11.4. Коммутаторы

Коммутатор (switch) функционально представляет собой высокоскорост- ной многопортовый мост, способный одновременно связывать несколько узлов на максимальной скорости, обеспечиваемой средой передачи. Часто коммута- торы используются для сегментации – уменьшения размеров доменов колли- зий. Фактически, коллизии преобразуются в очереди кадров внутри коммутато- ра. Предельный случай сегментации – микросегментация – достигается при подключении к каждому порту коммутатора единственного узла, тогда домен коллизий состоит только из узла и порта коммутатора (дуплексный режим по- зволяет вообще исключить коллизии при микросегментации).

Коммутаторы работают в одном из трех режимов:

1. Коммутация с буферизацией (store-and-forward): каждый кадр целиком за- мещается в буферной памяти коммутатора, затем проверяется его контроль- ная сумма, определяется порт назначения, ожидается освобождение порта, и производится передача кадра. Этот способ гарантирует фильтрацию оши- бочных и отсеченных коллизией кадров. Основной недостаток – большая за- держка передачи, достигающая нескольких миллисекунд на кадр.

2. Коммутация “на лету” (cut-through): кадр передается в порт назначения сразу после приема адреса получателя (в Ethernet – первые 6 байт заголовка кад- ра). Если в этот момент порт назначения занят, коммутатор обрабатывает пакет в режиме с буферизацией. Коммутация на лету вносит минимально возможную задержку – 11.2 мкс для Ethernet, однако при этом передаются все кадры – в том числе и ошибочные.

3. Бесфрагментная коммутация (fragment-free): коммутатор буферизует первые

64 байта кадра, и, если кадр не длиннее 64 байт, то коммутатор обрабатывает его в режиме с буферизацией. Если кадр длинный, то он передается в порт назначения, как в режиме “на лету”.

Большинство коммутаторов низшего и среднего уровня реализуют только режим коммутации с буферизацией. Коммутация “на лету” характерна для ма- гистральных высокоскоростных коммутаторов, где минимальная задержка пе-

редачи гораздо важнее распространения кадров с ошибками. Коммутаторы верхнего уровня иногда используют технологию адаптивной коммутации: сна- чала все порты работают в режиме “на лету”, затем порты, через которые при-

ходит много кадров с ошибками переводятся в бесфрагментный режим, а если это не помогает отфильтровать ошибочные кадры (в случае длинных пакетов с ошибками), то такие порты переводятся в режим коммутации с буферизацией.

Для достижения высокой производительности (необходимой для одно-

временного обслуживания всех портов) каждый порт коммутатора, как прави- ло, снабжается отдельным процессором, обычно представляющим собой спе- циализированную микросхему (ASIC), оптимизированную для выполнения функций коммутации. Центральный узел, связывающий процессоры отдельных портов, строится на основе одной из трех схем (применяются и комбинирован- ные варианты):

- коммутационная матрица,

- разделяемая многовходовая память,

- общая шина.

Коммутационная матрица представляет собой комбинационную схему, состоящую, например, из управляемых переключателей, в зависимости от за- данного номера порта назначения, соединяющих свой вход с одним из своих выходов. Таким образом, коммутационная матрица физически коммутирует ка- налы связи между портами, обеспечивая наиболее быстрый способ связи про- цессоров портов. Основной недостаток коммутационной матрицы – ограничен- ное число портов в таких коммутаторах (сложность схемы матрицы возрастает пропорционально квадрату числа портов). Кроме того, при использовании ком- мутационной матрицы необходимо, чтобы каждый порт мог самостоятельно буферизовать входящие кадры, иначе, за время возможного ожидания освобож- дения выходного порта, кадры могут быть потеряны.

Разделяемая многовходовая память позволяет увеличивать количество портов коммутатора без усложнения его схемы. Процессоры портов для пере-

дачи данных друг другу используют общую память. Переключение входа и вы- хода памяти осуществляет специальный блок управления, который организует по очереди данных для каждого выходного порта. По запросу входного порта

блок управления подключает его к входу требуемой очереди, а процессор порта записывает в нее данные кадра. При появлении полных кадров в очередях, блок управления поочередно подключает выходные порты к своим очередям для

считывания кадров для передачи.

Процессоры портов в коммутаторах с общей шиной снабжаются, с одной стороны, модулями арбитража доступа к шине, а с другой стороны – фильтра- ми, отбирающими передающиеся по шине ячейки, предназначенные данному

порту. Кадр в таких коммутаторах передается по шине не целиком, а неболь- шими частями – ячейками, что позволяет (вместе с высокой скоростью переда- чи данных по шине) реализовать псевдопараллельный режим передачи кадров

между портами. Для работы без блокировок пропускная способность общей шины должна быть не меньше половины суммы пропускных способностей всех портов.

Сложные коммутаторы, как правило, комбинируют приведенные архи- тектуры. Например, для модульных концентраторов свойственно использова- ние общей шины для соединения модулей, в то время, как внутри каждого мо-

дуля (обычно не более 12 портов) реализуется наиболее быстрая архитектура –

коммутационная матрица.

В зависимости от варианта конструкции, различают:

- автономные (standalone) коммутаторы,

- стековые коммутаторы,

- модульные коммутаторы на основе шасси.

Первые два варианта имеют фиксированное число (обычно 8,16,24, редко до 30) и тип портов, которые не могут быть изменены. Автономные коммутато-

ры применяются на уровне рабочих групп. Стековые коммутаторы отличаются от автономных наличием дополнительного (стекового) интерфейса, позволяю-

щего объединять несколько таких коммутаторов в систему, работающую, как

единый коммутатор – стек коммутаторов. Как правило, количество коммутато- ров в стеке не превышает четырех (пропускная способность стекового интер- фейса лежит в пределах 200-400 Мбит/с).

Стековые коммутаторы применяются в сетях, где емкости автономного коммутатора уже недостаточно (количество узлов больше 30), а установка зна-

чительно более дорогого модульного коммутатора неоправданна. Модульные коммутаторы на основе шасси позволяют подключать необходимое количество разнотипных модулей, часто с возможностью их замены без выключения ком- мутатора (hot swap). Количество портов в таких коммутаторах может превы-

шать 100. Как правило, модульные коммутаторы используются в качестве ма-

гистральных.

В сетях Ethernet/Fast Ethernet часто используется сетевое устройство про-

межуточного типа – коммутирующий концентратор (switching hub), представ-

ляющий собой двухсегментный концентратор (один сегмент – Ethernet, другой

– Fast Ethernet), сегменты которого соединены двухпортовым мостом. В резуль-

тате все Ethernet-станции, подключенные к нему, образуют один домен колли- зий, а все Fast Ethernet-станции – второй домен коллизий. Соединения же меж- ду станциями разных сегментов обслуживаются мостом. Такие устройства, как правило, дешевле, чем полноценные коммутаторы. Наиболее эффективно они используются при наличии большинства Ethernet-станций и высокоскоростном (Fast Ethernet) подключении одного-двух серверов. Поскольку все высокоско- ростные узлы образуют один домен коллизий, то при увеличении их количества производительность сети будет падать.