Введение.

До недавнего времени в качестве коммутирующего устройства в большинстве малых сетей Ethernet использовались концентраторы, которые передают пакет, поступивший на один из портов, на все остальные порты, что, в свою очередь, приводит к появлению бесполезного трафика и к возникновению коллизий. Задача разбиения сети на сегменты решалась с помощью мостов. По мере развития технологии и снижения цен концентраторы и мосты стали повсеместно вытесняться коммутаторами.

В отличие от концентраторов, которые полностью отражают идеологию общей разделяемой среды и превращают сеть в единый домен коллизий, коммутаторы являются более интеллектуальными устройствами, способными анализировать адрес назначения кадра и передавать его не всем станциям сети, а только адресату. Первая конструкция коммутатора была предложена фирмой Kalpana в 1990 году и была основана на отказе от использования разделяемой среды передачи данных, что позволило передавать пакеты одновременно между всеми парами портов коммутатора.

Конструктивно коммутатор представляет собой многопортовое устройство, предназначенное для деления сети на множество сегментов. В сетях Ethernet коммутаторы используют в своей работе алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), регламентированного в стандарте IEEE 802.1D. Этот алгоритм подразумевает, что коммутатор «обучается» в процессе работы и строит свою адресную таблицу (таблицу MAC-адресов) на основе пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в сети.

Построив таблицу MAC-адресов, коммутатор передает полученные кадры не на все порты, а только по адресу назначения. Если на порт коммутатора поступает кадр с адресом назначения, приписанным к другому порту коммутатора, то кадр передается между портами. Если же коммутатор определяет, что адрес назначения приписан к тому порту, на который поступил данный кадр, то кадр отбрасывается или отфильтровывается.

Основное преимущество коммутаторов перед концентраторами заключается в том, что за счет изменения самого принципа коллективного доступа к среде передачи данных коммутаторы позволяют решать задачу повышения производительности и пропускной способности сети, а также упрощают масштабирование сети. Фактически коммутаторы устраняют главный недостаток технологии Ethernet, предоставляя каждому узлу сети выделенную пропускную способность протокола.

Выпускаемые в настоящее время коммутаторы делятся на управляемые и неуправляемые. Управление коммутаторами производится на основе протоколов SNMP (Simple Network Management Protocol) и RMON (Remote Monitoring). Протокол SNMP входит в стек протоколов TCP/IP и широко используется для получения от коммутатора информации о его статусе, производительности и других характеристиках, которые хранятся в базе данных коммутатора. Протокол RMON определяет возможность удаленного мониторинга и управления коммутатором. Фактически RMON является расширением протокола SNMP, обеспечивающим удаленное взаимодействие с базой данных коммутатора. Без протокола RMON управление коммутатором возможно только локально, например при подключении коммутатора через последовательный порт к компьютеру и при использовании терминальной программы. RMON позволяет управлять и следить за состоянием коммутатора с удаленного компьютера с возможностью передачи требуемых данных по сети. Кроме того, в протокол RMON были добавлены дополнительные счетчики об ошибках, более гибкие средства анализа статистики, средства фильтрации и т.д.

Управляемые коммутаторы обладают также дополнительными функциями, важнейшими из которых являются:

фильтрация трафика;

приоритетная обработка кадров;

поддержка протокола Spanning Tree Protocol (STP);

поддержка транкового объединения портов;

поддержка виртуальных сетей VLAN.

Фильтрация трафика позволяет создавать пользовательские фильтры, которые ограничивают доступ заданных заранее групп пользователей к определенным службам сети. Фактически фильтрация трафика — это сервис, повышающий уровень сетевой безопасности.

Приоритетная обработка кадров подразумевает возможность обрабатывать входящие кадры не на основе принципа First Input First Output (FIFO), когда каждый кадр обрабатывается в соответствии с очередью его поступления, а в соответствии с указанным приоритетом. Приоритет можно назначить либо самому порту (тогда любой кадр, пришедший на этот порт, будет обладать приоритетом уровня порта), либо каждому кадру в соответствии со спецификацией IEEE 802.1p. Согласно этой спецификации в кадр Ethernet дополнительно добавляется служебное двухбайтовое поле, в котором указывается уровень приоритета кадра. Для того чтобы могла осуществляться приоритетная обработка кадров по спецификации IEEE 802.1p, ее должен поддерживать не только коммутатор, но и сетевые адаптеры конечных узлов.

Поддержка протокола Spanning Tree Protocol, то есть алгоритма покрывающего дерева, определяет корректную работу коммутатора в случае, когда между конечными узлами сети существует несколько логических или физических маршрутов, в состав которых входят коммутаторы. Такие дублирующие пути могут возникнуть случайно, при ошибках в монтаже сети, или могут прокладываться специально для повышения отказоустойчивости сети. Суть алгоритма состоит в определении оптимального маршрута и блокировке или резервировании всех остальных.

Поддержка транкового объединения портов позволяет создавать высокоскоростные каналы связи, объединяя несколько физических каналов в один логический, что можно использовать для связи коммутаторов друг с другом или коммутатора с сервером.

Поддержка виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет с помощью коммутатора создавать изолированные друг от друга локальные сети. В отличие от применения пользовательских фильтров, виртуальные сети поддерживают защиту от широковещательного трафика. Поэтому говорят, что виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика. Изоляция виртуальных сетей друг от друга происходит на канальном уровне. Это означает, что передача кадров между различными виртуальными сетями на основании адреса канального уровня (MAC-адреса) невозможна.

Поскольку узлы различных виртуальных сетей изолированы друг от друга на канальном уровне, для объединения таких сетей в единую сеть требуется привлечение сетевого, или 3-го уровня. Понятие 3-го уровня соответствует градации уровней сетевой модели OSI. Для обеспечения таких связей могут быть использованы маршрутизаторы либо коммутаторы, осуществляющие коммутацию пакетов на основе заголовка сетевого уровня. Такие коммутаторы получили название коммутаторов 3-го уровня. По аналогии — коммутаторы, работающие только на канальном уровне, иногда называются коммутаторами 2-го уровня.

Простые коммутаторы с временным разделением называются также шинами или шинными структурами. Все устройства подключаются к общей информационной магистрали, используемой для передачи информации между ними (рис. 1). Обычно шина является пассивным элементом, управление передачами осуществляется передающими и принимающими устройствами. 

Рис. 1. Общая схема шинной структуры

Процесс передачи выглядит следующим образом:

Передающее устройство сначала получает доступ к шине, далее пытается установить контакт с устройством-адресатом и определить его способность к приему данных. Принимающее устройство распознает свой адрес на шине и отвечает на запрос передающего. Далее передающее устройство сообщает, какие действия должно произвести принимающее устройство в ходе взаимодействия. После этого происходит передача данных. Так как шина является общим ресурсом, за доступ к которому соревнуются подключенные к ней устройства, то необходимы методы управления предоставлением доступа устройств к шине. Возможно использование центрального устройства для управления доступом к шине, однако это уменьшает масштабируемость и гибкость системы. 

Для разрешения конфликтов, возникающих при одновременном запросе устройств на доступ к шине, используются различные приемы, в частности: 

назначение каждому устройству уникального приоритета (статического или динамического),

использование очереди запросов FIFO, 

выделение фиксированных временных интервалов каждому устройству. 

Простые коммутаторы с пространственным разделением. Простые коммутаторы с пространственным разделением позволяют одновременно соединять любой вход с любым одним выходом (ординарные) или несколькими выходами (неординарные). Такие коммутаторы представляют собой совокупность мультиплексоров, количество которых соответствует количеству выходов коммутатора, при этом каждый вход коммутатора должен быть заведен на все мультиплексоры. Структура этих коммутаторов показана на рис. 2.

Рис. 2. Простой коммутатор с пространственным разделением.

Достоинства: • возможность одновременного контакта со всеми устройствами • минимальная задержка. Недостатки: • высокая сложность порядка n x m, где n – количество входов, m – количество выходов. • сложность обеспечения надежности. Составные коммутаторы.

Простые коммутаторы имеют ограничения на число входов и выходов, а также могут требовать большого количества оборудования при увеличении этого числа (в случае пространственных коммутаторов). Поэтому для построения коммутаторов с большим количеством входов и выходов используют совокупность простых коммутаторов, объединенных с помощью линий “точка-точка”.  Составные коммутаторы имеют задержку, пропорциональную количеству простых коммутаторов, через которые проходит сигнал от входа до выхода, т.е. числу каскадов. Однако объем оборудования составного коммутатора меньше, чем простого с тем же количеством входов и выходов. Чаще всего составные коммутаторы строятся из прямоугольных коммутаторов 2х2 с двумя входами и выходами. Они имеют два состояния: прямое пропускание входов на соответствующие выходы и перекрестное пропускание. Коммутатор 2 х 2 состоит из собственно блока коммутации данных и блока управления. Блок управления в зависимости от поступающих на него управляющих сигналов определяет, какой тип соединения следует осуществить в блоке коммутации: прямой или перекрестный. При этом если оба входа хотят соединиться с одним выходом, то коммутатор разрешает конфликт и связывает с данным выходом только один вход, а запрос на соединение со стороны второго блокируется или отвергается.  Коммутатор Клоза. Коммутатор Клоза может быть построен в качестве альтернативы для прямоугольного коммутатора с (m x d) входами и (m x d) выходами. Он формируется из трех каскадов коммутаторов: m коммутаторов (d x d) во входном каскаде, m коммутаторов (d x d) в выходном и d промежуточных коммутаторов (m x m). 

Рис. 3. Коммутатор Клоза 3 х 4.

Соединения внутри коммутатора устроены следующим образом:

j-й выход i-ого коммутатора входного каскада соединен с i-ым входом j-ого промежуточного коммутатора

j-й вход k-ого коммутатора выходного каскада соединен с k-ым выходом j-ого промежуточного коммутатора

Данный тип составных коммутаторов позволяет соединять любой вход с любым выходом, однако при установленных соединениях добавление нового соединения может потребовать разрыва и переустановления всех соединений. Баньян-сети.

Коммутаторы этого типа строятся на базе прямоугольных коммутаторов таким образом, что существует только один путь от каждого входа к каждому выходу. Наиболее важной разновидностью баньян-сетей является дельта-сеть. Она формируется из прямоугольных коммутаторов (a x b) и представляет собой n-каскадный коммутатор с an входами и bn выходами. Составляющие коммутаторы соединены так, что для соединения любого входа и выхода образуется единственный путь одинаковой для всех пар входов и выходов длины. Распределенные составные коммутаторы.

В распределенных вычислительных системах ресурсы разделяются между задачами, каждая из которых исполняется на своем подмножестве процессоров. В связи с этим возникает понятие близости процессоров, которая является важной для активно взаимодействующих процессоров. Обычно близость процессоров выражается в различной каскадности соединений, различных расстояниях между ними.  Один из вариантов создания составных коммутаторов заключается в объединении прямоугольных коммутаторов (v+1 x v+1), v > 1, таким образом, что один вход и один выход каждого составляющего коммутатора служат входом и выходом составного коммутатора. К каждому внутреннему коммутатору подсоединяются процессор и память, образуя вычислительный модуль с v каналами для соединения с другими вычислительными модулями. Свободные v выходов и v выходов каждого вычислительного модуля соединяются линиями “точка-точка” с входами и выходами других коммутаторов, образуя граф межмодульных связей. Наиболее эффективным графом межмодульных связей с точки зрения организации обмена данными между вычислительными модулями является полный граф. В этом случае между каждой парой вычислительных модулей существует прямое соединение. При этом возможны одновременные соединения между произвольными вычислительными модулями. Однако обычно создать полный граф межмодульных связей невозможно по различным причинам. Обмен данными приходится производить через цепочки транзитных модулей. Из-за этого увеличиваются задержки, и ограничивается возможность установления одновременных соединений. Таким образом, эффективный граф межмодульных связей должен минимизировать время межмодульных обменов и максимизировать количество одновременно активизированных соединений. Кроме того, на выбор графа межмодульных связей влияет учет отказов и восстановлений вычислительных модулей и линий связи. 

Три основных варианта конструктивного исполнения:

• автономные коммутаторы с фиксированным количеством входов;

• модульные коммутаторы на основе шасси;

• коммутаторы с фиксированным количеством входов, собираемые в стек.

Модульные коммутаторы на основе шасси используются, как правило, на

магистрали сети. Эти коммутаторы имеют комбинированную схему, в которой модули

взаимодействую через общую шину или разделяемую память. Шасси имеет резервные

блоки питания и вентиляторы. Технология “hot swap” позволяет заменять модули без

выключения питания. Стековые коммутаторы выполнены в отдельном корпусе и поэтому могут работать автономно. Однако в них предусмотрены специальные интерфейсы, которые позволяют объединять их в систему. Скорость передачи между модулями ограничена 200-400 Мбит/с из-за того, что расстояние между корпусами коммутаторов больше, чем между модулями на шасси. Стековые коммутаторы применяются для создания рабочих групп и отделов.

Например, коммутатор Catalyst 3000 (компания Cisco) построен на основе

коммутационной матрицы и имеет специальный скоростной интерфейс 280 Мбит/с для

организации стека. Коммутатор модели 28115 компании Nortel Networks имеет два порта

Fast Ethernet, что позволяет применить транковое соединение – связать два коммутатора

полнодуплексным каналом 400 Мбит/с. Каждый вид транкового соединения является частной разработкой фирмы и 400 Мбит/с несовместим с другими транковыми

соединениями.