Коммутатор

Коммутатор

Когда появились первые устройства, позволяющие разъединять сеть на несколько доменов коллизий (по сути фрагменты ЛВС, построенные на hub-ах), они были двух портовыми и получили название мостов (bridge-ей). По мере развития данного типа оборудования, они стали многопортовыми и получили название коммутаторов ( switch -ей). Некоторое время оба понятия существовали одновременно, а поздее вместо термина "мост" стали применять "коммутатор".  
    Обычно, проектируя сеть, с помощью коммутаторов соединяют несколько доменов коллизий локальной сети между собой. В реальной жизни в качестве доменов коллизий выступают, как правило, этажи здания, в котором создается сеть. Их обычно более 2-х, а в результате обеспечивается гораздо более эффективное управление трафиком чем у прародителя комутатора - моста. По меньшей мере, он может поддерживать резервные связи между узлами сети.  
     Благодаря тому, что коммутаторы могут управлять трафиком на основе протокола канального уровня (Уровня 2) модели OSI, он в состоянии контролировать МАС адреса подключенных к нему устройств и даже обеспечивать трансляцию пакетов из стандарта в стандарт (например Ethernet в FDDI и обратно). Особенно удачно результаты этой возможности представлены в коммутаторах Уровня 3, т.е. устройствах, возможности которых приближаются к возможностям маршрутизаторов.  
    Коммутатор позволяет пересылать пакеты между несколькими сегментами сети. Он является обучающимся устройством и действует по аналогичной технологии. В отличие от мостов, ряд коммутаторов не помещает все приходящие пакеты в буфер. Это происходит лишь тогда, когда надо согласовать скорости передачи, или адрес назначения не содержится в адресной таблице, или когда порт, куда должен быть направлен пакет, занят, а коммутирует пакеты "на лету". Коммутатор лишь анализирует адрес назначения в заголовке пакета и, сверившись с адресной таблицей, тут же (время задержки около 30-40 микросекунд) направляет этот пакет в соответствующий порт. Таким образом, когда пакет еще целиком не прошел через входной порт, его заголовок уже передается через выходной. К сожалению, типичные коммутаторы работают по алгоритму "устаревания адресов". Это означает, что, если по истечении определенного промежутка времени, не было обращений по этому адресу, то он удаляется из адресной таблицы.  
     Коммутаторы поддерживают при соединении друг с другом режим полного дуплекса. В таком режиме данные передаются и принимаются одновременно, что невозможно в обычных сетях Еthегnеt. При этом скорость передачи данных повышается в два раза, а при соединении нескольких коммутаторов можно добиться и большей пиковой производительности.

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

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

Впервые коммутаторы появились  в конце 80-х годов. Первые коммутаторы  использовались для перераспределения  пропускной способности и, соответственно, повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы  первоначально применялись исключительно  для сегментации сети. В наше время  произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы  используются для прямого подключения  к конечным станциям.

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

Общий термин “коммутация  ”применяется для четырех различных  технологий:

• Конфигурационной коммутации;
• Коммутации кадров;
• Коммутации ячеек;
• Преобразования между кадрами и ячейками.

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

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

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

Коммутаторы делятся на четыре категории:

1. Простые автономные коммутаторы сетей рабочих групп позволяют некоторым сетевым устройствам или сегментам обмениваться информацией с максимальной для данной кабельной системы скоростью. Они могут выполнять роль мостов для связи с другими сетевыми сегментами, но не транслируют протоколы и не обеспечивают повышенную пропускную способность с отдельными выделенными устройствами, такими как серверы.
2. Коммутаторы рабочих групп второй категории обеспечивают высокоскоростную связь одного или нескольких портов с сервером или базовой станцией.
3. Третью категорию составляют коммутаторы сети отдела предприятия, которые часто используются для взаимодействия сетей рабочих групп. Они представляют более широкие возможности администрирования и повышения производительности сети. Такие устройства поддерживают древовидную архитектуру связей, которая используется для передачи информации по резервным каналам и фильтрации пакетов. Физически такие коммутаторы поддерживают резервные источники питания и позволяют оперативно менять модули.
4. Последняя категория – это коммутаторы сети масштаба предприятия, выполняющие диспетчеризацию трафика, определяя наиболее эффективный маршрут. Они могут поддерживать большое количество логических соединений сети. Многие производители корпоративных коммутаторов предлагают в составе своих изделий модули АТМ. Эти коммутаторы осуществляют трансляцию протоколов Ethernet в протоколы АТМ.

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

На рисунке (рис. 2) показана функциональная схема коммутатора  EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana.

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

Наиболее часто используются три типа функциональной структуры  коммутаторов:

• С коммутационной матрицей;
• С общей шиной;
• С разделяемой многовходовой памятью.

Коммутаторы с коммуникационной матрицей за счет параллельной обработки  быстро осуществляют взаимодействие портов. Однако число портов ограничено, так  как сложность реализации коммутатора  возрастает пропорционально квадрату числа портов. На рисунке (рис. 3) показана топология связей коммутационной матрицы.

Матрица может быть реализована  на разных комбинационных схемах, но в  любом случае в ее основе лежит  технология коммутации физических каналов. Основным недостатком является невозможность  буферизации данных внутри самой  матрицы.

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

Третий тип коммутатора  – коммутаторы с разделяемой  многовходовой памятью. На рисунке (рис. 4) показана примерная схема  коммутатора с разделяемой многовходовой  памятью.

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

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

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

• Агрессивное поведение порта;
• Метод обратного давления.

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

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