Коммутаторы

Коммутатор (switch) функционально представляет собой высокоскоростной многопортовый мост, способный одновременно связывать несколько узлов на максимальной скорости, обеспечиваемой средой передачи. Часто коммутаторы используются для сегментации – уменьшения размеров доменов коллизий. Фактически, коллизии преобразуются в очереди кадров внутри коммутатора. Предельный случай сегментации – микросегментация – достигается при подключении к каждому порту коммутатора единственного узла, тогда домен коллизий состоит только из узла и порта коммутатора (дуплексный режим позволяет вообще исключить коллизии при микросегментации).

Коммутаторы работают в одном из трех режимов:

1.Коммутация с буферизацией (store-and-forward): каждый кадр целиком замещается в буферной памяти коммутатора, затем проверяется его контрольная сумма, определяется порт назначения, ожидается освобождение порта, и производится передача кадра. Этот способ гарантирует фильтрацию ошибочных и отсеченных коллизией кадров. Основной недостаток – большая задержка передачи, достигающая нескольких миллисекунд на кадр.

2.Коммутация “на лету” (cut-through): кадр передается в порт назначения сразу после приема адреса получателя (в Ethernet – первые 6 байт заголовка кадра). Если в этот момент порт назначения занят, коммутатор обрабатывает пакет в режиме с буферизацией. Коммутация на лету вносит минимально возможную задержку – 11.2 мкс для Ethernet, однако при этом передаются все кадры – в том числе и ошибочные.

3.Бесфрагментная коммутация (fragment-free): коммутатор буферизует первые 64 байта кадра, и, если кадр не длиннее 64 байт, то коммутатор обрабатывает его в режиме с буферизацией. Если кадр длинный, то он передается в порт назначения, как в режиме “на лету”.

Большинство коммутаторов низшего и среднего уровня реализуют только режим коммутации с буферизацией. Коммутация “на лету” характерна для магистральных высокоскоростных коммутаторов, где минимальная задержка передачи гораздо важнее распространения кадров с ошибками. Коммутаторы верхнего уровня иногда используют технологию адаптивной коммутации: сначала все порты работают в режиме “на лету”, затем порты, через которые приходит много кадров с ошибками переводятся в бесфрагментный режим, а если это не помогает отфильтровать ошибочные кадры (в случае длинных пакетов с ошибками), то такие порты переводятся в режим коммутации с буферизацией.

Для достижения высокой производительности (необходимой для одновременного обслуживания всех портов) каждый порт коммутатора, как правило, снабжается отдельным процессором, обычно представляющим собой специализированную микросхему (ASIC), оптимизированную для выполнения функций коммутации. Центральный узел, связывающий процессоры отдельных портов, строится на основе одной из трех схем (применяются и комбинированные варианты):

· коммутационная матрица,

· разделяемая многовходовая память,

· общая шина.

Коммутационная матрица представляет собой комбинационную схему, состоящую, например, из управляемых переключателей, в зависимости от заданного номера порта назначения, соединяющих свой вход с одним из своих выходов. Таким образом, коммутационная матрица физически коммутирует каналы связи между портами, обеспечивая наиболее быстрый способ связи процессоров портов. Основной недостаток коммутационной матрицы – ограниченное число портов в таких коммутаторах (сложность схемы матрицы возрастает пропорционально квадрату числа портов). Кроме того, при использовании коммутационной матрицы необходимо, чтобы каждый порт мог самостоятельно буферизовать входящие кадры, иначе, за время возможного ожидания освобождения выходного порта, кадры могут быть потеряны.

Разделяемая многовходовая память позволяет увеличивать количество портов коммутатора без усложнения его схемы. Процессоры портов для передачи данных друг другу используют общую память. Переключение входа и выхода памяти осуществляет специальный блок управления, который организует по очереди данных для каждого выходного порта. По запросу входного порта блок управления подключает его к входу требуемой очереди, а процессор порта записывает в нее данные кадра. При появлении полных кадров в очередях, блок управления поочередно подключает выходные порты к своим очередям для считывания кадров для передачи.

Процессоры портов в коммутаторах с общей шиной снабжаются, с одной стороны, модулями арбитража доступа к шине, а с другой стороны – фильтрами, отбирающими передающиеся по шине ячейки, предназначенные данному порту. Кадр в таких коммутаторах передается по шине не целиком, а небольшими частями – ячейками, что позволяет (вместе с высокой скоростью передачи данных по шине) реализовать псевдопараллельный режим передачи кадров между портами. Для работы без блокировок пропускная способность общей шины должна быть не меньше половины суммы пропускных способностей всех портов.

Сложные коммутаторы, как правило, комбинируют приведенные архитектуры. Например, для модульных концентраторов свойственно использование общей шины для соединения модулей, в то время, как внутри каждого модуля (обычно не более 12 портов) реализуется наиболее быстрая архитектура – коммутационная матрица.

В зависимости от варианта конструкции, различают:

· автономные (standalone) коммутаторы;

· стековые коммутаторы;

· модульные коммутаторы на основе шасси.

Первые два варианта имеют фиксированное число (обычно 8,16,24, редко до 30) и тип портов, которые не могут быть изменены. Автономные коммутаторы применяются на уровне рабочих групп. Стековые коммутаторы отличаются от автономных наличием дополнительного (стекового) интерфейса, позволяющего объединять несколько таких коммутаторов в систему, работающую, как единый коммутатор – стек коммутаторов. Как правило, количество коммутаторов в стеке не превышает четырех (пропускная способность стекового интерфейса лежит в пределах 200-400 Мбит/с).

Стековые коммутаторы применяются в сетях, где емкости автономного коммутатора уже недостаточно (количество узлов больше 30), а установка значительно более дорогого модульного коммутатора неоправданна. Модульные коммутаторы на основе шасси позволяют подключать необходимое количество разнотипных модулей, часто с возможностью их замены без выключения коммутатора (hot swap). Количество портов в таких коммутаторах может превышать 100. Как правило, модульные коммутаторы используются в качестве магистральных.

В сетях Ethernet/Fast Ethernet часто используется сетевое устройство промежуточного типа – коммутирующий концентратор (switching hub), представляющий собой двухсегментный концентратор (один сегмент – Ethernet, другой – Fast Ethernet), сегменты которого соединены двухпортовым мостом. В результате все Ethernet-станции, подключенные к нему, образуют один домен коллизий, а все Fast Ethernet-станции – второй домен коллизий. Соединения же между станциями разных сегментов обслуживаются мостом. Такие устройства, как правило, дешевле, чем полноценные коммутаторы. Наиболее эффективно они используются при наличии большинства Ethernet-станций и высокоскоростном (Fast Ethernet) подключении одного-двух серверов. Поскольку все высокоскоростные узлы образуют один домен коллизий, то при увеличении их количества производительность сети будет падать.