_Глава 9. Оборудование Ethernet и Fast Ethernet (Глава 9. Оборудование Ethernet и Fast Ethernet), страница 3

Логическая структура коммутатора довольно проста (рис. 9.6). Она включает в себя так называемую перекрестную матрицу (crossbar matrix), во всех точках пересечения которой могут устанавливаться связи на время передачи пакета. В результате пакет, поступающий из любого сегмента, может быть передан в любой другой сегмент (рис. 9.6) или, в случае широковещательного пакета, — во все другие сегменты одновременно (рис. 9.7).

Коммутаторы выпускаются на различное число портов. Чаще всего встречаются коммутаторы с 6, 8, 12, 16 и 24 портами. Отметим, что мосты, как правило, редко поддерживают более 4 портов. Различаются коммутаторы и допустимым количеством адресов на один порт. Этот показатель определяет предельную сложность подключаемых к порту сегментов (количество компьютеров в каждом сегменте). Некоторые коммутаторы позволяют разбивать порты на группы, работающие независимо друг от друга, то есть один коммутатор может работать как два или три.

Рис. 9.6. Логическая схема коммутатора

Коммутаторы характеризуются двумя показателями производительности: максимальной и совокупной скоростью ретрансляции пакетов. Максимальная скорость ретрансляции измеряется при передаче пакетов из одного порта в другой, когда все остальные порты отключены. Совокупная скорость измеряется при активной работе всех имеющихся портов. Совокупная скорость больше максимальной, но максимальная скорость, как правило, не может быть обеспечена на всех портах одновременно, хотя коммутаторы и способны одновременно обрабатывать несколько пакетов (в отличие от моста).

Главное правило, которого надо придерживаться при разбиении сети на части (сегменты) с помощью коммутатора, называется «правило 80/20». Только при его выполнении коммутатор работает эффективно. Согласно этому правилу, надо обеспечить, чтобы не менее 80 процентов всех передач происходило в пределах одной части (одного сегмента) сети. И только 20 процентов всех передач должно быть между разными частями (сегментами) сети, проходить через коммутатор. На практике это обычно сводится к тому, что сервер и активно работающие с ним рабочие станции (клиенты) располагаются на одном сегменте. Это же правило 80/20 применимо и к мостам.

Рис. 9.7. Ретрансляция широковещательного пакета

Существует два класса коммутаторов, отличающихся уровнем интеллек^-та и способами коммутации:

• коммутаторы со сквозным вырезанием (Cut-Through);

• коммутаторы с накоплением и ретрансляцией (Store-and-Forward, SAF).

Рассмотрим кратко их особенности.

9.3.1. Коммутаторы Cut-Through

Коммутаторы Cut-Through - самые простые и быстрые, они не производят никакого буферирования пакетов и никакой их селекции. Они буфе-рируют только головную часть пакета, чтобы прочитать 6-байтовый адрес приемника пакета и принять решение о коммутации, на которое у некоторых коммутаторов уходит около 10 битовых интервалов. В результате время ожидания ретрансляции (задержка на коммутаторе), включающее как время буферирования, так и время коммутации, может составлять около 150 битовых интервалов. Конечно, это больше задержки репитерного концентратора, но гораздо меньше задержки ретрансляции любого моста.

Недостаток данного типа коммутатора состоит в том, что он ретранслирует любые пакеты с нормальной головной частью, в том числе и заведомо ошибочные пакеты (например, с неправильной контрольной суммой) и карликовые пакеты (длиной менее 512 битовых интервалов). Ошибки одного сегмента ретранслируются в другой сегмент, что приводит к снижению пропускной способности сети в целом.

Еще одна проблема состоит в том, что коммутаторы данного типа часто перегружаются и плохо обрабатывают ситуацию перегрузки. Например, из двух или более сегментов поступают пакеты, адресованные одному и тому же сегменту. Но коммутатор не может одновременно передать несколько пакетов в один сегмент, поэтому часть пакетов пропадает. Не может коммутатор ретранслировать и пакеты, которые приходят из порта, в который коммутатор передает в данный момент.

Именно поэтому коммутаторы Cut-Trough постепенно вытесняются более совершенными.

Одно из усовершенствований коммутаторов получило название Interim Cut-Trough Switching (ICS). Оно направлено на то, чтобы избежать ретрансляции карликовых кадров. Для этого на принимающей стороне коммутатора все порты имеют буферную память FIFO на 512 бит. Если пакет заканчивается раньше, чем заполнится буфер, то содержимое буфера автоматически отбрасывается. Однако все остальные недостатки метода Cut-Through в данном случае сохраняются. Задержка ретрансляции коммутаторов данного типа увеличивается примерно на 400 битовых интервалов по сравнению с обычным Cut-Trough.

9.3.2. Коммутаторы Store-and-Forward

Коммутаторы Store-and-Forward (SAF) представляют собой наиболее дорогие, сложные и совершенные устройства данного типа. Они уже гораздо ближе к мостам и лишены перечисленных недостатков коммутаторов Cut-Trough. Главное их отличие состоит в полном буферировании во внутренней буферной памяти FIFO всех ретранслируемых пакетов. Размер каждого буфера при этом должен быть не меньше максимальной длины пакета. Соответственно значительно возрастает и задержка коммутации, она составляет не менее 12000 битовых интервалов. Карликовые и ошибочные кадры таким коммутатором отфильтровываются. Перегрузки возникают гораздо реже. /

Буферная память может размещаться на принимающей стороне всех портов (накопление перед коммутацией), на передающей стороне портов (накопление перед ретрансляцией), а также может быть общей для всех портов, причем эти методы часто комбинируются для достижения наибольшей гибкости и наивысшей производительности. Чем больше объем памяти, тем лучше коммутатор справляется с перегрузкой. Но с ростом объема памяти возрастает и стоимость оборудования. Иногда в состав коммутатора включается и процессор, но чаще коммутаторы выполняются на специализированных быстродействующих микросхемах, жестко специализированных именно на задачах коммутации пакетов.

Коммутаторы SAF, в отличие от других типов коммутаторов, могут поддерживать одновременно разные скорости передачи (10 Мбит/с и 100 Мбит/с). Полное буферирование пакета вполне позволяет передавать его не с той скоростью, с которой он поступил. В результате часть портов коммутатора может работать с сетью Ethernet, другая часть - с Fast Ethernet, причем некоторые коммутаторы автоматически настраивают свои порты на скорость передачи подключенного к порту сегмента. Поэтому коммутаторы SAF значительно облегчают переход с Ethernet на Fast Ethernet. Существуют уже коммутаторы, поддерживающие обмен с Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Но в отличие от мостов коммутаторы, как правило, не меняют формат пакетов, поэтому сети с разными форматами пакетов нельзя объединять с их помощью.

Выпускаются также так называемые гибридные (или адаптивные) коммутаторы, которые могут автоматически переключаться из режима Cut-Through в режим SAF и наоборот. При малой нагрузке и при низком уровне ошибок они работают как более быстрые Cut-Through коммутаторы, а при большой нагрузке и при большом количестве ошибок переходят в более медленный, но более качественный режим SAF.

Наконец, еще одно важное достоинство коммутаторов по сравнению с ре-питерными концентраторами состоит в том, что они могут поддерживать режим полнодуплексной связи. Как уже отмечалось, при этом режиме резко упрощается обмен в сети, а скорость передачи в идеале удваивается (20 Мбит/с для Ethernet, 200 Мбит/с для Fast Ethernet).

Остановимся чуть подробнее на достоинствах и недостатках полнодуплексного режима.

Сегменты на витой паре и на оптоволоконном кабеле в любом случае используют две линии связи, одна из которых передает информацию в одну сторону, а другая - в другую. (Это не относится к сегментам 100BASE-T4, в которых есть двунаправленные витые пары, передающие в обе стороны по очереди). Но в стандартном полудуплексном режиме информация не передается по этим линиям связи одновременно. Однако если и адаптер, и коммутатор, связанные этими линиями связи, поддерживают полнодуплексный режим, то одновременная передача информации возможна. Естественно, аппаратура адаптера и коммутатора должна при этом обеспечивать прием приходящего из сети пакета и передачу своего пакета одновременно.

Полнодуплексный режим в принципе исключает любую возможность коллизии и делает ненужным сложный алгоритм управления обменом CSMA/CD. Каждый из абонентов (адаптер и коммутатор) может передавать в данном случае в любой момент без ожидания освобождения сети. В результате сеть нормально функционирует даже при нагрузке, приближающейся к 100% (в полудуплексном режиме - не более 30-40%). Особенно этот режим удобен для высокоскоростных серверов и высокопроизводительных рабочих станций.

Кроме того, отказ от метода CSMA/CD автоматически снимает ограничения на размер сети, связанные с ограничениями на двойное время распространения сигнала. Особенно это важно для Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. При полнодуплексном режиме обмена размер любой сети ограничен только затуханием сигнала в среде передачи. Поэтому, например, сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet могут использовать оптоволоконные сегменты длиной 2 км и даже больше. При стандартном полудуплексном режиме, и методе CSMA/CD это было бы в принципе невозможно, так как двойное время распространения сигнала для Fast Ethernet не должно превышать 5,12 мкс, а для Gigabit Ethernet - 0,512 мкс (а при переходе на минимальную длину пакета в 512 байт - 4,096 мкс).

Полнодуплексный режим можно рассматривать как приближение к топологии классической активной звезды. Как и в активной звезде, здесь не может быть конфликтов, но требования к центру (как по надежности, так и по быстродействию) чрезвычайно велики. Как и при активной звезде, строить сети с большим количеством абонентов затруднительно, необходимо использовать много центров (в нашем случае - коммутаторов). Как и при активной звезде, стоимость оборудования оказывается довольно высокой, так как кроме сетевых адаптеров и соединительных кабелей нужны сложные, быстрые и дорогие коммутаторы. Но, видимо, все это неизбежная плата за повышение скорости обмена. Строго говоря, полнодуплексные сети уже трудно назвать классическими Ethernet и Fast Ethernet, так как в них уже ничего не остается ни от топологии «шина», ни от метода CSMA/CD. Сохраняется только формат пакета и (не всегда) метод кодирования.

Таким образом, в настоящее время коммутирующие концентраторы (коммутаторы) выполняют все больше функций, традиционно относившихся к мостам. Поэтому в пределах одной сети или однотипных сетей с одинаковыми форматами пакетов (Ethernet и Fast Ethernet) коммутаторы все больше и больше вытесняют мосты, так как они более быстрые и более дешевые. На долю мостов остается только соединение разнотипных сетей, что встречается не так уж и часто. Эта тенденция прослеживается и в других областях электроники: узко специализированные быстрые устройства вытесняют универсальные медленные. Универсальные устройства (компьютеры, универсальные контроллеры) сохраняются только там, где без них действительно не обойтись, где нужны очень сложные алгоритмы обработки, которые к тому же могут изменяться в соответствии с требованиями конкретной задачи.

9.4. Мосты и маршрутизаторы Ethernet и Fast Ethernet

Мосты и маршрутизаторы, строго говоря, не совсем правильно относить к специфическому сетевому оборудованию. В большинстве случаев они представляют собой универсальные компьютеры, работающие в сети и выполняющие специфическую функцию соединения двух и более частей сети, хотя существуют мосты и маршрутизаторы, жестко специализированные на работе в сети. В частности, маршрутизаторы выпускаются рядом фирм в виде модулей, устанавливаемых в концентраторы на базе шасси. Понятно, что их стоимость ниже, чем маршрутизаторов на базе компьютеров.

9.4.1. Функции мостов

Мосты до недавнего времени были основными устройствами, применявшимися для разбиения сети на части (для сегментирования сети). Их стоимость меньше, чем маршрутизаторов, а быстродействие выше, к тому же они прозрачны для протоколов второго уровня модели OSI. Абоненты сети могут не знать о наличии в сети мостов, и все их пакеты доходят до нужного адресата по всей сети без всяких проблем.