`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Коммутаторы в локальных сетях

+11
голос

Вряд ли будет ошибочным предположение, что сугубо технический термин «коммутатор» получил столь широкое распространение в повседневной речи благодаря телефонии. Вспомните, как в «Незабываемом 1918» любой матрос (не обязательно с «Авроры») мог запросто соединиться с коммутатором, стоило ему лишь поднять трубку. «Протокол обмена» был прост: «Барышня, дайте Смольный» (к чему привела эта простота - тема не данной статьи). Однако по порядку.

Коммутатор (от латинского «commuto» - заменяю, подставляю) - это устройство со множеством входов (источников) и выходов (приемников) для выбора и соединения любого источника сигналов с любым приемником сигналов. В компьютерных сетях принципы коммутации впервые были реализованы в сетях передачи данных как коммутация каналов и коммутация пакетов.

В сетевом контексте различают коммутацию физическую, логическую
статическую и динамическую. Физическая коммутация подразумевает возможность перемещения рабочей станции из одного сегмента сети в другой посредством перекоммутации кабеля на коммутационной панели. Логическая коммута-ция базируется на программных средствах. С помощью системы управления сетью администратор может объединять индивидуальных пользователей в рабочие группы (сегменты) в соответствии с их функциями, устанавливая логические, а не физические связи между соответствующими портами. Такая технология называется коммутацией портов (port switching), или конфигурационной коммутацией (configuration switching). В устройствах, обладающих этими функциями, программными средствами можно ассоциировать несколько портов с разными сегментами сети, в то время как рабочие станции пользователей подключены к постоянным сегментам. Динамическая коммутация - относительно новая архитектура локальных сетей - позволяет предоставить каждой паре обменивающихся информацией портов канал (виртуальный или реальный) с гарантированной пропускной способностью. Именно эта технология является темой данного обзора.

Коммутаторы в локальных сетях

Чтобы лучше понять причины, приведшие к столь стремительному распространению коммутации в локальных сетях, полезно рассмотреть, как изменялась их архитектура под давлением требований все большей и большей пропускной способности при максимальном сохранении инвестиций. Коммутируемые сети не требуют радикальных изменений в архитектуре. И хотя они обещают поистине революционные возможности, коммутаторы являются естественным следствием предыдущих решений. В данном случае вполне справедлив тезис, что каждое новое устройство или архитектура базируется на лучших характеристиках своих предшественников. Поэтому глубокое понимание сегодняшних технологий - залог успешных разработок в будущем

Наиболее показательна для демонстрации архитектурных изменений технология Ethernet. Причина очевидна - это самая распространенная технология локальных сетей, и производители в первую очередь старались удовлетворить требования именно ее пользователей.

Напомним, что локальные сети были введены как времясберегающая и низкостоимостная технология для разделения (общего использования) данных (файлов), дискового пространства и дорогостоящих периферийных устройств. Снижении стоимости ПК и периферии привело к широкому распространению компьютеров в бизнесе, и количество сетевых пользователей резко возросло. Одновременно изменились архитектура приложений (клиент/сервер) и их требования к вычислительным ресурсам (графика, изображения, видеои аудиоприложения), а также архитектура вычислений (распределенные вычисления). Стал популярным downsizing (разукрупнение) - перенос информационных систем и приложений с мэйнфреймов на сетевые платформы. Все это привело к смещению акцентов в использовании сетей: они стали обязательным инструментом в бизнесе, обеспечив наиболее эффективную обработку информации. По оценкам специалистов, трафик в сетях удваивался каждый год. В то же время в технологии Ethernet, базирующейся на разделяемой среде передачи, в качестве метода доступа использовался CSMA/ CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), который при увеличении количества рабочих станций приводил к насыщению, снижая декларированную полосу пропускания для рабочей станции с 10 до 3 Mbps.

Неспособность существующих архитектур справляться с экспоненциальным возрастанием трафика, а также сложность управления и расширения сетей, базирующихся на шинной топологии (10Base2 и 10Base5), требовали новых решений. Первым шагом была разработка стандарта 10BaseT с топологией типа звезда, в которой каждый узел подключался отдельным кабелем к центральному устройству - концентратору. Он действовал как репитер, регенерируя сигналы, поступающие в каждый порт, прежде чем рассылать их дальше. Звездообразная топология упростила управление и сопровождение сети, однако не сняла проблему перегрузки, так как концентратор по существу - это сколлапсированная шина, поэтому он не уменьшает область столкновений - домена коллизий.

Эта задача была решена с помощью так называемых мостов (bridge). Они позволяют всех пользователей сети разделить на группы, выделяя их в отдельные сегменты, и ограничить собственный трафик только этим сегментом. Таким образом снижается широковещательный трафик в сети и уменьшается домен коллизий. Однако мосты эффективны лишь до тех пор, пока количество рабочих станций в сегменте относительно невелико. Как только оно увеличивается, возникает перегрузка сети. Она становится особенно заметной в одноранговых сетях, где любая станция может быть и клиентом, и сервером.

Коммутаторы в локальных сетях

В 1990 г. компания Kalpana, являющаяся в настоящее время подразделением Cisco Systems, анонсировала свой первый коммутатор EtherSwitch. По своей сути коммутатор - это многопортовый мост, поэтому он также работает со вторым уровнем модели OSI. Коренное его отличие от мостов состоит в том, что коммутатор может устанавливать несколько соединений одновременно между разными парами портов. При передаче пакета через коммутатор в нем создается отдельный виртуальный (либо имеется реальный, в зависимости от архитектуры) канал, по которому данные пересылаются «напрямую» от порта-источника к порту-получателю с максимально возможной для данной технологии скоростью. Таким образом, если в сети Ethernet10BaseTустановлен 8-портовый коммутатор, он может обеспечить по четырем виртуальным каналам суммарную пропускную способность 40 Mbps (в полудуплексном режиме). Сетевые устройства могут работать с максимальной скоростью передачи данных, даже если сеть базируется на технологии разделяемой среды (например, Ethernet).

Коммутация решает проблему разгрузки сети двумя способами: разделяет сеть на сегменты (в данном случае результат эквивалентен использованию мостов и маршрутизаторов) и повышает производительность за счет предоставления полной полосы пропускания сети двум взаимодействующим устройствам.

Архитектура коммутаторов

Архитектура коммутаторов определяется их базовым элементом. Им может быть коммутационная матрица (crossbar), объединительная панель (backplane), или высокоскоростная шина, и быстродействующий процессор или специализированная микросхема (Application Specific Integrated Circuit - ASIC). Порты имеют буферную память, которая используется одним либо разделяется несколькими или всеми портами.

Все порты коммутаторов на базе коммутационной матрицы физически соединены между собой, и поток данных между двумя портами проходит по отдельному фиксированному пути. В коммутаторах, где основным элементом является объе динительная панель, все порты подключаются к высокоскоростной шине, пропускная способность которой обычно более 1Gbps. При поступлении пакета на один из портов данные передаются на высокоскоростную шину коммутатора. Параллельно по шине управления синхронно передается MACадрес получателя. При прохождении данных по шине все подключенные к ней порты считывают адрес получателя. Данные принимает только тот порт, к которому подключено сетевое устройство с соответствующим MAC-адресом. Механизмом мультиплексирования обычно является один из вариантов временного уплотнения - (Statistical) Time Division Multiplexing. Принцип действия коммутатора на базе микропроцессора во многом напоминает работу маршрутизатора: весь коммутируемый трафик проходит через центральный про цессор, который рассылает пакеты в адресуемые порты.

В коммутаторах используются два метода (алгоритма) продвижения пакета к порту-получателю: коммутация без промежуточной буферизации, или на лету (cut-through), и с промежуточной буферизацией (store-and-forward). В первом случае коммутатор не ждет окончания передачи пакета и ретранслирует его к порту-получателю, как только считает адрес последнего. Этот метод характеризуется очень малым временем задержки. Буферизирующий коммутатор получает адресованный ему пакет полностью, проверяет его на наличие ошибок, считывает MAC-адрес и только после этого направляет пакет в порт-получатель в соответствии с имеющейся адресной таблицей. Главное преимущество коммутаторов этого типа - гарантия целостности ретранслируемого пакета, так как искаженные пакеты отфильтровываются.

Коммутаторы в локальных сетях

Эффективность методов коммутации cut-through и storeand-forward зависит от сетевой технологии, в которой они применяются. Технология Ethernet ориентирована на возможность коллизий, результатом которых являются искаженные пакеты. Поскольку коммутация cut-through не выявляет ошибки, а направляет пакет порту-получателю сразу же после считывания MAC-адреса сетевого устройства, то по сети может передаваться искаженная информация. Это будет происходить тем чаще, чем выше трафик в сети. Эффект усугубляется тем, что обычно у коммутаторов этого типа небольшой объем буферной памяти, вследствие чего пакеты при большом трафике теряются. Таким образом, коммутаторы cut-through наиболее эффективны в сетях, где отсутствуют коллизии, например FDDI. Для сетей Ethernet коммутаторы store-and-forward - наиболее подходящая альтернатива: они не только контролируют правильность приема пакета, но и имеют больший объем буфера памяти. Коммутатор поддерживает один или множество физических адресов на один порт (к такому порту может быть подключено несколько сетевых устройств). Соответственно эти порты называют выделенными и разделяемыми (именно такими были первые коммутаторы Kalpana). По назначению коммутаторы классифицируются следующим образом:

  • магистральные коммутаторы (backbone switch). Они предназначены для глобальных корпоративных сетей и подключают ЛВС к магистральной сети. Характеризуются модульной конструкцией с возможностью оперативной замены модулей. Обязательно поддерживают широкий спектр сетевых технологий с инкапсуляциейпакетовна MAC-уровне и множественность физических адресов на каждый порт коммутатора. Как правило, такие коммутаторы выполняют ряд маршрутизирующих функций (IP-маршрутизацию, например). Непременным требованием является поддержка протокола связующего дерева (Spanning Tree Protocol), стандартных протоколов удаленного управления (SNMP, RMON) и основных специализированных пакетов управления. Имеют встроенные средства создания виртуальных сетей. Напомним, что виртуальной локальной сетью (Virtual Local Area Network - VLAN) называется логическая сеть, рабочие станции которой могут быть физически подключены к различным ЛВС. Основной метод коммутации - store-and-forward. Поскольку магистральные коммутаторы являются весьма обширной и сложной темой, они не рассматриваются в данной публикации;
  • коммутаторы для рабочих групп, или сегментные коммутаторы (workgroup switch). Предназначены для коммутации сегментов крупной ЛВС. Обычно эти устройства имеют архитектуру с фиксированным количеством портов, позволяющую добавлять один-два модуля с быстрыми (100 Mbps) портами. Обеспечивают множественность адресов на порт, инкапсуляцию пакетов на MAC-уровне. Поддерживают алгоритм связующего дерева и стандар и стандартные протоколы удаленного управления. Как правило, обладают возможностями создания виртуальных сетей и некоторыми функциями маршрутизации. Основной метод коммутации - store-and-forward, возможно, с поддержкой алгоритма cut-through;
  • коммутаторы для настольных систем (desktop switch). Используются для коммутации рабочих станций внутри сегмента. Чаще всего это устройства с полностью фиксированной архитектурой, имеющие одиндва быстрых порта для подключения к коммутатору высшего уровня или к серверу. Допускают только один уникальный физический адрес на порт, предназначенный для прямого подключения компьютера (выделенный порт). Выделенное соединение не нуждается в отслеживании коллизий, поэтому оно может функционировать в полнодуплексном режиме. Основной метод коммутации - cut-through, иногда с поддержкой store-and-forward.


Несмотря на то, что любая локальная сеть со средним или высоким трафиком может только выиграть от использования коммутаторов, их эффективность во многом зависит от конфигурации сети. Очевидно, что чем больше одновременных коммутаций может выполняться, тем выше производительность сети. Следовательно, наиболее эффективны коммутаторы в одноранговых или многоранговых многосегментных и многосерверных сетях. Чтобы достичь заметного повышения производительности в двухранговой сети (Novell NetWare, например) с одним сервером, необходимо соединить его с коммутатором высокоскоростным каналом связи либо несколькими низкоскоростными.

“Если трафик в низкоскоростной сети настолько возрос, что затрудняет работу, коммутируемая технология сможет, пожалуй, вдохнуть вторую жизнь в вашу сеть. В большинстве случаев увеличение пропускной способности, которое достигается благодаря установке коммутаторов, позволит конкурировать с высокопроизводительными сетевыми технологиями, однако лишь на некоторое время. Стремительный рост производительности настольных систем влечет за собой изменение характера приложений, которые становятся все более требовательными к объему и скорости обработки данных. Предвидя подобную ситуацию, многие производители стали выпускать коммутаторы с портами, поддерживающими как низко-, так и высокоскоростные сети. Так что технология коммутации в настоящее время занимает достаточно прочные позиции.

Мост(bridge)-устройство,объединяющее локальные или удаленные сегменты сети в единую логическую сеть. Используются, в основном, для объединения сетей кабельными системами разного типа, разделения трафика с целью оптимизации пропускной способности сети (выделение группы пользователей с интенсивным трафиком в отдельный сегмент) и преодоления ограничений по длине сети. Мосты действуют на втором, канальном, уровне модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - 0SI), а точнее, на подуровне управления доступом к среде передачи (Media Access Control), и поэтому прозрачны для протоколов более высоких уровней. Различают мосты внутренние и внешние. Внутренний мост функционирует как составная часть сервера. Он может соединять сети с различной топологией и средой передачи. Физически реализуется с помощью соответствующих сетевых адаптеров, установленных в сервер. Маршрутизацию осуществляет сетевая операционная система.

Внешние мосты могут быть программными или аппаратными. Программный мост реализуется с помощью подключенного к сети компьютера (не сервера), сетевых адаптеров и соответствующего программного обеспечения. При этом программный мост может быть как выделенным (компьютер выполняет только функции моста), так и невыделенным (компьютер способен работать и как рабочая станция). Аппаратный мост представляет собой специально разработанное устройство.

Внешние мосты делятся на локальные и удаленные. Локальный мост работает в пределах ограничений на длину сетевого сегмента. Удаленный мост обеспечивает связь за пределами ограничений для своих канальных драйверов. Алгоритмы мостов определяются типом объединяемых ЛВС. В сетях Ethernet это алгоритм прозрачного соединения сегментов (transparent bridge), основанный на протоколе связующего (остовного) дерева (Spanning Tree Protocol), стандартизованного подкомитетом IEEE 802.1. Основным принципом работы мостов этого типа является фильтрация пакетов. Они регенерируются мостом только в том случае, когда в сегменте, откуда они получены, не содержится адрес назначения. В сетях Token Ring используется алгоритм маршрутизации от источника (source routing). Согласно этому алгоритму, стандартизованному подкомитетом IEEE 802.5, информация, описывающая последовательность мостов между источником и приемником, содержится внутри самого пакета и формируется станцией-источником в процессе предварительного тестирования. При объединении сетей Ethernet и Token Ring используется смешанный алгоритм, включающий оба принципа маршрутизации. Если протоколы канального уровня объединяемых сегментов различны, то применяются транслирующие мосты (translating bridge).

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT