3. Коммутаторы Ethernet и Fast Ethernet

Коммутирующие концентраторы (Switched Hubs) или, как их еще называют, коммутаторы (Switches), переключатели и свичи, могут рассматриваться, как простейший и очень быстрый мост. Они позволяют разделить единую сеть на несколько сегментов для увеличения допустимого размера сети или с целью снижения нагрузки (трафика) в отдельных частях сети.

В отличие от мостов, коммутирующие концентраторы не принимают приходящие пакеты, а только переправляют из одной части сети в другую те пакеты, которые в этом нуждаются. Они в реальном темпе поступления битов пакета распознают адрес приемника пакета и принимают решение о том, надо ли этот пакет переправлять, и, если надо, то кому. Никакой обработки пакетов не производится, хотя и контролируется их заголовок. Коммутаторы практически не замедляют обмена по сети. Но они не могут преобразовывать формат пакетов и протоколов обмена по сети. Поскольку коммутаторы работают с информацией, находящейся внутри кадра, часто говорят, что они ретранслируют кадры, а не пакеты, как репитерные концентраторы.

Коллизии коммутатором не ретранслируются, что выгодно отличает его от более простого репитерного концентратора. Можно сказать, что коммутаторы производят более глубокое разделение сети, чем концентраторы. Они разделяют на части зону коллизий (Collision Domain) сети, то есть область сети, на которую распространяются коллизии.

Логическая структура коммутатора довольно проста (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Логическая схема коммутатора

Она включает в себя так называемую перекрестную (коммутационную) матрицу (Crossbar Matrix), во всех точках пересечения которой могут устанавливаться связи на время передачи пакета. В результате пакет, поступающий из любого сегмента, может быть передан в любой другой сегмент (рис. 11.6). В случае широковещательного пакета, адресованного всем абонентам, он передается во все сегменты одновременно, кроме того сегмента, по которому он пришел

Рис. 11.6. Ретрансляция широковещательного пакета

Помимо перекрестной матрицы коммутатор включает в себя память, в которой он формирует таблицу MAC-адресов всех компьютеров, подключенных к каждому из его портов. Эта таблица создается на этапе инициализации сети и затем периодически обновляется для учета изменений конфигурации сети. Именно на основании анализа этой таблицы делается вывод о том, какие связи надо замыкать, куда отправлять пришедший пакет. Коммутатор читает MAC-адреса отправителя и получателя в пришедшем пакете и передает пакет в тот сегмент, в который он адресован. Если пакет адресован абоненту из того же сегмента, к которому принадлежит отправитель, то он не ретранслируется вообще. Широковещательный пакет не передается в тот сегмент, к которому присоединен абонент отправитель пакета. Адрес отправителя пакета заносится в таблицу адресов (если его там еще нет).

Как известно коммутатор это мультипроцессорный мост. Поэтому принцип работы коммутатора можно проиллюстрировать на примере принципа работы моста. При этом мост (Bridge) – устройство, позволяющее объединить несколько сегментов, так что передача данных между станциями внутри одного сегмента не будет влиять на передачу данных в других сегментах. Это обеспечивается фильтрацией передаваемых данных. Для этого мост использует адрес приемника и источника из заголовка канального уровня (data link) принятого пакета. Во время работы для каждого сегмента мост составляет список адресов станций, расположенных в сегменте (по полю адреса источника). Получив пакет, мост проверяет (по полю адреса приемника) список адресов станций для сегмента, откуда принят пакет. Если адресат находится в том же сегменте, откуда принят пакет, то пакет не ретранслируется в другие сегменты. Иначе пакет передается в другой сегмент.

Рис. 11.7 Использование моста

Допустим, что станция 12 передает данные станции 24 (12->24). Мост, приняв пакет, проверит поле адреса приемникка (24). По списку эта станция расположена в сегменте “А”, откуда бал принят пакет. Поэтому мост не передаст этот пакет в сегмент “В”. Если мост определит, что адреса 12 нет в списке адресов сегмента “А”, то он добавит этот адрес в список (+12). При получении мостом пакета от станции 17 (передача 17 -> 15) , мост определит, что в поле адреса приемника (15), адрес станции, которой нет в сегменте «А». Поэтому этот пакет будет передан в сегмент «В».

При обработке каждого пакета обычный мост сначала принимает пакет, записывает его в буферную память, определяет сегмент, в который он должен его ретранслировать, и только после этого передает пакет в выбранный сегмент. Такая технология обработки называется «Запомнить И Передать» (Store-End-Forward). При передаче пакетов каждый мост вносит задержку, равную времени получения пакета и времени его обработки

Коммутаторы выпускаются на различное число портов. Чаще всего встречаются коммутаторы с 6, 8, 12, 16 и 24 портами. Следует отметить, что мосты, как правило, редко поддерживают более 4 портов. Различаются коммутаторы с допустимым количеством адресов на один порт. Этот показатель определяет предельную сложность подключаемых к порту сегментов (количество компьютеров в каждом сегменте). Некоторые коммутаторы позволяют разбивать порты на группы, работающие независимо друг от друга, то есть один коммутатор может работать как два или три.

Так же, как и концентраторы, коммутаторы выпускаются трех видов в зависимости от сложности, возможности наращивания количества портов и стоимости:

• коммутаторы с фиксированным числом портов (обычно до 30);

• модульные коммутаторы (с числом портов до 100);

• стековые коммутаторы.

Коммутаторы характеризуются двумя показателями производительности:

• Максимальная скорость ретрансляции пакетов измеряется при передаче пакетов из одного порта в другой, когда все остальные порты отключены.

• Совокупная скорость ретрансляции пакетов измеряется при активной работе всех имеющихся портов. Совокупная скорость больше максимальной, но максимальная скорость, как правило, не может быть обеспечена на всех портах одновременно, хотя коммутаторы и способны одновременно обрабатывать несколько пакетов (в отличие от моста ).

Главное правило, которого надо придерживаться при разбиении сети на части (сегменты) с помощью коммутатора, называется "правило 80/20". Только при его выполнении коммутатор работает эффективно. Согласно этому правилу, необходимо, чтобы не менее 80 процентов всех передач происходило в пределах одной части (одного сегмента) сети. И только 20 процентов всех передач должно происходить между разными частями (сегментами) сети, проходить через коммутатор. На практике это обычно сводится к тому, чтобы сервер и активно работающие с ним рабочие станции (клиенты) располагались на одном сегменте. Это же правило 80/20 применимо и к мостам.

Существует два класса коммутаторов, отличающихся уровнем интеллекта и способами коммутации:

• коммутаторы со сквозным вырезанием (Cut-Through);

• коммутаторы с накоплением и ретрансляцией (Store-and-Forward, SAF).

Коммутаторы Cut-Through – самые простые и быстрые, они не производят никакого буферирования пакетов и никакой их селекции. Про них часто говорят, что они производят коммутацию "на лету" (on-the-fly).

Эти коммутаторы буферируют только головную часть пакета, чтобы прочитать 6-байтовый адрес приемника пакета и принять решение о коммутации, на которое у некоторых коммутаторов уходит около 10 битовых интервалов. В результате время ожидания ретрансляции (задержка на коммутаторе ), включающее как время буферирования, так и время коммутации, может составлять около 150 битовых интервалов. Конечно, это больше задержки репитерного концентратора, но гораздо меньше задержки ретрансляции любого моста.

Коммутаторы Store-and-Forward (SAF) представляют собой наиболее дорогие, сложные и совершенные устройства данного типа. Главное их отличие состоит в полном буферировании во внутренней буферной памяти FIFO всех ретранслируемых пакетов. Размер каждого буфера при этом должен быть не меньше максимальной длины пакета. Соответственно значительно возрастает и задержка коммутации, она составляет не менее 12000 битовых интервалов. Карликовые пакеты (меньше 512 бит) и ошибочные пакеты (с неправильной контрольной суммой) таким коммутатором отфильтровываются, не пересылаются. Перегрузки возникают гораздо реже, так как есть возможность отложить на время передачу пакета.

Выпускаются также так называемые гибридные (или адаптивные) коммутаторы, которые могут автоматически переключаться из режима Cut-Through в режим SAF и наоборот. При малой нагрузке и низком уровне ошибок они работают как более быстрые Cut-Through коммутаторы, а при большой нагрузке и значительном количестве ошибок переходят в более медленный, но более качественный режим SAF.

Наконец, еще одно важное достоинство коммутаторов по сравнению с репитерными концентраторами состоит в том, что они могут поддерживать режим полнодуплексной связи. Как уже отмечалось, при этом режиме упрощается обмен в сети, а скорость передачи в идеале удваивается (20 Мбит/с для Ethernet, 200 Мбит/с для Fast Ethernet).

Для объединения нескольких сетей используются устройства межсетевого взаимодействия. К ним относятся маршрутизаторы и шлюзы. Маршрутизатор представляет собой устройство, предназначенное для ограничения широковещательного трафика, обеспечения защиты информации, поддержки нескольких протоколов сетевого уровня и возможности объединения нескольких виртуальных сетей. Иначе говоря, маршрутизатор является более функционально полным устройством, чем коммутатор. Основным недостатком маршрутизатора является его низкое, по сравнению с коммутатором, быстродействие из-за обработки каждого пакета методом полной буферизации.

Маршрутизаторы работают на более высоком, третьем уровне модели OSI ( мосты и коммутаторы – на втором), они имеют дело с протоколами более высоких уровней. Маршрутизаторы, как и мосты или коммутаторы ретранслируют пакеты из одной части сети в другую (из одного сегмента в другой). Изначально маршрутизатор от моста отличался только тем, что на компьютере, соединяющем две или более части сети, было установлено другое программное обеспечение. Но между маршрутизатором и мостом существуют и принципиальные отличия:

• Маршрутизаторы работают не с физическими адресами пакетов (MAC-адресами), а с логическими сетевыми адресами (IP-адресами или IPX-адресами).

• Маршрутизаторы ретранслируют не всю приходящую информацию, а только ту, которая адресована им лично, и отбрасывают (не ретранслируют) широковещательные пакеты, разделяя тем самым широковещательную область сети (Broadcast Domain). Все абоненты обязательно должны знать о присутствии в сети маршрутизатора. Они не прозрачны для абонентов в отличие от мостов и коммутаторов.

• Самое главное – маршрутизаторы поддерживают сети с множеством возможных маршрутов, путей передачи информации, так называемые ячеистые сети (meshed networks). Пример такой сети показан на рис. 11.8. Мосты же требуют, чтобы в сети не было петель, чтобы путь распространения информации между двумя любыми абонентами был единственным.

Рис. 11.8. Ячеистая сеть с маршрутизаторами

Маршрутизаторы сложнее мостов и коммутаторов и, следовательно, дороже (например, стоимость коммутации в Ethernet примерно в 10 раз ниже стоимости маршрутизации). Маршрутизаторами сложнее управлять, они почти всегда значительно медленнее коммутаторов. Зато они обеспечивают самое глубокое разделение сети на части.

Если репитерные концентраторы всего лишь повторяют все поступившие на них пакеты (уровень 1 модели OSI), а коммутаторы и мосты ретранслируют только межсегментные и широковещательные пакеты (уровень 2 модели OSI), то маршрутизаторы соединяют практически самостоятельные, не влияющие друг на друга сети, сохраняя при этом возможность передачи информации между ними (уровень 3 модели OSI).

Размер сети с маршрутизаторами практически ничем не ограничен: ни допустимыми размерами зоны конфликтов, ни допустимым количеством широковещательных пакетов (которые могут просто не оставлять места для обычных, однопунктовых пакетов), ни возможными для коммутаторов и мостов разнообразными перегрузками. При этом легко обеспечиваются альтернативные, дублирующие пути распространения информации для увеличения надежности связи.

Для принятия решения о выборе маршрута каждый маршрутизатор формирует в своей памяти таблицы данных, которые содержат:

Номера всех сетей, подключенных к данному маршрутизатору ;

Список всех соседних маршрутизаторов ;

Список MAC-адресов и IP (IPX)-адресов всех абонентов сетей, подключенных к маршрутизатору. Этот список автоматически обновляется, как и в случае мостов и коммутаторов.

Кроме того, список всех доступных маршрутизаторов должен быть у каждого абонента сети.

Рассмотрим пример сети с использованием маршрутизаторов, представленной на рисунке 5. Три сети А, В, С объединены при помощи двух маршрутизаторов. Каждый маршрутизатор во время работы создает и хранит у себя таблицу маршрутов. Например, маршрутизатор 1 знает, что для передачи данных из сети А в сеть В он должен передать данные маршрутизатору 2 и т.д.. Допустим, станция 10 в сети А должна передать данные станции 15, находящейся в сети С. Станция 10 определяет, что адресат расположен в другой сети, поэтому в заголовке сетевого уровня устанавливается адрес приемника (АСП ) и адрес приемника (АП), а в качестве физического адреса – адрес ближайшего (или известного) маршрутизатора (в примере это маршрутизатор 1, заголовок ФА-12,АСП-С, АП-15). Получив пакет, маршрутизатор проверяет поле адреса сети приемника и по таблице маршрутов определяет, что к сети С подключен маршрутизатор 2. Поэтому он направляет пакет в маршрутизатору 2, установив в поле адреса приемника его физический адрес (ФА-13, АСП-С, АП-15). Затем маршрутизатор 2 передает пакет станции 15 (ФА-15, АСП-С, АП-15).

Рис. 11.9 Использование маршрутизаторов

Именно маршрутизаторы чаще всего используются для связи локальных сетей с глобальными, в частности, с Интернет, которая может рассматриваться как полностью маршрутизируемая сеть. Преобразовать протоколы локальных сетей в протоколы глобальных сетей для маршрутизатора вполне по силам.

Хороший маршрутизатор очень дорог и сложен в настройке и эксплуатации. Поэтому использовать его следует только в тех случаях, когда это действительно необходимо, например, когда применение коммутаторов и мостов не позволяет преодолеть перегрузку сети.