25667-1 (Локальные сети на основе коммутаторов), страница 4

По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также приведенном на рисунке 2.11, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

Однако, главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Рис. 2.11. Экономия времени при конвейерной обработке кадра
а) конвейерная обработка; б) обычная обработка с полной буферизацией

Рисунок 2.12 иллюстрирует этот эффект. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда два порта из 4-х, подключенных к коммутатору, передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные два порта коммутатора не конфликтуя - у каждого входного порта свой выходной порт. Если коммутатор обладает способностью успевать обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 2(10 Мб/с, а при обобщении примера на N портов - (N/2)(10 Мб/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Рис. 2.12. Повышение производительности сети за счет одновременной
обработки нескольких кадров

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 и для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Так как в основе технологии коммутации лежит алгоритм работы прозрачного моста, то принцип коммутации не зависит от метода доступа, формата пакета и других деталей каждой технологии. Коммутатор изучает на основании проходящего через него трафика адреса конечных узлов сети, строит адресную таблицу сети и затем на ее основании производит межкольцевые передачи в сетях Token Ring или FDDI (рисунок 2.13). Принцип работы коммутатора в сетях любых технологий оставался неизменным, хотя внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch.

Рис. 2.13. Коммутация колец FDDI

Широкому применению коммутаторов безусловно способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации требовало замены только концентраторов или просто добавления коммутаторов для разделения сегментов, образованных с помощью коммутаторов на более мелкие сегменты. Вся огромная установленная база оборудования конечных узлов - сетевых адаптеров, а также кабельной системы, повторителей и концентраторов - оставалась нетронутой, что давало огромную экономию капиталовложений по сравнению с переходом на какую-нибудь совершенно новую технологию, например, АТМ.

Так как коммутаторы, как и мосты, прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети оставило в неизменном виде не только оборудование и программное обеспечение конечных узлов, но и маршрутизаторы сети, если они там использовались.

Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство, и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, то конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и стараться эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.

Безусловно, повышение производительности сети при установке коммутатора в общем случае не будет такой значительной, как в примере. На эффективность работы коммутатора влияет много факторов, и в некоторых случаях, как это будет показано ниже, коммутатор может совсем не дать никаких преимуществ по сравнению с концентратором. Примером такого фактора может служить несбалансированность трафика в сети - если порт 1 и порт 2 коммутатора чаще всего обращаются к порту 3 коммутатора, то порт 3 будет периодически занят и недоступен для одного из двух этих портов и входящий в них трафик будет простаивать, ожидая освобождения порта 3

Полнодуплексные (full-duplex) протоколы локальных сетей - ориентация исключительно на коммутацию кадров

Технология коммутации оставляет метод доступа к среде в неизменном виде. Это позволяет подключать к портам не только отдельные компьютеры, как это было показано на рисунке 2.12, но и сегменты локальных сетей (рисунок 2.14).

Рис. 2.14. Коммутатор сохраняет в сегментах локальных сетей
метод доступа к разделяемой среде

Узлы сегмента разделяют общую среду передачи данных, используя либо пассивный коаксиальный кабель, либо концентраторы, как показано в примере, приведенном на рисунке. Если это коммутатор Ethernet, то каждый его порт участвует в процессе обнаружения и отработки коллизий, и без этой функции коммутатор нельзя было бы подключать к сегменту, так как он бы полностью нарушил нормальную работу остальных узлов сегмента. Если это коммутатор колец FDDI, то его порты должны участвовать в процессе захвата и освобождения токена доступа к кольцу в соответствии с алгоритмами МАС-уровня стандарта FDDI.

Однако, когда к каждому порту коммутатора подключен только один компьютер, ситуация становится не такой однозначной.

В обычном режиме работы коммутатор по-прежнему распознает коллизии. Если сеть представляет собой Ethernet на витой паре, то доменом коллизий в этом случае будет участок сети, включающий передатчик коммутатора, приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера компьютера, приемник сетевого адаптера компьютера и две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками (рисунок 2.15).

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что изображенный на рисунке сегмент свободен. В результате строгого соблюдения правил разделения среды по протоколу Ethernet порт коммутатора и сетевой адаптер используют соединяющий их кабель в полудуплексном режиме, то есть по очереди - сначала кадр или кадры передаются в одном направлении, а затем в другом. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet в 14880 кадров в секунду при минимальной длине кадра делится между передатчиком порта коммутатора и передатчиком сетевого адаптера. Если считать, что она делится пополам, то каждому предоставляется возможность передавать примерно по 7440 кадров в секунду.

Рис. 2.15. Домен коллизий, образуемый компьютером и портом коммутатора

В то же время, передатчик и приемник как сетевого адаптера, так и порта коммутатора способны принимать и передавать кадры с максимальной скоростью 14880 кадров в секунду. Такая скорость достигается в том случае, когда в течение длительного времени передача идет в одном направлении, например, от компьютера к коммутатору.

Способность оборудования стандарта 10Base-T, то есть Ethernet'a на витой паре, работать с максимальной скоростью в каждом направлении использовали разработчики коммутаторов в своих нестандартных реализациях технологий, получивших название полнодуплексных версий Ethernet, Token Ring, FDDI и т.д.

Полнодуплексный режим работы возможен только при существовании независимых каналов обмена данными для каждого направления и при соединении "точка-точка" двух взаимодействующих устройств. Естественно, необходимо, чтобы МАС-узлы взаимодействующих устройств поддерживали этот специальный режим. В случае, когда только один узел будет поддерживать полнодуплексный режим, второй узел будет постоянно фиксировать коллизии и приостанавливать свою работу, в то время как другой узел будет продолжать передавать данные, которые никто в этот момент не принимает.

Так как переход на полнодуплексный режим работы требует изменения логики работы МАС-узлов и драйверов сетевых адаптеров, то он сначала был опробован при соединении двух коммутаторов. Уже первые модели коммутатора EtherSwitch компании Kalpana поддерживали полнодуплексный режим при взаимном соединении, поддерживая скорость взаимного обмена 20 Мб/с.

Позже появились версии полнодуплексного соединения FDDI-коммутаторов, которые при одновременном использовании двух колец FDDI обеспечивали скорость обмена в 200 Мб/с.

Сейчас для каждой технологии можно найти модели коммутаторов, которые поддерживают полнодуплексный обмен при соединении коммутатор-коммутатор. Существуют коммутаторы, которые позволяют объединить два коммутатора полнодуплексным каналом более чем по одной паре портов. Например, коммутаторы LattisSwitch 28115 компании Bay Networks имеют по два порта, с помощью которых можно соединять коммутаторы, образуя полнодуплексный канал с производительностью 400 Мб/c (рисунок 2.16).

Рис. 2.16. Транковое полнодуплексное соединение коммутаторов
LattisSwitch 28115 компании Bay Networks

Такие соединения называются транковыми и являются частной разработкой каждой компании, выпускающей коммуникационное оборудование, так как нарушают не только логику доступа к разделяемым средам, но и топологию соединения мостов, запрещающую петлевидные контуры (а такой контур всегда образуется при соединении коммутаторов более чем одной парой портов). При соединении коммутаторов разных производителей транк работать не будет, так как каждый производитель добавляет к логике изучения адресов сети коммутатором по транковой связи что-то свое, чтобы добиться от него правильной работы.

После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее и в сетевых адаптерах, в основном адаптерах Ethernet и Fast Ethernet. Многие сетевые адаптеры сейчас могут поддерживать оба режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключении к порту коммутатора.

Однако, необходимо осознавать, что отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет к повышению вероятности потерь кадров коммутаторами, а, следовательно, к возможному снижению полезной пропускной способности сети (по отношению к переданным данным приложений) вместо ее повышения.

В разделе 2.2 уже говорилось о том, что использование мостов несет в себе потенциальную угрозу потерь кадров при превышении интенсивности входного потока производительности моста. Коммутаторы встречаются с аналогичной проблемой, даже если их внутренняя производительность выше, чем требуется для обслуживания входных потоков, поступающих на каждый порт с максимально возможной скоростью, то есть выше, чем N(C, где N - число портов коммутатора, а С - максимальная скорость передачи пакетов по протоколу, поддерживаемому коммутатором (например, 148809 кадров в секунду, если коммутатор поддерживает протокол Fast Ethernet на всех своих портах).

Причина здесь в ограниченной пропускной способности отдельного порта, которая определяется не производительностью процессора, который обслуживает порт, а временными параметрами протокола. Например, порт Ethernet не может передавать больше 14880 кадров в секунду, если он не нарушает временных соотношений, установленных стандартом.

Поэтому, если входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами, то легко представить ситуацию, когда в какой-либо выходной порт коммутатора будет направляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протокольный максимум. На рисунке 2.17 изображена как раз такая ситуация, когда в порт 3 коммутатора направляется трафик от портов 1, 2, 4 и 6, с суммарной интенсивностью в 22 100 кадров в секунду. Порт 3 оказывается загружен на 150%. Естественно, что когда кадры поступают в буфер порта со скоростью 20 100 кадров в секунду, а уходят со скоростью 14 880 кадров в секунду, то внутренний буфер выходного порта начинает неуклонно заполняться необработанными кадрами.

Рис. 2.17. Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика

Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то момент времени обязательно переполнится. Нетрудно подсчитать, что при размере буфера в 100 Кбайт в приведенном примере полное заполнение буфера произойдет через 0.22 секунды после начала его работы (буфер такого размера может хранить до 1600 кадров размером в 64 байта). Увеличение буфера до 1 Мбайта даст увеличение времени заполнения буфера до 2.2 секунд, что также неприемлемо.

В территориальных сетях технология коммутации кадров и пакетов применяется уже очень давно. Сети Х.25 используют ее уже более 20 лет. Технологию коммутации используют и новые территориальные сети, в частности сети frame relay и АТМ. В этих сетях конечные узлы подключаются к коммутаторам полнодуплексными каналами связи, такие же каналы используются и для соединения коммутаторов между собой. Протоколы территориальных сетей сразу разрабатывались для организации полнодуплексной связи между узлами сети, поэтому в них были заложены процедуры управления потоком данных. Эти процедуры использовались коммутаторами для снижении интенсивности поступления кадров на входные порты в случае заполнения внутренних буферов коммутатора свыше опасного предела. В таких ситуациях коммутатор направлял соседнему узлу специальный служебный кадр "Приемник не готов", при получении которого соседний узел обязан был приостановить передачу кадров по данному порту. При перегрузках сети в конце концов служебные кадры доходили и до конечных узлов - компьютеров - которые прекращали на время заполнять сеть кадрами, пока имеющиеся в буферах кадры не передавались узлам назначения. Вероятность потери кадров при наличии встроенных в протокол процедур управления потоком становится очень небольшой.

При разработке коммутаторов локальных сетей ситуация коренным образом отличалась от ситуации, при которой создавались коммутаторы территориальных сетей. Основной задачей было сохранение конечных узлов в неизменном виде, что исключало корректировку протоколов локальных сетей. А в этих протоколах процедур управления потоком не было - использование общей среды передачи данных в режиме разделения времени исключало возникновение ситуаций, когда сеть переполнялась бы необработанными кадрами. Сеть не накапливала данных в каких-либо промежуточных буферах при использовании только повторителей или концентраторов.

Поэтому применение коммутаторов без изменения протокола работы оборудования всегда порождает опасность потерь кадров. Если порты коммутатора работают в обычном, то есть в полудуплексном режиме, то у коммутатора имеется возможность оказать некоторое воздействие на конечный узел и заставить его приостановить передачу кадров, пока у коммутатора не разгрузятся внутренние буфера. Нестандартные методы управления потоком в коммутаторах при сохранении протокола доступа в неизменном виде будут рассмотрены ниже.

Если же коммутатор работает в полнодуплексном режиме, то протокол работы конечных узлов, да и его портов все равно меняется. Поэтому имело смысл для поддержки полнодуплексного режима работы коммутаторов разработать новые протоколы взаимодействия узлов, которые бы использовали явные и стандартные механизмы управления потоком при сохранении неизменным только формата кадров. Сохранение формата кадров необходимо для того, чтобы к одному и тому же коммутатору можно было бы подключать новые узлы, имеющие сетевые адаптеры полнодуплексного режима, и старые узлы или сегменты узлов, поддерживающие алгоритм доступа к разделяемой среде.