Коммутатор

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

Известны три способа  коммутации в локальных сетях:

• Коммутация “на лету” (cut-through);
• Бесфрагментная коммутация (fragment-free switching);
• Коммутация с буферизацией (store-and-forward switching).

Коммутация “на лету”

При коммутации “на лету”  поступающий пакет данных передается на выходной порт сразу после считывания адреса назначения. Анализ всего пакета не осуществляется. А это означает, что могут быть пропущены пакеты с ошибками. Такой способ обеспечивает самую высокую скорость коммутации. Передача кадров происходит в следующей  последовательности:

1. Прием первых байтов кадра (включая байт адреса назначения);
2. Поиск адреса назначения в адресной таблице;
3. Построение матрицей коммутационного пути;
4. Прием остальных байтов кадра;
5. Пересылка всех байтов кадра выходному порту через коммутационную матрицу;
6. Получение доступа к среде передачи;
7. Передача кадра в сеть.

В этом случае коммутатор может  выполнять проверку передаваемых кадров, но не может изъять неверные кадры  из сети, так как часть из байт уже передана в сеть. Использование коммутации “на лету” дает значительный выигрыш в производительности, но за счет снижения надежности. В сетях с технологией обнаружения коллизий передача искаженных кадров может привести к нарушению целостности данных.

Коммутация с буферизацией

При коммутации с буферизацией входной пакет принимается полностью, потом он проверяется на наличие  ошибок (проверка производится по контрольной  сумме) и только, если ошибки не были обнаружены, пакет передается на выходной пор. Этот способ гарантирует полную фильтрацию ошибочных пакетов, однако за счет снижения пропускной способности коммутатора по сравнению с коммутацией “на лету”.

Бесфрагментная коммутация

Бесфрагментная коммутация занимает промежуточное положение между этими двумя способами: в ней буферизуются только первые 64 байта пакета. Если на этом пакет заканчивается, коммутатор проверяет наличие в нем ошибок по контрольной сумме. Если же пакет оказывается длиннее, он передается на выходной порт без проверки.

На разных портах коммутатора  ошибки могут возникать с разной интенсивностью. В связи с этим очень полезно иметь возможность  выбора способа коммутации. Такая  технология получила название адаптивной коммутации. Технология адаптивной коммутации позволяет устанавливать для каждого порта тот режим работы, который оптимален именно для него. Вначале коммутация на портах осуществляется “на лету”, затем те порты, на которых возникает много ошибок, переводятся в режим бесфрагментной коммутации. Если же и после этого число неотфильтрованных пакетов с ошибками остается большим (что вполне вероятно, если по сети передается много пакетов длиной более 64 байт), порт переводится в режим коммутации с буферизацией.

Споры о преимуществах  коммутации “на лету” над коммутацией  с промежуточной буферизацией не прекращаются. В каких-то случаях администратор сети сам выбирает используемый способ работы, в каких-то – коммутатор самостоятельно меняет режимы в зависимости от условий в сети. Одни фирмы позволяют администраторам сети конфигурировать коммутатор так, чтобы каждый порт работал в своем режиме; другие требуют, чтобы все порты коммутатора работали в одном режиме.

Инженерами фирмы 3Com разработан набор интегральных схем ASIC, которые  обладают широкими функциональными  возможностями по управлению потоком  данных. Каждый порт коммутатора, построенного на базе микросхемы ASIC, имеет собственный  буфер с большой памятью, благодаря  чему удалось решить проблему потери кадров. Создана также гибридная микросхема ASIC, в которой быстрота сквозной обработки сочетается с надежностью промежуточной буферизации.

Предложена технология, которая  позволяет распределить обработку  кадров между микросхемами ASIC, на которых  построены порты. Обработка с  привязкой к порту обеспечивает фильтрацию искаженных кадров на аппаратном уровне в пределах одной микросхемы.

Некоторые микросхемы поддерживают протоколы SNMP и удаленный мониторинг RMON. Протокол SNMP обеспечивает централизованный контроль. Так как перегрузка процессоров  портов или других элементов коммутатора  может привести к потере кадров, наблюдение за распределением трафика  в сети, построенной на коммутаторах, очень важно.

Более надежным способом слежения за трафиком, проходящим через порты  коммутатора, является использование  агентов RMON. Они собирают детальную  информацию об интенсивности трафика, испорченных кадрах, потерянных кадрах и т.д.

Дополнительные функции  коммутаторов

Коммутатор представляет собой сложное устройство, имеющее  один или несколько процессорных модулей и, естественно, может выполнять, помимо основной задачи по передаче кадров из порта в порт, некоторые дополнительные функции. К ним относятся:

• Трансляция протоколов канального уровня;
• Поддержка протокола Spanning Tree;
• Фильтрация кадров;
• Использование различных классов сервиса;
• Поддержка виртуальных сетей.

Коммутаторы могут выполнять  трансляции одного протокола канального уровня в другой, например, Ethernet в FDDI, Fast Ethernet в Token Ring и т.д.

Протокол STP (Spanning Tree Protocol – протокол остовного дерева) разработан для устранения логических и физических петель из сетей, построенных на базе мостов, поскольку все базовые функции коммутатора работают только при их полном отсутствии. Протокол также предусматривает возможность автоматической переконфигурации сетевой топологии в случае обрывов линий или возникновения аппаратных ошибок. Применение протокола STP в корпоративных сетях позволяет создавать большие и сложные сети на коммутаторах (их называют плоскими сетями), на опасаясь широковещательного шторма. Кроме того, реализуется только один путь передачи данных между любыми двумя точками, что

• Гарантирует доставку любых данных в том порядке, в котором они были посланы;
• Предотвращает размножение широковещательных пакетов;
• Устраняет их бесконечную циркуляцию;
• Запрещает распространение пакетов с неизвестным адресом назначения.

Протокол STP используется, главным  образом в сетях, где основным требованием является надежность передачи данных.

Многие коммутаторы наряду со стандартной фильтрацией в  соответствии с адресной таблицей позволяют  администраторам задавать дополнительные условия фильтрации кадров. Пользовательские фильтры предназначены для создания дополнительных барьеров, которые ограничивают доступ определенных пользователей  к некоторым сервисам сети.

Использование классов сервиса  позволяет администратору назначить  различным типам кадров приоритеты их обработки. При этом коммутатор поддерживает несколько очередей необработанных кадров, а сами очереди могут иметь  различные приоритеты. Так как  не все протоколы канального уровня поддерживают механизм определения  приоритета кадра, разработан метод  приписывания приоритетов портам коммутатора. При таком подходе коммутатор помещает кадр в очередь с определенным приоритетом в зависимости от того, через какой порт поступил этот кадр. Более гибким является назначение приоритетов МАС-адресам узлов.

Коммутатор позволяет  локализовать потоки информации в сети и управлять ими, то есть создавать  и поддерживать особые условия фильтрации. Одним из очень популярных видов  специальных фильтров являются фильтры, создающие виртуальные сети. Виртуальной сетью (в данном контексте) называется группа узлов в сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, полностью изолирован от других узлов сети.

Внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, а для передачи кадров между виртуальными сетями могут применяться маршрутизаторы. При использовании виртуальных  сетей с коммутаторами одновременно решаются две задачи:

• Повышение производительности виртуальной сети, так как коммутатор передает кадры только узлу назначения (это возможно, если узлы подключаются непосредственно к портам коммутатора);
• Изоляция виртуальных сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных “штормов”.

При всем разнообразии структурных  схем сетей, построенных на основе коммутаторов, в них используются всего две  базовые схемы: стянутая в точку  магистраль и распределенная магистраль.

Стянутая в точку магистраль получила свое название из-за того, что  внутренняя магистраль коммутатора  объединяет все компоненты такой  сети. Преимущество такой схемы –  высокая производительность внутренней магистрали (до нескольких Гбит/с). Еще  одним достоинством такой схемы  является ее независимость от протоколов сетевого уровня эталонной модели OSI.

При необходимости распространения  сети по большой территории можно  воспользоваться другой базовой  схемой – сетью с распределенной магистралью. Примером служит двойное  кольцо FDDI, к которому подключены коммутаторы  рабочих групп. Сеть с распределенной магистралью упрощает связь между  рабочими группами, сокращает стоимость  кабельной системы и допускает  разнесение узлов на большие расстояния. Недостатком является существенно  меньшая скорость по сравнению с  сетью со стянутой в точку магистралью.

По конструктивному исполнению коммутаторы делятся на три группы:

• Автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;
• Модульные коммутаторы на основе шасси;
• Коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.

Коммутаторы первой группы обычно предназначены для небольших  рабочих групп.

Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего используются на магистрали сети. Модули такого коммутатора  допускают замену блоков без выключения коммутатора.

Стековые коммутаторы  представляют собой множество коммутаторов, которые могут работать автономно, так как выполнены в отдельных  корпусах, но имеют специальный интерфейс (высокоскоростную шину), который позволяет  объединить их в одну систему –  единый коммутатор.