозволяють об'єднати два комутатори полнодуплексным каналом більше однієї парі портів. Наприклад, комутатори LattisSwitch 28 115 компанії Bay Networks мають дві порту, з допомогою яких можна з'єднувати комутатори, створюючи полнодуплексный канал з продуктивністю 400 Мб/c (малюнок 2.16).

.

Рис. 2.16. Транковое полнодуплексное з'єднання комутаторів LattisSwitch 28 115 компанії Bay Networks.

Такие сполуки називаються транковыми і є приватної розробкою кожної компанії, яка випускає комунікаційне устаткування, оскільки порушують як логіку доступу до поділюваним середах, а й топологію сполуки мостів, яка забороняє петлевидные контури (а такий контур завжди утворюється під час поєднанні комутаторів більш як однієї парою портів). При поєднанні комутаторів різних виробників транк працювати нічого очікувати, адже кожен виробник додає до логіки вивчення адрес мережі комутатором по транковой зв’язку щось своє, аби домогтися від цього правильної роботи.

После випробування полнодуплексной технології на з'єднаннях коммутатор-коммутатор розробники реалізували її у мережевих адаптерах, в основному адаптерах Ethernet і Fast Ethernet. Багато мережні адаптери нині можуть підтримувати обидва режиму роботи, відпрацьовуючи логіку алгоритму доступу CSMA/CD при підключенні на порт концентратора і працюючи в полнодуплексном режимі при підключенні на порт комутатори.

Однако, потрібно усвідомлювати, що від підтримки алгоритму доступу до поділюваної середовищі було без будь-якої модифікації протоколу веде до підвищення ймовірності втрат кадрів комутаторами, отже, до можливого зниження корисною пропускну здатність мережі (стосовно переданим даним додатків) замість її.

В розділі 2.2 говорилося у тому, що використання мостів містить у собі потенційною загрозою втрат кадрів при перевищенні інтенсивності вхідного потоку продуктивності мосту. Комутатори зустрічаються з аналогічної проблемою, навіть якщо їх внутрішня продуктивність вище, ніж потрібно обслуговування вхідних потоків, вступників за кожен порт з максимально можливої швидкістю, тобто вище, ніж N (C, де N — число портів комутатори, а З — максимальна швидкість передачі пакетів за протоколом, підтримуваного комутатором (наприклад, 148 809 кадрів в секунду, якщо комутатор підтримує протокол Fast Ethernet на всіх своїх портах).

Причина тут у обмеженою пропускну здатність окремого порту, що визначається не продуктивністю процесора, що обслуговує порт, а тимчасовими параметрами протоколу. Наприклад, порт Ethernet неспроможна передавати більше 14 880 кадрів в секунду, якщо він порушує тимчасових співвідношень, встановлених стандартом.

Поэтому, якщо вхідний трафік нерівномірно розподіляється між вихідними портами, то легко уявити ситуацію, як у будь-якої вихідний порт комутатори спрямовуватиметься трафік із сумарною середньої інтенсивністю більшої, ніж протокольний максимум. На малюнку 2.17 зображено саме така ситуація, як у порт 3 комутатори іде трафік від портів 1, 2, 4 і шість, із сумарною інтенсивністю в 22 100 кадрів в секунду. Порт 3 виявляється завантажений на 150%. Природно, що коли і кадри вступають у буфер порту з швидкістю 20 100 кадрів в секунду, а йдуть із швидкістю 14 880 кадрів в секунду, то внутрішній буфер вихідного порту починає неухильно заповнюватися необробленими кадрами.

.

Рис. 2.17. Переповнення буфера порту через незбалансованості трафіку

Какой не був обсяг буфера порту, він у якусь мить часу обов’язково переповниться. Неважко порахувати, що з розмірі буфера в 100 Кбайт в наведеному прикладі повне заповнення буфера станеться через 0.22 секунди від початку його роботи (буфер таких масштабів може зберігати до 1600 кадрів площею 64 байта). Збільшення буфера до 1 Мбайта дасть збільшення часу заповнення буфера до 2.2 секунд, що також неприйнятно.

В територіальних мережах технологія комутації кадрів пакетів застосовується вже дуже довго. Мережі Х.25 використовує її вже з більш 20 років. Технологію комутації використовують і призначає нові територіальні мережі, зокрема мережі frame relay і АТМ. У цих мережах кінцеві вузли підключаються до коммутаторам полнодуплексными каналами зв’язку, таку ж канали використовують і для сполуки комутаторів між собою. Протоколи територіальних мереж відразу розроблялися в організацію полнодуплексной зв’язок між вузлами мережі, у них закладено процедури управління потоком даних. Ці процедури використовувалися комутаторами для зниженні інтенсивності надходження кадрів на вхідні порти у разі заповнення внутрішніх буферів комутатори понад межі. У цих ситуаціях комутатор направляв сусідньому вузлу спеціальний службовий кадр «Приймач я не готовий », і при отриманні якого сусідній вузол мав би призупинити передачу кадрів у цій порту. При перевантаженнях мережі зрештою службові кадри доходили і по кінцевих вузлів — комп’ютерів — які припиняли тимчасово заповнювати мережу кадрами, поки що у буферах кадри не передавалися вузлам призначення. Можливість втрати кадрів за наявності вбудованих до протоколу процедур управління потоком стає дуже малий.

При розробці комутаторів локальних мереж ситуація була докорінно відмінною від цієї ситуації, коли він створювалися комутатори територіальних мереж. Основне завдання було збереження кінцевих вузлів в незмінному вигляді, що виключало коригування протоколів локальних мереж. На цих протоколах процедур управління потоком був — використання загальної середовища передачі як поділу часу виключало виникнення ситуацій, коли мережу рясніла б необробленими кадрами. Мережа не накопичувала даних у літак якихось проміжних буферах під час використання лише повторювачів чи концентраторів.

Поэтому застосування комутаторів без зміни протоколу роботи устаткування завжди породжує небезпека втрат кадрів. Якщо порти комутатори працюють у звичайному, тобто у полудуплексном режимі, те в комутатори є можливість надати деяке вплив кінцевий вузол й примусити його призупинити передачу кадрів, поки що в комутатори не вивантажаться внутрішні буфера. Нестандартні методи управління потоком в комутаторах за збереження протоколу доступу в незмінному вигляді розглядатимуться нижче.

Если ж комутатор працює у полнодуплексном режимі, то протокол роботи кінцевих вузлів, та й її портів однаково змінюється. Тому мало сенс для підтримки полнодуплексного режиму роботи комутаторів розробити нові протоколи взаємодії вузлів, які використовували зримі й стандартні механізми управління потоком за збереження незмінним лише формату кадрів. Збереження формату кадрів потрібно, аби піти до одному й тому комутатору можна було б підключати нові вузли, мають мережні адаптери полнодуплексного режиму, і старі вузли чи сегменти вузлів, підтримують алгоритм доступу до поділюваної середовищі.

Работа над виробленням стандарту для полнодуплексных версій Ethernet, Fast Ethernet та інших технологій локальних мереж вона триває вже кілька років, проте, попри момент написання цієї допомоги такі стандарти доки прийнято через розбіжності членів відповідних комітетів по стандартизації, котрі намагаються відстояти підходи фірм, у яких працюють.

Тем щонайменше, кожна гілка великих компаній, що випускають комунікаційне устаткування, має власну версію полнодуплексных технологій і підтримує в свої продукти — мережевих адаптерах і комутаторах. Ці версії використовують вбудовані процедури управління потоком. Зазвичай це нескладні процедури, використовують дві команди — «Призупинити передачу «і «Відновити передачу «- керувати потоком кадрів сусіднього вузла мережі.