Построение локальных сетей на основе коммутаторов

Типичные причины перегрузок сети

Подобно проблемам уличного трафика в больших городах, сегодняшние локальные сети становятся все более перегруженными и в них все чаще происходят заторы. Кроме постоянно растущего числа пользователей есть и некоторые другие факторы, которые в совокупности потребовали расширения возможностей традиционных локальных сетей. Среди них можно выделить следующие:

• Все более и более мощный компьютер и технологии сети: Сегодня, центральные процессоры, шины, и периферия намного быстрее и более мощны, чем используемые в ранних ЛВС, и, поэтому, они могут послать больше данных через сеть.
• Увеличивающийся объем сетевого трафика: Приложения, интенсивно использующие сеть. Использование приложений типа клиент/сервер постоянно растет. Приложения такого типа позволяют администраторам централизовать обработку информации, облегчая ее хранение и защиту. Приложения типа клиент/сервер освобождают пользователя от забот по поддержке информации и от расходов на достаточно емкий жесткий диск для ее сохранения. Учитывая значительный финансовый выигрыш, который дают приложения типа клиент/сервер, в будущем следует ожидать еще более широкого их распространения.
• Приложения, требующие большой пропускной способности: приложения Software становятся более богатыми функциональными возможностями и требуют все больше пропускной способности. Настольная издательская система, дизайнерские программы, видео по требованию (VoD), мультимедийные учебники - все эти приложения требует значительной вычислительной мощности.

Эта таблица иллюстрирует некоторые примеры потребления пропускной способности для различных типов файлов. Сетевое время использования вычислено, предполагая пропускной способностью сегмента сети 4 Mbps.

Мосты - раннее решение проблем перегрузки сети

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

Мост - это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (реже нескольких) локальных сетей посредством передачи кадров из одной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост, в отличие от повторителя, не старается поддержать побитовый синхронизм в обеих объединяемых сетях. Для мостов сеть представляется наборами МАС-адресов устройств, используемых на канальном уровне, причем каждый набор связан с определенным портом моста. Мосты используют эти адреса для принятия решения о продвижении кадра, когда кадр записывается во внутренний буфер моста из какого-либо его порта. Таким образом, мост, изолирует трафик одного сегмента от трафика другого сегмента, фильтруя кадры. Так как в каждый из сегментов теперь направляется трафик от меньшего числа узлов, то коэффициент загрузки сегментов уменьшается. Сегментация сети разбивает сеть на отдельные домены коллизий, и поэтому уменьшается загрузка сети.
Некоторые из самых важных особенностей мостов следующие:

• Мосты работают на Уровне 2 модели OSI
• Мосты были "более интеллектуальными" чем повторители; мосты могли проанализировать поступающие фреймы и передавать их, используя определенную информацию адреса (фильтрация фреймов)
• Мосты буферизируют фреймы
• Мосты разбивают сеть на несколько сегментов. Каждый такой сегмент остается доменом коллизий, то есть участком сети, в котором все узлы одновременно фиксируют и обрабатывают коллизию. Однако коллизии одного сегмента не приводят к возникновению коллизий в другом сегменте, так как мост не осуществляет побитовый синхронизм сегментов и ограничивает коллизии тем сегментом, в котором они возникают

Добавление мостов к сети обеспечило множество выгод, включая следующее:

• Изоляция потенциальных проблем сети в одном сегменте
• Уменьшение ненужного трафика сети, фильтруя данные в пределах сегмента ЛВС
• Увеличение расстояния, покрываемого интерсетью, так как количество пересекаемых мостов не оказывает влияния на качество сигнала.

Коммутаторы

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

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

• И мосты, и коммутаторы подключают сегменты LAN
• И мосты, и коммутаторы используют таблицу MAC адресов, чтобы идентифицировать сегмент, которой нужно послать фрейм данных
• И мосты, и коммутаторы помогают уменьшать сетевой трафик

Как мосты, коммутаторы соединяют сегменты ЛВС и уменьшают загрузку сети. Однако коммутаторы работают на намного более высоких скоростях, чем мосты и поддерживают более передовые функциональные возможности:

• Большее количество портов: По сравнению с мостами, коммутаторы имеют больше портов; 10-Mbps /100-Mbps коммутаторы с 48 портами и с 24 портами весьма обычны. Большие коммутаторы могут поддерживать сотни портов
• Больший размер буфера фреймов: способность сохранять больше полученных фреймов весьма полезна, когда происходит переполнение портов на сервере или в других частях сети
• Высокие скорости портов коммутатора: Возможна поддержка портами следующих скоростей: 10 Mbps; 100 Mbps;1-Gbps; 10-Gbps
• Одновременная передача: Коммутаторы могут передавать несколько пакетов в одно и то же время, таким образом, увеличивая число одновременных сеансов связи. Например, когда фреймы отправляются между портами 1 и 2, другой сеанс связи может случаться между портами 5 и 6
• Полнодуплексная коммуникация (full-duplex): позволяет одновременно отправлять пакет и при этом получать другой. Для осуществления одновременной передачи и приема требуются две пары кабелей и коммутируемое соединение между всеми узлами. Такое соединение рассматривается как непосредственное, типа "точка-точка" и практически гарантирует отсутствие коллизий. Поскольку оба узла могут передавать и получать данные в одно и то же время, вопрос об использовании полосы пропускания не обсуждается. Для осуществления одновременной передачи и приема каждому узлу требуется назначенный только ему порт. В этой конфигурации использование двух пар кабелей позволяет дуплексному Ethernet-коммутатору создать непосредственное соединение между передатчиком (ТХ) на одном конце цепи и приемником (RX) на другом конце. При таком соединении двух станций образуется домен, свободный от коллизий, поскольку передача и прием данных происходят по отдельным, не конкурирующим между собой каналам. Ethernet обычно использует только 50-60% максимально возможной полосы пропускания по причине задержки и коллизий. Дуплексный Ethernet предоставляет возможность использовать полосу пропускания на 100% в обоих направлениях
• адаптация скорости передачи: Коммутатор LAN, который имеет порты с различными скоростями, может приспособиться между 10 и 100 Mbps, или 100 и 1000 Mbps, позволяя устанавливать необходимую пропускную способность. Без этой способности, не было бы возможно иметь различные порты, работающие в то же самое время на разных скоростях

Для отправки фрейма через коммутатор могут быть использованы два метода:

• Отправка с промежуточным хранением (store-and-forward). Пакет должен быть получен полностью, прежде чем начнется отправка. При этом считываются адреса пункта назначения и/или источника и перед отправкой используются фильтры. При получении фрейма проявляется задержка; эта задержка увеличивается для больших фреймов, поскольку для того, чтобы прочитать весь фрейм, требуется больше времени. Вероятность обнаружения ошибок довольно высока, поскольку во время ожидания поступления всего фрейма имеется возможность поиска ошибок
• Сквозной метод (cut-through). Коммутатор начинает считывать адрес пункта назначения и отправлять фрейм еще до полного его получения. Этот метод уменьшает задержку передачи, но имеет небольшую вероятность определения ошибок. Сквозная коммутация имеет две формы.

Коммутация с быстрой отправкой (fast-forward switching). Коммутация с быстрой отправкой обеспечивает наименьшую задержку, поскольку отправка пакета начинается сразу после получения адреса пункта назначения. Поскольку при таком виде коммутации отправка начинается еще до полного получения пакета, возможны ситуации, когда пакет передается с ошибками. Хотя такое происходит нечасто, а сетевой адаптер пункта назначения обычно отбрасывает пакеты с ошибками при получении, чрезмерный поток данных может оказаться в некоторых ситуациях неприемлемым. Для уменьшения числа пакетов, отправленных с ошибками, рекомендуется использовать метод коммутации без фрагментации. В режиме быстрой отправки задержка измеряется периодом времени от получения первого бита до его отправки, т.е. по принципу "первым пришел — первым ушел" (first in, first out, FIFO).
Коммутация без фрагментации (fragment-free switching).При коммутации без фрагментации отфильтровываются пакеты, попавшие в коллизию, которые составляют большинство ошибок при передаче, и только после этого начинается передача. В правильно работающей сети фрагменты, попавшие в коллизию должны иметь размер менее 64 байт. Пакеты размером более 64 байт являются действительными и обычно принимаются без ошибок. При коммутации без фрагментации пакет должен быть проверен на повреждение в результате коллизии до того, как он будет отправлен. При таком способе задержка также определяется принципом FIFO. Задержка обоих способов коммутации определяется тем, когда коммутатор начинает отправку фрейма. Чем быстрее режим коммутации, тем меньше задержка коммутатора. Для ускорения отправки фрейма приходится сокращать время, отводимое на проверку ошибок. При этом качество проверки снижается, что может привести к большему количеству повторных передач.

Как коммутаторы сегментируют сеть Ethernet

Ethernet-коммутатор может узнать адрес каждого устройства в сети путем чтения адреса отправителя в каждом переданном пакете и, отмечая порт, по которому пакет пришел на коммутатор. После этого коммутатор добавляет эту информацию в свою базу данных. Адреса изучаются динамически. Это означает, что после чтения нового адреса он запоминается и хранится в таблице MAC адресов. Если считан адрес отправителя, который отсутствует в таблице, то он запоминается и хранится для будущего употребления. При каждой записи адреса в таблицу отмечается момент его получения. Это позволяет хранить адреса в течение определенного периода времени. При каждом обращении к адресу или поиске его в таблице его временная метка обновляется. Адреса, к которым не было обращений в течение определенного периода времени, удаляются из таблицы. Посредством удаления устаревших адресов поддерживается точная и функционально эффективная база данных MAC адресов

Пример коммутации