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

Техническая реализация коммутаторов

После того, как технология коммутации привлекла общее внима­ние и получила высокие оценки специалистов, многие компании заня­лись реализацией этой технологии в своих устройствах, применяя для этого различные технические решения. Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, то есть основывались на центральном процессоре общего назначения, связанном с интерфейс­ными портами по внутренней скоростной шине. Однако, это были ско­рее пробные устройства, предназначенные для освоения самой компа­нии технологии коммутации, а не для завоевания рынка.

Основным недостатком таких коммутаторов была их низкая ско­рость. Универсальный процессор никак не мог справиться с большим объемом специализированных операций по пересылке кадров между ин­терфейсными модулями.

Для ускорения операций коммутации нужны были специализиро­ванные процессоры со специализированными средствами обмена дан­ными, как в первом коммутаторе Kalpana, и они вскоре появились. Те­перь коммутаторы используют заказные специализированные БИС, которые оптимизированы для выполнения основных операций коммута­ции. Часто в одном коммутаторе используется несколько специализиро­ванных БИС, каждая из которых выполняет функционально закончен­ную часть операций.

В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем взаимодействия своих блоков или модулей:

♦                 коммутационная матрица;

♦                 разделяемая многовходовая память;

♦                 общая шина.

 

Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутационная матрица — основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов, именно он был реализован в пер­вом промышленном коммутаторе локальных сетей. Однако, реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества пор­тов коммутатора.

Матрица состоит из трех уровней двоичных переключателей, ко­торые соединяют свой вход с одним из двух выходов в зависимости от значения бита тэга. Переключатели первого уровня управляются первым битом тэга, второго — вторым, а третьего — третьим.

Матрица может быть реализована и по-другому, на основании комбинационных схем другого типа, но ее особенностью все равно оста­ется технология коммутации физических каналов. Известным недостат­ком этой технологии является отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы — если составной канал невозможно постро­ить из-за занятости выходного порта или промежуточного коммутацион­ного элемента, то данные должны накапливаться в их источнике, в дан­ном случае — во входном блоке порта, принявшего кадр.

Коммутаторы с общей шиной

Коммутаторы с общей шиной используют для связи процессоров портов высокоскоростную шину, используемую в режиме разделения времени. Эта архитектура коммутаторов на основе универсального про­цессора, но отличается тем, что шина здесь пассивна, а активную роль выполняют специализированные процессоры портов.

Для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее про­изводительность должна быть по крайней мере в N/2 раз выше скорости поступления данных во входные блоки процессоров портов. Кроме это­го, кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколь­ко байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходи­ла в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем ком­мутатора. Некоторые производители, например, LANNET (сейчас под­разделение компании Madge Networks), выбрали в качестве порции дан­ных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку ATM с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов ло­кальных сетей в протокол ATM, если коммутатор поддерживает эти тех­нологии.

Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тэг, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выход­ной блок процессора порта содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту.

Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществ­лять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбивают­ся на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступно­сти выходного порта в такой схеме нет.

Коммутаторы с разделяемой памятью

Третья базовая архитектура взаимодействия портов — двухвходо-вая разделяемая память.

Входные блоки процессоров портов соединяются с переключае­мым входом разделяемой памяти, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с переключаемым выходом этой памяти. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей вы­ходных портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные бло­ки процессоров передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных бло­ков процессоров и тот переписывает часть данных кадра в очередь опре­деленного выходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит также поочередное подключение выхода разделяемой памя­ти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди перепи­сываются в выходной буфер процессора.

Память должна быть достаточно быстродействующей для поддер­жания скорости переписи данных между N портами коммутатора. При­менение общей буферной памяти, гибко распределяемой менеджером между отдельными портами, снижает требования к размеру буферной памяти процессора порта.

Комбинированные коммутаторы

У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и не­достатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры при­меняются в комбинации друг с другом.

Коммутатор состоит из модулей с фиксированным количеством портов (2-8), выполненных на основе специализированной БИС (ASIC), реализующей архитектуру коммутационной матрицы. Если порты, меж­ду которыми нужно передать кадр данных, принадлежат одному модулю, то передача кадра осуществляется процессорами модуля на основе име­ющейся в модуле коммутационной матрицы. Если же порты принадле­жат разным модулям, то процессоры общаются по общей шине. При та­кой архитектуре передача кадров внутри модуля будет происходить чаще всего быстрее, чем при межмодульной передаче, так как коммутацион­ная матрица — наиболее быстрый, хотя и наименее масштабируемый способ взаимодействия портов. Скорость внутренней шины коммутато­ров может достигать нескольких Гб/с, а у наиболее мощных моделей — до 10-14 Гб/с.

Можно представить и другие способы комбинировании архитек­тур, например, использование для взаимодействия модулей разделяемой памяти.

Модульные и стековые коммутаторы

В конструктивном отношении коммутаторы делятся на:

♦                автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;

♦                модульные коммутаторы на основе шасси;

♦                коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.

Первый тип коммутаторов обычно предназначен для организации небольших рабочих групп.

Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего предназна­чены для применения на магистрали сети. Поэтому они выполняются на основе какой-либо комбинированной схемы, в которой взаимодействие модулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема. Модули такого коммута­тора выполняются на основе технологии «hot swap», то есть допускают замену на ходу, без выключения коммутатора, так как центральное ком­муникационное устройство сети не должно иметь перерывов в работе. Шасси обычно снабжается резервированными источниками питания и резервированными вентиляторами, в тех же целях. В целом такие комму­таторы напоминают маршрутизаторы высшего класса или корпоратив­ные многофункциональные концентраторы, поэтому иногда они вклю­чают помимо модулей коммутации и модули повторителей или маршрутизатров.

С технической точки зрения определенный интерес представляют стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутато­ры, которые могут работать автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему, которая работает как единый коммутатор. Говорят, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.

Обычно такой специальный интерфейс представляет собой высо­коскоростную шину, которая позволяет объединить отдельные корпуса подобно модулям в коммутаторе на основе шасси. Так как расстояния между корпусами больше, чем между модулями на шасси, скорость об­мена по шине обычно ниже, чем у модульных коммутаторов: 200-400 Мб/с. Не очень высокие скорости обмена между коммутаторами стека обусловлены также тем, что стековые коммутаторы обычно занимают промежуточное положение между коммутаторами с фиксированным ко­личеством портов и коммутаторами на основе шасси. Стековые комму­таторы применяются для создания сетей рабочих групп и отделов, поэто­му сверхвысокие скорости шин обмена им не очень нужны и не соответствуют их ценовому диапазону.

Компания Cisco предложила другой подход к организации стека. Ее коммутатор Catalyst 3000 (ранее называвшийся EtherSwitch Pro Stack) также имеет специальный скоростной интерфейс 280 Мб/с для организа­ции стека, но с его помощью коммутаторы соединяются не друг с другом, а с отдельным устройством, содержащим коммутационную матрицу 8x8, организующую более высокопроизводительный обмен между любыми парами коммутаторов.

Характеристики производительности коммутаторов

Основными характеристиками коммутатора, измеряющими его производительность, являются:

♦                скорость фильтрации (filtering);

♦                скорость маршрутизации (forwarding);

♦                пропускная способность (throughput);

♦                задержка передачи кадра.

Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:

♦                размер буфера (буферов) кадров;

♦                производительность внутренней шины;

♦                производительность процессора или процессоров;

♦                размер внутренней адресной таблицы.

Скорость фильтрации и скорость продвижения

Скорость фильтрации и продвижения кадров — это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.

Скорость фильтрации определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

♦                прием кадра в свой буфер,

♦                просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра,

♦                уничтожение кадра, так как его порт назначения совпадает с портом-источником.

Скорость продвижения определяет скорость, с которой коммута­тор выполняет следующие этапы обработки кадров:

♦                прием кадра в свой буфер,

♦                просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра,

♦                передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеря­ются обычно в кадрах в секунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию счи­тается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров мини­мального размера, то есть кадров длиной 64 байта (без преамбулы), с полем данных в 46 байт. Если скорости указаны для какого-либо опреде­ленного протокола, например, Token Ring или FDDI, то они также даны для кадров минимальной длины этого протокола (например, кадров дли­ны 29 байт для протокола FDDI). Применение в качестве основного по­казателя скорости работы коммутатора кадров минимальной длины объ­ясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности переносимых пользовательских дан­ных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим переда­чи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании для него параметров трафика. Кроме того, для па­кетов минимальной длины скорость фильтрации и продвижения имеют максимальное значение, что имеет немаловажное значение при рекламе коммутатора.

Пропускная способность коммутатора измеряется количеством переданных в единицу времени через его порты пользовательских дан­ных. Так как коммутатор работает на канальном уровне, то для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня — Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом и доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, и время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше.

Зависимость пропускной способности коммутатора от размера передаваемых кадров хорошо иллюстрирует пример протокола Ethernet, для которого при передаче кадров минимальной длины достигается ско­рость передачи в 14880 кадров в секунду и пропускная способность 5.48 Мб/с, а при передаче кадров максимальной длины — скорость передачи в 812 кадров в секунду и пропускная способность 9.74 Мб/с. Пропускная способность падает почти в два раза при переходе на кадры минималь­ной длины, и это еще без учета потерь времени на обработку кадров ком­мутатором.

Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с мо­мента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до мо­мента появления этого байта на выходном порту коммутатора. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором — просмотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или про­движении и получения доступа к среде выходного порта.

Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки обычно невелики и составляют от 10 мкс до 40 мкс, а при полной буфе­ризации кадров — от 50 мкс до 200 мкс (для кадров минимальной длины).

Коммутатор — это многопортовое устройство, поэтому для него принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки пере­дачи кадра) давать в двух вариантах. Первый вариант — суммарная про­изводительность коммутатора при одновременной передаче трафика по всем его портам, второй вариант — производительность, приведенная в расчете на один порт.

Так как при одновременной передаче трафика несколькими пор­тами существует огромное количество вариантов трафика, отличающе­гося размерами кадров в потоке, распределением средней интенсивнос­ти потоков кадров между портами назначения, коэффициентами вариации интенсивности потоков кадров и т.д. и т.п., то при сравнении коммутаторов по производительности необходимо принимать во внима­ние, для какого варианта трафика получены публикуемые данные произ­водительности. К сожалению, для коммутаторов (как, впрочем, и для маршрутизаторов) не существует общепринятых тестовых образцов тра­фика, которые можно было бы применять для получения сравнимых ха­рактеристик производительности, как это делается для получения таких характеристик производительности вычислительных систем, как ТРС-А или SPECint92. Некоторые лаборатории, постоянно проводящие тести­рование коммуникационного оборудования, разработали детальные описания условий тестирования коммутаторов и используют их в своей практике, однако общепромышленными эти тесты пока не стали.

Оценка необходимой общей производительности коммутатора

В идеальном случае коммутатор, установленный в сети, передает кадры между узлами, подключенными к его портам, с той скоростью, с которой узлы генерируют эти кадры, не внося дополнительных задержек и не теряя ни одного кадра. В реальной практике коммутатор всегда вно­сит некоторые задержки при передаче кадров, а также может некоторые кадры терять, то есть не доставлять их адресатам. Из-за различий во вну­тренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкрет­ного образца трафика. Лучшим критерием по-прежнему остается прак­тика, когда коммутатор ставится в реальную сеть и измеряются вноси­мые им задержки и количество потерянных кадров. Однако, существуют несложные расчеты, которые могут дать представление о том, как ком­мутатор будет вести себя в реальной ситуации.

Основой для оценки того, как будет справляться коммутатор со связью узлов или сегментов, подключенных к его портам, являются дан­ные о средней интенсивности трафика между узлами сети. Это означает, что нужно каким-то образом оценить, сколько в среднем кадров в секун­ду узел, подключенный к порту Р2, генерирует узлу, подключенному к порту Р4 (трафик Р24), узлу, подключенному к порту РЗ (трафик Р23), и так далее, до узла, подключенного к порту Р6. Затем эту процедуру нуж­но повторить для трафика, генерируемого узами, подключенными к пор­там 3, 4, 5 и 6. В общем случае, интенсивность трафика, генерируемого одним узлом другому, не совпадает с интенсивностью трафика, генери­руемого в обратном направлении.

Результатом исследования трафика будет построение матрицы трафика. Трафик можно измерять как в кадрах в секунду, так и в битах в секунду. Так как затем требуемые значения трафика будут сравниваться с показателями производительности коммутатора, то нужно их иметь в одних и тех же единицах. Для определенности будем считать, что в рас­сматриваемом примере трафик и производительность коммутатора из­меряются в битах в секунду.

Подобную матрицу строят агенты RMON MIB (переменная Traffic Matrix), встроенные в сетевые адаптеры или другое коммуникационное оборудование.

Для того, чтобы коммутатор справился с поддержкой требуемой матрицы трафика, необходимо выполнение нескольких условий.

1.  Общая производительность коммутатора должна быть больше
или равна суммарной интенсивности передаваемого трафика.

Если это неравенство не выполняется, то коммутатор заведомо не будет справляться с потоком поступающих в него кадров и они будут те­ряться из-за переполнения внутренних буферов. Так как в формуле фи­гурируют средние значения интенсивностей трафика, то никакой, даже очень большой размер внутреннего буфера или буферов коммутатора не сможет компенсировать слишком медленную обработку кадров.

Суммарная производительность коммутатора обеспечивается до­статочно высокой производительностью каждого его отдельного элемен­та — процессора порта, коммутационной матрицы, общей шины, соединяющей модули и т.п. Независимо от внутренней организации коммутатора и способов конвейеризации его операций, можно опреде­лить достаточно простые требования к производительности его элемен­тов, которые являются необходимыми для поддержки заданной матрица трафика. Перечислим некоторые из них.

2.  Номинальная максимальная производительность протокола
каждого порта коммутатора должна быть не меньше средней интенсив-
ности суммарного трафика, проходящего через порт.

3.  Производительность процессора каждого порта должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, проходящего че­рез порт. Условие аналогично предыдущему, но вместо номинальной производительности поддерживаемого протокола в ней должна исполь­зоваться производительность процессора порта.

4.  Производительность внутренней шины коммутатора должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, передава­емого между портами, принадлежащими разным модулям коммутатора.

Эта проверка должна выполняться, очевидно, только для тех ком­мутаторов, которые имеют внутреннюю архитектуру модульного типа с использованием общей шины для межмодульного обмена. Для коммута­торов с другой внутренней организацией, например, с разделяемой па­мятью, несложно предложить аналогичные формулы для проверки до­статочной производительности их внутренних элементов.

Приведенные условия являются необходимыми для того, чтобы коммутатор в среднем справлялся с поставленной задачей и не терял ка­дров постоянно. Если хотя бы одно из приведенных условий не будет вы­полнено, то потери кадров становятся не эпизодическим явлением при пиковых значениях трафика, а явлением постоянным, так как даже сред­ние значения трафика превышают возможности коммутатора.

Условия 1 и 2 применимы для коммутаторов с любой внутренней организацией, а условия 3 и 4 приведены в качестве примера необходи­мости учета производительности отдельных портов.

Так как производители коммутаторов стараются сделать свои уст­ройства как можно более быстродействующими, то общая внутренняя производительность коммутатора часто с некоторым запасом превышает среднюю интенсивность любого варианта трафика, который можно на­править на порты коммутатора в соответствии с их протоколами. Такие коммутаторы называются неблокирующими, что подчеркивает тот факт, что любой вариант трафика передается без снижения его интенсивности.

Однако, какой бы общей производительностью не обладал комму­татор, всегда можно указать для него такое распределение трафика меж­ду портами, с которым коммутатор не справится и начнет неизбежно те­рять кадры. Для этого достаточно, чтобы суммарный трафик, передаваемый через коммутатор для какого-нибудь его выходного порта, превысил максимальную пропускную способность протокола этого пор­та. Например, если порты Р4, Р5 и Р6 будут посылать на порт Р2 каждый по 5 Мб/с, то порт Р2 не сможет передавать в сеть трафик со средней ин­тенсивностью 15 Мб/с, даже если процессор этого порта обладает такой производительностью. Буфер порта Р2 будет заполняться со скоростью

15 Мб/с, а опустошаться со скоростью максимум 10 Мб/с, поэтому коли­чество необработанных данных будет расти со скоростью 5 Мб/с, неиз­бежно приводя к переполнению любого буфера конечного размера, а значит и к потере кадров.

Из приведенного примера видно, что коммутаторы могут полно­стью использовать свою высокую внутреннюю производительность только в случае хорошо сбалансированного трафика, когда вероятности передачи кадров от одного порта другим примерно равны. При «переко­сах» трафика, когда несколько портов посылают свой трафик преимуще­ственно одному порту, коммутатор может не справиться с поставленной задачей даже не из-за недостаточной производительности своих процес­соров портов, а по причине ограничений протокола порта.

Коммутатор может терять большой процент кадров и в тех случа­ях, когда все приведенные условия соблюдаются, так как они являются необходимыми, но недостаточными для своевременного продвижения получаемых на приемниках портов кадров. Эти условия недостаточны потому, что они очень упрощают процессы передачи кадров через ком­мутатор. Ориентация только на средние значения интенсивностей пото­ков не учитывает коллизий, возникающих между передатчиками порта и сетевого адаптера компьютера, потерь на время ожидания доступа к сре­де и других явлений, которые обусловлены случайными моментами гене­рации кадров, случайными размерами кадров и другими случайными факторами, значительно снижающими реальную производительность коммутатора. Тем не менее использование приведенных оценок полез­но, так как позволяет выявить случаи, когда применение конкретной мо­дели коммутатора для конкретной сети заведомо неприемлемо.

Так как интенсивности потоков кадров между узлами сети оце­нить удается далеко не всегда, то в заключение этого раздела приведем соотношение, которое позволяет говорить о том, что коммутатор облада­ет достаточной внутренней производительностью для поддержки пото­ков кадров в том случае, если они проходят через все его порты с макси­мальной интенсивностью. Другими словами, получим условие того, что при данном наборе портов коммутатор является неблокирующим.

Очевидно, что коммутатор будет неблокирующим, если общая внутренняя производительность коммутатора равна сумме максималь­ных пропускных способностей протоколов всех его портов.

То есть, если у коммутатора имеется, например, 12 портов Ethernet и 2 порта Fast Ethernet, то внутренней производительности в 320 Мб/с будет достаточно для обработки любого распределения трафика, попав­шего в коммутатор через его порты. Однако, такая внутренняя произво­дительность является избыточной, так как коммутатор предназначен не только для приема кадров, но и для их передачи на порт назначения. По­этому все порты коммутатора не могут постоянно с максимальной ско­ростью только принимать информацию извне — средняя интенсивность уходящей через все порты коммутатора информации должна быть равна средней интенсивности принимаемой информации. Следовательно, максимальная скорость передаваемой через коммутатор информации в стабильном режиме равна половине суммарной пропускной способнос­ти всех портов — каждый входной кадр является для какого-либо порта выходным кадром. В соответствии с этим утверждением для нормальной работы коммутатора достаточно, чтобы его внутренняя общая произво­дительность была равна половине суммы максимальных пропускных способностей протоколов всех его портов.

Поэтому, для коммутатора с 12 портами Ethernet и 2 портами Fast Ethernet вполне достаточно иметь среднюю общую производительность в 160 Мб/с, для нормальной работы по передаче любых вариантов рас­пределения трафика, которые могут быть переданы его портами в тече­ние достаточно длительного периода времени.

Еще раз нужно подчеркнуть, что это условие гарантирует только то, что внутренние элементы коммутатора — процессоры портов, меж­модульная шина, центральный процессор и т.п. — справятся с обработ­кой поступающего трафика. Асимметрия в распределении этого трафика по выходным портам всегда может привести к невозможности своевре­менной передачи трафика в сеть из-за ограничений протокола порта. Для предотвращения потерь кадров многие производители коммутато­ров применяют фирменные решения, позволяющие «притормаживать» передатчики узлов, подключенных к коммутатору, то есть вводят эле­менты управления потоком не модифицируя протоколы портов конеч­ных узлов. Эти способы будут рассмотрены ниже при рассмотрении до­полнительных возможностей коммутаторов.

Кроме пропускных способностей отдельных элементов коммута­тора, таких как процессоры портов или общая шина, на производитель­ность коммутатора влияют такие его параметры как размер адресной таб­лицы и объем общего буфера или отдельных буферов портов.

Размер адресной таблицы

Максимальная емкость адресной таблицы определяет максималь­ное количество МАС-адресов, с которыми может одновременно опери­ровать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для вы­полнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт. Экземпляры адресной таблицы разных процессорных моду­лей не обязательно содержат одну и ту же адресную информацию — ско­рее всего повторяющихся адресов будет не так много, если только рас­пределение трафика каждого порта не полностью равновероятное между остальными портами. Каждый порт хранит только те наборы адресов, которыми он пользуется в последнее время.

Значение максимального числа МАС-адресов, которое может за­помнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько ад­ресов на порт, так как они предназначены для образования микросег­ментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей — до нескольких тысяч, обычно 4К-8К адресов.

Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причи­ной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным тра­фиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, то он дол­жен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть вре­мени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то ком­мутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем необязательны.

Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом на­значения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магист­ральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизве­стным адресом. В маршрутизаторах такой прием применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц в сетях, организованных по иерархическому принципу.

Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору, который имеет достаточную емкость адресной таблицы и знает, куда нужно пере­дать любой кадр. Пример успешной передачи кадра при использовании магистрального порта заключается в том, что коммутатор верхнего уров­ня имеет информацию о всех узлах сети, поэтому кадр с адресом назна­чения МАСЗ, переданный ему через магистральный порт, он передает через порт 2 коммутатору, к которому подключен узел с адресом МАСЗ.

Хотя метод магистрального порта и будет работать эффективно во многих случаях, но можно представить такие ситуации, когда кадры бу­дут просто теряться. Одна из таких ситуаций следующая: коммутатор нижнего уровня удалил из своей адресной таблицы адрес МАС8, кото­рый подключен к его порту 4, для того, чтобы освободить место для но­вого адреса МАСЗ. При поступлении кадра с адресом назначения МАС8, коммутатор передает его на магистральный порт 5, через который кадр попадает в коммутатор верхнего уровня. Этот коммутатор видит по сво­ей адресной таблице, что адрес МАС8 принадлежит его порту 1, через ко­торый он и поступил в коммутатор. Поэтому кадр далее не обрабатывает­ся и просто отфильтровывается, а, следовательно, не доходит до адресата. Поэтому более надежным является использование коммутато­ров с достаточным количеством адресной таблицы для каждого порта, а также с поддержкой общей адресной таблицы модулем управления ком­мутатором.

Объем буфера

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания крат­ковременных пульсаций трафика. Ведь даже если трафик хорошо сба­лансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи сред­них значений трафика, то это не гарантирует, что их производительнос­ти хватит при очень больших пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать од­новременно на все входы коммутатора, не давая ему возможности пере­давать принимаемые кадры на выходные порты.

Для предотвращения потерь кадров при кратковременном много­кратном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессор­ный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения ка­дров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений тра­фика буфер все равно рано или поздно переполниться.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответствен­ных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или со­тен килобайт на порт. Хорошо, когда эту буферную память можно пере­распределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколь­ко мегабайт.

Дополнительные возможности коммутаторов

Так как коммутатор представляет собой сложное вычислительное устройство, имеющее несколько процессорных модулей, то естественно нагрузить его помимо выполнения основной функции передачи кадров с порта на порт по алгоритму моста и некоторыми дополнительными функциями, полезными при построении надежных и гибких сетей. Ни­же описываются наиболее распространенные дополнительные функции коммутаторов, которые поддерживаются большинством производителей коммуникационного оборудования.

 

Трансляция протоколов канального уровня

Коммутаторы могут выполнять трансляцию одного протокола ка­нального уровня в другой, например, Ethernet в FDDI, Fast Ethernet в Token Ring и т.п. При этом они работают по тем же алгоритмам, что и транслирующие мосты, то есть в соответствии со спецификациями RFC 1042 и 802.1Н, определяющими правила преобразования полей кадров разных протоколов.

Трансляцию протоколов локальных сетей облегчает тот факт, что наиболее сложную работу, которую часто выполняют маршрутизаторы и шлюзы при объединении гетерогенных сетей, а именно работу по транс­ляции адресной информации, в данном случае выполнять не нужно. Все конечные узлы локальных сетей имеют уникальные адреса одного и того же формата, независимо от поддерживаемого протокола. Поэтому адрес сетевого адаптера Ethernet понятен сетевому адаптеру FDDI, и они могут использовать эти адреса в полях своих кадров не задумываясь о том, что узел, с которым они взаимодействуют, принадлежит сети, работающей по другой технологии.

Поэтому при согласовании протоколов локальных сетей коммута­торы не строят таблиц соответствия адресов узлов, а переносят адреса на­значения и источника из кадра одного протокола в кадр другого протоко­ла. Единственным преобразованием, которое, возможно, придется при этом выполнить, является преобразование порядка бит в байте, если со­гласуется сеть Ethernet с сетью Token Ring или FDDI. Это связано с тем, что в сетях Ethernet принята так называемая каноническая форма пере­дачи адреса по сети, когда сначала передается самый младший бит само­го старшего байта адреса. В сетях FDDI и Token Ring всегда передается сначала самый старший бит самого старшего байта адреса. Так как тех­нология lOOVG-AnyLAN использует кадры или Ethernet или Token Ring, то ее трансляция в другие технологии зависит от того, кадры каких про­токолов используются в данном сегменте сети lOOVG-AnyLAN.

Кроме изменения порядка бит при передаче байт адреса, трансля­ция протокола Ethernet (и Fast Ethernet, который использует формат ка­дров Ethernet) в протоколы FDDI и Token Ring включает выполнение следующих (возможно не всех) операций:

♦                 Вычисление длины поля данных кадра и помещение этого значения в поле Length при передаче кадра из сети FDDI или Token Ring в сеть Ethernet 802.3 (в кадрах FDDI и Token Ring поле длины отсутствует).

♦                 Заполнение полей статуса кадра при передаче кадров из сети FDDI или Token Ring в сеть Ethernet. Кадры FDDI и Token Ring имеют два бита, которые должны быть установлены станцией, которой предназначался кадр — бит распознавания адреса А и бит копирования кадра С. При получении кадра станция должна установить эти два бита для того, чтобы кадр, вернувшийся по кольцу к станции, его сгенерировавшей, принес данные обратной связи. При передаче коммутатором кадра в другую сеть нет стандартных правил для установки бит А и С в кадре, который возвращается по кольцу к станции-источнику. Поэтому производители коммутаторов решают эту проблему по своему усмотрению.

♦                 Отбрасывание кадров, передаваемых из сетей FDDI или Token Ring в сеть Ethernet с размером поля данных большим, чем 1500 байт, так как это максимально возможное значение поля данных для сетей Ethernet. В дальнейшем возможно усечение максимального размера поля данных сетей FDDI или Token Ring средствами протоколов верхнего уровня, например, TCP. Другим вариантом решения этой проблемы является поддержка коммутатором IP фрагментации, но это требует, во-первых, реализации в коммутаторе протокола сетевого уровня, а во-вторых, поддержки протокола IP взаимодействующими узлами транслируемых сетей.

♦                 Заполнение поля Туре (тип протокола в поле данных) кадра Ethernet II при приходе кадров из сетей,

поддерживающих кадры FDDI или Token Ring, в которых это поле отсутствует. Для сохранения информации поля Туре в стандарте RFC 1042 предлагается использовать поле Туре заголовка кадра LLC/SNAP, вкладываемого в поле данных МАС-кадра протоколов FDDI или Token Ring. При обратном преобразовании значение из поля Туре заголовка LLC/SNAP переносится в поле Туре кадра Ethernet II.

♦     Пересчет контрольной суммы кадра в соответствии со сформированными значениями служебных полей кадра.

Поддержка алгоритма Spanning Tree

Алгоритм Spanning Tree (STA) позволяет коммутаторам автомати­чески определять древовидную конфигурацию связей в сети при произ­вольном соединения портов между собой. Как уже отмечалось, для нор­мальной работы коммутатора требуется отсутствие замкнутых маршрутов в сети. Эти маршруты могут создаваться администратором специально для образования резервных связей или же возникать случай­ным образом, что вполне возможно, если сеть имеет многочисленные связи, а кабельная система плохо структурирована или документирова­на.

Поддерживающие алгоритм STA коммутаторы автоматически со­здают активную древовидную конфигурацию связей (то есть связную конфигурацию без петель) на множестве всех связей сети. Такая конфи­гурация называется покрывающим деревом — Spanning Tree (иногда ее называют остовным или основным деревом), и ее название дало имя все­му алгоритму.

Коммутаторы находят покрывающее дерево адаптивно с помо­щью обмена служебными пакетами. Реализация в коммутаторе алгорит­ма STA очень важна для работы в больших сетях — если коммутатор не поддерживает этот алгоритм, то администратор должен самостоятельно определить, какие порты нужно перевести в заблокированное состояние, чтобы исключить петли. К тому же при отказе какой-либо связи, порта или коммутатора администратор должен, во-первых, обнаружить факт отказа, а, во-вторых, ликвидировать последствия отказа, переведя ре­зервную связь в рабочий режим путем активизации некоторых портов.

Основные определения

В сети определяется корневой коммутатор (root switch), от которо­го строится дерево. Корневой коммутатор может быть выбран автомати­чески или назначен администратором. При автоматическом выборе кор­

 

невым становится коммутатор с меньшим значением МАС-адреса его блока управления.

Для каждого коммутатора определяется корневой порт (root port) — это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до корневого коммутатора (точнее, до любого из портов корневого коммутатора). За­тем для каждого сегмента сети выбирается так называемый назначенный порт (designated port) — это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора.

Понятие расстояния играет важную роль в построении покрываю­щего дерева. Именно по этому критерию выбирается единственный порт, соединяющий каждый коммутатор с корневым коммутатором, и единственный порт, соединяющий каждый сегмент сети с корневым коммутатором. Все остальные порты переводятся в резервное состояние, то есть такое, при котором они не передают обычные кадры данных. Можно доказать, что при таком выборе активных портов в сети исключа­ются петли и оставшиеся связи образуют покрывающее дерево.

Расстояние до корня определяется как суммарное условное время на передачу данных от порта данного коммутатора до порта корневого коммутатора. При этом считается, что время внутренних передач данных (с порта на порт) коммутатором пренебрежимо мало, а учитывается толь­ко время на передачу данных по сегментам сети, соединяющим коммута­торы. Условное время сегмента рассчитывается как время, затрачивае­мое на передачу одного бита информации в 10-наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам, а для сегмен­та Token Ring 16 Мб/с — 6.25. (Алгоритм STA не связан с каким-либо оп­ределенным стандартом канального уровня, он может применяться к коммутаторам, соединяющим сети различных технологий.)

Для автоматического определения начальной активной конфигу­рации дерева все коммутаторы сети после их инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста — BPDU (Bridge Protocol Data Unit), что отражает факт первоначальной разработки алгоритма STA для мостов.

Пакеты BPDU помещаются в поле данных кадров канального уровня, например, кадров Ethernet или FDDI. Желательно, чтобы все коммутаторы поддерживали общий групповой адрес, с помощью которо­го кадры, содержащие пакеты BPDU, могли одновременно передаваться всем коммутаторам сети. Иначе пакеты BPDU рассылаются широкове­щательно.

Пакет BPDU имеет следующие поля:

♦                Идентификатор версии протокола STA — 2 байта. Коммутаторы должны поддерживать одну и ту же версию протокола STA, иначе может установиться активная конфигурация с петлями.

♦                Тип BPDU — 1 байт. Существует два типа BPDU — конфигурационный BPDU, то есть заявка на возможность стать корневым коммутатором, на основании которой происходит определение активной конфигурации, и BPDU уведомления о реконфигурации, которое посылается коммутатором, обнаружившим событие, требующее проведения реконфигурации — отказ линии связи, отказ порта, изменение приоритетов коммутатора или портов.

♦                Флаги — 1 байт. Один бит содержит флаг изменения конфигурации, второй бит — флаг подтверждения изменения конфигурации.

♦                Идентификатор корневого коммутатора — 8 байтов.

♦                Расстояние до корня — 2 байта.

♦                Идентификатор коммутатора — 8 байтов.

♦                Идентификатор порта — 2 байта.

♦                Время жизни сообщения — 2 байта. Измеряется в единицах по 0.5 с, служит для выявления устаревших сообщений. Когда пакет BPDU проходит через коммутатор, тот добавляет ко времени жизни пакета время его задержки данным коммутатором.

♦                Максимальное время жизни сообщения — 2 байта. Если пакет BPDU имеет время жизни, превышающее максимальное, то он игнорируется коммутаторами.

♦                Интервал hello, через который посылаются пакеты BPDU.

♦                Задержка смены состояний — 2 байта. Минимальное время перехода портов коммутатора в активное состояние. Такая задержка необходима, чтобы исключить возможность временного возникновения альтернативных маршрутов при неодновременной смене состояний портов во время реконфигурации.

 

У пакета BPDU уведомления о реконфигурации отсутствуют все поля, кроме двух первых.

После инициализации каждый коммутатор сначала считает себя корневым. Поэтому он начинает через интервал hello генерировать через все свои порты сообщения BPDU конфигурационного типа. В них он указывает свой идентификатор в качестве идентификатора корневого коммутатора (и в качестве данного коммутатора также), расстояние до корня устанавливается в 0, а в качестве идентификатора порта указыва­ется идентификатор того порта, через который передается BPDU. Как только коммутатор получает BPDU, в котором имеется идентификатор корневого коммутатора, меньше его собственного, он перестает генери­ровать свои собственные кадры BPDU, а начинает ретранслировать только кадры нового претендента на звание корневого коммутатора. При ретрансляции кадров он наращивает расстояние до корня, указанное в пришедшем BPDU, на условное время сегмента, по которому принят данный кадр.

При ретрансляции кадров каждый коммутатор для каждого своего порта запоминает минимальное расстояние до корня, встретившееся во всех принятых этим портом кадрах BPDU. При завершении процедуры установления конфигурации покрывающего дерева (по времени) каж­дый коммутатор находит свой корневой порт — это порт, который ближе других портов находится по отношению к корню дерева. Кроме этого, коммутаторы распределенным образом выбирают для каждого сегмента сети назначенный порт. Для этого они исключают из рассмотрения свой корневой порт, а для всех своих оставшихся портов сравнивают приня­тые по ним минимальные расстояния до корня с расстоянием до корня своего корневого порта. Если у своего порта это расстояние меньше при­нятых, то это значит, что он является назначенным портом. Все порты, кроме назначенных переводятся в заблокированное состояние и на этом построение покрывающего дерева заканчивается.

В процессе нормальной работы корневой коммутатор продолжает генерировать служебные кадры, а остальные коммутаторы продолжают их принимать своими корневыми портами и ретранслировать назначен­ными. Если у коммутатора нет назначенных портов, то он все равно при­нимает служебные кадры корневым портом. Если по истечении тайм-ау­та корневой порт не получает служебный кадр, то он инициализирует новую процедуру построения покрывающего дерева.

Способы управления потоком кадров

Некоторые производители применяют в своих коммутаторах при­емы управления потоком кадров, отсутствующие в стандартах протоко­лов локальных сетей, для предотвращения потерь кадров при перегруз­ках.

Так как потери, даже небольшой доли кадров, обычно намного снижают полезную производительность сети, то при перегрузке комму­татора рационально было бы замедлить интенсивность поступления кад­ров от конечных узлов в приемники коммутатора, чтобы дать возмож­ность передатчикам разгрузить свои буфера с более высокой скоростью. Алгоритм чередования передаваемых и принимаемых кадров (frame interleave) должен быть гибким и позволять компьютеру в критических ситуациях на каждый принимаемый кадр передавать несколько своих, причем не обязательно снижая при этом интенсивность приема до нуля, а просто уменьшая ее до необходимого уровня.

Для реализации такого алгоритма в распоряжении коммутатора должен быть механизм снижения интенсивности трафика подключен­ных к его портам узлов. У некоторых протоколов локальных сетей, таких как FDDI, Token Ring или lOOVG-AnyLAN имеется возможность изме­нять приоритет порта и тем самым давать порту коммутатора преимуще­ство перед портом компьютера. У протоколов Ethernet и Fast Ethernet та­кой возможности нет, поэтому производители коммутаторов для этих очень популярных технологий используют два приема воздействия на конечные узлы.

Эти приемы основаны на том, что конечные узлы строго соблюда­ют все параметры алгоритма доступа к среде, а порты коммутатора — нет.

Первый способ «торможения» конечного узла основан на так на­зываемом агрессивном поведении порта коммутатора при захвате среды после окончания передачи очередного пакета или после коллизии.

Коммутатор может пользоваться этим механизмом адаптивно, увеличивая степень своей агрессивности по мере необходимости.

Второй прием, которым пользуются разработчики коммутаторов — это передача фиктивных кадров компьютеру в том случае, когда у ком­мутатора нет в буфере кадров для передачи по данному порту. В этом слу­чае коммутатор может и не нарушать параметры алгоритма доступа, че­стно соревнуясь с конечным узлом за право передать свой кадр. Так как среда при этом равновероятно будет доставаться в распоряжение то ком­мутатору, то конечному узлу, то интенсивность передачи кадров в ком­мутатор в среднем уменьшится вдвое. Такой метод называется методом обратного давления (backpressure). Он может комбинироваться с мето­дом агрессивного захвата среды для большего подавления активности конечного узла.

Метод обратного давления используется не для того, чтобы раз­грузить буфер процессора порта, непосредственно связанного с подавля­емым узлом, а разгрузить либо общий буфер коммутатора (если исполь­зуется архитектура с разделяемой общей памятью), либо разгрузить буфер процессора другого порта, в который передает свои кадры данный порт. Кроме того, метод обратного давления может применяться в тех случаях, когда процессор порта не рассчитан на поддержку максимально возможного для протокола трафика. Один из первых примеров примене­ния метода обратного давления как раз связан с таким случаем — метод был применен компанией LANNET в модулях LSE-1 и LSE-2, рассчи­танных на коммутацию трафика Ethernet с максимальной интенсивнос­тью соответственно 1 Мб/с и 2 Мб/с.

Возможности коммутаторов по фильтрации трафика

Многие коммутаторы позволяют администраторам задавать до­полнительные условия фильтрации кадров наряду со стандартными условиями их фильтрации в соответствии с информацией адресной таб­лицы. Пользовательские фильтры предназначены для создания допол­нительных барьеров на пути кадров, которые ограничивают доступ опре­деленных групп пользователей к определенным сервисам сети.

Если коммутатор не поддерживает протоколы сетевого и транс­портного уровней, в которых имеются поля, указывающие к какому сер­вису относятся передаваемые пакеты, то администратору приходится для задания условий интеллектуальной фильтрации определять поле, по зна­чению которого нужно осуществлять фильтрацию, в виде пары «смеще­ние-размер» относительно начала поля данных кадра канального уровня. Поэтому, например, для того, чтобы запретить некоторому пользовате­лю печатать свои документы на определенном принт-сервере NetWare, администратору нужно знать положение поля «номер сокета» в пакете IPX и значение этого поля для принт-сервиса, а также знать МАС-адре-са компьютера пользователя и принт-сервера.

Обычно условия фильтрации записываются в виде булевских вы­ражений, формируемых с помощью логических операций AND и OR.

Наложение дополнительных условий фильтрации может снизить производительность коммутатора, так как вычисление булевских выра­жений требует проведения дополнительных вычислений процессорами портов.

Кроме условий общего вида коммутаторы могут поддерживать специальные условия фильтрации. Одним из очень популярных видов специальных фильтров являются фильтры, создающие виртуальные сег­менты.

Специальным является и фильтр, используемый многими произ­водителями для защиты сети, построенной на основе коммутаторов.

Коммутация «на лету» или с буферизацией

На возможности реализации дополнительных функций сущест­венно сказывается способ передачи пакетов — «на лету» или с буфериза­цией. Как показывает следующая таблица, большая часть дополнитель­ных функций коммутатора требует полной буферизации кадров перед их выдачей через порт назначения в сеть.

Средняя величина задержки коммутаторов работающих «на лету» при высокой нагрузке объясняется тем, что в этом случае выходной порт часто бывает занят приемом другого пакета, поэтому вновь поступивший пакет для данного порта все равно приходится буферизовать.

Коммутатор, работающий «на лету», может выполнять проверку некорректности передаваемых кадров, но не может изъять плохой кадр из сети, так как часть его байт (и, как правило, большая часть) уже пере­даны в сеть. В то же время при небольшой загрузке коммутатор, работа­ющий «на лету», существенно уменьшает задержку передачи кадра, а это может быть важным для чувствительного к задержкам трафика. Поэтому некоторые производители, например Cisco, применяют механизм адап­тивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора — коммутация «налету», но коммутатор постоянно контро­лирует трафик и при превышении интенсивности появления плохих ка­дров некоторого порога переходит на режим полной буферизации.

Использование различных классов сервиса

Эта функция позволяет администратору назначить различным ти­пам кадров различные приоритеты их обработки. При этом коммутатор поддерживает несколько очередей необработанных кадров и может быть сконфигурирован, например, так, что он передает один низкоприоритет­ный пакет на каждые 10 высокоприоритетных пакетов. Это свойство мо­жет особенно пригодиться на низкоскоростных линиях и при наличии приложений, предъявляющих различные требования к допустимым за­держкам.

Так как не все протоколы канального уровня поддерживают поле приоритета кадра, например, у кадров Ethernet оно отсутствует, то ком­мутатор должен использовать какой-либо дополнительный механизм для связывания кадра с его приоритетом. Наиболее распространенный способ — приписывание приоритета портам коммутатора. При этом спо­собе коммутатор помещает кадр в очередь кадров соответствующего при­оритета в зависимости от того, через какой порт поступил кадр в комму­татор. Способ несложный, но недостаточно гибкий — если к порту коммутатора подключен не отдельный узел, а сегмент, то все узлы сег­мента получают одинаковый приоритет. Примером подхода к назначе­нию классов обслуживания на основе портов является технология РАСЕ компании 3Com.

Более гибким является назначение приоритетов МАС-адресам уз­лов, но этот способ требует выполнения большого объема ручной работы администратором.

Поддержка виртуальных сетей

Кроме своего основного назначения — повышения пропускной способности связей в сети — коммутатор позволяет локализовывать по­токи информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, используя пользовательские фильтры. Однако, пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адре­сам, а широковещательный трафик он передает всем сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в коммутаторе, по­этому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов иногда называ­ют плоскими — из-за отсутствия барьеров на пути широковещательного трафика.

Технология виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет преодолеть указанное ограничение.

Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик кото­рой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полно­стью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса каналь­ного уровня невозможна, независимо от типа адреса — уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, то есть только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра.

Говорят, что виртуальная сеть образует домен широковещатель­ного трафика (broadcast domain), по аналогии с доменом коллизий, кото­рый образуется повторителями сетей Ethernet.

Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания независимых сетей, которые затем должны связы­ваться с помощью протоколов сетевого уровня. Для решения этой задачи до появления технологии виртуальных сетей использовались отдельные повторители, каждый из которых образовывал независимую сеть. Затем эти сети связывались маршрутизаторами в единую интерсеть.

При изменении состава сегментов (переход пользователя в другую сеть, дробление крупных сегментов) при таком подходе приходится про­изводить физическую перекоммутацию разъемов на передних панелях повторителей или в кроссовых панелях, что не очень удобно в больших сетях — много физической работы, к тому же высока вероятность ошиб­ки.

Поэтому для устранения необходимости физической перекомму­тации ухтов стали применять многосегментные повторители. В наиболее совершенных моделях таких повторителей приписывание отдельного порта к любому из внутренних сегментов производится программным путем, обычно с помощью удобного графического интерфейса. Приме­рами таких повторителей могут служить концентратор Distributed 5000 компании Bay Networks и концентратор PortSwitch компании 3Com. Программное приписывание порта сегменту часто называют статичес­кой или конфигурационной коммутацией.

Однако, решение задачи изменения состава сегментов с помощью повторителей накладывает некоторые ограничения на структуру сети — количество сегментов такого повторителя обычно невелико, поэтому выделить каждому узлу свой сегмент, как это можно сделать с помощью коммутатора, нереально. Поэтому сети, построенные на основе повтори­телей с конфигурационной коммутацией, по-прежнему основаны на разделении среды передачи данных между большим количеством узлов, и, следовательно, обладают гораздо меньшей производительностью по сравнению с сетями, построенными на основе коммутаторов.

При использовании технологии виртуальных сетей в коммутато­рах одновременно решаются две задачи:

♦                повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;

♦                изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.

Для связи виртуальных сетей в интерсеть требуется привлечение сетевого уровня. Он может быть реализован в отдельном маршрутизато­ре, а может работать и в составе программного обеспечения коммутато­ра.

Технология образования и работы виртуальных сетей с помощью коммутаторов пока не стандартизована, хотя и реализуется в очень ши­роком спектре моделей коммутаторов разных производителей. Положе­ние может скоро измениться, если будет принят стандарт 802.1Q, разра­батываемый в рамках института ШЕЕ.

В виду отсутствия стандарта каждый производитель имеет свою технологию виртуальных сетей, которая, как правило, несовместима с технологией других производителей. Поэтому виртуальные сети можно создавать пока на оборудовании одного производителя. Исключение составляют только виртуальные сети, построенные на основе специфи­кации LANE (LAN Emulation), предназначенной для обеспечения взаи­модействия ATM-коммутаторов с традиционным оборудованием ло­кальных сетей.

При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в сети портов коммутато­ра.

Это логично, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов. Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети — все равно трафик этих узлов будет общим.

Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы — достаточ­но каждый порт приписать к нескольким заранее поименованным вир­туальным сетям. Обычно такая операция выполняется путем перетаски­вания мышью графических символов портов на графические символы сетей.

Второй способ, который используется для образования виртуаль­ных сетей основан на группировании МАС-адресов. При существовании в сети большого количества узлов этот способ требует выполнения боль­шого количества ручных операций от администратора. Однако, он ока­зывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе не­скольких коммутаторов, чем способ группирования портов.

Проблема, возникающую при создании виртуальных сетей на ос­нове нескольких коммутаторов, поддерживающих технику группирова­ния портов в следующем: если узлы какой-либо виртуальной сети под­ключены к разным коммутаторам, то для соединения коммутаторов каждой такой сети должна быть выделена своя пара портов. В противном случае, если коммутаторы будут связаны только одной парой портов, ин­формация о принадлежности кадра той или иной виртуальной сети при передаче из коммутатора в коммутатор будет утеряна. Таким образом, коммутаторы с группировкой портов требуют для своего соединения столько портов, сколько виртуальных сетей они поддерживают. Порты и кабели используются при таком способе очень расточительно. Кроме то­го, при соединении виртуальных сетей через маршрутизатор для каждой виртуальной сети выделяется в этом случае отдельный кабель, что за­трудняет вертикальную разводку, особенно если узлы виртуальной сети присутствуют на нескольких этажах.

Группирование МАС-адресов в сеть на каждом коммутаторе из­бавляет от необходимости их связи несколькими портами, однако требу­ет выполнения большого количества ручных операций по маркировке МАС-адресов на каждом коммутаторе сети.

Описанные два подхода основаны только на добавлении дополни­тельной информации к адресным таблицам моста и не используют воз­можности встраивания информации о принадлежности кадра к вирту­альной сети в передаваемый кадр. Остальные подходы используют имеющиеся или дополнительные поля кадра для сохранения информа­ции и принадлежности кадра при его перемещениях между коммутатора­ми сети. При этом нет необходимости запоминать в каждом коммутато­ре принадлежность всех МАС-адресов интерсети виртуальным сетям.

Если используется дополнительное поле с пометкой о номере вир­туальной сети, то оно используется только тогда, когда кадр передается от коммутатора к коммутатору, а при передаче кадра конечному узлу оно удаляется. При этом модифицируется протокол взаимодействия «комму­татор-коммутатор», а программное и аппаратное обеспечение конечных узлов остается неизменным. Примеров таких фирменных протоколов много, но общий недостаток у них один — они не поддерживаются дру­гими производителями. Компания Cisco предложила использовать в ка­честве стандартной добавки к кадрам любых протоколов локальных се­тей заголовок протокола 802.10, предназначенного для поддержки функций безопасности вычислительных сетей. Сама компания исполь­зует этот метод в тех случаях, когда коммутаторы объединяются между собой по протоколу FDDI. Однако, эта инициатива не была поддержана другими ведущими производителями коммутаторов, поэтому до приня­тия стандарта 802.1Q фирменные протоколы маркировки виртуальных сетей будут преобладать.

Существует два способа построения виртуальных сетей, которые используют уже имеющиеся поля для маркировки принадлежности кад­ра виртуальной сети, однако эти поля принадлежат не кадрам канальных протоколов, а пакетам сетевого уровня или ячейкам технологии ATM.

В первом случае виртуальные сети образуются на основе сетевых адресов, то есть той же информации, которая используется при построе­нии интерсетей традиционным способом — с помощью физически от­дельных сетей, подключаемых к разным портам маршрутизатора.

Когда виртуальная сеть образуется на основе номеров сетей, то каждому порту коммутатора присваивается один или несколько номеров сетей, например, номеров IP-сетей. Каждый номер IP-сети соответству­ет одной виртуальной сети. Конечные узлы также должны в этом случае поддерживать протокол IP. При передаче кадров между узлами, принад­лежащими одной виртуальной сети, конечные узлы посылают данные непосредственно по МАС-адресу узла назначения, а в пакете сетевого уровня указывают IP-адрес своей виртуальной сети. Коммутатор в этом случае передает кадры на основе МАС-адреса назначения по адресной таблице, проверяя при этом допустимость передач по совпадению IP-но­мера сети пакета, содержащегося в кадре, и IP-адресу порта назначения, найденному по адресной таблице. При передачах кадра из одного комму­татора в другой, его IP-адрес переносится вместе с кадром, а значит ком­мутаторы могут быть связаны только одной парой портов для поддержки виртуальных сетей, распределенных между несколькими коммутатора­ми.

В случае, когда нужно произвести обмен информацией между уз­лами, принадлежащими разным виртуальным сетям, конечный узел ра­ботает так же, как если бы он находился в сетях, разделенных обычным маршрутизатором. Конечный узел направляет кадр маршрутизатору по умолчанию, указывая его МАС-адрес в кадре, а IP-адрес узла назначения — в пакете сетевого уровня. Маршрутизатором по умолчанию должен быть внутренний блок коммутатора, который имеет определенный МАС-адрес и IP-адрес, как и традиционный маршрутизатор. Кроме то­го, он должен иметь таблицу маршрутизации, в которой указывается вы­ходной порт для всех номеров сетей, которые существуют в общей интер­сети.

В отличие от традиционных маршрутизаторов, у которых каждый порт имеет свой номер сети, коммутаторы, поддерживающие сетевой протокол для образования виртуальных сетей, назначают один и тот же номер сети нескольким портам. Кроме того, один и тот же порт может быть связан с несколькими номерами сетей, если через него связывают­ся коммутаторы.

Часто коммутаторы не поддерживают функции автоматического построения таблиц маршрутизации, которые поддерживаются протоко­лами маршрутизации, такими как RIP или OSPF. Такие коммутаторы называют коммутаторами 3-го уровня, чтобы подчеркнуть их отличие от традиционных маршрутизаторов. При использовании коммутаторов 3-го уровня таблицы маршрутизации либо создаются администратором вручную (это тоже часто приемлемо при небольшом количестве вирту­альных сетей и маршруте по умолчанию к полноценному маршрутизато­ру), либо загружаются из маршрутизатора. По последней схеме взаимо­действует коммутатор Catalist 5000 компании Cisco с маршрутизаторами этой же компании.

Если же коммутатор не поддерживает функций сетевого уровня, то его виртуальные сети могут быть объединены только с помощью внешнего маршрутизатора. Некоторые компании выпускают специаль­ные маршрутизаторы для применения совместно с коммутаторами. При­мером такого маршрутизатора служит маршрутизатор Vgate компании RND.

Этот маршрутизатор имеет один физический порт для связи с пор­том коммутатора, но этот порт может поддерживать до 64 МАС-адресов, что позволяет маршрутизатору объединять до 64 виртуальных сетей.

Последний способ организации виртуальных сетей связан с при­менением в сети ATM-коммутаторов. Этот способ основан на использо­вании для передачи кадров каждой виртуальной сети через коммутаторы ATM с помощью отдельного виртуального соединения.

Управление коммутируемыми сетями

Коммутаторы — это сложные многофункциональные устройства, играющие ответственную роль в современных сетях. Поэтому поддержка функций централизованного контроля и управления, реализуемого про­токолом SNMP и соответствующими агентами, практически обязательна для всех классов коммутаторов (кроме, может быть, настольных комму­таторов, предназначенных для работы в очень маленьких сетях).

Для поддержки SNMP-управления коммутаторы имеют модуль управления, в котором имеется агент, ведущий базу данных управляю­щей информации. Этот модуль часто выполняется на отдельном мощном процессоре, чтобы не замедлять основные операции коммутатора.

Наблюдение за трафиком

Так как перегрузки процессоров портов и других обрабатывающих элементов коммутатора могут приводить к потерям кадров, то функция наблюдения за распределением трафика в сети, построенной на основе коммутаторов, очень важна.

Однако, если сам коммутатор не имеет отдельного агента для каж­дого своего порта, то задача слежения за трафиком, традиционно решае­мая в сетях с разделяемыми средами с помощью установки в сеть внеш­него анализатора протоколов, очень усложняется.

Обычно в традиционных сетях анализатор протоколов (например, Sniffer компании Network General) подключался к свободному порту концентратора и видел весь трафик, передаваемый между любыми узла­ми сети.

Если же анализатор протокола подключить к свободному порту коммутатора, то он не увидит почти ничего, так как ему кадры передавать никто не будет, а чужие кадры в его порт также направляться не будут. Единственный вид трафика, который будет видеть анализатор — это тра­фик широковещательных пакетов, которые будут передаваться всем уз­лам сети. В случае, когда сеть разделена на виртуальные сети, анализатор протоколов будет видеть только широковещательный трафик своей вир­туальной сети.

Для того, чтобы анализаторами протоколов можно было по-преж­нему пользоваться и в коммутируемых сетях, производители коммутато­ров снабжают свои устройства функцией зеркального отображения тра­фика любого порта на специальный порт. К специальному порту подключается анализатор протоколов, а затем на коммутатор подается команда через его модуль SNMP-управления для отображения трафика какого-либо порта на специальный порт.

Наличие функции зеркализации портов частично снимает про­блему, но оставляет некоторые вопросы. Например, как просмотреть од­новременно трафик двух портов, или как просматривать трафик порта, работающего в полнодуплексном режиме.

Более надежным способом слежения за трафиком, проходящим через порты коммутатора, является замена анализатора протокола на агенты RMON MIB для каждого порта коммутатора.

Агент RMON выполняет все функции хорошего анализатора про­токола для протоколов Ethernet и Token Ring, собирая детальную инфор­мацию об интенсивности трафика, различных типах плохих кадров, о по­терянных кадрах, причем самостоятельно строя временные ряды для каждого фиксируемого параметра. Кроме того, агент RMON может са­мостоятельно строить матрицы перекрестного трафика между узлами се­ти, которые очень нужны для анализа эффективности применения ком­мутатора.

Так как агент RMON, реализующий все 9 групп объектов Ethernet, стоит весьма дорого, то производители для снижения стоимости ком­мутатора часто реализуют только первые несколько групп объектов RMON MIB.

Управление виртуальными сетями

Виртуальные сети порождают проблемы для традиционных сис­тем управления на SNMP-платформе как при их создании, так и при на­блюдении за их работой.

Как правило, для создания виртуальных сетей требуется специ­альное программное обеспечение компании-производителя, которое ра­ботает на платформе системы управления, такой как, например, HP Open View. Сами платформы систем управления этот процесс поддер­жать не могут, в основном из-за отсутствия стандарта на виртуальные се­ти. Можно надеяться, что появление стандарта 802.1Q изменит ситуацию в этой области.

Наблюдение за работой виртуальных сетей также создает пробле­мы для традиционных систем управления. При создании карты сети, включающей виртуальные сети, необходимо отображать как физическую структуру сети, так и ее логическую структуру, соответствующую связям отдельных узлов виртуальной сети. При этом по желанию администрато­ра система управления должна уметь отображать соответствие логичес­ких и физических связей в сети, то есть на одном физическом канале должны отображаться все или отдельные пути виртуальных сетей.

К сожалению, многие системы управления либо вообще не отоб­ражают виртуальные сети, либо делают это очень неудобным для пользо­вателя способом.

Типовые схемы применения коммутаторов

 

Коммутатор или концентратор?

При построении небольших сетей, составляющих нижний уро­вень иерархии корпоративной сети, вопрос о применении того или ино­го коммуникационного устройства сводится к вопросу о выборе между концентратором или коммутатором.

При ответе на этот вопрос нужно принимать во внимание не­сколько факторов. Безусловно, немаловажное значение имеет стоимость за порт, которую нужно заплатить при выборе устройства. Из техничес­ких соображений в первую очередь нужно принять во внимание сущ ест­

 

вующее распределение трафика между узлами сети. Кроме того, нужно учитывать перспективы развития сети: будут ли в скором времени при­меняться мультимедийные приложения, будет ли модернизироваться компьютерная база. Если да, то нужно уже сегодня обеспечить резервы по пропускной способности применяемого коммуникационного обору­дования. Использование технологии intranet также ведет к увеличению объемов трафика, циркулирующего в сети, и это также необходимо учи­тывать при выборе устройства.

При выборе типа устройства — концентратор или коммутатор — нужно еще определить и тип протокола, который будут поддерживать его порты (или протоколов, если идет речь о коммутаторе, так как каждый порт может поддерживать отдельный протокол).

Сегодня выбор делается между протоколами двух скоростей — 10 Мб/с и 100 Мб/с. Поэтому, сравнивая применимость концентратора или коммутатора, необходимо рассмотреть вариант концентратора с портами на 10 Мб/с, вариант концентратора с портами на 100 Мб/с, и несколько вариантов коммутаторов с различными комбинациями скоростей на его портах.

Пользуясь техникой применения матрицы перекрестного трафика для анализа эффективности применения коммутатора, можно оценить, сможет ли коммутатор с известными пропускными способностями пор­тов и общей производительностью поддержать трафик в сети, заданный в виде матрицы средних интенсивностей трафика.

Рассмотрим теперь эту технику для ответа на вопрос о примени­мости коммутатора в сети с одним сервером и несколькими рабочими станциями, взаимодействующими только с сервером. Такая конфигура­ция сети часто встречается в сетях масштаба рабочей группы, особенно в сетях NetWare, где стандартные клиентские оболочки не могут взаимо­действовать друг с другом.

Матрица перекрестного трафика для такой сети имеет вырожден­ный вид. Если сервер подключен, например, к порту 4, то только 4-я строка матрицы и 4-й столбец матрицы будут иметь отличные от нуля значения. Эти значения соответствуют выходящему и входящему трафи­ку порта, к которому подключен сервер. Поэтому условия применимос­ти коммутатора для данной сети сводятся к возможности передачи всего трафика сети портом коммутатора, к которому подключен сервер.

Если коммутатор имеет все порты с одинаковой пропускной спо­собностью, например, 10 Мб/с, то в этом случае пропускная способность порта в 10 Мб/с будет распределяться между всеми компьютерами сети. Возможности коммутатора по повышению общей пропускной способ­ности сети оказываются для такой конфигурации невостребованными. Несмотря на микросегментацию сети, ее пропускная способность огра­ничивается пропускной способностью протокола одного порта, как и в случае применения концентратора с портами 10 Мб/с. Небольшой выиг­рыш при использовании коммутатора будет достигаться лишь за счет уменьшения количества коллизий — вместо коллизий кадры будут про­сто попадать в очередь к передатчику порта коммутатора, к которому подключен сервер.

Для того, чтобы коммутатор работал в сетях с выделенным серве­ром более эффективно, производители коммутаторов выпускают модели с одним высокоскоростным портом на 100 Мб/сдля подключения серве­ра и несколькими низкоскоростными портами на 10 Мб/сдля подключе­ния рабочих станций. В этом случае между рабочими станциями распре­деляется уже 100 Мб/с, что позволяет обслуживать в неблокирующем режиме 10 — 30 станций, в зависимости от интенсивности создаваемого ими трафика.

Однако с таким коммутатором может конкурировать концентра­тор, поддерживающий протокол с пропускной способностью 100 Мб/с, например, Fast Ethernet. Стоимость его за порт будет несколько ниже стоимости за порт коммутатора с одним высокоскоростным портом, а производительность сети примерно та же.

Очевидно, что выбор коммуникационного устройства для сети с выделенным сервером достаточно сложен. Для принятия окончательно­го решения нужно принимать во внимание перспективы развития сети в отношении движения к сбалансированному трафику. Если в сети вскоре может появиться взаимодействие между рабочими станциями, или же второй сервер, то выбор необходимо делать в пользу коммутатора, кото­рый сможет поддержать дополнительный трафик без ущерба по отноше­нию к основному.

В пользу коммутатора может сыграть и фактор расстояний — при­менение коммутаторов не ограничивает максимальный диаметр сети величинами в 2500 м или 210 м, которые определяют размеры домена коллизий при использовании концентраторов Ethernet и Fast Ethernet.

Коммутатор или маршрутизатор?

При построении верхних, магистральных уровней иерархии кор­поративной сети проблема выбора формулируется по-другому — комму­татор или маршрутизатор?

Коммутатор выполняет передачу трафика между узлами сети быс­трее и дешевле, зато маршрутизатор более интеллектуально отфильтро­вывает трафик при соединении сетей, не пропуская ненужные или пло­хие пакеты, а также надежно защищая сети от широковещательных штормов.

В связи с тем, что коммутаторы корпоративного уровня могут под­держивать некоторые функции сетевого уровня, выбор все чаще делает­ся в пользу коммутатора. При этом маршрутизатор также используется, но он часто остается в локальной сети в единственном экземпляре. Этот маршрутизатор обычно служит и для связи локальной сети с глобальны­ми, и для объединения виртуальных сетей, построенных с помощью ком­мутаторов.

В центре же сетей зданий и этажей все чаще используются комму­таторы, так как только при их использовании возможно осуществить пе­редачу нескольких гигабит информации в секунду за приемлемую цену.

Стянутая в точку магистраль на коммутаторе

При всем разнообразии структурных схем сетей, построенных на коммутаторах, все они используют две базовые структуры — стянутую в точку магистраль и распределенную магистраль. На основе этих базовых структур затем строятся разнообразные структуры конкретных сетей.

Стянутая в точку магистраль (collapsed backbone) — это структура, при которой объединение узлов, сегментов или сетей происходит на вну­тренней магистрали коммутатора.

Преимуществом такой структуры является высокая производи­тельность магистрали. Так как для коммутатора производительность внутренней шины или схемы общей памяти, объединяющей модули пор­тов, в несколько Гб/с не является редкостью, то магистраль сети может быть весьма быстродействующей, причем ее скорость не зависит от при­меняемых в сети протоколов и может быть повышена с помощью замены одной модели коммутатора на другую.

Положительной чертой такой схемы является не только высокая скорость магистрали, но и ее протокольная независимость. На внутрен­ней магистрали коммутатора в независимом формате одновременно мо­гут передаваться данные различных протоколов, например, Ethernet, FDDI и Fast Ethernet. Подключение нового узла с новым протоколом ча­сто требует не замены коммутатора, а просто добавления соответствую­щего интерфейсного модуля, поддерживающего этот протокол.

Если к каждому порту коммутатора в такой схеме подключен толь­ко один узел, то такая схема будет соответствовать микросегментирован-ной сети.

 

Распределенная магистраль на коммутаторах

В сетях больших зданий или кампусов использование структуры с коллапсированной магистралью не всегда рационально или же возмож­но. Такая структура приводит к протяженным кабельным системам, ко­торые связывают конечные узлы или коммутаторы сетей рабочих групп с центральным коммутатором, шина которого и является магистралью се­ти. Высокая плотность кабелей и их высокая стоимость ограничивают применение стянутой в точку магистрали в таких сетях. Иногда, особен­но в сетях кампусов, просто невозможно стянуть все кабели в одно поме­щение из-за ограничений на длину связей, накладываемых технологией (например, все реализации технологий локальных сетей на витой паре ограничивают протяженность кабелей в 100 м).

Поэтому в локальных сетях, покрывающих большие территории, часто используется другой вариант построения сети — с распределенной магистралью.

Распределенная магистраль — это разделяемый сегмент сети, под­держивающий определенный протокол, к которому присоединяются коммутаторы сетей рабочих групп и отделов. На примере распределен­ная магистраль построена на основе двойного кольца FDDI, к которому подключены коммутаторы этажей. Коммутаторы этажей имеют большое количество портов Ethernet, трафик которых транслируется в трафик протокола FDDI, когда он передается по магистрали с этажа на этаж.

Распределенная магистраль упрощает связи между этажами, со­кращает стоимость кабельной системы и преодолевает ограничения на расстояния.

Однако, скорость магистрали в этом случае будет существенно меньше скорости магистрали на внутренней шине коммутатора. Причем скорость эта фиксированная и не превышает в настоящее время 100 Мб/с. Поэтому распределенная магистраль может применяться только при невысокой интенсивности трафика между этажами или зданиями.

Модели коммутаторов

Рынок коммутаторов сегодня очень обширен, поэтому в этом кратком обзоре остановимся только на некоторых популярных моделях коммутаторов различного класса. Обычно коммутаторы делят в первую очередь на классы в соответствии с их областями применения — настоль­ные коммутаторы, коммутаторы рабочих групп, коммутаторы отделов и магистральные (корпоративные коммутаторы). У каждого класса комму­таторов есть свои отличительные признаки.

Настольные коммутаторы

♦                 Фиксированное количество портов;

♦                 Все порты работают на одной скорости;

♦                 Используются для организации одноранговых связей высокоскоростных рабочих станций;

♦                 Режим коммутации — «на лету»;

♦                 Чаще всего не содержат модуля SNMP-управления, а также не поддерживают алгоритм Spanning Tree.

Пример: 3Com LinkSwitch 500.

 

Коммутаторы рабочих групп

♦                 Имеют по крайней мере 1 высокоскоростной порт (FDDI, Fast Ethernet, ATM);

♦                 Транслируют протоколы;

♦                 Как правило, управляемы по SNMP, поддерживают алгоритм Spanning Tree;

♦                 Режим коммутации — с буферизацией.

Примеры: семейство 3Com LinkSwitch (кроме модели 500), SMC TigerSwitch ХЕ, Bay Networks Ethernet Workgroup Switch.

Коммутаторы отделов и центров обработки данных

♦                 Модульное исполнение;

♦                 Поддержка нескольких протоколов;

♦                 Встроенные средства обеспечения отказоустойчивости:

 

♦                избыточные источники питания;

♦                модули hot-swap.

♦                Пользовательские фильтры;

♦                Поддержка виртуальных сегментов;

Примеры: 3Com LANplex 2500, SMC ES/1, Bay Networks Lattis-Switch System 28115.

 

Коммутаторы магистралей зданий/кампусов

♦                Те же свойства, что и у коммутаторов отделов;

♦                Шасси с большим количеством слотов (10 — 14);

♦                Внутренняя пропускная способность 1 — 10 Гб/с;

♦                Поддержка 1-2 протоколов маршрутизации (локальные интерфейсы) для образования виртуальных сетей.

Примеры: 3Com LANplex 6000, Cabletron ММАС Plus, LANNET LET-36, Cisco Catalist 5000, Bay Networks System 5000.

Коммутаторы Catalyst компании Cisco Systems

Коммутатор Catalyst 5000 представляет собой старшую модель се­мейства Catalyst. Это модульная, многоуровневая платформа коммута­ции, которая обеспечивает высокий уровень производительности, пре­доставляя возможность как для создания выделенных соединений в сети Ethernet со скоростями 10 и 100 Мб/с, так и для организации взаимодей­ствия с сетями FDDI и ATM.

Шасси Catalyst 5000 имеет 5 разъемов. В один разъем устанавлива­ется модуль управления Supervisor Engine, который управляет доступом к коммутируемой матрице, имеющей возможность коммутации более 1 млн. пакетов в секунду. Модуль поддерживает функции локального и удаленного управления и имеет два порта Fast Ethernet, которые могут использоваться для соединения серверов сети или каскадирования уст­ройств Catalyst 5000. Остальные разъемы могут использоваться для уста­новки следующих модулей:

♦                24 порта 10Base-T;

♦                12 портов 10Base-FL;

♦                12 портов 100Base-TX;

♦                12 портов 100Base-FX;

♦                 1 порт DAS CDDI/FDDI (не более 3-х модулей в шасси);

♦                 1 порт 155 Мб/с ATM (не более 3-х модулей в шасси).

Одно устройство Catalyst 5000 может поддерживать до 96 коммути­руемых портов Ethernet и до 50 коммутируемых портов Fast Ethernet.

Поддерживается формирование виртуальных сетей как в пределах одного устройства Catalyst 5000, так и для нескольких устройств на осно­ве группирования портов. Можно создать до 1000 виртуальных сетей для нескольких устройств Catalyst 5000, соединенных интерфейсами Fast Ethernet, CDDI/FDDI или ATM. Любой интерфейс Fast Ethernet может быть сконфигурирован как интерфейс InterSwitch Link (ISL) для под­держки нескольких виртуальных сетей. Интерфейс ISL — частное реше­ние компании Cisco для передачи информации между коммутаторами о виртуальных сетях.

Все виртуальные сети поддерживают протокол IEEE 802.Id Spanning Tree для обеспечения отказоустойчивых соединений. При ис­пользовании интерфейса ATM для соединения коммутаторов поддержка виртуальных сетей осуществляется на основе спецификации LANE через виртуальные соединения. Интерфейс FDDI поддерживает виртуальные сети с помощью спецификации 802.10.

Отличительной особенностью коммутаторов Catalyst является вы­полнение коммутации на 3 уровне модели OSI, что позволяет объединять виртуальные сети внутри устройства (для этого требуется дополнитель­ное программное обеспечение).

Модуль управления коммутацией поддерживает три уровня очере­дей кадров с различными приоритетами, причем приоритеты назначают­ся для каждого порта отдельно. Это позволяет эффективно обслуживать мультимедийный трафик.

Большой буфер (по 192 Кбайта на порт) обеспечивает сохранение и передачу информации при пиковых нагрузках.

Система Catalyst 3000 представляет собой оригинальную реализа­цию стековой архитектуры для коммутаторов. Эта архитектура поддер­живается устройствами двух типов:

♦           Коммутатор Catalyst 3000 с 16 портами 10Base-T, одним портом AUI и двумя слотами расширения. Модули расширения могут иметь либо 1 порт 100Base-TX, либо 3 порта 10Base-FL, либо 4 порта 10Base-T, либо 1 порт ATM. Порт мониторинга осуществляет зекрализацию любого порта данных на внешний порт.

♦     Catalyst Matrix — 8-ми портовая матрица коммутация, с помощью которой можно объединить в стек до 8 коммутаторов Catalyst 3000 для создания единого коммутирующего центра.

Коммутаторы Catalyst 3000 подключаются к Catalyst Matrix через специальные 280 Мб/с порты. Производительность шины Catalyst Matryx составляет 3.84 Гб/с.

Коммутатор работает под управлением IOS и использует два алго­ритма коммутации — cut-throw и store-and-forward.

Стек Catalyst 3000 поддерживает до 64 виртуальных сетей и позво­ляет фильтровать трафик по адресу источника и адресу назначения. Мак­симальное число МАС-адресов — до 10К на устройство.

Поддерживается алгоритм Spanning Tree и SNMP-управление.

Коммутатор EliteSwitch ES/1 компании SMC

Корпорация SMC (сейчас ее подразделение коммутаторов являет­ся частью компании Cabletron) разработала коммутатор EliteSwitch ES/l как эффективный инструмент для создания внутренней магистрали сети средних размеров. Коммутатор ES/1 сочетает в себе функции высоко­производительного коммутатора технологий Ethernet/Token Ring/FDDI и локального маршрутизатора, позволяющего создавать виртуальные се­ти IP и IPX на основе виртуальных коммутируемых рабочих групп. Та­ким образом, в одном устройстве объединены функции switching и inter­networking, необходимые для построения на базе внутренней скоростной шины структурированной локальной сети. Коммутатор поддерживает и глобальные связи с топологией «точка-точка» по линиям Т1/Е1, позво­ляя связывать несколько локальных сетей, построенных на его основе, друг с другом.

Коммутатор ES/1 работает по технологии коммутации с буфериза­цией, что позволяет ему транслировать протоколы канального уровня, осуществлять пользовательскую фильтрацию, сбор статистики и локаль­ную маршрутизацию.

Организация коммутатора ES/1

Модульный концентратор ES/1 компании SMC представляет со­бой устройство в виде корпуса-шасси с задней коммуникационной пла­той, на которой выполнена внутренняя шина с производительностью 800 Мб/с. Блок обработки пакетов (Packet Processing Engine) включает в себя два процессорных модуля, оснащенных высокопроизводительными RISC-процессорами AMD 29000. Один из процессоров предназначен для передачи пакетов (то есть выполняет функции коммутации), а другой осуществляет администрирование — фильтрацию на портах концентра­тора в соответствии с масками, введенными администратором, и управ­ляет всей логикой работы концентратора. Оба процессора имеют доступ к общей памяти объемом 4 МБ.

Как уже отмечалось, модуль обработки пакетов коммутатора ES/1 построен на сдвоенной процессорной архитектуре, причем каждый из процессоров отвечает за свои функции. Однако в случае отказа одного из них второй процессор возьмет на себя все функции первого. При этом коммутатор в целом продолжит нормальную работу, может только не­сколько снизиться его производительность.

Адресная таблица концентратора позволяет сохранять до 8192 МАС-адресов.

Программное обеспечение, управляющее работой концентратора ES/1, дублируется в двух банках Flash-памяти. Во-первых, это позволяет производить upgrade новых версий программного обеспечения без пре­кращения выполнения концентратором своих основных функций по коммутации пакетов, а во-вторых, сбой при загрузке нового ПО из бан­ка Flash-памяти не приведет к отказу концентратора, поскольку ПО из первого банка памяти останется в рабочем состоянии, и концентратор автоматически перезагрузит его.

В слоты концентратора вставляются сетевые коммуникационные модули, при этом реализована технология автоматической самоконфи­гурации plug-and-play. Каждый модуль оснащен собственным RISC-про­цессором, который преобразует приходящие пакеты в протокольно-не­зависимый вид (это означает, что сохраняются только блок данных, адреса приемника и источника, а также информация о сетевом протоко­ле) и передает их далее по внутренней шине в блок обработки пакетов.

Отказоустойчивость работы модулей обеспечивается наличием в каждом из них специального сенсора, посылающего предупреждение на консоль оператора при приближении температуры к критической отмет­ке. Это может произойти, например, по причине запыления воздушных фильтров. Если температура продолжает повышаться и превышает вто­рое пороговое значение, модуль автоматически отключается от питания для предотвращения выхода из строя элементной базы. При снижении температуры модуль автоматически продолжит работу.

Важной особенностью концентратора ES/1 является встроенная система защиты от «штормов» широковещательных пакетов (broadcast storm). Программное обеспечение концентратора ES/1 позволяет уста­новить предельную частоту прихода таких пакетов на каждый порт кон­центратора, в случае превышения которой широковещательные пакеты перестают передаваться в другие сегменты сети, что сохраняет их работо­способность.

Фильтрация и виртуальные рабочие группы

С помощью механизма маскирования портов администратор мо­жет создавать виртуальные рабочие группы с целью защиты от несанкци­онированного доступа и повышения производительности ЛВС путем пе­рераспределения информационных потоков.

Фильтрацию можно включать на входящие и/или выходящие па­кеты, по МАС-адресу или по всему сегменту и так далее. Всего маска мо­жет содержать до 20-ти условий, объединенных булевыми операндами «AND» и «OR». Понятно, что каждый пакет, приходящий на порт комму­татора, должен быть дополнительно проверен на соответствие условиям фильтрации, что требует дополнительных вычислительных ресурсов и может привести к снижению производительности. То, что в ES/1 один из двух процессоров выделен для проверки условий фильтрации, обеспечи­вает сохранение высокой производительности коммутатора при введен­ных администратором масках.

Наряду с отказами оборудования, ошибки обслуживающего пер­сонала могут нарушить корректную работу ЛВС. Поэтому особо отметим еще один интересный режим виртуальной фильтрации коммутатора ES/1. В этом режиме фильтрация физически не включается, однако ве­дется набор статистики пакетов, удовлетворяющих условиям фильтра­ции. Это дает возможность администратору ЛВС заранее прогнозировать свои действия перед физическим включением фильтров.

Коммуникационные модули концентратора ES/1

ES/1 поддерживает до пяти модулей. Можно выбрать любую ком­бинацию модулей для Ethernet, Token Ring и FDDI, а также для высоко-скоростныхлинийТ1/Е1 и ТЗ/ЕЗ. Все модули, включая источники пита­ния, могут заменяться без отключения от сети и выключения питания центрального устройства. Каждый модуль поддерживает набор конфигу­рируемых параметров для улучшения управляемости и собирает статистику.

♦       QEIOM (Quad Ethernet I/O Module)

К этому модулю можно подключить до четырех независимых сег­ментов Ethernet. Каждый сегмент может передавать и получать информа­цию с обычной для Ethernet производительностью 14880 пакетов в секун­ду. ES/1 обеспечивает связь между этими четырьмя сегментами по типу мостов и маршрутизаторов, а также и со всей остальной сетью. Эти моду­ли поставляются с различными типами разъемов: AUI, BNC, RJ-45 (ви­тая пара) и ST (оптоволоконный кабель).

♦           QTIOM (Token Ring I/O Module)

Через модуль QTIOM подключается до четырех 4 или 16 Мб/с се­тей Token Ring. Модуль поддерживает все основные протоколы сети Token Ring — IBM Source Routing, Transparent Bridging и Source Routing Transparent — и обеспечивает «прозрачное» взаимодействие сетей Token Ring с сетями остальных типов, например Ethernet или FDDI. Модуль поставляется в вариантах для экранированной и неэкранированной ви­той пары.

♦           IFIOM (Intelligent Dual-Attached FDDI I/O Module)

Модуль IFIOM подключает волоконно-оптический сегмент сети FDDI к ES/1 и обеспечивает прозрачное взаимодействие между разными типами сетей. Он поддерживает все функции FDDI-станции с двойным подключением к кольцу (Dual Attached Station). Этот модуль также под­держивает внешний оптический переключатель (Optical Bypass Switch), что обеспечивает повышенную отказоустойчивость сети при аварийном отключении ES/1. Поставляется в различных модификациях: для одно-модового и многомодового волокна и в их комбинациях.

♦           CEIOM24 (24-Port Concentrator Ethernet I/O Module)

Этот модуль включает в себя 24-портовый концентратор Ethernet на витой паре. Он увеличивает производительность сети при стоимости, меньшей, чем стоимость аналогичного внешнего устройства. Его порты сгруппированы в единый независимый сегмент Ethernet и взаимодейст­вуют с другими модулями через коммутатор/маршрутизатор ES/1.

♦           ШОМ (High-Speed Serial Interface I/O Module)

НЮМ позволяет осуществить подключение сетей к удаленным ЛВС по высокоскоростным линиям связи по протоколу HSSI со скоро­стью до 52 Мб/с. Поддерживается протокол РРР.

SNMP-управляемость

Модульный концентратор ES/1 может управляться с помощью любой стандартной системы управления, базирующейся HaSNMP-npo-токоле, в том числе: HP OpenView, IBM NetView/6000, Sun NetManager и др. Для графического представления передней панели концентратора к перечисленным консолям управления добавляются специальные про­граммные модули компании SMC семейства EliteView. Кроме того, име­ется версия программного обеспечения мониторинга и управления, работающая под Windows: EliteView for Windows.

Типовые схемы использования концентратора ES/1

♦           Создание вырожденной магистрали (Collapsed Backbone)

Вырожденная магистраль внутри коммутатора применяется в крупных корпоративных сетях. Несколько крупных сегментов локаль­ной сети подключаются к портам концентратора, шина которого в этом случае выполняет роль основной магистрали с пропускной способнос­тью в сотни Мб/с. Такой подход позволяет увеличить пропускную спо­собность сети в несколько раз по сравнению с традиционным использо­ванием мостов на каждом сегменте сети. При этом существенно повышаются возможности централизованного управления всеми эле­ментами корпоративной сети.

♦           Выделенный канал Ethernet (Dedicated Ethernet)

Эта схема подключения устройств к портам коммутируемых кон­центраторов применяется чаще всего для создания высокоскоростной магистрали (с гарантированной пропускной способностью 10 Мб/с) между концентратором и сервером локальной сети (обычно файловым сервером или сервером баз данных). Модульные концентраторы позво­ляют организовать при необходимости подключение сервера по высоко­скоростному каналу FDDI или Fast Ethernet.

♦           Транслирующая коммутация

Коммутация в ES/1 основана на синхронной протокольно-неза­висимой технологии (Synchronous Protocol Independent technology), ко­торая поддерживает основные технологии локальных сетей, позволяя осуществлять трансляцию между кадрами различных форматов. Поэто­му коммутатор ES/1 может использоваться для соединения сетей различ­ных типов — Ethernet, Token Ring, FDDI, причем трансляция происхо­дит со скоростью коммутации и не создает перегрузок трафика при межсетевых передачах.

♦           Образование виртуальных групп

По умолчанию коммутатор работает в режиме моста, изучая тра­фик, проходящий через его порты и строя таблицу адресов сегментов. С помощью программного обеспечения EliteView администратор может в удобной графической форме определить состав виртуальных рабочих Фупп, куда будут входить либо локальные сегменты, если к порту ES/1 подключен концентратор или сегмент Ethernet на коаксиальном кабеле, либо отдельные рабочие станции, если они подключены к порту индиви­дуально выделенным каналом. Виртуальные рабочие группы могут включать различные порты как одного, так и нескольких коммутаторов ES/1.

♦           Виртуальные сети

Наряду с образованием виртуальных изолированных рабочих групп, защищающих данные и локализующих трафик, очень полезным свойством коммутатора является возможность объединения этих групп в интерсеть с помощью внутренней маршрутизации пакетов между вирту­альными сегментами, которые объявляются виртуальными сетями (IP или IPX). При этом передача пакетов между портами, принадлежащими одной сети, происходит быстро на основании коммутации пакетов, в то же время пакеты, предназначенные другой сети, маршрутизируются. Та­ким образом, обеспечивается взаимодействие между виртуальными ра­бочими группами, и в то же время выполняются все функции по защите сетей друг от друга, обеспечиваемые маршрутизаторами.

Коммутаторы локальных сетей компании 3Com

Компания 3Com занимает прочные позиции на рынке коммутато­ров, выпуская широкий спектр этих устройств для всех областей приме­нения.

Сектор коммутаторов для настольных применений и рабочих групп представляют коммутаторы семейства Link Switch. Коммутаторы для сетей отделов и магистральные коммутаторы представлены семейст­вом LANplex. Для сетей ATM компания выпускает коммутаторы семей­ства CELLplex.

Технология коммутация неэффективна без опоры на специализи­рованные БИС — ASIC, которые оптимизированы для быстрого выпол­нения специальных операций. Компания 3Com строит свои коммутато­ры на нескольких ASIC, разработанных для коммутации определенных протоколов.

♦                 ASIC ISE (Intelligent Switching Engine) предназначена для выполнения операций коммутации Ethernet и FDDI, а также поддержки функций маршрутизации и управления. Используется в коммутаторах LANplex 2500, LANplex 6000 и LinkSwitch 2200.

♦                 ASIC TRSE (Token Ri lg Switching Engine) выполняет коммутацию сетей Token Ring. Используется в коммутаторах LinkSwitch 2000 TR и LANplex 6000.

♦                 ASIC BRASICA выполняет коммутацию Ethernet/Fast Ethernet. Поддерживает технологию виртуальных сетей и спецификацию RMON. Используется в коммутаторах LinkSwitch 1000 и LinkSwitch 3000.

♦           ASIC ZipChip поддерживает коммутацию ATM, а также преобразование кадров Ethernet в ячейки ATM используется в коммутаторах CELLplex 7000 и LinkSwitch 2700.

Коммутатор LANplex 6012 представляет собой старшую модель коммутатора локальных сетей, предназначенную для работы на уровне магистрали корпоративной сети.

Структура коммутатора до сих пор выдает ориентацию его ранних версий на коммутацию FDDI/Ethernet. До появления модулей, выходя­щих на высокоскоростную протокольно-независимую шину HSI, ком­мутатор использовал шины FDDI для межмодульного обмена.

Основные характеристики коммутатора LANplex 6012:

♦                 Устройство управления (отдельный модуль) поддерживает SNMP, RMON и FDDI SMT;

♦                 Виртуальные сети создаются на основе:

 

♦                 группирования портов;

♦                 группирования МАС-адресов.

♦           Поддерживается IP и IPX маршрутизация (RIP):

♦                 несколько подсетей на один порт;

♦                 несколько портов на одну подсеть.

 

♦                 IP- фрагментация;

♦                 ASIC+RISC процессоры;

♦                 Наличие функции Roving Analysis Port позволяет наблюдать за трафиком любого порта коммутатора;

♦                 Поддержка алгоритма Spanning Tree;

♦                 Фильтрация широковещательного шторма.

Примеры ATM-коммутаторов для локальных сетей Коммутаторы CELLplex компании 3Com

Коммутатор CELLplex 7000 представляет собой модульное уст­ройство на основе шасси, осуществляющее коммутацию до 16 портов ATM (4 модуля по 4 порта). Он предназначен для образования высоко­скоростной ATM-магистрали сети путем соединения с другими АТМ-коммутаторами или же для подключения высокоскоростных АТМ-узлов

 

к стянутой в точку магистрали сети на основе центра данных, имеющего порт ATM.

Коммутационный центр обеспечивает обмен данными по схеме 16x16, используя неблокирующую технологию коммутации «на лету» с общей пропускной способностью 2.56 Гб/с и поддерживая до 4096 вир­туальных каналов на порт.

Пассивная внутренняя шина коммутатора обеспечивает передачу данных со скоростью до 20.48 Гб/с, обеспечивая переход в будущем на интерфейсные модули с большим количеством портов или с более ско­ростными портами.

Полностью избыточное шасси со сдвоенным источником пита­ния, продублированным коммутационным центром и модульное пост­роение делают коммутатор CELLplex 7000 отказоустойчивым устройст­вом, подходящим для построения магистрали сети и удовлетворяющим требованиям наиболее важных приложений.

Имеются два типа интерфейсных модулей:

♦                 модуль с 4 портами ОС-Зс 155 Мб/с для многомодового оптоволоконного кабеля, предназначенный для локальных связей;

♦                 модуль с 4 портами DS-3 45 Мб/с — для глобальных связей.

Коммутатор поддерживает основные спецификации технологии ATM: установление коммутируемых виртуальных каналов (SVC) по спе­цификациям UNI 3.0 и 3.1, поддержку постоянных виртуальных каналов (PVC) с помощью системы управления, Interim Interswitch Signaling Protocol (IISP), эмуляцию локальных сетей (LAN emulation), управление перегрузками (congestion management).

Управление коммутатором реализовано для стандартов: SNMP, ILMI, MIB 2, ATM MIB, SONET MIB. Используется система управления Transcend.

Коммутатор CELLplex 7200 совмещает функции ATM-коммутато­ра и Ethernet-коммутатора, одновременно позволяя ликвидировать узкие места на магистрали сети и в сетях отделов.

CELLplex 7200 обеспечивает полноскоростные Ethernet-каналы для разделяемых сегментов локальных сетей, серверов и отдельных рабо­чих станций, требующих повышенного быстродействия.

Кроме этого, коммутатор может быть сконфигурирован с портами ATM для соединения с коммутаторами рабочих групп, ATM-серверами и рабочими станциями, а также для подключения к ATM-магистрали сети.

Коммутационный АТМ-центр (8x8) совмещен с процессором Ethernet/ATM коммутации на микросхеме ZipChip. ZipChip преобразует пакеты данных Ethernet в стандартные ячейки ATM, а затем коммутиру­ет их со скоростью до 780000 ячеек в секунду.

В отличие от модели CELLplex 7000 модель CELLplex 7200 имеет не два, а четыре типа интерфейсных модулей:

♦                 модуль с двумя портами ATM ОС-Зс;

♦                 модуль с двумя портами DS-3;

♦                 модуль с 12 портами Ethernet и одним портом ATM ОС-Зс;

♦                 модуль с 12 портами Ethernet и одним портом ATM DS-3.

Остальные характеристики коммутаторов CELLplex 7200 и CELL­plex 7000 практически совпадают.

Коммутаторы технологии ATM LattisCell и EtherCell компании Bay Networks

Семейство продуктов, разработанных компанией Bay Networks для технологии ATM, состоит из коммутаторов LattisCell (только АТМ-коммутация), коммутатора EtherCell (коммутация Ethernet-ATM), про­граммного обеспечения ATM Connection Management System и про­граммного обеспечения ATM Network Management Application.

Поставляется несколько моделей коммутаторов ATM, каждый из которых обеспечивает определенное сочетание физических уровней, сред передачи и возможностей резервирования источников питания.

Коммутатор EtherCell предназначен для устранения «узких мест» в рабочих группах локальных сетей, использующих традиционную разде­ляемую среду передачи данных технологии Ethernet. С помощью этого коммутатора можно разгрузить линии связи с серверами и маршрутиза­торами. Модель 10328 EtherCell имеет 12 портов 10Base-T и прямой до­ступ к сети ATM. Порты Ethernet могут предоставлять выделенную поло­су пропускания 10 Мб/с за счет их коммутации.

Программное обеспечение ATM Connection Management System (CMS) размещается на рабочей станции SunSPARCStation, выполняя функции координации и управления соединениями коммутатора. CMS автоматически изучает сетевую топологию и устанавливает виртуальные ATM-соединения между взаимодействующими станциями.

Программное обеспечение ATM Network Management Application, работая совместно с CMS, обеспечивает управление сетью ATM на цен­тральной станции управления.

Модель ATM коммутатора LattisCell 10114А разработана для ис­пользования в сетях кампусов (расстояние между коммутаторами до 2 км) и представляет собой устройство, выполненное в виде автономного корпуса с фиксированным количеством портов, число которых равно 16. Для каждого порта обеспечивается пропускная способность в 155 Мб/с по многомодовому оптоволоконному кабелю. Функции физического уровня реализованы в соответствии со стандартами SONET/SDH 155 Мб/с, а также UNI 3.0

Архитектура FastMatrix обеспечивает общую внутреннюю ско­рость передачи данных 5 Гб/с, позволяющую производить коммутацию всех портов без блокировок. Поддерживаются функции широковеща­тельной (broadcast) и многовещательной (multicast) передачи.

Запрос на установление соединения может быть выполнен для различных уровней качества сервиса (Quality of Service, QoS):

♦                 QoS 1 — используется для сервиса CBR (постоянная битовая скорость);

♦                 QoS 2 — используется для сервиса VBR RT (переменная битовая скорость приложений реального времени);

♦                 QoS 3/4 — используется для сервиса VBR, предназначенного для передачи данных локальных сетей по процедурам с установлением соединений и без установления соединений;

♦                 QoS 0 — используется для сервиса UBR.

Управление устройством осуществляется также с помощью про­граммной системы CMS, для которой необходимы: SunSPARCStation 2 или выше, Sun OS 4.1.3 или выше для невыделенного Ethernet-соедине­ния или Solaris 2.4 для прямого АТМ-соединения.

Другие модели коммутаторов LattisCell (10114R, 10114A-SM, 10114R-SM, 10114R-SM, 10114-DS3,10114-ЕЗ, 10115А, 10115R) различа­ются наличием резервного источника питания, а также типом портов (общее количество портов в любой модели составляет 16). Кроме много-модовых портов, коммутаторы могут иметь одномодовые оптоволокон­ные порты (для сетей к мпусов с расстоянием до 25 км), а также порты для коаксиального кабеля с интерфейсами DS-3 (45 Мб/с) и ЕЗ (34 Мб/с) • для подключения к глобальным сетям через линии ТЗ/ЕЗ.

Модели коммутатора EtherCell (10328-F и 10328-SM) обеспечива­ют коммутацию Ethernet-Ethernet и Ethernet-ATM. Эти модели имеют 12 портов 10Base-T RJ-45 и один порт прямого доступа к ATM со скоростью 10 Мб/с. Порты 10Base-T могут использоваться для предоставления пол­ной скорости 10 Мб/с выделенной линии для высокоскоростных серве­ров или же для разделения ее между сегментом станций рабочей группы.

Модель EtherCell 10328-F поддерживает многомодовый оптоволо­конный кабель для связи с сетью ATM на расстоянии до 2 км.

Модель EtherCell 10328-SM поддерживает одномодовый оптово­локонный кабель для связи с сетью ATM на расстоянии до 20 км.

Коммутаторы поддерживают стандарт LAN emulation, определяю­щий взаимодействие локальных сетей с сетями ATM на уровне протоко­лов канального уровня. Кроме этого, поддерживаются спецификации UNI, М1В-П, EtherCell-MIB и стандартный формат MIB компании Bay Networks.

Через ATM-порт коммутаторы EtherCell могут соединяться с пор­том SONET/SDH коммутатора LattisCell.

Коммутаторы EtherCell включают программу-агент HSA (Host Signaling Agent), которая является агентом-посредником для Ethernet-хо­стов.

Коммутаторы EtherCell поддерживают образование виртуальных групп, распределенных по ATM-магистрали сети, образованной комму­таторами LattisCell.

Коммутатор LightStream 1010 компании Cisco

Коммутатор LightStream 1010 является ATM коммутатором для образования магистралей сетей отделов или кампусов.

Коммутатор обладает общей производительностью 5 Гб/с и вы­полнен на базе 5-слотового шасси.

В центральном слоте устанавливается модуль управления комму­тацией ATM Switch Processor (ASP), который имеет разделяемую память со скоростью доступа 5 Гб/с, полностью неблокирующую коммутацион­ную матрицу, а также высокопроизводительный RISC-процессор MIPS R4600 100 MHz. Модуль ASP работает под управлением межсетевой опе­рационной системы IOS, как и маршрутизаторы и коммутаторы старших моделей компании Cisco. Программное обеспечение модуля ASP может заменяться «на ходу», то есть без остановки коммутатора, что важно в ус­ловиях часто изменяющихся спецификаций ATM Forum.

 

Оставшиеся 4 слота используются для установки интерфейсных модулей САМ, в каждый из которых можно установить до 2-х модулей адаптеров портов РАМ. Таким образом, коммутатор может иметь в мак­симальной конфигурации до 8 модулей РАМ из следующего набора:

♦                1 порт ATM 622 Мб/с (ОС12) (одномодовый);

♦                1 порт ATM 622 Мб/с (ОС 12) (многомодовый);

♦                4 порта ATM 155 Мб/с (ОСЗс) (одномодовый);

♦                4 порта ATM 155 Мб/с (ОСЗс) (многмодовый);

♦                4 порта ATM 155 Мб/с (ОСЗс) (по неэкранированной витой паре UTP Cat 5);

♦                2 порта DS3/T3 45 Мб/с;

♦                2 порта ЕЗ 34 Мб/с.

Коммутатор LightStream 1010 одним из первых в отрасли поддер­живает спецификацию маршрутизации PNNI Phase 1, необходимую для маршрутизации коммутируемых соединений (SVC) в неоднородных ATM-сетях с учетом требуемого качества обслуживания.

Поддерживаются все определенные ATM Forum виды трафика, в том числе ABR.

Для соединений «пользователь — коммутатор» используется про­токол UNI 3.0 (в ближайшее время ожидается также поддержка UNI 3.1).

Коммутатор LightStream 1010 может выполнять роль центрально­го коммутатора в сети кампуса.

Тестовые испытания коммутаторов

Поскольку коммутаторы постоянно расширяют свою сферу дея­тельности, то интерес, проявляемый к ним со стороны различных тесто­вых лабораторий не уменьшается. В основном тестируются различные характеристики производительности для типовых конфигураций сети.

Проводимые тестовые испытания интересны в двух аспектах. Во-первых, интересны сами результаты испытаний, хотя абсолютизировать их ни в коем случае нельзя. Если один коммутатор превзошел другой по определенному показателю при определенных условиях на 10% или 20%, то это совершенно не значит, что в других условиях второй коммутатор не покажет себя лучше на 15%. В тоже время существенное отставание от общей массы моделей какого-либо коммутатора должно насторожить его потенциальных покупателей.

Во-вторых, интересны создаваемые условия тестирования, так как они обычно выбираются на основании опыта эксплуатации коммутато­ров и соответствуют наиболее тяжелым режимам их работы.

Ниже описываются условия и приводятся результаты тестирова­ния коммутаторов, проведенные совместно тестовой лабораторией жур­нала Data Communication и European Network Labs. При получении пер­вых результатов тестирования они обсуждались с представителями компаний-производителей, в результате чего в программное обеспече­ние некоторых моделей были внесены изменения, улучшившие их рабо­ту в специфических условиях проводимых испытаний.

Тестировались коммутаторы в конфигурации с распределенной магистралью, когда большое количество портов Ethernet 10 Мб/с обме­нивается данными через магистраль Fast Ethernet или FDDI.

Нагрузка на сеть создавалась двумя генераторами трафика Smartbits Advanced SMB100, которые посылали трафик на 20 портов Ethernet каждого из двух тестируемых образцов коммутатора. Трафик, посылаемый на каждый входной порт, направлялся через этот порт ос­тальным 39 портам коммутаторов с равной степенью вероятности во всех тестах, кроме теста на вносимую задержку, где трафик просто пропускал­ся в одном направлении через магистраль. Использовались кадры мини­мального размера по 64 байта каждый.

Генераторы трафика подсчитывали количество кадров, которые дошли до порта назначения и на основании этих данных подсчитывались количественные оценки качества передачи трафика коммутаторами.

В первом тесте проверялась способность коммутатора передавать без потерь кратковременные пульсации трафика.

Условия эксперимента: подача на каждый порт пачки из 24 кад­ров, пауза в 1 секунду, подача на каждый порт пачки из 62 кадров, пауза в 1 секунду, и так далее при увеличении размера пачки до 744 кадров. Каждая пачка создавала 100% загрузку каждого из 40 портов Ethernet, участвовавших в тестировании.

Результаты тестирования

Коммутатор LANplex при первых испытаниях потерял достаточно большой процент кадров, после чего специалисты компании 3Com вне­сли коррективы в его программное обеспечение и повысили степень аг­рессивности портов коммутатора. В результате коммутатор перестал те­рять кадры.

 

Во втором тесте проверялась максимальная пропускная способ­ность коммутации в расчете на один порт при 100% кратковременной за­грузке порта.

Условия эксперимента: генерировалась пачка из 24 кадров для каждого порта и измерялась максимальная скорость доставки кадров в порт назначения.

Результаты тестирования

Наилучшие результаты показал коммутатор Catalist 5000, переда­вая почти 5000 кадров в секунду при максимальной теоретически воз­можной пропускной способности в 7440 кадров в секунду (учитывались только принимаемые потом кадры). Значительное снижение реальной пропускной способности по сравнению с максимально возможной отра­жает трудности, которые испытывает коммутатор при полудуплексном режиме работы, одновременно передавая и принимая кадры. Коммута­тор LANplex несколько отстал от лидера, что специалисты, проводившие тестирование, объясняют слишком высоким уровнем агрессивности, ус­тановленном для предотвращения потерь кадров. Такой уровень слиш­ком «тормозит» конечный узел, не давая ему развить более высокую ско­рость выдачи кадров в сеть.

В третьем тесте оценивалась задержка, вносимая коммутатором при передаче кадра через магистраль

Условия эксперимента: Постоянный однонаправленный поток кадров через магистраль. Измерялось время между поступлением перво­го бита кадра на входной Ethernet-порт первого коммутатора и появлени­ем первого бита этого же кадра на выходном Ethernet-порту второго ком­мутатора.

Результаты тестирования

Коммутаторы, которые использовали в качестве магистрали коль­цо FDDI, вносили большие задержки по сравнению с коммутаторами, связанными по магистрали Fast Ethernet. Это не удивительно, так как в последнем случае трансляция кадров не выполнялась.

ПечатьE-mail

Яндекс.Метрика