Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Ноября 2011 в 11:46, лабораторная работа
Цель: Изучение принципов работы коммуникационных устройств, используемых для логической сегментации сети на базе концентраторов и коммутаторов.
Цель: Изучение принципов работы коммуникационных устройств, используемых для логической сегментации сети на базе концентраторов и коммутаторов.
Задание. Определить следующие характеристики коммутатора:
Принципы работы коммутаторов
Рис. 2. Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpona
Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высоко-производительных серверов с сегментами рабочих станций.
Каждый из 8 портов 10Base-T 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 коммутатором по протоколу SNMP. 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 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.
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, т. е. 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 по алгоритму CSMA/CD, 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 (Рис. 3).
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 составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.
Рис. 3. Передача кадра через коммутационную матрицу
Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название комму-тации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколь-ко этапов его передачи.
Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.
По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также приведенном на Рис. 4, экономия от конвейеризации получается ощутимой.
Рис. 4. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: а – конвейерная обработка; б – обычная обработка с полной буферизацией
Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании ком-мутатора является параллельная обработка нескольких кадров.
Этот эффект иллюстри-руется на Рис. 15. На рисунке изображена идеальная, в отно-шении повышения производитель-ности ситуация, когда четыре порта из восьми передают дан-ные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя. При этом потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая произво-дительность коммутатора в приведенном примере составит 4х10 = 40 Мбит/с, а при обоб-щении примера для N портов – (N/2)x10 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет станции или логическому сегменту, подключенным к каждому из его портов, выделенную пропускную способность протокола.
Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изображена на Рис.5. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновре-менно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции поток данных по 10 Мбит/с, так как порт 8 не может передавать данные со скоростью 20 Мбит/с.
Рис. 1. Параллельная
передача кадров коммутатором.
Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данныхбыло бы подключение сервера к более высокоско-ростному порту, например Fast Ethernet.
Так как главное
достоинство коммутатора, благодаря
которому он завоевал очень хоро-шие
позиции в локальных сетях, это
его высокая
Неблокирующий коммутатор – это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. Естественно, что даже неблоки-рующий коммутатор не может разрешить в течение долгого промежутка времени ситуации, подобные описанной выше, когда блокировка кадров происходит из-за ограниченной скорости выходного порта.
Обычно имеют в виду устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, когда коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного про-межутка времени. Для обеспечения такого режима нужно, естественно, такое распре-деление потоков кадров по выходным портам, чтобы они справлялись с нагрузкой, и коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их посту-пило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора, а при пре-вышении ее объема – просто отбрасываться. Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необходимо выполнение достаточно простого условия: Ck = (∑Cрi)/2,
где Ck – производительность коммутатора, Ср; – максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора. Суммарная производительность портов учитывает каждый проходящий кадр дважды – как входящий кадр и как выхо-дящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт работает в полуду-плексном режиме, например в Ethernet 10 Мбит/с, то производительность порта Cpi равна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его Сpi; будет составлять 20 Мбит/с.
Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на макси-мальной скорости протоколов, независимо от того, обеспечиваются ли условия устой-чивого равновесия между входным и выходным графиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной – при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Для поддержки неблокирующего мгновенного режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно, она должна быть равна суммарной производительности его портов: Ck = ∑Cpi.
Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, су-ществовала и другая, не менее важная причина – эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.
Некоторые компании
стали развивать технологию коммутации
для повышения производи-
Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования – сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты комму-таторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логи-ческий сегмент.
Так как коммутаторы
и мосты прозрачны для
Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, кон-фигурировать его не обязательно – нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выпол-нять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.
Характеристики, влияющие на производительность коммутаторов
Основными показателями коммутатора, характеризующими его производительность, являются:
Кроме того, существует
несколько характеристик