Технологии
коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях
Ограничения традиционных технологий
(Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных
Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Классическим представителем
такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры разделяют во времени единственный канал связи, образованный
сегментом коаксиального кабеля (рисунок 2.1).
Рис. 2.1. Разделяемый канал передачи данных в сети Ethernet
При передаче каким-нибудь компьютером кадра данных все остальные компьютеры принимают его по общему коаксиальному кабелю, находясь с передатчиком в
постоянном побитном синхронизме. На время передачи этого кадра никакие другие обмены информации в сети не разрешаются. Способ доступа к общему кабелю
управляется несложным распределенным механизмом арбитража - каждый компьютер имеет право начать передачу кадра, если на кабеле отсутствуют информационные
сигналы, а при одновременной передаче кадров несколькими компьютерами схемы приемников умеют распознавать и обрабатывать эту ситуацию, называемую коллизией.
Обработка коллизии также несложна - все передающие узлы прекращают выставлять биты своих кадров на кабель и повторяют попытку передачи кадра через случайный
промежуток времени.
Работа всех узлов сети Ethernet в режиме большой распределенной электронной схемы с общим тактовым генератором приводит к нескольким ограничениям,
накладываемым на сеть. Основными ограничениями являются:
Максимально допустимая длина сегмента. Она зависит от типа
используемого кабеля: для витой пары это 100 м, для тонкого коаксиала -
185 м, для толстого коаксиала - 500 м, а для оптоволокна - 2000 м. Для
наиболее дешевых и распространенных типов кабеля - витой пары и тонкого
коаксиала - это ограничение часто становится весьма нежелательным.
Технология Ethernet предлагает использовать для преодоления этого
ограничения повторители и концентраторы, выполняющие функции усиления
сигнала, улучшения формы фронтов импульсов и исправления погрешностей
синхронизации. Однако возможности этих устройств по увеличению максимально
допустимого расстояния между двумя любыми узлами сети (которое называется
диаметром сети) не очень велики - число повторителей между узлами не может
превышать 4-х (так называемое правило четырех хабов). Для витой пары это
дает увеличение до 500 м (рисунок 2.2). Кроме того, существует общее
ограничение на диаметр сети Ethernet - не более 2500 м для любых типов
кабеля и любого количества установленных концентраторов. Это ограничение
нужно соблюдать для четкого распознавания коллизий всеми узлами сети, как
бы далеко (в заданных пределах) они друг от друга не находились, иначе
кадр может быть передан с искажениями.
Рис. 2.2. Максимальный диаметр сети Ethernet на витой паре
Максимальное число узлов в сети. Стандарты Ethernet ограничивают
число узлов в сети предельным значением в 1024 компьютера вне зависимости
от типа кабеля и количества сегментов, а каждая спецификация для
конкретного типа кабельной системы устанавливает еще и свое, более жесткое
ограничение. Так, к сегменту кабеля на тонком коаксиале нельзя подключить
более 30 узлов, а для толстого коаксиала это число увеличивается до 100
узлов. В сетях Ethernet на витой паре и оптоволокне каждый отрезок кабеля
соединяет всего два узла, но так как количество таких отрезков
спецификация не оговаривает, то здесь действует общее ограничение в 1024
узла.
Существуют также и другие причины, кроме наличия указанных в стандартах ограничений, по которым число узлов в сети Ethernet обычно не превосходит
нескольких десятков. Эти причины лежат в самом принципе разделения во времени одного канала передачи данных между всеми узлами сети. При подключении к такому
каналу каждый узел пользуется его пропускной способностью - 10 Мб/с - в течение только некоторой доли общего времени работы сети. Соответственно, на узел
приходится эта же доля пропускной способности канала. Даже если упрощенно считать, что все узлы получают равные доли времени работы канала и
непроизводительные потери времени отсутствуют, то при наличии в сети N узлов на один узел приходится только 10/N Мб/с пропускной способности. Очевидно, что при
больших значениях N пропускная способность, выделяемая каждому узлу, оказывается настолько малой величиной, что нормальная работа приложений и
пользователей становится невозможной - задержки доступа к сетевым ресурсам превышают тайм-ауты приложений, а пользователи просто отказываются так долго
ждать отклика сети.
Случайный характер алгоритма доступа к среде передачи данных, принятый в технологии Ethernet, усугубляет ситуацию. Если запросы на доступ к среде
генерируются узлами в случайные моменты времени, то при большой их интенсивности вероятность возникновения коллизий также возрастает и приводит к
неэффективному использованию канала: время обнаружения коллизии и время ее обработки составляют непроизводительные затраты. Доля времени, в течение
которого канал предоставляется в распоряжение конкретному узлу, становится еще меньше.
На рисунке 2.3 показана зависимость задержек доступа к среде передачи данных в сети Ethernet от количества узлов сети. Экспоненциальный рост задержек при увеличении
числа узлов очень характерен как для технологии Ethernet, так и для других технологий локальных сетей, основанных на разделении каналов во времени - Token
Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
Рис. 2.3. Зависимость задержек доступа к среде передачи данных
сети Ethernet от числа узлов сети
До недавнего времени в локальных сетях редко использовались мультимедийные приложения, перекачивающие большие файлы данных, нередко состоящие из
нескольких десятков мегабайт. Приложения же, работающие с алфавитно-цифровой информацией, не создавали значительного трафика. Поэтому долгое время для
сегментов Ethernet было действительным эмпирическое правило - в разделяемом сегменте не должно быть больше 30 узлов. Теперь ситуация изменилась и нередко
3-4 компьютера полностью загружают сегмент Ethernet с его максимальной пропускной способностью в 10 Мб/с или же 14880 кадров в секунду.
Более универсальным критерием загруженности сегмента Ethernet по сравнению с общим количеством узлов является суммарная нагрузка на сегмент, создаваемая его
узлами. Если каждый узел генерирует в среднем mi кадров в секунду для передачи по сети, то средняя суммарная нагрузка на сеть будет составлять Si
mi кадров в секунду. Известно, что при отсутствии коллизий, то есть при самом благоприятном разбросе запросов на передачу кадров во времени,
сегмент Ethernet может передать не больше 14880 кадров в секунду (для самых коротких по стандарту кадров в 64 байта). Поэтому, если принять эту величину за
единицу, то отношение Si mi/14880 будет характеризовать степень использования канала, называемый также коэффициентом загрузки.
Зависимость времени ожидания доступа к сети от коэффициента загрузки гораздо меньше зависит от интенсивности трафика каждого узла, поэтому эту величину
удобно использовать для оценки пропускной способности сети, состоящей из произвольного числа узлов. Имитационное моделирование сети Ethernet и
исследование ее работы с помощью анализаторов протоколов показали, что при коэффициенте загрузки в районе 0.3 - 0.5 начинается быстрый рост числа коллизий
и соответственно времени ожидания доступа. Поэтому во многих системах управления сетями пороговая граница для индикатора коэффициента загрузки по
умолчанию устанавливается на величину 0.3.
Ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сегмента, чаще всего оказываются
более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой передачи электрических
сигналов в кабелях.
Технология Ethernet была выбрана в качестве примера при демонстрации ограничений, присущих технологиям локальных сетей, так как в этой технологии
ограничения проявляются наиболее ярко, а их причины достаточно очевидны. Однако подобные ограничения присущи и всем остальным технологиям локальных сетей, так
как они опираются на использование среды передачи данных как одного разделяемого ресурса. Кольца Token Ring и FDDI также могут использоваться узлами сети только
в режиме разделяемого ресурса. Отличие от канала Ethernet здесь состоит только в том, что маркерный метод доступа определяет детерминированную очередность
предоставления доступа к кольцу, но по-прежнему при предоставлении доступа одного узла к кольцу все остальные узлы не могут передавать свои кадры и должны
ждать, пока владеющий правом доступа узел не завершит свою передачу.
Как и в технологии Ethernet, в технологиях Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN также определены максимальные длины отдельных физических сегментов
кабеля и ограничения на максимальный диаметр сети и максимальное количество в ней узлов. Эти ограничения несколько менее стеснительны, чем у технологии
Ethernet, но также могут быть серьезным препятствием при создании крупной сети.
Особенно же быстро может проявиться ограничение, связанное с коэффициентом загрузки общей среды передачи данных. Хотя метод маркерного доступа,
используемый в технологиях Token Ring и FDDI, или метод приоритетных требований технологии 100VG-AnyLAN позволяют работать с более загруженными средами, все
равно отличия эти только количественные - резкий рост времени ожидания начинается в таких сетях при больших коэффициентах загрузки, где-то в районе
60% - 70%. Качественный характер нарастания времени ожидания доступа и в этих технологиях тот же, и он не может быть принципиально иным, когда общая среда
передачи данных разделяется во времени между компьютерами сети.
Общее ограничение локальных сетей, построенных только с использованием повторителей и концентраторов, состоит в том, что общая производительность
такой сети всегда фиксирована и равна максимальной производительности используемого протокола. И эту производительность можно повысить только перейдя
к другой технологии, что связано с дорогостоящей заменой всего оборудования.
Рассмотренные ограничения являются платой за преимущества, которые дает использование разделяемых каналов в локальных сетях. Эти преимущества существенны,
недаром технологии такого типа существуют уже около 20 лет.
К преимуществам нужно отнести в первую очередь:
простоту топологии сети;
гарантию доставки кадра адресату при соблюдении ограничений
стандарта и корректно работающей аппаратуре;
простоту протоколов, обеспечившую низкую стоимость сетевых
адаптеров, повторителей и концентраторов;
Однако начавшийся процесс вытеснения повторителей и концентраторов коммутаторами говорит о том, что приоритеты изменились, и за повышение общей
пропускной способности сети пользователи готовы пойти на издержки, связанные с приобретением коммутаторов вместо концентраторов.
Локальные мосты - предшественники
коммутаторов
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. Вместо
этого он выступает по отношению к каждой из сетей как конечный узел. Он принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения кадра и только в
том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда.
Для передачи кадра в другую сеть мост должен получить доступ к ее разделяемой среде передачи данных в соответствии с теми же правилами, что и
обычный узел.
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 (рисунок 2.4).
Рис. 2.4. Локализация трафика при использовании моста
Мост не только снижает нагрузку в объединенной сети, но и уменьшает возможности несанкционированного доступа, так как пакеты, предназначенные для
циркуляции внутри одного сегмента, физически не появляются на других, что исключает их "прослуши-
вание" станциями других сегментов.
По своему принципу действия мосты подразделяются на два типа. Мосты первого типа выполняют так называемую маршрутизацию от источника (Source Routing),
метод, разработанный фирмой IBM для своих сетей Token Ring. Этот метод требует, чтобы узел-отправитель пакета размещал в нем информацию о маршруте пакета.
Другими словами, каждая станция должна выполнять функции по маршрутизации пакетов. Второй тип мостов осуществляет прозрачную для конечных станций
передачу пакетов (Transparent Bridges). Именно этот тип мостов лег в основу современных коммутаторов, поэтому остановимся на нем подробнее.
Функции и алгоритмы прозрачных мостов
Прозрачные мосты являются наиболее распространенным типом мостов. Для прозрачных 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. Мосты не
имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому - сетевому - уровню, и они ничего не знают о топологии связей сегментов или сетей
между собой. Таким образом, мосты являются совершенно прозрачными для протоколов, начиная с сетевого уровня и выше. Эта прозрачность позволяет мостам
передавать пакеты различных протоколов высокого уровня, никоим образом не влияя на их содержимое.
Вследствие функциональной ограниченности мосты имеют достаточно простое устройство и представляют собой удобное и недорогое средство для построения
интерсети.
Мосты обеспечивают возможность соединения двух или более сетей для образования единой логической сети. Исходные сети становятся сетевыми
сегментами результирующей сети. 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.
Мосты регенерируют пакеты, которые они передают с одного порта на другой (операция forwarding). Одним из преимуществ использования мостов является
увеличение расстояния, покрываемого интерсетью, так как количество пересекаемых мостов не оказывает влияния на качество сигнала.
Рис. 2.5. Мост как коммуникационное устройство канального уровня
Прозрачные мосты имеют дело как с адресом источника, так и с адресом назначения, имеющимися в кадрах локальных сетей. Мост использует адрес
источника для автоматического построения своей базы данных адресов устройств, называемой также таблицей адресов устройств. В этой таблице устанавливается
принадлежность адреса узла какому-либо порту моста. Все операции, которые выполняет мост, связаны с этой базой данных. На рисунке 2.5 показан фрагмент
сети, содержащий двухпортовый мост, и соответствующая этому фрагменту часть таблицы адресов устройств. Внутренняя структура моста показана на рисунке 2.6.
Функции доступа к среде при приеме и передаче кадров выполняют микросхемы MAC.
Рис. 2.6. Состав и структура моста
Все порты моста работают в так называемом "неразборчивом" (promisquous) режиме захвата пакетов, то есть все поступающие на порт пакеты
запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах и использует
проходящие через него пакеты для изучения состава сети.
Когда мост получает кадр от какого-либо своего порта, то он (после буферизации) сравнивает адрес источника с элементами базы данных адресов. Если
адрес отсутствует в базе, то он добавляется в нее. Если этот адрес уже имеется в базе, то возможны два варианта - либо адрес пришел с того же порта, который
указан в таблице, либо он пришел с другого порта. В последнем случае строка таблицы, соответствующая обрабатываемому адресу, обновляется - номер порта
заменяется на новое значение (очевидно, станцию с данным адресом переместили в другой сегмент сети). Таким способом мост "изучает" адреса устройств
сети и их принадлежность портам и соответствующим сегментам сети. Из-за способности моста к "обучению" к сети могут добавляться новые
устройства без необходимости реконфигурирования моста. Администратор может объявить часть адресов статическими и не участвующими в процессе обучения (при
этом он их должен задать сам). В случае статического адреса приход пакета с данным адресом и значением порта, не совпадающим с хранящимся в базе, будет
проигнорирован и база не обновится.
Кроме адреса источника мост просматривает и адрес назначения кадра, чтобы принять решение о его дальнейшем продвижении. Мост сравнивает адрес назначения
кадра с адресами, хранящимися в его базе. Если адрес назначения принадлежит тому же сегменту, что и адрес источника, то мост "фильтрует"
(filtering) пакет, то есть удаляет его из своего буфера и никуда не передает. Эта операция помогает предохранить сеть от засорения ненужным трафиком.
Если адрес назначения присутствует в базе данных и принадлежит другому сегменту по сравнению с сегментом адреса источника, то мост определяет, какой
из его портов связан с этим адресом и "продвигает" (forwarding) кадр на соответствующий порт. Затем порт должен получить доступ к среде
подключенного к нему сегмента и передать кадр узлам данного сегмента.
Если же адрес назначения отсутствует в базе или же это широковещательный адрес, то мост передает кадр на все порты, за исключением того порта, с
которого он пришел. Такой процесс называется "затоплением" (flooding) сети. Затопление гарантирует, что пакет будет помещен на все сегменты сети и,
следовательно, доставлен адресату или адресатам. Точно также мост поступает по отношению к кадрам с неизвестным адресом назначения, затопляя им сегменты сети.
Очевидно, что некоторое время после инициализации мост выполняет только операцию затопления, так как он ничего не знает о принадлежности адресов
сегментам сети.
Рисунок 2.5 иллюстрирует процессы обучения, фильтрации и продвижения. Предположим, что станции 1 и 2 являются новыми станциями на сегменте 1. Когда
станция 1 впервые направляет кадр станции 2, то мост определяет, что адреса станции 1 нет в базе адресов и добавляет его туда. Затем, так как адреса
станции 2 также нет в базе адресов, мост "затапливает" все сегменты (в данном случае это только один сегмент 2).
Когда станция 2 посылает ответный кадр, мост добавляет в свою базу и адрес 2. Затем он просматривает таблицу базы адресов и обнаруживает, что адрес 1 в
ней имеется и относится к сегменту 1, которому принадлежит и адрес источника. Поэтому он фильтрует этот кадр, то есть удаляет его из буфера и никуда не
передает.
Мост, работающий по описанному алгоритму, прозрачен не только для протоколов всех уровней, выше канального, но и для конечных узлов сети. Эта прозрачность
состоит в том, что узлы не посылают мосту свои кадры специальным образом, указывая в них адрес порта моста. Даже при наличии моста в сети конечные узлы
продолжают посылать кадры данных непосредственно другим узлам, указывая их адреса в качестве адресов назначения кадров. Поэтому порты мостов вообще не
имеют МАС-адресов, работая в режиме "неразборчивого" захвата всех кадров. Такая прозрачность моста упрощает работу конечных узлов, и это свойство
коренным образом отличает мост от маршрутизатора, которому узел отправляет кадр явным образом, указывая МАС-адрес порта маршрутизатора в своем кадре.
На рисунке 2.7 показана копия экрана с адресной таблицей модуля моста концентратора System 3000 компании Bay Networks. Из него видно, что сеть
состоит из двух сегментов - LAN A и LAN B. В сегменте LAN A имеется по крайней мере 3 станции, а в сегменте LAN B - 2. Четыре адреса, помеченные звездочками,
являются статическими, причем кадры, имеющие адреса, помеченные Flood, должны распространяться широковещательно.
Описанная процедура хорошо работает до тех пор, пока пользователи не переносят свои компьютеры из одного логического сегмента в другой. Так как
MAC-адрес сетевого адаптера аппаратно устанавливается изготовителем, то при перемещении компьютера мосты должны периодически обновлять содержимое своих
адресных баз. Для обеспечения этой функции записи в адресной базе делятся на два типа - статические и динамические. С каждой динамической записью связан таймер
неактивности. Когда мост принимает кадр с адресом источника, соответствующим некоторой записи в адресной базе, то соответствующий таймер
неактивности сбрасывается в исходное состояние. Если же от какой-либо станции долгое время не поступает кадров, то таймер неактивности исчерпывает свой
интервал, и соответствующая ему запись удаляется из адресной базы.
Рис. 2.7. Таблица продвижений моста System 3000 Local Bridge
Проблема петель при использовании мостов
Обучение, фильтрация и продвижение основаны на существовании одного логического пути между любыми двумя узлами сети. Наличие нескольких путей между
устройствами, известных также как "активные петли", создает проблемы для сетей, построенных на основе мостов.
Рис. 2.8. Влияние замкнутых маршрутов на работу мостов
Рассмотрим в качестве примера сеть, приведенную на рисунке 2.8. Два сегмента параллельно соединены двумя мостами так, что образовалась активная петля. Пусть
новая станция с адресом 10 впервые посылает пакет другой станции сети, адрес которой также пока неизвестен мосту. Пакет попадает как в мост 1, так и в мост
2, где его адрес заносится в базу адресов с пометкой о его принадлежности сегменту 1. Так как адрес назначения неизвестен мосту, то каждый мост передает
пакет на сегмент 2. Эта передача происходит поочередно, в соответствии с методом случайного доступа технологии Ethernet. Пусть первым доступ к сегменту
2 получил мост 1. При появлении пакета на сегменте 2 мост 2 принимает его в свой буфер и обрабатывает. Он видит, что адрес 10 уже есть в его базе данных,
но пришедший пакет является более свежим, и он утверждает, что адрес 10 принадлежит сегменту 2, а не 1. Поэтому мост 2 корректирует содержимое базы и
делает запись о том, что адрес 10 принадлежит сегменту 2. Аналогично поступает мост 1, когда мост 2 передает свою буферизованную ранее первую версию пакета на
сегмент 2. В результате пакет бесконечно циркулирует по активной петле, а мосты постоянно обновляют записи в базе, соответствующие адресу 10. Сеть засоряется
ненужным трафиком, а мосты входят в состояние "вибрации", постоянно обновляя свои базы данных.
В простых сетях сравнительно легко гарантировать существование одного и только одного пути между двумя устройствами. Но когда количество соединений
возрастает или интерсеть становится сложной, то вероятность непреднамеренного образования петли становится высокой. Кроме того, желательно для повышения
надежности иметь между мостами резервные связи, которые не участвуют при нормальной работе основных связей в передаче информационных пакетов станций, но
при отказе какой-либо основной связи образуют новую связную рабочую конфигурацию без петель. Описанные задачи решает алгоритм покрывающего дерева (Spanning
Tree Algorithm, STA).
Требования к пропускной способности моста
До сих пор мы предполагали, что при использовании моста для связи двух сегментов вместо повторителя общая производительность сети всегда повышается,
так как уменьшается количество узлов в каждом сегменте и загрузка сегмента уменьшается на ту долю трафика, который теперь является внутренним трафиком
другого сегмента. Это действительно так, но при условии что мост передает межсегментный трафик без значительных задержек и без потерь кадров. Однако,
анализ рассмотренного алгоритма работы моста говорит о том, что мост может и задерживать кадры и, при определенных условиях, терять их. Задержка, вносимая
мостом, равна по крайней мере времени записи кадра в буфер. Как правило, после записи кадра на обработку адресов также уходит некоторое время, особенно если
размер адресной таблицы велик. Поэтому задержка увеличивается на время обработки кадра.
Время обработки кадра влияет не только на задержку, но и на вероятность потери кадров. Если время обработки кадра окажется меньше интервала до
поступления следующего кадра, то следующий кадр будет помещен в буфер и будет ожидать там, пока процессор моста не освободиться и не займется обработкой
поступившего кадра. Если средняя интенсивность поступления кадров будет в течение длительного времени превышать производительность моста, то есть величину,
обратную среднему времени обработки кадра, то буферная память, имеющаяся у моста для хранения необработанных кадров, может переполниться. В такой ситуации
мосту некуда будет записывать поступающие кадры и он начнет их терять, то есть просто отбрасывать.
Потеря кадра - ситуация очень нежелательная, так как ее последствия не ликвидируются протоколами локальных сетей. Потеря кадра будет исправлена только
протоколами транспортного или прикладного уровней, которые заметят потерю части своих данных и организуют их повторную пересылку. Однако, при регулярных
потерях кадров канального уровня производительность сети может уменьшится в несколько раз, так как тайм-ауты, используемые в протоколах верхних уровней,
существенно превышают времена передачи кадров на канальном уровне, и повторная передача кадра может состояться через десятки секунд.
Для предотвращения потерь кадров мост должен обладать производительностью, превышающую среднюю интенсивность межсегментного трафика и большой буфер для
хранения кадров, передаваемых в периоды пиковой нагрузки.
В локальных сетях часто оказывается справедливым эмпирическое правило 80/20, говорящее о том, что при правильном разбиении сети на сегменты 80% трафика
оказывается внутренним трафиком сегмента, и только 20% выходит за его пределы. Если считать, что это правило действует по отношению к конкретной сети, то мост
должен обладать производительностью в 20 % от максимальной пропускной способности сегмента Ethernet, то есть производительностью 0.2 ( 14880 = 3000
кадра в секунду. Обычно локальные мосты обладают производительностью от 3000 кадров в секунду и выше.
Однако, гарантий на доставку кадров в любых ситуациях мост, в отличие от повторителя, не дает. Это его принципиальный недостаток, с которым приходится
мириться.
Принципы коммутации сегментов и узлов
локальных сетей, использующих традиционные технологии
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.
Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рисунке 2.9.
Каждый порт обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - EPP (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль,
который координирует работу всех процессоров EPP. 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.
Рис. 2.9. Структура коммутатора Kalpana
При поступлении кадра в какой-либо порт процессор EPP буферизует несколько первых байт кадра, для того, 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, то обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме,
параллельно обслуживая запросы всех процессоров EPP. 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 в адресной таблице, процессор EPP знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной
таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байт кадра). Если кадр нужно отфильтровать, то процессор просто прекращает записывать в буфер
байты кадра 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 адреса 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 кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного
порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.
После того, как нужный путь установился, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта, а после получения
им доступа к среде передаются 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 (рисунок 2.10).
Рис. 2.10. 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 "навылет"
("cut-through"). Этот способ представляет по сути конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его
передачи (рисунок 2.11):
Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием
байт адреса назначения.
Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше
процессора или в общей таблице системного модуля).
Коммутация матрицы.
Прием остальных байт кадра процессором входного порта.
Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта
через коммутационную матрицу.
Получение доступа к среде процессором выходного порта.
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 рисунке 2.11, экономия от конвейеризации получается ощутимой.
Однако, главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.
Рис. 2.11. Экономия времени при конвейерной обработке кадра
а) конвейерная обработка; б) обычная обработка с полной буферизацией
Рисунок 2.12 иллюстрирует этот эффект. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда два порта из 4-х,
подключенных к коммутатору, передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные два
порта коммутатора не конфликтуя - у каждого входного порта свой выходной порт. Если коммутатор обладает способностью успевать обрабатывать входной трафик даже
при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 2(10 Мб/с, а при
обобщении примера на N портов - (N/2)(10 Мб/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам,
выделенную пропускную способность протокола.
Рис. 2.12. Повышение производительности сети за счет одновременной
обработки нескольких кадров
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 и для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и
FDDI. Так как в основе технологии коммутации лежит алгоритм работы прозрачного моста, то принцип коммутации не зависит от метода доступа, формата пакета и
других деталей каждой технологии. Коммутатор изучает на основании проходящего через него трафика адреса конечных узлов сети, строит адресную таблицу сети и
затем на ее основании производит межкольцевые передачи в сетях Token Ring или FDDI (рисунок 2.13). Принцип работы коммутатора в сетях любых технологий
оставался неизменным, хотя внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора
EtherSwitch.
Рис. 2.13. Коммутация колец FDDI
Широкому применению коммутаторов безусловно способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации требовало замены только
концентраторов или просто добавления коммутаторов для разделения сегментов, образованных с помощью коммутаторов на более мелкие сегменты. Вся огромная установленная
база оборудования конечных узлов - сетевых адаптеров, а также кабельной системы, повторителей и концентраторов - оставалась нетронутой, что давало
огромную экономию капиталовложений по сравнению с переходом на какую-нибудь совершенно новую технологию, например, АТМ.
Так как коммутаторы, как и мосты, прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети оставило в неизменном виде не только оборудование и
программное обеспечение конечных узлов, но и маршрутизаторы сети, если они там использовались.
Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство, и, если администратор не нагружает его
дополнительными функциями, то конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет
работать самостоятельно и стараться эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.
Безусловно, повышение производительности сети при установке коммутатора в общем случае не будет такой значительной, как в примере. На эффективность
работы коммутатора влияет много факторов, и в некоторых случаях, как это будет показано ниже, коммутатор может совсем не дать никаких преимуществ по сравнению
с концентратором. Примером такого фактора может служить несбалансированность трафика в сети - если порт 1 и порт 2 коммутатора чаще всего обращаются к порту
3 коммутатора, то порт 3 будет периодически занят и недоступен для одного из двух этих портов и входящий в них трафик будет простаивать, ожидая освобождения
порта 3.
Полнодуплексные (full-duplex) протоколы
локальных сетей - ориентация исключительно на коммутацию кадров
Технология коммутации оставляет метод доступа к среде в неизменном виде. Это позволяет подключать к портам не только отдельные компьютеры, как это было
показано на рисунке 2.12, но и сегменты локальных сетей (рисунок 2.14).
Рис. 2.14. Коммутатор сохраняет в сегментах локальных сетей
метод доступа к разделяемой среде
Узлы сегмента разделяют общую среду передачи данных, используя либо пассивный коаксиальный кабель, либо концентраторы, как показано в примере,
приведенном на рисунке. Если это коммутатор Ethernet, то каждый его порт участвует в процессе обнаружения и отработки коллизий, и без этой функции
коммутатор нельзя было бы подключать к сегменту, так как он бы полностью нарушил нормальную работу остальных узлов сегмента. Если это коммутатор колец
FDDI, то его порты должны участвовать в процессе захвата и освобождения токена доступа к кольцу в соответствии с алгоритмами МАС-уровня стандарта FDDI.
Однако, когда к каждому порту коммутатора подключен только один компьютер, ситуация становится не такой однозначной.
В обычном режиме работы коммутатор по-прежнему распознает коллизии. Если сеть представляет собой Ethernet на витой паре, то доменом коллизий в этом
случае будет участок сети, включающий передатчик коммутатора, приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера компьютера, приемник сетевого
адаптера компьютера и две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками (рисунок 2.15).
Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что
изображенный на рисунке сегмент свободен. В результате строгого соблюдения правил разделения среды по протоколу Ethernet порт коммутатора и сетевой
адаптер используют соединяющий их кабель в полудуплексном режиме, то есть по очереди - сначала кадр или кадры передаются в одном направлении, а затем в
другом. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet в 14880 кадров в секунду при минимальной длине кадра делится между передатчиком порта
коммутатора и передатчиком сетевого адаптера. Если считать, что она делится пополам, то каждому предоставляется возможность передавать примерно по 7440
кадров в секунду.
Рис. 2.15. Домен коллизий, образуемый компьютером и портом коммутатора
В то же время, передатчик и приемник как сетевого адаптера, так и порта коммутатора способны принимать и передавать кадры с максимальной скоростью
14880 кадров в секунду. Такая скорость достигается в том случае, когда в течение длительного времени передача идет в одном направлении, например, от
компьютера к коммутатору.
Способность оборудования стандарта 10Base-T, то есть Ethernet'a на витой паре, работать с максимальной скоростью в каждом направлении использовали
разработчики коммутаторов в своих нестандартных реализациях технологий, получивших название полнодуплексных версий Ethernet, Token Ring, FDDI и т.д.
Полнодуплексный режим работы возможен только при существовании независимых каналов обмена данными для каждого направления и при соединении
"точка-точка" двух взаимодействующих устройств. Естественно, необходимо, чтобы МАС-узлы взаимодействующих устройств поддерживали этот
специальный режим. В случае, когда только один узел будет поддерживать полнодуплексный режим, второй узел будет постоянно фиксировать коллизии и
приостанавливать свою работу, в то время как другой узел будет продолжать передавать данные, которые никто в этот момент не принимает.
Так как переход на полнодуплексный режим работы требует изменения логики работы МАС-узлов и драйверов сетевых адаптеров, то он сначала был опробован при
соединении двух коммутаторов. Уже первые модели коммутатора EtherSwitch компании Kalpana поддерживали полнодуплексный режим при взаимном соединении,
поддерживая скорость взаимного обмена 20 Мб/с.
Позже появились версии полнодуплексного соединения FDDI-коммутаторов, которые при одновременном использовании двух колец FDDI обеспечивали скорость
обмена в 200 Мб/с.
Сейчас для каждой технологии можно найти модели коммутаторов, которые поддерживают полнодуплексный обмен при соединении коммутатор-коммутатор.
Существуют коммутаторы, которые позволяют объединить два коммутатора полнодуплексным каналом более чем по одной паре портов. Например, коммутаторы
LattisSwitch 28115 компании Bay Networks имеют по два порта, с помощью которых можно соединять коммутаторы, образуя полнодуплексный канал с
производительностью 400 Мб/c (рисунок 2.16).
Рис. 2.16. Транковое полнодуплексное соединение коммутаторов
LattisSwitch 28115 компании Bay Networks
Такие соединения называются транковыми и являются частной разработкой каждой компании, выпускающей коммуникационное оборудование, так как нарушают не только
логику доступа к разделяемым средам, но и топологию соединения мостов, запрещающую петлевидные контуры (а такой контур всегда образуется при
соединении коммутаторов более чем одной парой портов). При соединении коммутаторов разных производителей транк работать не будет, так как каждый
производитель добавляет к логике изучения адресов сети коммутатором по транковой связи что-то свое, чтобы добиться от него правильной работы.
После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее и в сетевых адаптерах, в
основном адаптерах Ethernet и Fast Ethernet. Многие сетевые адаптеры сейчас могут поддерживать оба режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа
CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключении к порту коммутатора.
Однако, необходимо осознавать, что отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет к повышению
вероятности потерь кадров коммутаторами, а, следовательно, к возможному снижению полезной пропускной способности сети (по отношению к переданным данным
приложений) вместо ее повышения.
В разделе 2.2 уже говорилось о том, что использование мостов несет в себе потенциальную угрозу потерь кадров при превышении интенсивности входного потока
производительности моста. Коммутаторы встречаются с аналогичной проблемой, даже если их внутренняя производительность выше, чем требуется для обслуживания
входных потоков, поступающих на каждый порт с максимально возможной скоростью, то есть выше, чем N(C, где N - число портов коммутатора, а С - максимальная
скорость передачи пакетов по протоколу, поддерживаемому коммутатором (например, 148809 кадров в секунду, если коммутатор поддерживает протокол Fast Ethernet на
всех своих портах).
Причина здесь в ограниченной пропускной способности отдельного порта, которая определяется не производительностью процессора, который обслуживает
порт, а временными параметрами протокола. Например, порт Ethernet не может передавать больше 14880 кадров в секунду, если он не нарушает временных
соотношений, установленных стандартом.
Поэтому, если входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами, то легко представить ситуацию, когда в какой-либо выходной порт
коммутатора будет направляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протокольный максимум. На рисунке 2.17 изображена как раз такая
ситуация, когда в порт 3 коммутатора направляется трафик от портов 1, 2, 4 и 6, с суммарной интенсивностью в 22 100 кадров в секунду. Порт 3 оказывается
загружен на 150%. Естественно, что когда кадры поступают в буфер порта со скоростью 20 100 кадров в секунду, а уходят со скоростью 14 880 кадров в
секунду, то внутренний буфер выходного порта начинает неуклонно заполняться необработанными кадрами.
Рис. 2.17. Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика
Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то момент времени обязательно переполнится. Нетрудно подсчитать, что при размере буфера в 100 Кбайт в
приведенном примере полное заполнение буфера произойдет через 0.22 секунды после начала его работы (буфер такого размера может хранить до 1600 кадров
размером в 64 байта). Увеличение буфера до 1 Мбайта даст увеличение времени заполнения буфера до 2.2 секунд, что также неприемлемо.
В территориальных сетях технология коммутации кадров и пакетов применяется уже очень давно. Сети Х.25 используют ее уже более 20 лет. Технологию
коммутации используют и новые территориальные сети, в частности сети frame relay и АТМ. В этих сетях конечные узлы подключаются к коммутаторам
полнодуплексными каналами связи, такие же каналы используются и для соединения коммутаторов между собой. Протоколы территориальных сетей сразу разрабатывались
для организации полнодуплексной связи между узлами сети, поэтому в них были заложены процедуры управления потоком данных. Эти процедуры использовались коммутаторами
для снижении интенсивности поступления кадров на входные порты в случае заполнения внутренних буферов коммутатора свыше опасного предела. В таких
ситуациях коммутатор направлял соседнему узлу специальный служебный кадр "Приемник не готов", при получении которого соседний узел обязан был
приостановить передачу кадров по данному порту. При перегрузках сети в конце концов служебные кадры доходили и до конечных узлов - компьютеров - которые
прекращали на время заполнять сеть кадрами, пока имеющиеся в буферах кадры не передавались узлам назначения. Вероятность потери кадров при наличии встроенных
в протокол процедур управления потоком становится очень небольшой.
При разработке коммутаторов локальных сетей ситуация коренным образом отличалась от ситуации, при которой создавались коммутаторы территориальных
сетей. Основной задачей было сохранение конечных узлов в неизменном виде, что исключало корректировку протоколов локальных сетей. А в этих протоколах
процедур управления потоком не было - использование общей среды передачи данных в режиме разделения времени исключало возникновение ситуаций, когда сеть
переполнялась бы необработанными кадрами. Сеть не накапливала данных в каких-либо промежуточных буферах при использовании только повторителей или концентраторов.
Поэтому применение коммутаторов без изменения протокола работы оборудования всегда порождает опасность потерь кадров. Если порты коммутатора работают в
обычном, то есть в полудуплексном режиме, то у коммутатора имеется возможность оказать некоторое воздействие на конечный узел и заставить его приостановить
передачу кадров, пока у коммутатора не разгрузятся внутренние буфера. Нестандартные методы управления потоком в коммутаторах при сохранении протокола
доступа в неизменном виде будут рассмотрены ниже.
Если же коммутатор работает в полнодуплексном режиме, то протокол работы конечных узлов, да и его портов все равно меняется. Поэтому имело смысл для
поддержки полнодуплексного режима работы коммутаторов разработать новые протоколы взаимодействия узлов, которые бы использовали явные и стандартные
механизмы управления потоком при сохранении неизменным только формата кадров. Сохранение формата кадров необходимо для того, чтобы к одному и тому же
коммутатору можно было бы подключать новые узлы, имеющие сетевые адаптеры полнодуплексного режима, и старые узлы или сегменты узлов, поддерживающие
алгоритм доступа к разделяемой среде.
Работа над выработкой стандарта для полнодуплексных версий Ethernet, Fast Ethernet и других технологий локальных сетей идет уже несколько лет, однако на
момент написания этого пособия такие стандарты пока не приняты из-за разногласий членов соответствующих комитетов по стандартизации, отстаивающих
подходы фирм, в которых они работают.
Тем не менее, каждая из крупных компаний, выпускающих коммуникационное оборудование, имеет свою версию полнодуплексных технологий и поддерживает их в
своих продуктах - сетевых адаптерах и коммутаторах. Эти версии используют встроенные процедуры управления потоком. Обычно это несложные процедуры,
использующие две команды - "Приостановить передачу" и "Возобновить передачу" - для управления потоком кадров соседнего узла
сети.