48. Характеристики производительности коммутаторов.
Скорости фильтрации и продвижения кадров — две основные характеристики произво-
дительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными, они не зависят
от того, каким образом технически реализован коммутатор.
Скорость фильтрации — это скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы
обработки кадров:
1. Прием кадра в свой буфер.
2. Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра.
3. Уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному
логическому сегменту.
Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов блокирующим фактором не яв-
ляется — коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.
Скорость продвижения — это скорость, с которой коммутатор выполняет следующие
этапы обработки кадров.
1. Прием кадра в свой буфер.
2. Просмотр адресной таблицы с целью/ нахождения порта для адреса назначения кадра.
3. Передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.
Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в се-
кунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для
какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по
умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров мини-
мального размера, то есть кадров длиной 64 байт. Как мы уже обсуждали, режим передачи
кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен
подтвердить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров
трафика.
Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода перво-
го байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его
выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию
байтов кадра, и времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором — просмотр
адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продвижении, получение доступа
к среде выходного порта. Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима
его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки обычно невелики
и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров — от 50 до 200 мкс для
кадров минимальной длины при передаче со скоростью 10 Мбит/с. Коммутаторы, под-держивающие более скоростные версии Ethernet, вносят меньшие задержки в процесс
продвижения кадров.
Производительность коммутатора определяется количеством пользовательских дан-
ных, переданных в единицу времени через его порты, и измеряется в мегабитах в секунду
(Мбит/с). Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательски-
ми данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров Ethernet.
Максимальное значение производительности коммутатора всегда достигается на кадрах
максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информа-
цию кадра минимальна. Коммутатор — это многопортовое устройство, поэтому для него
в качестве характеристики принято давать максимальную суммарную производительность
при одновременной передаче трафика по всем его портам.
Еще одной важной конструктивной характеристикой коммутатора является максимальная
емкость адресной таблицы. Она определяет предельное количество МАС-адресов, которыми
может одновременно оперировать коммутатор.
Для выполнения операций каждого порта в коммутаторах чаще всего используется вы-
деленный процессорный блок со своей памятью для хранения собственного экземпляра
адресной таблицы. Каждый порт хранит только те наборы адресов, с которыми он работал
в последнее время, поэтому экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей,
как правило, не совпадают.
Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта,
зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно под-
держивают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования
микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов,
а коммутаторы магистралей сетей — до нескольких тысяч (обычно 4000-8000 адресов).
Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы
коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора
порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем кадре,
процессор должен удалить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место
новый. Эта операция сама по себе отнимает у процессора часть времени, но главные потери
производительности наблюдаются при поступлении кадра с адресом назначения, кото-
рый пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен,
коммутатору приходится передавать этот кадр на все остальные порты. Некоторые про-
изводители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки
кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется
как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным
адресом1. Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот
порт подключен к вышестоящему коммутатору (при иерархическом соединении коммута-
торов в крупной сети), который имеет достаточную емкость адресной таблицы и «знает»,
куда можно передать любой кадр.
49. Fast Ethernet. Все отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены на физическом уровне
(рис. 13.17). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их опи-
сывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому, рассматривая технологию Fast
Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее физического уровня.
Организация физического уровня технологии Fast Ethernet является более сложной, по-
скольку в ней используются три варианта кабельных систем:
• волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна);
• витая пара категории 5 (две пары);
• витая пара категории 3 (четыре пары).
(стр428)
Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред
передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих
новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет
передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается
более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно
обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети
получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение
неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.
Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации для физического
уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия (рис. 13.18):
• 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5
или экранированной витой паре STP типа 1;
• 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP кате-
гории 3,4 или 5;
• 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами.
Для всех трех стандартов справедливы перечисленные далее утверждения и характери-
стики.
Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-
мегабитной сети Ethernet.
Рис. 13.18. Структура физического уровня Fast Ethernet(стр429)
Межкадровый интервал равен 0,96 мкс, а битовый интервал — 10 не. Все временное параметры
алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), из-
меренные в битовых интервалах, остались прежними.
Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа простоя источни-
ка — соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet
со скоростью 10 Мбит/с).
Физический уровень включает три элемента.
• Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, Mil).
• Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интер-
фейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс MIL
• Устройство физического уровня (Physical Layer Device, PHY) состоит, в свою очередь,
из нескольких подуровней (см. рис. 13.17):
О подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от
уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (первый метод кодирования
используются в версиях 100Base-TX и 100Baase-FX, второй — в версии lOOBase-
Т4);
О подуровней физического присоединения и зависимости от физической среды
(PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом
физического кодирования, например NRZI или MLT-3;
О подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам
автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например полуду-
плексный или дуплексный (этот подуровень является факультативным).
Интерфейс МП поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными
между подуровнем MAC и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению
интерфейсу AUI классического стандарта Ethernet за исключением того, что интерфейс
AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вари-
антов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования — манчестерский
код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МИ располагаетсямежду подуровнем MAC и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast
Ethernet три: FX, ТХ и Т4.
Версия 100Base-T4 носила промежуточный характер, так как она позволяла повысить
скорость классического варианта Ethernet в 10 раз, не меняя кабельную систему здания.
Так как большинство предприятий и организаций достаточно быстро заменили кабели
категории 3 кабелями категории 5, то необходимость в версии 100Base-T4 отпала, и обо-
рудование с такими портами перестало выпускаться. Поэтому далее мы рассмотрим детали
только спецификаций 100Base-FX и 100Base-TX.
Спецификация 100Base-FX определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодово-
му оптоволокну в полудуплексном и дуплексном режимах. В то время как в Ethernet со
скоростью передачи 10 Мбит/с используется манчестерское кодирование для представ-
ления данных, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования — 4В/5В,
который мы рассматривали в главе 9. Этот метод к моменту разработки технологии Fast
Ethernet уже показал свою эффективность в^етях FDDI, поэтому он без изменений был
перенесен в спецификацию 100Base-FX/TX. Напомним, что в этом методе каждые четыре
бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются пятью битами.
Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого
из пяти битов в виде электрических или оптических импульсов.
Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные
символы, что повышает устойчивость работы сетей 100Base-FX/TX. Так, в Fast Ethernet
признаком того, что среда свободна, стала повторяющаяся передача одного из запрещенных
для кодирования пользовательских данных символа, а именно символа простоя источника
Idle (11111). Такой способ позволяет приемнику всегда находиться в синхронизме с пере-
датчиком.
Для отделения кадра Ethernet от символов простоя источника используется комбинация
символов начального ограничителя кадра — пара символов J (11000) и К (10001) кода
4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом простоя источника вставляется
символ Г (рис. 13.19).
Рис. 13.19. Непрерывный поток данных спецификаций 100Base-FX/TX(стр430)
После преобразования 4-битных порций кодов MAC в 5-битные порции физического уров-
ня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле,
соединяющем узлы сети. В спецификациях 100Base-FX и 100Base-TX для этого исполь-
зуются, соответственно, методы физического кодирования NRZI и MLT-3.
В спецификации 100Base-TX в качестве среды передачи данных используется витая пара
UTP категории 5 или STP типа 1. Основным отличием от спецификации 100Base-FX (на-
ряду с методом кодирования MLT-3) является наличие схемы автопереговоров для выбора
режима работы порта,
Схема автопереговоров позволяет двум физически соединенным устройствам, которые
поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоро-
стью и количеством витых пар, согласовать наиболее выгодный режим работы.