Режимы коммутации

Коммутаторы могут работать в нескольких режимах, при изменении которых меняются задержка и надежность. Для обеспечения максимального быстродействия коммутатор может начинать передачу кадра сразу, как только получит МАС-адрес узла назначения. Такой режим получил название сквозной коммутации или коммутации “на лету” (cut-through switching), он обеспечивает наименьшую задержку при прохождении кадров через коммутатор. Однако в этом режиме невозможен контроль ошибок, поскольку поле контрольной суммы находится в конце кадра. Следовательно, этот режим характеризуется низкой надежностью.

Во втором режиме коммутатор получает кадр целиком, помещает его в буфер, проверяет поле контрольной суммы (FCS) и затем пересылает адресату. Если получен кадр с ошибками, то он отбрасывается (discarded) коммутатором. Поскольку кадр перед отправкой адресату назначения запоминается в буферной памяти, то такой режим коммутации получил название коммутации с промежуточным хранением или буферизацией (store-and-forward switching). Таким образом, в этом режиме обеспечивается высокая надежность, но низкая скорость коммутации.

Промежуточное положение между сквозной коммутацией на лету и буферизацией занимает режим коммутации свободного фрагмента (fragment-free mode). В этом режиме читаются первые 64 байта, которые включают заголовок кадра и поле данных минимальной длины. После этого начинается передача кадра до того, как будет получен и прочитан весь кадр целиком. При этом производится верификация адресации и информации LLC протокола, чтобы убедиться, что данные будут правильно обработаны и доставлены адресату.

Когда используется режим сквозной коммутации на лету, порты устройств источника и назначения должны иметь одинаковую скорость передачи (bit rate). Такой режим называется симметричной коммутацией (symmetric switching). Если скорости не одинаковы, то кадр должен запоминаться (буферизироваться) перед тем, как будет передаваться с другой скоростью. Такой режим называется асимметричной коммутацией (asymmetric switching), при этом должен использоваться режим с буферизацией.

Асимметричная коммутация обеспечивает связь между портами с разной полосой пропускания (bandwidths). Данный режим является характерным, например, для потока данных между многими клиентами и сервером, при котором многие клиенты могут одновременно соединяться с сервером. Поэтому на это соединение должна быть выделена широкая полоса пропускания.

Протокол охватывающего дерева (Spanning-Tree Protocol)

Когда сеть строится с использованием топологии иерархического дерева, то коммутационные петли отсутствуют. Однако сети часто проектируются с избыточными путями, чтобы обеспечить надежность и устойчивость сети (рис.4.7). Избыточные пути могут приводить к образованию коммутационных петель, что, в свою очередь, может привести к широковещательному шторму и падению сети.

Рис.4.7. Образование маршрутных петель в сетях на коммутаторах

Протокол охватывающего дерева (Spanning-Tree Protocol – STP) относится к протоколам, которые используются, чтобы избежать маршрутных (коммутационных) петель. Коммутаторы используют алгоритм STA, чтобы перевести в резервное состояние избыточные пути, которые не соответствуют топологии иерархического дерева. Запасные избыточные пути задействуются, если основные выходят из строя.

Таким образом, STP используется для создания дерева логической иерархии без петель, т.е. при наличии физических петель, логические петли отсутствуют.

Каждый коммутатор в локальной сети рассылает уведомления STP, называемые Bridge Protocol Data Units (BPDUs), во все свои порты чтобы позволять другим коммутаторам знать о их существовании. Эта информация используется, чтобы выбрать корневой коммутатор для сети.

Каждый порт коммутатора, который используя STP, находится в одном из следующих 5 состояний:

• Блокировка (Blocking)

• Прослушивание (Listening)

• Обучение (Learning)

• Продвижение (Forwarding)

• Выключен (Disabled)

При инициализации коммутатора все порты, за исключением находящихся в выключенном состоянии Disabled, переводятся в состояние блокировки Blocking. В этом состоянии порты передают, принимают и обрабатывают сообщения BPDU, т.е. участвуют в процессе управления, но не передают информационные данные.

В начальный момент работы алгоритма STA порты устанавливаются в состояние прослушивания Listening на время, определяемое таймером. Если за время работы таймера порт получит BPDU с лучшей чем его метрикой, то он перейдет в состояние блокировки Blocking. Если принятая метрика хуже его собственной, порт перейдет в состояние обучения Learning, чтобы принимать, но еще не продвигать пакеты данных и создавать адресную таблицу коммутации. Длительность состояния Learning также задается таймером.

После окончания заданного таймером времени порт переходит в состояние продвижения Forwarding, т.е. начинает полноценную обработку пакетов.

Переход порта в состояние выключения Disabled и выход из него может быть реализован только по командам конфигурирования.

Существенным недостатком протокола STP является слишком долгое время формирования новой конфигурации сети, которое может составлять значение порядка 1 мин.