Государственный комитет связи и информатизации Украины

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ им. А.С. ПОПОВА

КАФЕДРА СЕТЕЙ СВЯЗИ

Активное сетевое оборудование

Коммутаторы

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

для студентов всех форм обучения по направлению «телекоммуникации»

УТВЕРЖДЕНО методическим советом академии связи Протокол №

Одесса 2004

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение устройства и принципов работы коммутаторов локальных сетей.

2.КЛЮЧЕВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1 В любом узловом пункте сети, где сходятся две и более линий связи и который является промежуточным на пути следования потоков данных, могут выполняться такие функции как коммутация,

концентрация, мультиплексирование, маршрутизация и т.д. Для их реализации в узловом пункте устанавливаются специальные устройства, которые определяются общим понятием «активное сетевое оборудование». Сетевое устройство может выполнять одну из перечисленных функций и соответственно называться «коммутатор», «концентратор», «маршрутизатор», либо совмещать ряд функций (например, АТС выполняет функции концентрации, коммутации, маршрутизации).

Применение тех или иных устройств зависит от типа организуемого сетевого сегмента (локальная сеть, территориальная сеть), а также требований к производительности сети, возможности ее наращивания (масштабирования) и реконфигурации (изменения топологии).

2.2 Коммутаторы на сегодняшний день являются наиболее часто применяемым сетевыми устройствами при организации локальных сетей, поскольку наиболее полно удовлетворяют указанным выше требованиям. Первый коммутатор для локальных сетей появился для технологии Ethernet. Обобщенная структурная схема коммутатора Ethernet представлена на рис. 1.

Каждый порт обслуживается одним процессором пакетов Ethernet

– ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление работой коммутатора.

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. Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16

– при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, 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 (буферную память) адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.

Рис. 1 Обобщенная структура коммутатора

После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер 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, через который идет маршрут к адресу 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, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet, байты кадра сразу же начинают передаваться 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.

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 составляет не более 40 мкс.

Главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров. Этот эффект иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2 Параллельная передача кадров коммутатором

Общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4x10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов –

(N/2)x10 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола (10 Мбит/с)

Если порт работает в полудуплексном режиме, например Ethernet 10 Мбит/с, то производительность порта Cpi равна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его Cpi будет составлять 20 Мбит/с.

Внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличается, однако принцип параллельной обработки кадров по каждому порту остается неизменным.

2.3Реализация коммутационной функции в коммутаторах.

Внастоящее время коммутаторы используют одну из трех схем взаимодействия процессоров входов и выходов:

•коммутационная матрица;

•разделяемая многовходовая память;

•общая шина.

Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.