Коммутаторы Ethernet и Fast Ethernet

Коммутирующие концентраторы (Switched Hubs) или, как их еще называют, коммутаторы (Switches), переключатели и свичи, могут рассматриваться, как простейший и очень быстрый мост. Они позволяют разделить единую сеть на несколько сегментов для увеличения размера сети или с целью снижения нагрузки в отдельных частях сети.

Как уже отмечалось, в отличие от мостов, свичи не принимают приходящие пакеты, а только переправляют из одной части сети в другую те пакеты, для которых это необходимо. Никакой обработки пакетов не производится, хотя и контролируется их заголовок. Коммутаторы практически не замедляют обмена по сети. Но они не могут преобразовывать формат пакетов и протоколов обмена по сети. Поскольку коммутаторы работают с информацией, находящейся внутри кадра, часто говорят, что они ретранслируют кадры, а не пакеты, как репитерные концентраторы.

Коллизии коммутатором не ретранслируются, что выгодно отличает его от более простого репитерного концентратора. Они разделяют на части зону коллизий сети, то есть область, на которую распространяются коллизии.

Логическая структура коммутатора довольно проста (рис. 1).

Рис. 1 Логическая схема коммутатора

Эта схема включает в себя перекрестную (коммутационную) матрицу (Crossbar Matrix), во всех точках пересечения которой могут устанавливаться связи на время передачи пакета. В результате пакет, поступающий из любого сегмента, может быть передан в любой другой сегмент. В случае широковещательного пакета, адресованного всем абонентам, он передается во все сегменты одновременно, кроме того сегмента, по которому он пришел (рис. 2).

Рис. 2 Ретрансляция широковещательного пакета

Помимо перекрестной матрицы коммутатор включает в себя память, в которой формируется таблица MAC-адресов всех компьютеров, подключенных к каждому из его портов. Эта таблица создается на этапе инициализации сети и периодически обновляется для учета изменений конфигурации сети. Именно на основании анализа этой таблицы делается вывод о том, какие связи надо замыкать, куда отправлять пришедший пакет. Если пакет адресован абоненту из того же сегмента, к которому принадлежит отправитель, то он не ретранслируется вообще. Широковещательный пакет не передается в тот сегмент, к которому присоединен абонент отправитель пакета. Адрес отправителя пакета заносится в таблицу адресов, в том случае, если его там еще нет.

Коммутаторы выпускаются на различное число портов. Чаще всего встречаются это 6, 8, 12, 16 и 24 портов. Следует отметить, что мосты редко поддерживают более 4 портов. Различаются коммутаторы с допустимым количеством адресов на один порт. Этот показатель определяет предельное количество компьютеров в каждом сегменте. Некоторые коммутаторы позволяют разбивать порты на группы, работающие независимо друг от друга, то есть один коммутатор может работать как два или три.

Коммутаторы выпускаются трех видов в зависимости от сложности, возможности наращивания количества портов и стоимости:

• коммутаторы с фиксированным числом портов (обычно до 30);
• модульные коммутаторы (с числом портов до 100);
• стековые коммутаторы.

Коммутаторы характеризуются двумя показателями производительности:

• Максимальная скорость ретрансляции пакетов измеряется при передаче пакетов из одного порта в другой, когда все остальные порты отключены.
• Совокупная скорость ретрансляции пакетов измеряется при активной работе всех имеющихся портов. Совокупная скорость больше максимальной, но максимальная скорость, как правило, не может быть обеспечена на всех портах одновременно, хотя коммутаторы и способны одновременно обрабатывать несколько пакетов.

Главное правило, которого надо придерживаться при разбиении сети на сегменты с помощью коммутатора, называется "правило 80/20". Только при его выполнении коммутатор работает эффективно. Согласно этому правилу, необходимо, чтобы не менее 80 % всех передач происходило в пределах одного сегмента сети. И только 20 % всех передач должно происходить между разными частями (сегментами) сети, проходить через коммутатор. На практике это обычно сводится к тому, чтобы сервер и активно работающие с ним рабочие станции (клиенты) располагались на одном сегменте. Существует два класса коммутаторов, отличающихся уровнем интеллекта и способами коммутации:

• коммутаторы со сквозным вырезанием (Cut-Through);
• коммутаторы с накоплением и ретрансляцией (Store-and-Forward, SAF).

Коммутаторы Cut-Through

Коммутаторы Cut-Through– самые простые и быстрые, они не производят никакого буферирования пакетов и никакой их селекции. Они производят коммутацию "на лету".

Эти коммутаторы буферируют только головную часть пакета, чтобы прочитать 6-байтовый адрес приемника пакета и принять решение о коммутации, на которое у некоторых коммутаторов уходит около 10 битовых интервалов. В результате время ожидания ретрансляции, то есть, задержка на коммутаторе, включающее как время буферирования, так и время коммутации, может составлять около 150 битовых интервалов.

Недостаток данного типа коммутатора в том, что он ретранслирует любые пакеты с нормальной головной частью, в том числе и заведомо ошибочные (например, с неправильной контрольной суммой) и карликовые (длиной менее 512 битовых интервалов). Ошибки одного сегмента ретранслируются в другой сегмент, что приводит к снижению пропускной способности сети в целом.

Еще одна проблема - коммутаторы данного типа часто перегружаются и плохо обрабатывают ситуацию перегрузки. Например, из двух или более сегментов одновременно поступают пакеты, адресованные одному и тому же сегменту. Но коммутатор не может одновременно передать несколько пакетов в один сегмент, поэтому часть пакетов пропадает. Вместе с тем коммутатор не может ретранслировать и пакеты, приходящие из того же порта, в который коммутатор передает в данный момент.

Одно из усовершенствований коммутаторов Cut-Through получило название Interim Cut-Through Switching (ICS). Оно направлено на то, чтобы избежать ретрансляции карликовых кадров. Однако все остальные недостатки метода Cut-Through в данном случае сохраняются. Задержка ретрансляции коммутаторов данного типа (ICS) увеличивается примерно на 400 битовых интервалов по сравнению с обычным Cut-Through.

Коммутаторы Store-and-Forward

Коммутаторы Store-and-Forward (SAF) представляют собой наиболее дорогие, сложные и совершенные устройства. Они гораздо ближе к мостам и лишены недостатков коммутаторов Cut-Through. Главное их отличие состоит в полном буферировании во внутренней буферной памяти FIFO всех ретранслируемых пакетов. Размер каждого буфера при этом должен быть не меньше максимальной длины пакета. Соответственно значительно возрастает и задержка коммутации, она составляет не менее 12000 битовых интервалов. Карликовые и ошибочные пакеты таким коммутатором не пересылаются. Перегрузки возникают гораздо реже, так как есть возможность отложить на время передачу пакета.

Буферная память (с организацией FIFO) может размещаться на принимающей стороне всех портов (накопление перед коммутацией – рис. 3), на передающей стороне портов (накопление перед ретрансляцией), а также может быть общей для всех портов, причем эти методы часто комбинируются для достижения наибольшей гибкости и увеличения производительности. Чем больше объем памяти, тем лучше коммутатор справляется с перегрузкой. Иногда в состав коммутатора включается и универсальный процессор, но чаще коммутаторы выполняются на специализированных быстродействующих микросхемах, жестко специализированных именно на задачах коммутации пакетов.

Рис. 3 Буферная память в коммутаторе

Коммутаторы SAF в отличие от других могут поддерживать одновременно разные скорости передачи (10 Мбит/с и 100 Мбит/с). Полное буферирование пакета вполне позволяет передавать его не с той скоростью, с которой он поступил. В результате часть портов коммутатора может работать с сетью Ethernet, другая – с Fast Ethernet, причем некоторые коммутаторы автоматически настраивают свои порты на скорость передачи подключенного к порту сегмента. Коммутаторы SAF облегчают переход с Ethernet на Fast Ethernet. Существуют коммутаторы, поддерживающие обмен с Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Коммутаторы, как правило, не меняют формат пакетов, поэтому сети с разными форматами пакетов нельзя объединять с их помощью.

Выпускаются также так называемые гибридные (адаптивные) коммутаторы, которые могут автоматически переключаться из режима Cut-Through в режим SAF и наоборот. При малой нагрузке и низком уровне ошибок они работают как более быстрые Cut-Through коммутаторы, а при большой нагрузке и значительном количестве ошибок переходят в более медленный, но более качественный режим SAF.

Наконец, еще одно важное достоинство коммутаторов в том, что они могут поддерживать режим полнодуплексной связи. При этом режиме упрощается обмен в сети, а скорость передачи в идеале удваивается.

В наше время коммутаторы выполняют все больше функций, традиционно относившихся к мостам. В пределах одной сети или однотипных сетей с одинаковыми форматами пакетов (Ethernet и Fast Ethernet) коммутаторы все больше вытесняют мосты, так как они более быстрые и дешевые. На долю мостов остается только соединение разнотипных сетей, что встречается не так уж и часто.

Оригинальная статья: http://ltservice.com.ua/stati/kommutatoryi-ethernet-i-fast-ethernet.html