Коммутатор одно из важнейших устройств использующихся при построении локальной сети. В этой статье мы поговорим какими коммутаторы бывают и остановимся на важных характеристиках, которые нужно учитывать при выборе коммутатора локальной сети.
Для начала рассмотрим общую структурную схему, чтобы понимать какое место коммутатор занимает в локальной сети предприятия.
На рисунке выше показанна наиболее распространенная структурная схема небольшой локальной сети. Как правило в таких локальных сетях используются коммутаторы доступа.
Коммутаторы доступа непосредственно подключены к конечным пользователям, предоставляя им доступ к ресурсам локальной сети.
Однако в крупных локальных сетях коммутаторы выполняют следующие функции:
Уровень доступа сети . Как было сказано выше коммутаторы доступа предоставляют точки подключения устройств конечного пользователя. В крупных локальных сетях фреймы коммутаторов доступа не взаимодействуют друг с другом, а передаются через коммутаторы распределения.
Уровень распределения . Коммутаторы данного уровня пересылают трафик между коммутаторами доступа, но при этом не взаимодействуют с конечными пользователями.
Уровень ядра системы . Устройства данного типа объединяют каналы передачи данных от коммутаторов уровня распределения в крупных территориальных локальных сетях и обеспечивают очень высокую скорость коммутации потоков данных.
Коммутаторы бывают:
Неуправляемые коммутаторы . Это обычные автономные устройства в локальной сети, которые управляют передачей данных самостоятельно и не имеют возможности дополнительной настройки. В виду простоты установки и небольшой цены получили широкое распространение при монтаже в домашних условиях и малом бизнесе.
Управляемые коммутаторы . Более продвинутые и дорогие устройства. Позволяют администратору сети самостоятельно настраивать их под заданные задачи.
Управляемые коммутаторы могут настраиваться одним из следующих способов:
Через консольный порт Через WEB интерфейс
Через Telnet Через протокол SNMP
Через SSH
Уровни коммутаторов
Все коммутаторы можно разделить на уровни модели OSI . Чем этот уровень выше тем большими возможностями коммутатор обладает, однако и стоимость его будет значительно выше.
Коммутаторы 1 уровня (layer 1) . К данному уровню можно отнести хабы, повторители и другие устройства, работающие на физическом уровне. Эти устройства были на заре развития интернета и в настоящее время в локальной сети не используются. Получив сигнал устройство данного типа, просто передает его далее, во все порты, кроме порта отправителя
Коммутаторы 2 уровня (layaer 2) . К данному уровню относятся неуправляемые и часть управляемых коммутаторов (switch ) работающих на канальном уровне модели OSI . Коммутаторы второго уровня работают с фреймами – кадрами: потоком данных разбитых на порции. Получив фрейм коммутатор уровня 2 вычитывает из фрейма адрес отправителя и заносит его в свою таблицу MAC адресов, сопоставляя этот адрес порту на котором он этот фрейм получил. Благодаря такому подходу коммутаторы второго уровня пересылают данные только на порт получателя, не создавая при этом избыточного трафика по остальным портам. Коммутаторы второго уровня не понимают IP адресов расположенных на третьем сетевом уровне модели OSI и работают только на канальном уровне.
Коммутаторы второго уровня поддерживают такие наиболее распространенные протоколы как:
IEEE 802.1 q или VLAN виртуальные локальные сети. Данный протокол, позволяет в рамках одной физической сети создавать отдельные логические сети.
Например устройства подключенные к одному коммутатору, но находящиеся в разных VLAN не увидят друг друга и передавать данные смогут только в своем широковещательном домене (устройствам из той же VLAN). Между собой компьютеры на рисунке выше смогут передавать данные при помощи устройства работающего на третьем уровне с IP адресами: маршрутизатором.
IEEE 802.1p (Priority tags ). Этот протокол изначально присутствует в протоколе IEEE 802.1 q и представляет собой 3 битное поле от 0 до 7. Данный протокол позволяет маркировать и отсортировывать весь трафик по степени важности выставляя приоритеты (максимальный приоритет 7). Фреймы с большим приоритетом будут пересылаться в первую очередь.
IEEE 802.1d Spanning tree protocol (STP). Данный протокол выстраивает локальную сеть в виде древовидной структуры, чтобы избежать закольцовывания сети и предотвратить образования сетевого шторма.
Допустим монтаж локальной сети выполнен в виде кольца для повышения отказоустойчивости системы. Коммутатор с наибольшим приоритетом в сети выбирается корневым (Root). В примере приведенном выше SW3 является корневым. Не углубляясь в алгоритмы выполнения протокола, коммутаторы вычисляют путь с максимальной ценой и блокируют его. Например в нашем случае кротчайший путь от SW3 до SW1 и SW2 будет через собственные выделенные интерфейсы (DP) Fa 0/1 и Fa 0/2 . В этом случае цена пути по умолчанию для интерфейса 100 Мбит/c будет 19. Интерфейс Fa 0/1 коммутатора SW1 локальной сети блокируется потому, чо общая цена пути будет складываться из двух переходов между 100 Мбит/с интерфейсами 19+19=38.
Если рабочий маршрут будет поврежден, коммутаторы выполнят пересчет пути и разблокируют данный порт
IEEE 802.1w Rapid spanning tree protocol (RSTP). Усовершенствованный стандарт 802.1 d , который обладает более высокой устойчивостью и меньшим временем восстановления линии связи.
IEEE 802.1s Multiple spanning tree protocol. Последняя версия, учитывающая все недостатки протоколов STP и RSTP .
IEEE 802.3ad Link aggregation for parallel link. Данный протокол позволяет объединять порты в группы. Суммарная скорость данного порта агрегации будет складываться из суммы скоростей каждого порта в ней. Максимальная скорость определена стандартом IEEE 802.3ad и составляет 8 Гбит/сек.
Коммутаторы 3 уровня (layer 3) . Данные устройства еще называют мультисвичи так как они объединяют в себе возможности коммутаторов работающих на втором уровне и маршрутизаторов работающих с IP пакетами на третьем уровне. Коммутаторы 3 уровня полностью поддерживают все функции и стандарты коммутаторов 2 уровня. С сетевыми устройствами могут работать по IP-адресам. Коммутатор 3 уровня поддерживает установку различных соединений: l 2 tp , pptp, pppoe, vpn и т.д.
Коммутаторы 4 уровня (Layer 4) . Устройства уровня L4 работающие на транспортном уровне модели OSI . Отвечают за обеспечение надежности передачи данных. Эти коммутаторы, могут на основании информации из заголовков пакетов понимать принадлежность трафика разным приложениям и принимать решения о перенаправлении такого трафика на основании этой информации. Название таких устройств не устоялось, иногда их называют интеллектуальными коммутаторами, или коммутаторами L4.
Основные характеристики коммутаторов
Количество портов . В настоящее время существуют коммутаторы с количеством портов от 5 до 48. От этого параметра зависит количество сетевых устройств, которые можно подключить к данному коммутатору.
Например при построении малой локальной сети из 15 компьютеров нам понадобится коммутатор с 16 портами: 15 для подключения конченых устройств и один для установки и подключения маршрутизатора для выхода в интернет.
Скорость передачи данных . Это скорость, на которой работает каждый порт коммутатора. Обычно скорости указываются следующим образом: 10/100/1000 Мбит/с. Скорость работы порта определяется в процессе авто согласование с конечным устройством. В управляемых коммутаторах данный параметр может настраиваться вручную.
Например : Клиентское устройство ПК с сетевой платой 1 Гбит/с подключено к порту коммутатора со скоростью работы 10/100 Мбит/ c . В результате авто согласования устройства договариваются использовать максимально возможную скорость в 100 Мбит/с.
Авто согласование порта между Full – duplex и half – duplex . Full – duplex: передача данных одновременно осуществляется в двух направления. Half – duplex передача данных осуществляется сначала в одном, потом в другом направлении последовательно.
Внутренняя пропускная способность коммутационной матрицы . Данный параметр показывает с какой общей скоростью коммутатор может обрабатывать данные со всех портов.
Например : в локальной сети есть коммутатор у которого 5 портов работающих на скорости 10/100 Мбит/с. В технических характеристиках параметр коммутационная матрица равен 1 Гбит/ c . Это означает что каждый порт в режиме Full – duplex может работать со скоростью 200 Мбит/ c (100 Мбит/с прием и 100 Мбит/с передача). Допустим параметр данной коммутационной матрицы меньше заданного. Это означает, что в момент пиковых нагрузках, порты не смогут работать с заявленной скоростью в 100 Мбит/с.
Авто согласование типа кабеля MDI / MDI-X . Эта функция позволяет определить по какому из двух способов была обжата витая пара EIA/TIA-568A или EIA/TIA-568B. При монтаже локальных сетей наибольшее распространение получила схема EIA/TIA-568B.
Стекирование – это объединение нескольких коммутаторов в одно единое логическое устройство. Разные производители коммутаторов используют свои технологии стекирования, например c isco использует технологию стекирования Stack Wise с шиной между коммутаторами 32 Гбит/сек и Stack Wise Plus с шиной между коммутаторами 64 Гбит/сек.
К примеру данная технология актуально в крупных локальных сетях, где требуется на базе одного устройства подключить более 48 портов.
Крепеж для 19” стойки . В домашних условиях и малых локальных сетях коммутаторы довольно часто устанавливают на ровные поверхности или крепят на стену, однако наличие так называемых «ушей» необходимо в более крупных локальных сетях где активное оборудование размещается в серверных шкафах.
Размер таблицы MAC адресов . Коммутатор (switch) это устройство работающее на 2 уровне модели OSI . В отличии от хаба, который просто перенаправляет полученный фрейм во все порты кроме порта отправителя, коммутатор обучается: запоминает MAC адрес устройства отправителя, занося его, номер порта и время жизни записи в таблицу. Используя данную таблицу коммутатор перенаправляет фрейм не на все порты, а только на порт получателя. Если в локальной сети количество сетевых устройств значительно и размер таблицы переполнен, коммутатор начинает затирать более старые записи в таблице и записывает новые, что значительно снижает скорость работы коммутатора.
Jumboframe . Эта функции позволяет коммутатору работать с большим размером пакета, чем это определено стандартом Ethernet. После приема каждого пакета тратится некоторое время на его обработку. При использовании увеличенного размера пакета по технологии Jumbo Frame, можно сэкономить на времени обработки пакета в сетях, где используются скорости передачи данных от 1 Гб/сек и выше. При меньшей скорости большого выигрыша нет
Режимы коммутации. Для того, чтобы понять принцип работы режимов коммутации, сначала рассмотрим структуру фрейма передаваемого на канальном уровни между сетевым устройством и коммутатором в локальной сети:
Как видно из рисунка:
- Сначала идет преамбула сигнализирующая начало передачи фрейма,
- Затем MAC адрес назначения (DA ) и MAC адрес отправителя (SA )
- Идентификатор третьего уровня: IPv 4 или IPv 6 используется payload )
- И в конце контрольная сумма FCS : 4 байтное значение CRC используемое для выявления ошибок передачи. Вычисляется отправляющей стороной, и помещается в поле FCS. Принимающая сторона вычисляет данное значение самостоятельно и сравнивает с полученным значением.
Теперь рассмотрим режимы коммутации:
Store - and - forward . Данный режим коммутации сохраняет фрейм в буфер целиком и проверяет поле FCS , которое находится в самом конце фрейма и если контрольная сумма этого поля не совпадает, отбрасывает весь фрейм. В результате снижается вероятность возникновения перегрузок в сети, так как есть возможность отбрасывать фреймы с ошибкой и откладывать время передачи пакета. Данная технология присутствует в более дорогих коммутаторах.
Cut -through . Более простая технология. В данном случае фреймы могут обрабатываться быстрее, так как не сохраняются в буфер полностью. Для анализа в буфер сохраняются данные от начала фрейма до MAC адрес назначения (DA) включительно. Коммутатор вычитывает этот MAC адрес и перенаправляет его адресату. Недостатком данной технологии является то, что коммутатор пересылая в данном случае как карликовые, длиной менее 512 битовых интервала, так и поврежденные пакеты, увеличивая нагрузку на локальную сеть.
Поддержка технологии PoE
Технология pover over ethernet позволяет запитывать сетевое устройство по тому же кабелю. Данное решение позволяет сократить денежные затраты на дополнительный монтаж питающих линий.
Существует следующие стандарты PoE:
PoE 802.3af поддерживает оборудование мощностью до 15,4 Вт
PoE 802.3at поддерживает оборудование мощностью до 30 Вт
Passiv PoE
PoE 802.3 af/at имеют интеллектуальные схемы управления подачи напряжения на устройство: прежде чем подать питание на устройство PoE источник стандарта af/at производит согласование с ним во избежании порчи устройства. Passiv PoE значительно дешевле первых двух стандартов, питание напрямую подается на устройство по свободным парам сетевого кабеля без каких либо согласований.
Характеристики стандартов
Стандарт PoE 802.3af поддерживается большинством недорогих IP видеокамер, IP телефонов и точек доступа.
Стандарт PoE 802.3at присутствует в более дорогих моделях IP камер видеонаблюдения, где не возможно уложиться в 15.4 Вт. В этом случае как IP видеокамера, так и PoE источник (коммутатор) должны поддерживать данный стандарт.
Слоты расширения . Коммутаторы могут иметь дополнительные слоты расширения. Наиболее распространенными являются SFP модули (Small Form-factor Pluggable) . Модульные, компактные приемопередатчики использующиеся для передачи данных в телекоммуникационной среде.
SFP модули вставляются в свободный SFP порт маршрутизатора, коммутатора, мультиплексора или медиа-конвертера. Хотя существуют SFP модули Ethernet, наиболее часто используются оптоволоконные модули для подкючения маигстрального канала при передаче данных на большие расстояния, недосягаемые для стандарта Ethernet. SFP модули подбираются в зависимости от расстояния, скорости передачи данных. Наиболее распространенными являются двухволоконные SFP модули, использующие одно волокно для приема, другое для передачи данных. Однако технология WDM позволяет вести передачу данных на разных длинах волн по одному оптическому кабелю.
SFP модули бывают:
- SX - 850 нм используется с многомодовым оптическим кабелем на расстоянии до 550м
- LX - 1310 нм используется с обоими видами оптического кабеля (SM и MM) на расстоянии до 10 км
- BX - 1310/1550 нм используется с обоими видами оптического кабеля (SM и MM) на расстоянии до 10 км
- XD - 1550 нм используется с одномодовый кабель до 40км, ZX до 80км, EZ или EZX до 120 км и DWDM
Сам стандарт SFP предусматривает передачу данных со скоростью 1Гбит/с, либо со скоростью 100 Мбит/с. Для более быстрой передачи данных, были разработаны модули SFP+:
- SFP+ передача данных со скоростью 10 Гбит/с
- XFP передача данных со скоростью 10 Гбит/с
- QSFP+ передача данных со скоростью 40 Гбит/с
- CFP передача данных со скоростью 100 Гбит/с
Однако при более высоких скоростях производится обработка сигналов на высоких частотах. Это требует большего теплоотвода и, соответственно, больших габаритов. Поэтому, собственно, форм-фактор SFP сохранился еще только в модулях SFP+.
Заключение
Многие читатели наверное сталкивались с неуправляемыми коммутаторами и бюджетными управляемыми коммутаторами второго уровня в малых локальных сетях. Однако выбор коммутаторов для построения более крупных и технически сложных локальных сетей лучше предоставить профессионалам.
Безопасная Кубань при монтаже локальных сетей использует коммутаторы следующих брендов:
Профессиональное решение:
Cisco
Qtech
Бюджетное решение
D-Link
Tp-Link
Tenda
Безопасная Кубань выполняет монтаж, запуск в эксплуатацию и обслуживание локальных сетей по Краснодару и Югу России.
Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.
Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 4.23.
Рис. 4.23. Структура коммутатора EtherSwitch компании Ка1рапа
Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.
Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.
При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.
После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.
Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.
Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.
После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 4.24).
Рис. 4.24. Передача кадра через коммутационную матрицу
При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.
Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: а - конвейерная обработка; б - обычная обработка с полной буферизацией
1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.
2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).
3. Коммутация матрицы.
4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.
5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.
6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.
7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.
Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.
По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также приведенном на рис. 4.25, экономия от конвейеризации получается ощутимой.
Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.
Этот эффект иллюстрирует рис. 4.26. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4*10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов - (N/2)*l0 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.
Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изображена на рис. 4.26. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции поток данных по 10 Мбит/с, так как порт 8 не может передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet.
Рис. 4.26. Параллельная передача кадров коммутатором
Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, это его высокая производительность, то разработчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (non-blocking) модели коммутаторов.
Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. Естественно, что даже неблокирующий коммутатор не может разрешить в течение долгого промежутка времени ситуации, подобные описанной выше, когда блокировка кадров происходит из-за ограниченной скорости выходного порта.
Обычно имеют в виду устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, когда коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для обеспечения такого режима нужно, естественно, такое распределение потоков кадров по выходным портам, чтобы они справлялись с нагрузкой и коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора, а при превышении ее объема - просто отбрасываться. Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необходимо выполнение достаточно простого условия:
Cк= (∑ Cpi)/2,
где Ck- производительность коммутатора, Cpi- максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора. Суммарная производительность портов учитывает каждый проходящий кадр дважды - как входящий кадр и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт работает в полудуплексном режиме, например Ethernet 10 Мбит/с, то производительность порта Cpiравна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его Cpiбудет составлять 20 Мбит/с.
Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протоколов, независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной - при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Для поддержки неблокирующего мгновенного режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно, она должна быть равна суммарной производительности его портов:
Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина - эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.
Некоторые компании стали развивать технологию коммутации для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Эти коммутаторы поддерживали как алгоритм работы прозрачного моста, так и алгоритм моста с маршрутизацией от источника. Внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch, однако принцип параллельной обработки кадров по каждому порту оставался неизменным.
Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования - сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент.
Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети, если они там имелись.
Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.
Похожая информация.
Коммутация в локальных сетях (ЛВС) является одной из основ происходящего сегодня перехода к использованию технологий следующего поколения. Традиционные ЛВС рассчитаны на совместное использование ресурсов пользователями небольшого числа станций (обычно до 50). К числу разделяемых ресурсов относятся файлы и периферийные устройства (принтеры, модемы и т.п.). Поскольку картина трафика в таких сетях имеет ярко выраженный взрывной характер, использование разделяемой между всеми пользователями полосы может приводить к существенному замедлению работы. Стандарты Ethernet и token ring регулируют доступ сетевых устройств к разделяемой среде передачи. Когда одно из устройств передает данные в сеть, все остальные должны ждать окончания передачи, не делая попыток передать в сеть свои данные.
Такая схема разделения доступа к среде очень эффективна в небольших сетях, используемых для совместного использования файлов или принтеров. Сегодня размер и сложность локальных сетей значительно возрасли, а число устройств измеряется тысячами. В сочетании с ростом потребностей пользователей недетерминистический характер традиционных сеетвых архитектур (таких как Ethernet и token ring) начал ограничивать возможности сетевых приложений. Коммутация ЛВС является популярной технологией, способной продлить жизнь существующих ЛВС на базе Ethernet и token ring. Преимущества коммутации заключаются в сегментировании сетей - делении их на более мелкие фрагменты со значительным снижением числа станций в каждом сегменте. Изоляция трафика в небольшом сегменте приводит к многократному расширению доступной каждому пользователю полосы, а поддержка виртуальных ЛВС (VLAN) значительно повышает гибкость системы.
Коммутация обеспечивает сегментирование ЛВС с разделяемой средой
Администраторы сетей должны представлять себе технологические аспекты коммутации ЛВС и стоимость перехода к использованию коммутаторов в существующих сетях. Технологические вопросы включают понимание архитектуры коммутаторов ЛВС различий между коммутацией на MAC-уровне и маршрутизацией на сетевом, а также разницы между выполнением операций на программном и аппаратном уровне. Экономические аспекты включают сравнение соотношения производительность/цена для маршрутизаторов и коммутаторов, оценку эффективности вложения средств, а также расходов на организацию и поддержку сетей (включая управление сетью).
Технологические аспекты
Еще недавно для сегментации ЛВС использовались мосты, но развитие технологий позволило использовать для этого более эффективные решения. Еще несколько лет назад для объединения сегментов ЛВС использовались маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Маршрутизаторы обеспечивают эффективную сегментацию, но они достаточны дороги и сложны в управлении. Появление коммутаторов, основанных на базе специализированных контроллеров ASIC, сделало эти устройства значительно более эффективным инструментом сегментации сетей.
Коммутаторы ЛВС отличаются большим разнообразием возможностей и, следовательно, цен - стоимость 1 порта колеблется в диапазоне от 50 до 1000 долларов. Одной из причин столь больших различий является то, что они предназначены для решения различных классов задач. Коммутаторы высокого класса должны обеспечивать высокую производительность и плотность портов, а также поддерживать широкий спектр функций управления. Такие устройства зачастую кроме традиционной коммутации на MAC-уровне выполняют функции маршрутизации. Простые и дешевые коммутаторы имеют обычно небольшое число портов и не способны поддерживать функции управления.
Одним из основных различий является используемая в коммутаторе архитектура. Поскольку большинство современных коммутаторов работают на основе патентованных контроллеров ASIC, устройство этих микросхем и их интеграция с остальными модулями коммутатора (включая буферы ввода-вывода) играет важнейшую роль. Коммутаторы, реализующие также функции сетевого уровня (маршрутизацию), оснащены, как правило, RISC-процессорами для выполнения ресурсоемких программ маршрутизации.
Рисунок 2.1 Блок-схема коммутатора с архитектурой cross-bar
Контроллеры ASIC для коммутаторов ЛВС делятся на 2 класса - большие ASIC, способные обслуживать множество коммутируемых портов (один контроллер на устройство) и небольшие ASIC, обслуживающие по несколько портов и объединяемые в матрицы коммутации. Вопросы масштабирования и стратегия разработчиков коммутаторов в области организации магистралей и/или рабочих групп определяет выбор ASIC и, следовательно, - скорость продвижения коммутаторов на рынок.
Существует 3 варианта архитектуры коммутаторов - переключение (cross-bar) с буферизацией на входе, самомаршрутизация (self-route) с разделяемой памятью и высокоскоростная шина. На показана блоксхема коммутатора с архитектурой, используемой для поочередного соединения пар портов. В любой момент такой коммутатор может обеспечить организацию только одного соединения (пара портов). При невысоком уровне трафика не требуется хранение данных в памяти перед отправкой в порт назначения - такой вариант называется коммутацией на лету cut-through). Однако, коммутаторы cross-bar требуют буферизации на входе от каждого порта, поскольку в случае использования единственного возможного соединения коммутатор блокируется (). Несмотря на малую стоимость и высокую скорость продвижения на рынок, коммутаторы класса cross-bar слишком примитивны для эффективной трансляции между низкоскоростными интерфейсами Ethernet или token ring и высокоскоростными портами ATM и FDDI.
Рисунок 2.2 Блокировка коммутатора с архитектурой cross-bar
Коммутаторы с разделяемой памятью имеют общий входной буфер для всех портов, используемый как внутренняя магистраль устройства (backplane). Буферизагия данных перед их рассылкой (store-and-forward - сохранить и переслать) приводит к возникновению задержки. Однако, коммутаторы с разделяемой памятью, как показано на не требуют организации специальной внутренней магистрали для передачи данных между портами, что обеспечивает им более низкую цену по сравнению с коммутаторами на базе высокоскоростной внутренней шины.
Рисунок 2.3 Архитектура коммутатора с разделяемой памятью
Рисунок 2.4 Коммутатор с высокоскоростной шиной
Рисунок 2.5 Коммутация и маршрутизация в модели OSI
Большинство современных сетевых устройств - концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы - поддерживают отдельные функции коммутации и маршрутизации. Администратор сети должен решить, какие услуги каждого типа требуются в сети и чье оборудование наиболее соответствует задачам.
Аппаратные реализации коммутаторов ЛВС используют специализированные микросхемы ASIC (собственной разработки или других фирм), в которых реализованы функции коммутации. Аппаратная реализация обеспечивает более высокую скорость по сравнению с программной. Однако, этого еще недостаточно для создания хорошего коммутатора. При разработке ASIC должны создавать и проверяться программы коммутации, реализуемые в микросхемах. После создания контроллера программный код уже нельзя изменить, поэтому эффективность машины коммутации играет важнейшую роль. Стремление быстрее предложить устройства на рынок зачастую определяет уровень функциональности ASIC. Программные решения используют процессоры общего назначения, для работы которых требуется загрузить программный код. Преимущества такого подхода включают более высокий уровень сервиса (например, маршрутизация), но эти преимущества зачастую полностью подавляются ростом задержек.
Экономические аспекты
Очевидно, что основной причиной столь быстрого внедрения коммутаторов является более низкая, по сравнению с традиционными маршрутизаторами, стоимость самих устройств и существенное снижение расходов на организацию и поддержку сетей. Будучи устройством MAC-уровня, коммутатор не требует какой-либо настройки и обеспечивает решение plug-and-play (это относится прежде всего к простым коммутаторам). Коммутаторы легко позволяют решить проблему расширения полосы и могут работать в сетях с традиционными маршрутизаторами, обеспечивая деление сети на сегменты, связываемые потом маршрутизаторами. Поскольку на канальном уровне сеть выглядит плоской, все дополнительные услуги маршрутизации должны выполняться традиционными маршрутизаторами. Таким образом, коммутаторы в рабочих группах позволяют эффективно сегментировать сеть, оставляя маршрутизаторам функции связи между сегментами.
Другой причиной быстрого роста популярности коммутаторов является то, что они оптимизированы для решения различных сетевых задач (в частности для организации рабочих групп). Поскольку потребности рабочих групп связаны прежде всего с высокой скоростью обмена и обеспечением неблокируемых путей передачи трафика между членами группы, коммутаторы ЛВС содержат в качестве ядра аппаратную машину коммутации (switching engine). Массовое производство контроллеров ASIC привело к значительному снижению цен. Дополнительные высокоскоростные порты (uplink) для подключения к серверам, маршрутизаторам или магистралям обеспечивают пользователям рабочих групп удовлетворение всех возникающих потребностей. Гибкое и масштабируемое выделение полосы делает коммутаторы ЛВС важной частью процесса модернизации существующих сетей на базе разделяемых сред. Возможность простого переноса из одной точки сети в другую обеспечивает высокую эффективность капиталовложений, поскольку при изменении задач или структуры сети не приходится покупать новые устройства взамен имеющихся.
Возможно наибольшая экономия в результате использования коммутаторов связана с эффектиной сегментацией сети (рост пропускной способности) и простотой управления (plug-and-play). В отличие от маршрутизаторов, коммутаторы ЛВС практически не требуют настройки и не отнимают много времени у сетевых администраторов. MAC-адреса подключенных к коммутатору устройств определяются автоматически, а сложные схемы IP-адресации, используемые в сегодняшних сетях остаются полностью прозрачными для рабочих групп. Установка коммутатора в рабочей группе обычно не требует ничего, кроме подключения устройств к портам коммутатора взамен портов концентратора или размещения коммутатора между концентраторами и маршрутизатором как показано на рисунках , и .
Рисунок 2.6 Традиционная ЛВС на основе концентратора
Рисунок 2.7 Коммутатор ЛВС взамен хаба
Рисунок 2.8 Совместное использование коммутаторов и концентраторов
Коммутаторы ЛВС обеспечивают расширение агрегатной полосы
Сегментирование ЛВС с разделяемой средой можно проиллюстрировать на примере разделения участников большой конференции на специализированные группы, разделенные в разных помещениях. Сегментация сети обеспечивает многократный рост агрегатной полосы, позволяя вместо одного устройства вести передачу многим устройствам сразу. Сети Ethernet и token ring аналогичны пленарным заседаниям конференций, где все слушают одного оратора. Заседания рабочих групп позволяют выступать одному человеку в каждой группе. Таким образом и сегментация сетей позволяет вести передачу данных нескольким устройствам одновременно (по одному на сегмент).
При рассмотрении вопросов коммутации ЛВС важно понимать картину трафика и изменения в структуре ЛВС. Картины трафика в традиционных ЛВС с состязательным доступом к среде и сетях с выделенной полосой для каждого порта существенно отличаются. При изучении картины администратор наверняка увидит, что отдельным пользователям или группам требуется более широкая полоса, а часть задач весьма чувствительна к задержкам.
Изменения в структуре ЛВС и картине трафика
Сейчас уже очевидно, что используемый в сетях с разделяемой полосой состязательный механизм доступа является основной причиной недостаточной пропускной способности традиционных ЛВС. Напомним, что в каждый момент времени передавать данные в разделяемую среду может лишь одна станция - остальные должны "слушать". Реализации механизмов доступа в сетях Ethernet и token ring отличаются, следовательно, будут различаться и результаты использования коммутаторов.
Доступ к среде в сетях Ethernet основан на алгоритме CSMA/CD (множественный доступ с детектированием несущей и обнаружением конфликтов). Когда станции требуется передать данные, она сначала проверяет канал на предмет его использования другой станцией (обнаружение несущей - CS). Если среда в данный момент не используется, станция может начать передачу. Если среда занята, станция повторяет попытку доступа по истечении случайного интервала времени. Несмотря на предварительное прослушивание среды две (или более) станции могут начать передачу одновременно - возникает конфликт или коллизия (CD). В этом случае обе станции должны немедленно прекратить передачу и пытаться повторить ее по истечение случайного интервала времени.
В небольших сетях взрывной характер трафика (пакеты данных передаются лишь время от времени) обеспечивает достаточно малую вероятность возникновения конфликтов. В большой сети интервалы между пакетами сокращаются и вероятность коллизий растет. Это приводит к тому (), что в больших сетях возможна (хотя и маловероятна) ситуация, когда какая-либо станция (например, с медленным процессором) вообще не сможет получить доступа к среде передачи, поскольку какой-либо очередности доступа не соблюдается (известный принцип - кто первый встал, тому и тапочки). Сегментация такой сети позволит обеспечить существенное повышение пропускной способности.
Figure 2.9 Пример сети рабочей группы
Число станций и эффективная полоса
В сетях Token ring доступ к среде основан на передаче маркера (token) - специального пакета, распространяемого по кольцу. Получившая маркер станция может начать начать передачу своих данных в сеть. Здесь не возникает конфликтов, но станция, не владеющая маркером, не может передавать данные, даже при свободной среде. В маленьких сетях цикл передачи маркера по кольцу занимает немного времени и станции не ждут подолну возможности начать передачу. Однако, в большой сети время ожидания может стать слишком большим. Разделение кольца на несколько меньших колец с помощью коммутатора (сегментация) уменьшает число станций в кольце и снижает время ожидания маркера. Кроме того, коммутация token ring повышает устойчивость сети к повреждениям.
Причиной нехватки пропускной способности является то, что каждая станция сегмента слышит "разговоры" всех других станций. Переход к ориентированным на организацию соедиений "точка-точка" технологиям типа ATM, является важнейшим шагом вперед. Преимущества полностью коммутируемых сетей, ориентированных на организацию соединений, очевидны, но что делать с имеющимися сетевыми приложениями и услугами на основе широковещательных пакетов в традиционных ЛВС. До тех пор, пока все эти приложения не будут переписаны для сетей на основе организации прямых соединений, проблема широковещательного трафика будет основным вопросом в связи с коммутацией ЛВС.
Рисунок 2.10 Число пользователей Ethernet и эффективная полоса
Различные требования пользователей к полосе
Широкополосные приложения, такие как multimedia и базы данных клиент-сервер являются достаточно тяжелым грузом для ЛВС с разделяемой средой, рассчитанных просто на совместное использование файлов и принтеров. Использование состязательных механизмов доступ к среде не позволяет обеспечить пользователям графических приложений высокоскоростной перенос по сети больших объемов данных с малой задержкой. Администраторы сетей часто решают эту проблему организацией для таких пользователей отдельных сегментов без перехода на высокоскоростные технологии типа FDDI. Подбор числа пользователей для каждого порта коммутатора обеспечивает экономичное решение проблемы недостаточной пропускной способности без перехода на новые технологии.
Файловые серверы, серверы приложений и пользователи с высокими запросами можно подключить к коммутатору через скоростные порты Fast Ethernet, FDDI или ATM. Этот путь требует замены сетевых адаптеров в серверах и, возможно, кабельной системы, но обеспечивает гибкое и масштабируемое решение.
Широкополосные приложения отнюдь не являются единственной проблемой сетевых администраторов. Чувствительные к задержкам задачи реального времени (например, видео) в разделяемых средах с недетерминистическим способом доступа (типа Ethernet).
Коммутация ЛВС повышает уровень гибкости
Коммутация ЛВС позволяет создавать виртуальные сети (VLAN) из групп пользователей, основываясь на их задачах, а не по физическому расположению в сети. Технология виртуальных ЛВС позволяет пользователям свободно перемещаться по сети, оставаясь в своей рабочей группе.
Простота приспособления виртуальных ЛВС к перемещению и добавлению узлов, а также другим изменениям в сети вместе с эффективной интеграцией традиционных ЛВС в сети ATM способна поразить воображение каждого. Перестройка сети с учетом роста числа мобильных пользователей и необходимости обеспечения доступа на базе правил, позволяет многочисленным пользователям свободно работать даже находясь за пределами офиса. Планирование интеграции традиционных ЛВС в сети на базе ATM требует от администраторов с осторожностью относится к выбору технологии. Правильный выбор позволит создать эффективную сеть и обеспечит возможность поэтапного перехода на новые технологии.
Виртуальные ЛВС упрощают перенос, добавление или удаление узлов
Сотрудники многих организаций работают над различными проектами, группируясь в рабочие команды для решения конкретных задач. По мере решения задачи состав группы может меняться, а по завершении потребуется создание новой группы. Организация рабочих групп по физическому расположнию компьютеров (как это делается в сетях с разделяемой средой) зачастую создает трудноразрешимые проблемы. Приходится переносить рабочие места пользователей или передавать большие объемы информации через перегруженные маршрутизаторы. Кроме того, трудоемкость настройки маршрутизаторов делает практически нереальной задачу создания временных рабочих групп из числа сотрудников, удаленных друг от друга. Виртуальные ЛВС позволяют группировать пользователей, не обращая внимание на их физическое расположение в сети - вы можете создать рабочую группу из сотрудников, расположенных в разных зданиях или даже в разных городах.
Возможность организации VLAN с использованием WAN-каналов требует интеграции коммутаторов ЛВС и ATM. На показан пример использования ATM для организации логического соединения между портами удаленных коммутаторов ЛВС. Таким образом можно создавать широковещательные домены (виртуальные ЛВС) из станций, расположенных на значительном удалении
Рисунок 2.11 Логические соединения коммутаторов ATM через WAN-каналы
Виртуальные ЛВС обеспечивают многочисленные преимущества. Рассмотрим для примера организацию с большим числом работающих на выезде сотрудников. При переезде такого сотрудника в другое место меняется его сетевой адрес и требуется полностью обновлять таблицу маршрутизации. Пользователю после такого переезда также придется вносить конфигурационные изменения для получения привычного сервиса. Виртуальные ЛВС на базе коммутаторов с поддержкой функций маршрутизации значительно упрощают операции, связанные с перемещениями пользователей. Возможно обеспечить полное сохранение рабочей среды независимо от местоположения пользователя ().
Рисунок 2.12 Построение виртуальной ЛВС
В дополнение к возможности организации распределенных рабочих групп технология VLAN позволяет создавать такие группы на основе широкого набора критериев (правил), задаваемых администратором сети. Таким образом, вопросы доступа, обеспечения безопасности, ведения счетов на оплату услуг можно решать автоматически за счет задания соответствующих правил организации VLAN. Виртуальные сети на базе правил позволяют обеспечить высочайшую гибкость при надежном обеспечении безопасности сети. Управление VLAN на основе технолгии drag-and-drop позволяет легко настраивать права доступа, создавать и менять логические рабочие группы.
Рисунок 2.13 Построение виртуальной ЛВС
Коммутация ЛВС обеспечивает интеграцию традиционных рабочих групп в сети ATM
Возможно одним из основных преимуществ коммутации ЛВС является возможность удовлетворения разнообразных потребностей пользователей в части предоставления полосы и типа сервиса. Как мы показали ранее установка коммутатора ЛВС, работающего на MAC-уровне не требует внесения изменений на уровне рабочих станций или уже имеющихся в сети маршрутизаторов. За счет возможности управления числом станций на каждом порту коммутатора администратор может обеспечить каждому пользователю или приложению требуемую полосу и величину задержки. Высокоскоростные магистральные модули (uplink) обеспечивают хорошее масштабирование за счет возможности подключения к высокоскоростным серверам и магистралям. Поскольку установка коммутаторов практически не требует настройки, добавление коммутаторов вследствие роста сети не вызывает затруднений и не требует высоких расходов.
Наконец, возможность поэтапной модернизации позволяет оценить необходимость использования новых технологий (типа ATM) для расширения возможностей существующих сетей. Реализация сетей полностью на базе ATM требует значительных средств и возможность использования преимуществ этой технологии при сохранении существующих сетей Ethernet и token ring имеет очень важное значение.
Приведенная в документе техническая информация может быть изменена без предупреждения.
© 1997 Xylan Corporation.
Казалось бы, что может быть легче, чем объединение компьютеров в информационных сетях? Но не всё так просто: для их работоспособности необходимо, чтобы функционировало достаточно много аппаратуры. Она весьма разнообразна. В данной статье будут рассмотрены представители второго уровня. Итак, что такое коммутатор? Зачем он необходим и как функционирует?
Для чего он необходим? Коммутатор сети - это устройство, которое используется, чтобы соединять несколько узлов компьютерной сети. Он работает на канальном уровне. Технология коммутаторов была разработана с использованием мостового принципа. Особенностью данного прибора является то, что он направляет данные исключительно получателю. Это позитивно сказывается на производительности сети и её безопасности, ведь в таком случае данные не могут попасть не в те руки.
Сколько же стоит коммутатор? Цена на самый дешевый составляет 800 рублей, самый дорогой - 24000.
Принцип работы
У данного прибора существует так называемая ассоциативная память, где хранится таблица коммутации. В ней указывается соответствие узла компьютера определённому порту. Когда сетевой коммутатор только включается, таблица пустая. Сам прибор в таком случае работает только в режиме обучения. Так, если ему передать какие-то данные, то он поочередно передаст их на все свои порты. Во время этого процесса осуществляется анализ полученной информации, а адрес отправителя заносится в таблицу. И если будут получены данные, которые необходимо передать уже идентифицированному пользователю, то всё придёт через указанный ранее порт. Со временем сетевой коммутатор создаст таблицу, в которой будет информация обо всех активных адресах. Также следует выделить то, что данный прибор отличается малой задержкой и высокой скоростью пересылки данных на каждый порт.
Режимы коммутации
Что такое коммутатор, вам уже известно. Но работают ли они по одному принципу или существует несколько подходов их реализации? Ясное дело, что такой сложный механизм может иметь несколько особенных режимов своей работы. Всего их существует три. Каждый из них является комбинацией двух параметров: надёжность передачи данных и время ожидания.
- С промежуточным хранением. Прибор читает всю информацию, которая есть в пакете. Затем она проверяется на отсутствие ошибок, выбирается порт коммутации, и только после этого осуществляется пересылка данных.
- Сквозной. Коммутатор читает только адрес, куда необходимо отправить данные, и после этого сразу же коммутирует их. Это очень быстрый режим передачи, но существенным недостатком является то, что может быть отправлен пакет, в котором есть ошибки.
- Гибридный. В этом режиме анализируются только первые 64 байта пакета данных на наличие ошибок. Если они здесь отсутствуют, то данные отправляются.
Асимметрическая и симметрическая коммутация
Что такое коммутатор, и какой функционал он исполняет, вы уже знаете. Давайте поговорим про передачу данных. Симметрия при коммутации необходима, чтобы дать характеристику самому прибору с точки зрения полосы пропуска, её возможностей для каждого порта устройства. Он позволяет обеспечить одинаковую ширину, когда все порты могут передавать 100 Мб/с или 10 Мб/с.
Асимметричный коммутатор может обеспечить соединение, если у портов различная пропускная способность. Так он спокойно обработает данные, которые идут со скоростью 10, 100 и 1000 Мб/с. Асимметричную коммутацию можно использовать при наличии больших потоков сетевых данных, которые устроены по принципу «клиент-сервер». Чтобы направлять данные с порта, на котором существенно крупнее массив информации, на меньший, используют буфер памяти. Он необходим для того, чтобы не возникало опасности переполнения, и, соответственно, потери данных. Также асимметричные коммутаторы необходимы для поддержания работоспособности вертикальных кросс-соединений и каналов между отдельными сегментами магистралей.
Заключение
Развитие не стоит на месте, и уже на момент написания этой статьи коммутаторы считаются устаревшими устройствами. Конечно, применять их с чисто технической стороны вопроса ещё можно, но сейчас, когда существуют роутеры, которые вобрали в себя их функционал и дополнительно могут обеспечивать передачу данных по беспроводной сети, коммутаторы выглядят довольно бледно.
