Невеликі замітки про Linux: Комутатори Ethernet і Fast Ethernet

18.09.2015

Monday, August 10, 2009
Комутатори Ethernet і Fast Ethernet

Комутуючі концентратори (Switched Hubs) або, як їх ще називають, комутатори (Switches). перемикачі і свічі. можуть розглядатися, як найпростіший і дуже швидкий міст. Вони дозволяють розділити єдину мережу на кілька сегментів для збільшення розміру мережі або з метою зниження навантаження в окремих частинах мережі.

Як уже зазначалося, на відміну від мостів. свічі не приймають приходять пакети, а тільки переправляють з однієї частини мережі в іншу ті пакети, для яких це необхідно. Ніякої обробки пакетів не проводиться, хоча і контролюється їх заголовок. Комутатори практично не уповільнюють обміну по мережі. Але вони не можуть перетворювати формат пакетів і протоколи обміну по мережі. Оскільки комутатори працюють з інформацією, що знаходиться всередині кадру, часто говорять, що вони ретранслюють кадри, а не пакети, як репитерные концентратори .

Колізії комутатором не ретранслюються, що вигідно відрізняє його від більш простого репитерного концентратора. Вони розділяють на частини зону колізій мережі, тобто область, на яку поширюються колізії .

Логічна структура комутатора досить проста (рис. 1).

Невеликі замітки про Linux: Комутатори Ethernet і Fast EthernetРис. 1 Логічна схема комутатора

Ця схема включає в себе перехресну (комутаційну) матрицю (Crossbar Matrix), у всіх точках перетину якої можуть встановлюватися зв’язку на час передачі пакета. У результаті пакет, що надходить з будь-якого сегменту, може бути переданий будь-який інший сегмент. У разі широкомовного пакету, адресованого всім абонентам, він передається в усі сегменти одночасно, крім того сегмента, за яким він прийшов (рис. 2). Невеликі замітки про Linux: Комутатори Ethernet і Fast Ethernet

Рис. 2 Ретрансляція широкомовного пакета

Крім перехресної матриці комутатор включає в себе пам’ять, в якій формується таблиця MAC-адреси всіх комп’ютерів, підключених до кожного з його портів. Ця таблиця складається на етапі ініціалізації мережі і періодично оновлюється для обліку змін конфігурації мережі. Саме на підставі аналізу цієї таблиці робиться висновок про те, які зв’язки треба замикати, куди відправляти прийшов пакет. Якщо пакет, адресований абоненту того ж сегменту, до якого належить відправник, то він не ретранслюється взагалі. Широкомовний пакет не передається у той сегмент, до якого приєднаний абонент відправник пакета. Адреса відправника пакета заноситься в таблицю адрес, в тому випадку, якщо його там ще немає.

Комутатори випускаються на різне число портів. Найчастіше зустрічаються це 6, 8, 12, 16 і 24 портів. Слід зазначити, що мости рідко підтримують понад 4 портів. Розрізняються комутатори з допустимою кількістю адрес на один порт. Цей показник визначає граничну кількість комп’ютерів у кожному сегменті. Деякі комутатори дозволяють розбивати порти на групи, які працюють незалежно один від одного, тобто один комутатор може працювати як два або три.

До оммутаторы випускаються трьох видів залежно від складності, можливості нарощування кількості портів і вартості:

    комутатори з фіксованою кількістю портів (зазвичай до 30); модульні комутатори (з числом портів до 100); стекові комутатори .

Комутатори характеризуються двома показниками продуктивності:

    Максимальна швидкість ретрансляції пакетів вимірюється при передачі пакетів з одного порту в інший, коли всі інші порти відключені. Сукупна швидкість ретрансляції пакетів вимірюється при активній роботі всіх наявних портів. Сукупна швидкість більше максимальної, але максимальна швидкість, як правило, не може бути забезпечена на всіх портах одночасно, хоча комутатори і здатні одночасно обробляти кілька пакетів.

Головне правило, якого треба дотримуватися при розбиття мережі на сегменти з допомогою комутатора. називається «правило 80/20». Тільки при його виконанні комутатор працює ефективно. Згідно з цим правилом, необхідно, щоб не менше 80 % всіх передач відбувалося в межах одного сегмента мережі. І тільки 20 % всіх передач повинно відбуватися між різними частинами (сегментами) мережі, проходити через комутатор. На практиці це зазвичай зводиться до того, щоб сервер і активно працюють з ним робочі станції (клієнти) розташовувалися на одному сегменті. Існує два класи комутаторів. відрізняються рівнем інтелекту і способами комутації:

    комутатори з наскрізним вирізанням (Cut-Through); комутатори з накопиченням та ретрансляцією (Store-and-Forward, SAF).

Комутатори Cut-Through

Комутатори Cut-Through — самі прості і швидкі, вони не справляють ніякого буферирования пакетів і ніякої їх селекції. Вони виробляють комутацію «на льоту».

Ці комутатори буферируют тільки головну частину пакета, щоб прочитати 6-байтовий адресу приймача пакету і прийняти рішення про комутації, на яке у деяких комутаторів йде близько 10 бітових інтервалів. У результаті час очікування ретрансляції, тобто, затримка на комутаторі. включає як час буферирования, так і час комутації, може складати близько 150 бітових інтервалів.

Недолік даного типу комутатора в тому, що він ретранслює будь-які пакети з нормальною головною частиною, в тому числі і свідомо помилкові (наприклад, з неправильною контрольною сумою) і карликові (довжиною менше 512 бітових інтервалів). Помилки одного сегмента ретранслюються в інший сегмент, що призводить до зниження пропускної здатності мережі в цілому.

Ще одна проблема — комутатори даного типу часто перевантажуються і погано обробляють ситуацію перенавантаження. Наприклад, з двох або більше сегментів одночасно надходять пакети, адресовані одному і тому ж сегменту. Але комутатор не може одночасно передати кілька пакетів в один сегмент, тому частина пакетів пропадає. Разом з тим комутатор не може ретранслювати і пакети, що приходять з того ж порту, в який комутатор передає в даний момент.

Одне з удосконалень комутаторів Cut-Through отримало назву Interim Cut-Through Switching (ICS). Воно спрямоване на те, щоб уникнути ретрансляції карликових кадрів. Однак всі інші недоліки методу Cut-Through в даному випадку зберігаються. Затримка ретрансляції комутаторів даного типу (ICS) збільшується приблизно на 400 бітових інтервалів порівняно з звичайним Cut-Through .

Комутатори Store-and-Forward

Комутатори Store-and-Forward (SAF) являють собою найбільш дорогі, складні і досконалі пристрої. Вони набагато ближче до мостів і позбавлені недоліків комутаторів Cut-Through. Головна їх відмінність полягає в повному буферировании у внутрішньої буферної пам’яті FIFO всіх ретранслюються пакетів. Розмір кожного буфера при цьому повинен бути не менше максимальної довжини пакету. Відповідно значно зростає і затримка комутації, вона складає не менше 12000 бітових інтервалів. Карликові і помилкові пакети таким комутатором не пересилаються. Перевантаження виникають набагато рідше, так як є можливість відкласти на час передачу пакета.

Буферна пам’ять (з організацією FIFO) може розміщуватися на приймаючій стороні всіх портів (накопичення перед комутацією — рис. 3), на передавальній стороні портів (накопичення перед ретрансляцією), а також може бути загальною для всіх портів, причому ці методи часто комбінуються для досягнення найбільшої гнучкості і збільшення продуктивності. Чим більший об’єм пам’яті, тим краще комутатор справляється з перевантаженням. Іноді до складу комутатора включається і універсальний процесор, але частіше комутатори виконуються на спеціалізованих швидкодіючих мікросхемах, жорстко спеціалізованих саме на завданнях комутації пакетів. Невеликі замітки про Linux: Комутатори Ethernet і Fast Ethernet

Рис. 3 Буферна пам’ять в комутаторі

Комутатори SAF на відміну від інших можуть підтримувати одночасно різні швидкості передачі 10 Мбіт/с і 100 Мбіт/с). Повне буферування пакету цілком дозволяє передавати його не з тією швидкістю, з якої він надійшов. В результаті частина портів комутатора може працювати з мережею Ethernet. інша — з Fast Ethernet. причому деякі комутатори автоматично налаштовують свої порти на швидкість передачі підключеного до порту сегмента. Комутатори SAF полегшують перехід з Ethernet-Fast Ethernet. Існують комутатори. підтримують обмін з Gigabit Ethernet на швидкості 1000 Мбіт/с. До оммутаторы. як правило, не змінюють формат пакетів, тому мережі з різними форматами пакетів не можна об’єднувати з їх допомогою.

Випускаються також так звані гібридні (адаптивні) комутатори. які можуть автоматично перемикатися з режиму Cut-Through в режим SAF і навпаки. При малому навантаженні і низькому рівні помилок вони працюють як більш швидкі Cut-Through комутатори. а при великому навантаженні і значній кількості помилок переходять у більш повільний, але більш якісний режим SAF.

Нарешті, ще одна важлива гідність комутаторів в тому, що вони можуть підтримувати режим повнодуплексної зв’язку. При цьому режимі спрощується обмін в мережі, а швидкість передачі в ідеалі подвоюється.

У наш час комутатори виконують все більше функцій, що традиційно відносилися до мостів. У межах однієї мережі або однотипних мереж з однаковими форматами пакетів (Ethernet і Fast Ethernet) комутатори все більше витісняють мости. так як вони більш швидкі й дешеві. На частку мостів залишається тільки поєднання різнотипних мереж, що зустрічається не так вже й часто.

Оригінальна стаття: http://ltservice.com.ua/stati/kommutatoryi-ethernet-i-fast-ethernet.html

Короткий опис статті: комутатор ethernet

Джерело: Невеликі замітки про Linux: Комутатори Ethernet і Fast Ethernet

Також ви можете прочитати