kantrium.com | E-Norway.ru | HELFI.ru | MySuomi.com

Транспортная система локальных сетей масштаба здания или кам­пуса уже достаточно давно стала включать разнообразные типы активно­го коммуникационного оборудования — повторители, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, соединенные в сложные иерархичес­кие структуры.

Активное оборудование управляет циркулирующими в сети бита­ми, кадрами и пакетами, стараясь организовать их передачу так, чтобы данные терялись как можно реже, а попадали к адресатам как можно бы­стрее, в соответствии с потребностями трафика работающих в сети при­ложений.

Описанный подход стал нормой при проектировании крупных се­тей и полностью вытеснил сети, построенные исключительно на основе пассивных сегментов кабеля, которыми совместно пользуются для пере­дачи информации компьютеры сети. Преимущества сетей с иерархичес­ки соединенным активным оборудованием не раз проверены на практи­ке и сейчас никем не оспариваются.

И, если не обращать внимание на типы используемого оборудова­ния, а рассматривать их просто как многопортовые черные ящики, то может сложиться впечатление, что никаких других изменений в теории и практике построения локальных сетей нет — предлагаются и реализуют­ся очень похожие схемы, отличающиеся только количеством узлов и уровней иерархии коммуникационного оборудования.

Однако, качественный анализ используемого оборудования гово­рит об обратном. Изменения есть, и они существенны. За последние год-два коммутаторы стали заметно теснить другие виды активного оборудо­вания с казалось бы прочно завоеванных позиций. Несколько лет назад в типичной сети здания нижний уровень иерархии всегда занимали повто­рители и концентраторы, верхний строился с использованием маршру­тизаторов, а коммутаторам отводилось место где-то посередине, на уров­не сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного — их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подклю­чения сверхпроизводительных серверов.

Коммутаторы стали вытеснять маршрутизаторы из цен фа сети на периферию, где они использовались для соединения локальной сети с глобальными.

Центральное место в сети здания занял модульный корпоратив­ный коммутатор, который объединял на своей внутренней, как правило, очень производительной, магистрали все сети этажей и отделов. Комму­таторы потеснили маршрутизаторы потому, что их показатель «це­на/производительность», рассчитанный для одного порта, оказался го­раздо ниже при приближающихся к маршрутизаторам функциональным возможностям по активному воздействию на передаваемый трафик. Се­годняшние корпоративные коммутаторы умеют многое из того, что не­сколько лет назад казалось исключительной прерогативой маршрутиза­торов: транслировать кадры разных технологий локальных сетей, например Ethernet в FDDI, осуществлять фильтрацию трафика по раз­личным условиям, в том числе и задаваемым пользователем, изолиро­вать трафик одного сегмента от другого и т.п. Коммутаторы ввели также и новую технологию, которая до их появления не применялась — техно­логию виртуальных сегментов, позволяющих перемещать пользователей из одного сегмента в другой чисто программным путем, без физической перекоммутации разъемов. И при всем при этом стоимость за один порт при равной производительности у коммутаторов оказывается в несколь­ко раз ниже, чем у маршрутизаторов.

После завоевания магистрального уровня корпоративной сети коммутаторы начали наступление на сети рабочих групп, где до этого в течение 

последних пяти лет всегда использовались многопортовые по­вторители (концентраторы) для витой пары, заменившие пассивные ко­аксиальные сегменты. Появились коммутаторы, специально предназ­наченные для этой цели — простые, часто неуправляемые устройства, способные только быстро передавать кадры с порта на порт по адресу на­значения, но не поддерживающие всей многофункциональности корпо­ративных коммутаторов. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт быстро снижается и, хотя порт концентратора по-прежнему стоит меньше порта коммутатора рабочей группы, тенденция к сближе­нию их цен налицо.

Эти данные собраны по всем классам коммутаторов, от уровня ра­бочей группы до магистрального уровня, где концентраторы не приме­няются, поэтому сопоставление концентраторов только с коммутатора­ми рабочих групп дало бы еще более близкие в стоимостном отношении результаты, так как стоимость за порт Ethernet у отдельных коммутаторов доходит до $150, то есть всего в полтора раза превышает стоимость порта концентратора Ethernet.

В то же время производительность сети, построенной на коммута­торе, обычно в несколько раз превышает производительность аналогич­ной сети, построенной с использованием концентратора. Так как плата за повышение производительности не так уж велика и постоянно снижа­ется, то многие сетевые интеграторы все чаще соглашаются с ней для снижения задержек в своей сети. С распространением работающих в ре­альном времени приложений ущерб от транспортных задержек стано­вится все ощутимее, а нагрузка на транспортную систему возрастает, что еще больше стимулирует приближение таких высокопроизводительных устройств, как коммутаторы, к пользовательским компьютерам.

Естественно, тенденция повышения роли коммутаторов в локаль­ных сетях не имеет абсолютного характера. И у маршрутизаторов, и у концентраторов по-прежнему имеются свои области применения, где их применение более рационально, чем коммутаторов. Маршрутизаторы остаются незаменимыми при подключении локальной сети к глобаль­ной. Кроме того, маршрутизаторы хорошо дополняют коммутаторы при построении виртуальных сетей из виртуальных сегментов, так как дают испытанный способ объединения сегментов в сеть на основании их сете­вых адресов.

Концентраторы также имеют сегодня свою нишу. По-прежнему существует большое количество случаев, когда трафик в рабочей группе невелик и направлен к одному серверу. В таких случаях высокая произ­водительность коммутатора мало что дает конечному пользователю — при замене концентратора на коммутатор он ее практически не почувст­вует.

Тем не менее, в локальных сетях появляется все больше коммута­торов, и эта ситуация вряд ли коренным образом изменится в ближай­шем будущем. Некоторые новые технологии, такие как ATM, вообще ис­пользуют коммутацию как единственный способ передачи данных в сети, другие, например, Gigabit Ethernet — рассматривают ее в качестве, хотя и не единственного, но основного способа связи устройств в сети.

Коммутация кадров

Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных

Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базо­вые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Классическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры разделя­ют во времени единственный канал связи, образованный сегментом ко­аксиального кабеля.

При передаче каким-нибудь компьютером кадра данных все ос­тальные компьютеры принимают его по общему коаксиальному кабелю, находясь с передатчиком в постоянном побитном синхронизме. На вре­мя передачи этого кадра никакие другие обмены информации в сети не разрешаются. Способ доступа к общему кабелю управляется несложным распределенным механизмом арбитража — каждый компьютер имеет право начать передачу кадра, если на кабеле отсутствуют информацион­ные сигналы, а при одновременной передаче кадров несколькими ком­пьютерами схемы приемников умеют распознавать и обрабатывать эту ситуацию, называемую коллизией. Обработка коллизии также несложна — все передающие узлы прекращают выставлять биты своих кадров на кабель и повторяют попытку передачи кадра через случайный промежу­ток времени.

Работа всех узлов сети Ethernet в режиме большой распределенной электронной схемы с общим тактовым генератором приводит к несколь­ким ограничениям, накладываемым на сеть. Основными ограничениями являются:

Максимально допустимая длина сегмента

Она зависит от типа используемого кабеля: для витой пары это 100 м, для тонкого коаксиала — 185 м, для толстого коаксиала — 500 м, а для оптоволокна — 2000 м. Для наиболее дешевых и распространенных ти­пов кабеля — витой пары и тонкого коаксиала — это ограничение часто становится весьма нежелательным. Технология Ethernet предлагает ис­пользовать для преодоления этого ограничения повторители и концент­раторы, выполняющие функции усиления сигнала, улучшения формы фронтов импульсов и исправления погрешностей синхронизации. Одна­ко возможности этих устройств по увеличению максимально допустимо­го расстояния между двумя любыми узлами сети (которое называется ди­аметром сети) не очень велики — число повторителей между узлами не может превышать 4-х (так называемое правило четырех хабов). Для ви­той пары это дает увеличение до 500 м. Кроме того, существует общее ог­раничение на диаметр сети Ethernet — не более 2500 м для любых типов кабеля и любого количества установленных концентраторов. Это огра­ничение нужно соблюдать для четкого распознавания коллизий всеми узлами сети, как бы далеко (в заданных пределах) они друг от друга не на­ходились, иначе кадр может быть передан с искажениями.

Максимальное число узлов в сети

Стандарты Ethernet ограничивают число узлов в сети предельным значением в 1024 компьютера вне зависимости от типа кабеля и количе­ства сегментов, а каждая спецификация для конкретного типа кабельной системы устанавливает еще и свое, более жесткое ограничение. Так, к сегменту кабеля на тонком коаксиале нельзя подключить более 30 узлов, а для толстого коаксиала это число увеличивается до 100 узлов. В сетях

Ethernet на витой паре и оптоволокне каждый отрезок кабеля соединяет всего два узла, но так как количество таких отрезков спецификация не оговаривает, то здесь действует общее ограничение в 1024 узла.

Существуют также и другие причины, кроме наличия указанных в стандартах ограничений, по которым число узлов в сети Ethernet обычно не превосходит нескольких десятков. Эти причины лежат в самом прин­ципе разделения во времени одного канала передачи данных между все­ми узлами сети. При подключении к такому каналу каждый узел пользу­ется его пропускной способностью — 10 Мб/с — в течение только некоторой доли 

общего времени работы сети. Соответственно, на узел приходится эта же доля пропускной способности канала. Даже если уп­рощенно считать, что все узлы получают равные доли времени работы канала и непроизводительные потери времени отсутствуют, то при нали­чии в сети N узлов на один узел приходится только 10/N Мб/с пропуск­ной способности. Очевидно, что при больших значениях N пропускная способность, выделяемая каждому узлу, оказывается настолько малой величиной, что нормальная работа приложений и пользователей стано­вится невозможной — задержки доступа к сетевым ресурсам превышают тайм-ауты приложений, а пользователи просто отказываются так долго ждать отклика сети.

Случайный характер алгоритма доступа к среде передачи данных, принятый в технологии Ethernet, усугубляет ситуацию. Если запросы на доступ к среде генерируются узлами в случайные моменты времени, то при большой их интенсивности вероятность возникновения коллизий также возрастает и приводит к неэффективному использованию канала: время обнаружения коллизии и время ее обработки составляют непроиз­водительные затраты. Доля времени, в течение которого канал предо­ставляется в распоряжение конкретному узлу, становится еще меньше.

До недавнего времени в локальных сетях редко использовались мультимедийные приложения, перекачивающие большие файлы дан­ных, нередко состоящие из нескольких десятков мегабайт. Приложения же, работающие с алфавитно-цифровой информацией, не создавали зна­чительного трафика. Поэтому долгое время для сегментов Ethernet было действительным эмпирическое правило — в разделяемом сегменте не должно быть больше 30 узлов. Теперь ситуация изменилась и нередко 3-4 компьютера полностью загружают сегмент Ethernet с его максимальной пропускной способностью в 10 Мб/с или же 14880 кадров в секунду.

Более универсальным критерием загруженности сегмента Ethernet по сравнению с общим количеством узлов является суммарная нагрузка на сегмент, создаваемая его узлами. Если каждый узел генерирует в сред­нем mi кадров в секунду для передачи по сети, то средняя суммарная на­грузка на сеть будет составлять 2, т, кадров в секунду. Известно, что при отсутствии коллизий, то есть при самом благоприятном разбросе запро­сов на передачу кадров во времени, сегмент Ethernet может передать не больше 14880 кадров в секунду (для самых коротких по стандарту кадров в 64 байта). Поэтому, если принять эту величину за единицу, то отноше­ние 2j m/14880 будет характеризовать степень использования канала, на­зываемый также коэффициентом загрузки.

Зависимость времени ожидания доступа к сети от коэффициента загрузки гораздо меньше зависит от интенсивности трафика каждого уз­ла, поэтому эту величину удобно использовать для оценки пропускной способности сети, состоящей из произвольного числа узлов. Имитаци­онное моделирование сети Ethernet и исследование ее работы с помощью анализаторов протоколов показали, что при коэффициенте загрузки в районе 0.3-0.5 начинается быстрый рост числа коллизий и соответствен­но времени ожидания доступа. Поэтому во многих системах управления сетями пороговая граница для индикатора коэффициента загрузки по умолчанию устанавливается на величину 0.3.

Ограничения, связанные с возникающими коллизиями и боль­шим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяе­мого сегмента, чаще всего оказываются более серьезными, чем ограни­чение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой передачи электрических сигналов в кабелях.

Технология Ethernet была выбрана в качестве примера при демон­страции ограничений, присущих технологиям локальных сетей, так как в этой технологии 

ограничения проявляются наиболее ярко, а их причины достаточно очевидны. Однако подобные ограничения присущи и всем остальным технологиям локальных сетей, так как они опираются на ис­пользование среды передачи данных как одного разделяемого ресурса. Кольца Token Ring и FDDI также могут использоваться узлами сети только в режиме разделяемого ресурса. Отличие от канала Ethernet здесь состоит только в том, что маркерный метод доступа определяет детерми­нированную очередность предоставления доступа к кольцу, но по-преж­нему при предоставлении доступа одного узла к кольцу все остальные уз­лы не могут передавать свои кадры и должны ждать, пока владеющий правом доступа узел не завершит свою передачу.

Как и в технологии Ethernet, в технологиях Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и lOOVG-AnyLAN также определены максимальные длины от­дельных физических сегментов кабеля и ограничения на максимальный диаметр сети и максимальное количество в ней узлов. Эти ограничения несколько менее стеснительны, чем у технологии Ethernet, но также мо­гут быть серьезным препятствием при создании крупной сети.

Особенно же быстро может проявиться ограничение, связанное с коэффициентом загрузки общей среды передачи данных. Хотя метод маркерного доступа, используемый в технологиях Token Ring и FDDI, или метод приоритетных требований технологии lOOVG-AnyLAN позво­ляют работать с более загруженными средами, все равно отличия эти только количественные — резкий рост времени ожидания начинается в таких сетях при больших коэффициентах загрузки, где-то в районе 60% — 70%. Качественный характер нарастания времени ожидания доступа и в этих технологиях тот же, и он не может быть принципиально иным, когда общая среда передачи данных разделяется во времени между ком­пьютерами сети.

Общее ограничение локальных сетей, построенных только с ис­пользованием повторителей и концентраторов, состоит в том, что общая производительность такой сети всегда фиксирована и равна максималь­ной производительности используемого протокола. И эту производи­тельность можно повысить только перейдя к другой технологии, что свя­зано с дорогостоящей заменой всего оборудования.

Рассмотренные ограничения являются платой за преимущества, которые дает использование разделяемых каналов в локальных сетях. Эти преимущества существенны, недаром технологии такого типа суще­ствуют уже около 20 лет.

К преимуществам нужно отнести в первую очередь:

♦                 простоту топологии сети;

♦                 гарантию доставки кадра адресату при соблюдении ограничений стандарта и корректно работающей аппаратуре;

♦                 простоту протоколов, обеспечившую низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов;

Однако начавшийся процесс вытеснения повторителей и концен­траторов коммутаторами говорит о том, что приоритеты изменились, и за повышение общей пропускной способности сети пользователи готовы пойти на издержки, связанные с приобретением коммутаторов вместо концентраторов.

Локальные мосты

Для преодоления ограничений технологий локальных сетей уже достаточно давно начали применять локальные мосты, функциональные предшественники коммутаторов.

Мост — это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (реже нескольких) локальных сетей посредством передачи кадров из од­ной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост, в отличие от повторителя, не старается поддержать побитовый синхро­низм в обеих объединяемых сетях. Вместо этого он выступает по отноше­нию к каждой из сетей как конечный узел. Он принимает кадр, буфери­зует его, анализирует адрес назначения кадра и только в том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда.

Для передачи кадра в другую сеть мост должен получить доступ к ее разделяемой среде передачи данных в соответствии с теми же правила­ми, что и обычный узел.

Таким образом мост, изолирует трафик одного сегмента от трафи­ка другого сегмента, фильтруя кадры. Так как в каждый из сегментов те­перь направляется трафик от меньшего числа узлов, то коэффициент за­грузки сегментов уменьшается.

Мост не только снижает нагрузку в объединенной сети, но и уменьшает возможности несанкционированного доступа, так как паке­ты, предназначенные для циркуляции внутри одного сегмента, физичес­ки не появляются на других, что исключает их «прослушивание» станци­ями других сегментов.

По своему принципу действия мосты подразделяются на два типа. Мосты первого типа выполняют так называемую маршрутизацию от ис­точника (Source Routing), метод, разработанный фирмой IBM для своих сетей Token Ring. Этот метод требует, чтобы узел-отправитель пакета размещал в нем информацию о маршруте пакета. Другими словами, каж­дая станция должна выполнять функции по маршрутизации пакетов. Второй тип мостов осуществляет прозрачную для конечных станций пе­редачу пакетов (Transparent Bridges). Именно этот тип мостов лег в осно­ву современных коммутаторов, поэтому остановимся на нем подробнее.

Функции и алгоритмы прозрачных мостов

Прозрачные мосты являются наиболее распространенным типом мостов. Для прозрачных мостов сеть представляется наборами МАС-ад-ресов устройств, используемых на канальном уровне, причем каждый набор связан с определенным портом моста.

Мосты используют эти адреса для принятия решения о продвиже­нии кадра, когда кадр записывается во внутренний буфер моста из како­го-либо его порта. Мосты не имеют доступа к информации об адресах се­тей, относящейся к более высокому — сетевому — уровню, и они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей между собой. Таким образом, мосты являются совершенно прозрачными для протоколов, на­чиная с сетевого уровня и выше. Эта прозрачность позволяет мостам пе­редавать пакеты различных протоколов высокого уровня, никоим обра­зом не влияя на их содержимое.

Вследствие функциональной ограниченности мосты имеют доста­точно простое устройство и представляют собой удобное и недорогое средство для построения интерсети.

Мосты обеспечивают возможность соединения двух или более се­тей для образования единой логической сети. Исходные сети становятся сетевыми сегментами результирующей сети. Каждый такой сегмент ос­тается доменом коллизий, то есть участком сети, в котором все узлы од­новременно фиксируют и обрабатывают коллизию. Однако коллизии одного сегмента не приводят к возникновению коллизий в другом сег­менте, так как мост не осуществляет побитовый синхронизм сегментов и ограничивает коллизии тем сегментом, в котором они возникают.

Мосты регенерируют пакеты, которые они передают с одного пор­та на другой (операция forwarding). Одним из преимуществ использова­ния мостов является увеличение расстояния, покрываемого интерсетью, так как количество пересекаемых мостов не оказывает влияния на каче­ство сигнала.

Прозрачные мосты имеют дело как с адресом источника, так и с адресом назначения, имеющимися в кадрах локальных сетей. Мост ис­пользует адрес источника для автоматического построения своей базы данных адресов устройств, называемой также таблицей адресов уст­ройств. В этой таблице устанавливается принадлежность адреса узла ка­кому-либо порту моста. Все операции, которые выполняет мост, связаны с этой базой данных. Функции доступа к среде при приеме и передаче ка­дров выполняют микросхемы MAC.

Все порты моста работают в так называемом «неразборчивом» (promisquous) режиме захвата пакетов, то есть все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах и использует проходящие через него пакеты для изучения со­става сети.

Когда мост получает кадр от какого-либо своего порта, то он (по­сле буферизации) сравнивает адрес источника с элементами базы дан­ных адресов. Если адрес отсутствует в базе, то он добавляется в нее. Если этот адрес уже имеется в базе, то возможны два варианта — либо адрес пришел с того же порта, который указан в таблице, либо он пришел с другого порта. В последнем случае строка таблицы, соответствующая об­рабатываемому адресу, обновляется — номер порта заменяется на новое значение (очевидно, станцию с данным адресом переместили в другой сегмент сети). Таким способом мост «изучает» адреса устройств сети и их принадлежность портам и соответствующим сегментам сети. Из-за спо­собности моста к «обучению» к сети могут добавляться новые устройства без необходимости реконфигурирования моста. Администратор может объявить часть адресов статическими и не участвующими в процессе обучения (при этом он их должен задать сам). В случае статического ад­реса приход пакета с данным адресом и значением порта, не совпадаю­щим с хранящимся в базе, будет проигнорирован и база не обновится.

Кроме адреса источника мост просматривает и адрес назначения кадра, чтобы принять решение о его дальнейшем продвижении. Мост сравнивает адрес назначения кадра с адресами, хранящимися в его базе. Если адрес назначения принадлежит тому же сегменту, что и адрес ис­точника, то мост «фильтрует» (filtering) пакет, то есть удаляет его из сво­его буфера и никуда не передает. Эта операция помогает предохранить сеть от засорения ненужным трафиком.

Если адрес назначения присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту по сравнению с сегментом адреса источника, то мост определяет, какой из его портов связан с этим адресом и «продвигает» (forwarding) кадр на соответствующий порт. Затем порт должен получить доступ к среде подключенного к нему сегмента и передать кадр узлам данного сегмента.

Если же адрес назначения отсутствует в базе или же это широкове­щательный адрес, то мост передает кадр на все порты, за исключением того порта, с которого он пришел. Такой процесс называется «затопле­нием» (flooding) сети. Затопление гарантирует, что пакет будет помещен на все сегменты сети и, следовательно, доставлен адресату или адреса­там. Точно также 

мост поступает по отношению к кадрам с неизвестным адресом назначения, затопляя им сегменты сети. Очевидно, что некото­рое время после инициализации мост выполняет только операцию за­топления, так как он ничего не знает о принадлежности адресов сегмен­там сети.

Мост может быть прозрачен не только для протоколов всех уров­ней, выше канального, но и для конечных узлов сети. Эта прозрачность состоит в том, что узлы не посылают мосту свои кадры специальным об­разом, указывая в них адрес порта моста. Даже при наличии моста в сети конечные узлы продолжают посылать кадры данных непосредственно другим узлам, указывая их адреса в качестве адресов назначения кадров. Поэтому порты мостов вообще не имеют МАС-адресов, работая в режи­ме «неразборчивого» захвата всех кадров. Такая прозрачность моста уп­рощает работу конечных узлов, и это свойство коренным образом отли­чает мост от маршрутизатора, которому узел отправляет кадр явным об­разом, указывая МАС-адрес порта маршрутизатора в своем кадре.

МАС-адрес сетевого адаптера аппаратно устанавливается изгото­вителем, то при перемещении компьютера мосты должны периодически обновлять содержимое своих адресных баз. Для обеспечения этой функ­ции записи в адресной базе делятся на два типа — статические и динами­ческие. С каждой динамической записью связан таймер неактивности. Когда мост принимает кадр с адресом источника, соответствующим не­которой записи в адресной базе, то соответствующий таймер неактивно­сти сбрасывается в исходное состояние. Если же от какой-либо станции долгое время не поступает кадров, то таймер неактивности исчерпывает свой интервал, и соответствующая ему запись удаляется из адресной ба­зы.

Проблема петель при использовании мостов

Обучение, фильтрация и продвижение основаны на существова­нии одного логического пути между любыми двумя узлами сети. Нали­чие нескольких путей между устройствами, известных также как «актив­ные петли», создает проблемы для сетей, построенных на основе мостов.

Рассмотрим в качестве примера сеть, где два сегмента параллель­но соединены двумя мостами так, что образовалась активная петля. Пусть новая станция с адресом 10 впервые посылает пакет другой стан­ции сети, адрес которой также пока неизвестен мосту. Пакет попадает как в мост 1, так и в мост 2, где его адрес заносится в базу адресов с по­меткой о его принадлежности сегменту 1. Так как адрес назначения не­известен мосту, то каждый мост передает пакет на сегмент 2. Эта переда­ча происходит поочередно, в соответствии с методом случайного доступа технологии Ethernet. Пусть первым доступ к сегменту 2 получил мост 1. При появлении пакета на сегменте 2 мост 2 принимает его в свой буфер и обрабатывает. Он видит, что адрес 10 уже есть в его базе данных, но пришедший пакет является более свежим, и он утверждает, что адрес 10 принадлежит сегменту 2, а не 1. Поэтому мост 2 корректирует содержи­мое базы и делает запись о том, что адрес 10 принадлежит сегменту 2. Аналогично поступает мост 1, когда мост 2 передает свою буферизован­ную ранее первую версию пакета на сегмент 2. В результате пакет беско­нечно циркулирует по активной петле, а мосты постоянно обновляют за­писи в базе, соответствующие адресу 10. Сеть засоряется ненужным трафиком, а мосты входят в состояние «вибрации», постоянно обновляя свои базы данных.

В простых сетях сравнительно легко гарантировать существование одного и только одного пути между двумя устройствами. Но когда коли­чество соединений возрастает или интерсеть становится сложной, то ве­роятность непреднамеренного образования петли становится высокой. Кроме того, желательно для повышения надежности иметь между моста­ми резервные связи, которые не участвуют при нормальной работе ос­новных связей в передаче информационных пакетов станций, но при от­казе какой-либо основной связи образуют новую связную рабочую конфигурацию без петель. Описанные задачи решает алгоритм покрыва­ющего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA).

Требования к пропускной способности моста

До сих пор мы предполагали, что при использовании моста для связи двух сегментов вместо повторителя общая производительность се­ти всегда повышается, так как уменьшается количество узлов в каждом сегменте и загрузка сегмента уменьшается на ту долю трафика, который теперь является внутренним трафиком другого сегмента. Это действи­тельно так, но при условии что мост передает межсегментный трафик без значительных задержек и без потерь кадров. Однако, анализ рассмотрен­ного алгоритма работы моста говорит о том, что мост может и задержи­вать кадры и, при определенных условиях, терять их. Задержка, вноси­мая мостом, равна по крайней мере времени записи кадра в буфер. Как правило, после записи кадра на обработку адресов также уходит некото­рое время, особенно если размер адресной таблицы велик. Поэтому за­держка увеличивается на время обработки кадра.

Время обработки кадра влияет не только на задержку, но и на ве-~ роятность потери кадров. Если время обработки кадра окажется меньше интервала до поступления следующего кадра, то следующий кадр будет помещен в буфер и будет ожидать там, пока процессор моста не освобо­диться и не займется обработкой поступившего кадра. Если средняя ин­тенсивность поступления кадров будет в течение длительного времени превышать производительность моста, то есть величину, обратную сред­нему времени обработки кадра, то буферная память, имеющаяся у моста для хранения необработанных кадров, может переполниться. В такой си­туации мосту некуда будет записывать поступающие кадры и он начнет их терять, то есть просто отбрасывать.

Потеря кадра — ситуация очень нежелательная, так как ее послед­ствия не ликвидируются протоколами локальных сетей. Потеря кадра будет исправлена только протоколами транспортного или прикладного уровней, которые заметят потерю части своих данных и организуют их повторную пересылку. Однако, при регулярных потерях кадров каналь­ного уровня производительность сети может уменьшится в несколько раз, так как тайм-ауты, используемые в протоколах верхних уровней, су­щественно превышают времена передачи кадров на канальном уровне, и повторная передача кадра может состояться через десятки секунд.

Для предотвращения потерь кадров мост должен обладать произ­водительностью, превышающую среднюю интенсивность межсегмент­ного трафика и большой буфер для хранения кадров, передаваемых в пе­риоды пиковой нагрузки.

В локальных сетях часто оказывается справедливым эмпиричес­кое правило 80/20, говорящее о том, что при правильном разбиении сети на сегменты 80% трафика оказывается внутренним трафиком сегмента, и только 20% выходит за его пределы. Если считать, что это правило дейст­вует по отношению к конкретной сети, то мост должен обладать произ­водительностью в 20% от максимальной пропускной способности сег­мента Ethernet, то есть производительностью 0.2 (14880 = 3000 кадра в секунду. Обычно локальные мосты обладают производительностью от 3000 кадров в секунду и выше.

Однако, гарантий на доставку кадров в любых ситуациях мост, в отличие от повторителя, не дает. Это его принципиальный недостаток, с которым приходится мириться.

Принципы коммутации сегментов и узлов

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повыше­нии пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. Эта технология основана на отказе от ис­пользования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и использовании коммутаторов, позволяющих одновременно передавать пакеты между всеми его парами портов.

Функционально многопортовый коммутатор работает как много­портовый мост, то есть работает на канальном уровне, анализирует заго­ловки кадров, автоматически строит адресную таблицу и на основании этой таблицы перенаправляет кадр в один из своих выходных портов или фильтрует его, удаляя из буфера. Новшество заключалось в параллель­ной обработке поступающих кадров, в то время как мост обрабатывает кадр за кадром. Коммутатор же обычно имеет несколько внутренних процессоров обработки кадров, каждый из которых может выполнять ал­горитм моста. Таким образом, можно считать, что коммутатор — это мультипроцессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность.

В структурной схеме коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, каждый порт обслуживается одним процессором паке­тов Ethernet — EPP (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессо­ров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутато­ра и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или муль­типроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с не­сколькими модулями памяти.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буфе­ризует несколько первых байт кадра, для того, чтобы прочитать адрес на­значения. После получения адреса назначения процессор сразу же при­нимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, то обращается к систем­ному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль произво­дит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору най­денную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.

После нахождения адреса назначения в адресной таблице, про­цессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байт кадра). Если кадр нужно отфильтровать, то процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра и ждет поступления нового кадра.

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обра­щается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом адреса назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назна­чения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом. Ес­ли же порт занят, то кадр полностью буферизуется процессором входно­го порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того, как нужный путь установился, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором вы­ходного порта, а после получения им доступа к среде передаются в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимае­мого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра.

При свободном, в момент приема кадра, состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и по­явлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («оп-the-fly») или «навылет» («cut-through*). Этот способ представляет по сути конвейерную обработ­ку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи:

♦                 1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.

♦                 2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

♦                 3. Коммутация матрицы.

♦                 4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.

♦                 5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

♦                 6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

♦                 7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания но­мера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

По сравнению с режимом полной буферизации кадра, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

Однако, главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка 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. Принцип работы 

коммутатора в сетях любых технологий оставался неизменным, хотя внутренняя организация коммутаторов раз­личных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch.

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, ATM.

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, ожвдая освобождения порта 3.

Полнодуплексные протоколы

Технология коммутации оставляет метод доступа к среде в неиз­менном виде. Это позволяет подключать к портам не только отдельные компьютеры, но и сегменты локальных сетей.

Узлы сегмента разделяют общую среду передачи данных, исполь­зуя либо пассивный коаксиальный кабель, либо концентраторы. 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 и соответствии с алгоритмами MAC-уровня стандарта FDDI.

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

В обычном режиме работы коммутатор по-прежнему распознает коллизии. Если сеть предстаплнет собой Ethernet па 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.

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и се­тевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают пере­дачу своих кадров, считая, что сегмент свободен. I) результате строгого соблюдения правил разделения среды по протоколу I it hornet 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 пом 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.

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'а 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.

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/с.

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 транко-вой 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.

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.

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.

Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то момент вре­мени обязательно переполнится.

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 ATM. 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 поданному 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.

Работа над выработкой стандарта для полнодуплексных версий Ethernet, Fast Ethernet и других технологий локальных сетей идет уже не­сколько лет, однако на момент написания этого пособия такие стандар­ты пока не приняты из-за разногласий членов соответствующих комите­тов по стандартизации, отстаивающих подходы фирм, в которых они работают.

Тем не менее, каждая из крупных компаний, выпускающих ком­муникационное оборудование, имеет свою версию полнодуплексных технологий и поддерживает их в своих продуктах — сетевых адаптерах и коммутаторах. Эти версии используют встроенные процедуры управле­ния потоком. Обычно это несложные процедуры, использующие две ко­манды — «Приостановить передачу» и «Возобновить передачу» — для уп­равления потоком кадров соседнего узла сети.

АТМ-коммутация

Кроме коммутаторов, поддерживающих стандартные протоколы локальных сетей и передающих кадры с порта на порт по алгоритмам моста, в локальных сетях стали применяться коммутаторы другого вида, а именно коммутаторы технологии ATM. В связи с этим коротко рассмо­трим основные принципы работы таких коммутаторов и способы их вза­имодействия с коммутаторами технологий локальных сетей.

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode — режим асинхрон­ной передачи) разрабатывалась изначально для совмещения синхронно­го голосового трафика и асинхронного компьютерного трафика в рамках одной территориальной сети. Затем сфера применения технологии ATM была расширена и на локальные сети. Мы не будем рассматривать все ас­пекты технологии ATM, а ограничимся изучением способов коммутации данных в сетях ATM, которые используются в коммутаторах ATM, при­меняемых в локальных сетях. Такие ATM-коммутаторы чаще всего не используют все возможности технологии, в частности поддержку син­хронного трафика, в основном из-за отсутствия приложений, которые могли бы воспользоваться таким сервисом.

Сеть ATM изначально разрабатывалась для поддержки полнодуп­лексного высокоскоростного режима обмена как между узлами сети, так и между ее коммутаторами.

ATM-станции и ATM-коммутаторы обмениваются между собой кадрами фиксированного размера в 53 байта. Эти кадры принято назы­вать ячейками. Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок — 5 байт. Адреса конечных узлов локальных сетях ATM составляют 20 байт.

Для того, чтобы пакеты содержали адрес узла назначения, и в то же время процент служебной информации не был большим по сравне­нию с размером поля данных пакета, в технологии ATM применен стан­дартный для глобальных вычислительных сетей прием — передача ячеек по виртуальным каналам. Техника коммутации данных в соответствии с номерами их виртуальных каналов давно использовалась в сетях Х.25, а затем нашла применение и в новых технологиях территориальных сетей — frame relay и ATM.

Принцип коммутации пакетов на основе виртуальных каналов следующий: конечные узлы не могут просто начать обмениваться данны­ми, как это принято в большинстве протоколов канального уровня ло­кальных сетей. Они должны перед обменом установить между собой ло­гическое соединение. При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета — запрос на установление соединения — который содержит многоразрядный адрес узла-адресата, а также номер виртуального соединения, присвоенного данному соедине­нию в узле-отправителе, например, 15. Ячейки ATM имеют 3-х байтное поле номера виртуального соединения, что позволяет коммутаторам и конечным узлам поддерживать одновременно очень большое количество виртуальных соединений.

Адрес назначения используется для маршрутизации запроса на ус­тановление соединения на основании таблиц маршрутизации, аналогич­ных тем, которые используются маршрутизаторами IP или IPX. В этих таблицах для каждого адреса назначения (или для группы адресов, име­ющих общую старшую часть, соответствующую адресу сети) указывается номер порта, на который нужно передать приходящий пакет. Таблица маршрутизации по назначению аналогична адресной таблице коммута­тора, но образуется она не путем изучения адресов проходящего трафи­ка, а либо вручную администратором, либо с 

помощью обмена между коммутаторами ATM специальных служебных данных о топологии свя­зей сети. Протокол обмена топологической информацией для сетей ATM имеет название PNNI — Private Network to Network Interface. Он разрабо­тан и принят в качестве стандарта, хотя не все ATM-коммутаторы пока его поддерживают.

В приведенном примере в соответствии с таблицей маршрутиза­ции оказалось необходимым передать пакет запроса на установление со­единения с порта 1 на порт 0. Одновременно с передачей пакета маршру­тизатор изменяет у пакета номер виртуального-соединения — он присваивает пакету первый не использованный номер виртуального ка­нала для данного порта данного коммутатора. Каждый конечный узел и каждый коммутатор ведет свой список использованных и свободных но­меров виртуальных соединений для своих портов.

Кроме таблицы маршрутизации для каждого порта составляется таблица коммутации. В таблице коммутации входного порта маршрути­затор отмечает, что в дальнейшем пакеты, прибывшие на этот порт с но­мером 15, должны передаваться на порт 0, причем номер виртуального канала должен быть изменен на 10. Одновременно делается и соответст­вующая запись в таблице коммутации порта 0 — пакеты, пришедшие по виртуальному каналу 10 в обратном направлении нужно передавать на порт с номером 1, меняя номер виртуального канала на 15.

В результате действия такой схемы пакеты данных уже не несут длинные адреса конечных узлов, а имеют в служебном поле только номер виртуального канала, на основании которого и производится маршрути­зация всех пакетов, кроме пакета запроса на установление соединения. В сети прокладывается виртуальный канал, который не изменяется в тече­ние всего времени существования соединения. Пакеты в виртуальном канале циркулируют в двух направлениях, то есть в полнодуплексном ре­жиме, причем, конечные узлы не замечают изменений номеров вирту­альных каналов при прохождении пакетов через сеть.

После образования таблицы коммутации, ячейки ATM обрабаты­ваются коммутаторами ATM примерно так же, как и коммутаторами тех­нологий локальных сетей. Исключение составляет только режим фильт­рации — он отсутствует, так как в ATM нет разделяемых сред и переданную коммутатору ячейку всегда нужно передать на какой-либо порт.

Виртуальные каналы бывают коммутируемыми (Switched Virtual Channel) и постоянными (Permanent Virtual Channel). Коммутируемые виртуальные каналы устанавливаются узлами динамически, в процессе работы, а постоянные виртуальные каналы образуются администрато­ром на продолжительный срок. Для постоянных виртуальных каналов не нужно выполнять процедуру установления соединения, так как комму­таторы уже настроены на их обработку — соответствующие таблицы коммутации уже сформированы администратором.

Коммутаторы ATM, работающие с компьютерным трафиком, предоставляют конечным узлам два вида сервиса. Сервис с неопределен­ной пропускной способностью (Unspecified Bit Rate) подобен сервису коммутаторов локальных сетей — он не гарантирует конечному узлу ка­кой-то определенной доли пропускной способности сети и не гаранти­рует, что все ячейки конечного узла будут доставлены по назначению. Это самый простой вид сервиса и он не использует какие-либо процеду­ры управления потоком, а при переполнении буферов коммутатора при­ходящие ячейки отбрасываются точно так же, как эти дели ют коммутато­ры локальных сетей.

Сервис ABR (Available Bit Rale) в отличие от сервиса 1ШК исполь­зует технику управления потоком для предотвращении иерегруюк сети и дает некоторые гарантии доставки ячеек узлу назначения.

Для этого при установлении соединении AUR между конечным уз лом и коммутаторами сети заключается соглашение о двух скоростях пе­редачи данных — пиковой скорости и минимальной скорости. Заключе­ние соглашения о параметрах трафика — прием, в локальных сетях обычно не применяющийся. Пользователь соединения ABR соглашает­ся не передавать данные со скоростью, выше пиковой, то есть PCR, и сеть соглашается всегда обеспечивать минимальную скорость передачи ячеек — MCR.

Если приложение при установлении ABR-соединения не опреде­ляет максимальную и минимальную скорости, то по умолчанию считает­ся, что максимальная скорость совпадает со скоростью линии доступа станции к сети, а минимальная скорость считается равной нулю.

Пользователь соединения ABR получает гарантированное качест­во сервиса в отношении потери ячеек и пропускной способности, а сеть при использовании трафика ABR не переполняется.

Для преобразования кадров, циркулирующих в локальных сетях, в 53-байтные ячейки, в технологии ATM определены функции сегмента­ции и сборки (Segmentation And Reassembling). Когда кадр поступает в коммутатор ATM, то он с помощью функции сегментации разделить его па последовательность ячеек. После передачи ячеек по сети коммутато­ров ATM они вновь собираютси в последнем коммутаторе с помощью функции реассемблирования в исходный кадр.

Технология ATM работает с несколькими скоростями доступа ко­нечных узлов к сети. Чаще всего используется скорость 155 Мб/с, более редкой является скорость доступа в 622 Мб/с. Существует и низкоскоро­стной доступ по линии в 25 Мб/с. Иерархия скоростей доступа — это так­же одна из особенностей технологии ATM, делающей ее очень удобной для применения в сложных сетях. При насыщении какой-либо части се­ти слишком интенсивным трафиком конечных узлов не нужно перехо­дить на принципиально новую технологию, достаточно просто устано­вить новый, более скоростной интерфейсный модуль коммутатора.

Очевидно, что различные принципы коммутации кадров в комму­таторах локальных сетей и в коммутаторах ATM требуют использования 

каких-то устройств, согласующих работу этих коммутаторов. Одной функции преобразования кадров и ячеек с помощью функций SAR явно недостаточно, так как нужно на основании МАС-адресов конечных уз­лов сети устанавливать виртуальные пути ячеек через АТМ-коммутато-ры.

Существуют частные решения отдельных производителей, позво­ляющие в рамках одного коммутатора совмещать обе технологии. Обыч­но, для подключения конечных пользователей используются порты тра­диционных технологий локальных сетей, например, Ethernet, а коммутаторы используют для обмена между собой технологию ATM, бо­лее масштабируемую.

Имеется и стандартный вариант решения этой задачи. Он носит название LAN Emulation — эмуляции локальных сетей.

ПечатьE-mail

Яндекс.Метрика