По мере развития сетевых технологий современные коммутаторы становятся все более сложными устройствами. Для успешного построения и обслуживания сетей ключевым моментом является понимание фундаментальных основ наиболее распространенных сетевых технологий, таких как коммутация 2-го уровня, коммутация 3-го уровня, IEEE 802.1Q, IEEE 802.1p, RSTP, MSTP, IGMP и многих других, а также знание того, как данные технологии можно применить на практике наиболее эффективно.
Книга "Построение коммутируемых компьютерных сетей" появилась благодаря многолетнему сотрудничеству компании D-Link и ведущего технического университета страны — МГТУ им. Н. Э. Баумана. Книга направлена на глубокое изложение теории и формирование практических знаний. В ее основу легли учебные материалы компании D-Link, а также практические занятия, проводимые в учебном центре D-Link — МГТУ им. Н. Э. Баумана – D-Link и кафедры "Компьютерные системы и сети".
Книга содержит полное описание фундаментальных технологий коммутации локальных сетей, примеры их использования, а также настройки на коммутаторах D-Link. Она будет полезна студентам, обучающимся по направлению "Информатика и вычислительная техника", аспирантам, сетевым администраторам, специалистам предприятий, внедряющим новые информационные технологии, а также всем, кто интересуется современными сетевыми технологиями и принципами построения коммутируемых сетей.
Авторы хотят поблагодарить всех людей, вовлеченных в процесс консультирования, редактирования и подготовки рисунков для курса. Авторы выражают благодарность руководителям Представительства компании "Д-
В тексте курса используются следующие пиктограммы для обозначения сетевых устройств различных типов:
Следующие символы используются для описания ввода команд,
| Символ | Назначение |
|---|---|
< угловые скобки > | Содержат ожидаемую переменную или значение, которое должно быть указано |
[ квадратные скобки] | Содержат требуемое значение или набор требуемых аргументов. Может быть указано одно значение или аргумент |
| вертикальная черта | Отделяет два или более взаимно исключающих пунктов из списка, один из которых должен быть введен/указан |
{ фигурные скобки} | Содержит необязательное значение или набор необязательных аргументов |
Эволюция локальных сетей неразрывно связана с историей развития технологии Ethernet, которая по сей день остается самой распространенной технологией локальных сетей.
Первоначально технология локальных сетей рассматривалась как времясберегающая и экономичная технология, обеспечивающая совместное использование данных, дискового пространства и дорогостоящих периферийных устройств. Снижение стоимости персональных компьютеров и периферии привело к их широкому распространению в бизнесе, и количество сетевых пользователей резко возросло. Одновременно изменились архитектура приложений ("клиент-сервер") и их требования к вычислительным ресурсам, 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.
В первых сетях Ethernet (
Следующим шагом стала разработка стандарта
Задача сегментации сети, т.е. разделения пользователей на группы (сегменты) в соответствии с их физическим размещением с целью уменьшения количества клиентов, соперничающих за полосу пропускания, была решена с помощью устройства, называемого мостом (bridge). Мост был разработан компанией Digital Equipment Corporation (DEC) в начале 1980-х годов и представлял собой устройство канального уровня модели OSI (обычно двухпортовое), предназначенное для объединения сегментов сети. В отличие от концентратора, мост не просто пересылал пакеты данных из одного сегмента в другой, а анализировал и передавал их только в том случае, если такая передача действительно была необходима, то есть адрес рабочей станции назначения принадлежал другому сегменту. Таким образом, мост изолировал трафик одного сегмента от трафика другого, уменьшая домен коллизий и повышая общую производительность сети.
Однако мосты были эффективны лишь до тех пор, пока количество рабочих станций в сегменте оставалось относительно невелико. Как только оно увеличивалось, в сетях возникала перегрузка (переполнение приемных буферов сетевых устройств), которая приводила к потере пакетов.
Увеличение количества устройств, объединяемых в сети, повышение мощности процессоров рабочих станций, появление мультимедийных приложений и приложений "клиент-сервер" требовали большей полосы пропускания. В ответ на эти растущие требования фирмой Kalpana в 1990 г. на рынок был выпущен первый коммутатор (switch), получивший название EtherSwitch.
(рис 1.1) Коммутатор локальной сети
Коммутатор представлял собой многопортовый мост и также функционировал на канальном уровне модели OSI. Основное отличие коммутатора от моста заключалось в том, что он мог устанавливать одновременно несколько соединений между разными парами портов. При передаче пакета через коммутатор в нем создавался отдельный виртуальный (либо реальный, в зависимости от архитектуры) канал, по которому данные пересылались напрямую от порта-источника к порту-получателю с максимально возможной для используемой технологии скоростью. Такой принцип работы получил название "микросегментация". Благодаря микросегментации коммутаторы получили возможность функционировать в режиме полного дуплекса (
(рис 1.2) Микросегментация
В настоящее время коммутаторы являются основным строительным блоком для создания локальных сетей. Современные коммутаторы Ethernet превратились в интеллектуальные устройства со специализированными процессорами для обработки и перенаправления пакетов на высоких скоростях и реализации таких функций, как организация резервирования и повышения отказоустойчивости сети, агрегирование каналов, создание
С появлением стандарта
С ростом популярности технологий беспроводного доступа в корпоративных сетях производители оборудования выпустили на рынок унифицированные коммутаторы с поддержкой технологии
Повышение потребностей заказчиков и тенденции рынка стимулируют разработчиков коммутаторов более или менее регулярно расширять аппаратные и функциональные возможности производимых устройств, позволяющие предоставлять в локальных сетях новые услуги, повышать их надежность, управляемость и защищенность.
Коммутаторы локальных сетей обрабатывают кадры на основе алгоритма прозрачного моста (transparent bridge), который определен стандартом
Изначально таблица коммутации пуста. При включении питания, одновременно с передачей данных, коммутатор начинает изучать расположение подключенных к нему сетевых устройств путем анализа МАС-адресов источников получаемых кадров. Например, если на порт 1 коммутатора, показанного на рис. 1.3 , поступает кадр от узла А, то он создает в
(рис 1.3) Построение таблицы коммутации
Помимо динамического создания записей в
Статическую таблицу коммутации удобно использовать с целью повышения сетевой безопасности, когда необходимо гарантировать, что только устройства с определенными МАС-адресами могут подключаться к сети. В этом случае необходимо отключить автоизучение МАС-адресов на портах коммутатора.
Как только в
(рис 1.4) Передача кадра с порта на порт коммутатора
Когда коммутатор получает кадр, отправленный компьютером А компьютеру В, он извлекает из него МАС-адрес приемника и ищет этот МАС-адрес в своей
Если бы оказалось, что выходной порт и порт-источник совпадают, то передаваемый кадр был бы отброшен коммутатором. Этот процесс называется фильтрацией (filtering).
В том случае, если МАС-адрес приемника в поступившем кадре неизвестен (в
Помимо лавинной передачи одноадресных кадров, коммутаторы также выполняют лавинную передачу многоадресных и широковещательных кадров, которые генерируются сетевыми мультимедийными приложениями.
Прежде чем принять решение о передаче кадра, коммутатор получает и анализирует его содержимое. В современных коммутаторах используются следующие методы коммутации, определяющие поведение устройства при получении кадра:
Оба метода коммутации принимают решение о продвижении кадров на основе МАС-адреса получателя, но отличаются последовательностью действий, которые коммутатор выполнит, прежде чем передать или отбросить поступивший на его порт кадр.
(рис 1.5) Методы коммутации
Метод коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward) исторически появился первым. Он характеризуется тем, что коммутатор, прежде чем передать кадр, полностью копирует его в буфер и производит проверку на наличие ошибок. Если кадр содержит ошибки (не совпадает контрольная сумма, или кадр меньше 64 байт или больше 1518 байт), то он отбрасывается. Если кадр не содержит ошибок, то коммутатор находит МАС-адрес приемника в своей таблице коммутации и определяет выходной порт. Затем, если не определены никакие фильтры, коммутатор передает кадр через соответствующий порт устройству назначения.
Несмотря на то, что этот способ передачи связан с задержками (чем больше размер кадра, тем больше времени требуется на его прием и проверку на наличие ошибок), он обладает двумя существенными преимуществами:
В большинстве коммутаторов D-Link реализован этот метод коммутации. Благодаря использованию в устройствах высокопроизводительных процессоров и контроллеров ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), задержка, вносимая коммутацией store-and-forward при передаче кадров, оказывается незначительной.
Коммутация без буферизации (cut-through) была реализована в первом коммутаторе Ethernet, разработанном фирмой Kalpana в 1990 г. При работе в этом режиме теоретически коммутатор копирует в буфер только МАС-адрес назначения (первые 6 байт после преамбулы) и сразу начинает передавать кадр, не дожидаясь его полного приема. Однако современные коммутаторы не всегда реализуют коммутацию без буферизации в классическом варианте. В зависимости от реализации коммутатор дожидается приема в буфер определенного количества байтов кадра и, если на порте не определены никакие фильтры, принимает решение о его передаче. Так как при работе в режиме cut-through коммутатор не дожидается приема всего кадра, то он не выполняет проверку кадров на наличие ошибок. Проверка кадра на наличие ошибок возлагается на принимающий узел. Однако, современная сетевая инфраструктура, включающая оборудование и кабельную систему позволяет свести вероятность возникновения ошибочных кадров к минимуму.
Основным преимуществом коммутация без буферизации по сравнению с коммутацией с промежуточным хранением является уменьшение времени передачи кадров большого размера. Например, если приложение использует Jumbo-фреймы (кадры Ethernet, размер поля данных которых может достигать 10 000 байт), то коммутатор, работающий в режиме cut-through, будет передавать данные на несколько микро или миллисекунд (в зависимости от скорости портов коммутатора) быстрее коммутатора, использующего режим store-and-forward.
Помимо этого, коммутаторы с поддержкой режима cut-through хорошо подходят для использования в сетях, например в центрах обработки данных, с приложениями критичными к задержкам.
Однако в некоторых случаях, метод cut-through теряет свои преимущества в скорости передачи. Это может произойти при перегрузке сети, использовании функций фильтрации, требующих обработки на ЦПУ, или когда порты коммутатора поддерживают разную скорость (если коммутационная матрица плохо спроектирована).
Коммутаторы D-Link серии DXS-3600-xx обеспечивают гибкость в выборе метода коммутации, т.к. поддерживают selectable store-andforward/ cut-through mode. По умолчанию в коммутаторах этой серии используется режим store-and-forward, поэтому для получения преимуществ от использования режима cut-through, администратор сети должен сначала его активизировать. Коммутатор будет копировать в буфер, и изучать первые 560 байт кадра. Если размер кадра окажется больше 560 байт, коммутатор автоматически переключится в режим cut-through и начнет процесс продвижения кадра, не дожидаясь его полного приема. Соответственно для кадров, чей размер меньше или равен 560 байт будет использоваться режим коммутации store-and-forward.
В зависимости от конструктивного исполнения (габаритных размеров) можно выделить три группы коммутаторов:
Как следует из названия, настольные коммутаторы предназначены для размещения на столах, иногда они могут оснащаться входящими в комплект поставки скобами для крепления на стену. Обычно такие коммутаторы обладают корпусом обтекаемой формы с относительно небольшим количеством фиксированных портов (у коммутаторов D-Link количество портов варьируется от 5 до 16), внешним или внутренним блоком питания и небольшими ножками (обычно резиновыми) для обеспечения вентиляции нижней поверхности устройства. Чаще всего коммутаторы настольного форм-фактора используются в сетях класса SOHO (Small Office, Home Office), где не требуется высокая производительность и расширенные сетевые функции. В качестве примера коммутатора в настольном исполнении можно привести коммутатор D-Link модели DES-1008A.
Автономные коммутаторы в стоечном исполнении высотой 1U обладают корпусом для монтажа в 19" стойку, встроенным блоком питания и фиксированным количеством портов (у коммутаторов D-Link количество портов может достигать 52-х штук). По сравнению с настольными коммутаторами коммутаторы, монтируемые в стойку, обеспечивают более высокую производительность и надежность, а также предлагают широкий набор сетевых функций и интерфейсов. Как правило, такие коммутаторы используются на уровнях доступа и распределения сетей малых и средних предприятий (Small to Medium Business, SMB), корпоративных сетей и сетей провайдеров услуг (Internet Service Provider, ISP).
Среди коммутаторов в стоечном исполнении с фиксированным количеством портов можно выделить отдельную группу устройств — стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работать как автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, так и совместно, благодаря наличию специальных интерфейсов, позволяющих объединять коммутаторы в одно логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления и мониторинга. Говорится, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.
Коммутаторы на основе шасси содержат слоты, которые могут быть использованы для установки интерфейсных модулей расширения, резервных источников питания и процессорных модулей. Модульное решение обеспечивает гибкость применения, высокую плотность портов и возможность резервирования критичных для функционирования коммутатора компонентов. Модули такого коммутатора поддерживают технологию hot swap ("горячая замена"), то есть допускают замену на ходу, без выключения питания коммутатора. Коммутаторы на основе
Под физическим стекированием понимается объединение нескольких коммутаторов в одно логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления и мониторинга. Объединенные в стек коммутаторы имеют общие
В коммутаторах D-Link используются 2 топологии стекирования: "кольцо" (ring) и "цепочка" (
(рис 1.6) Топологии стекирования "кольцо" и "цепочка"
Стек типа "кольцо" (кольцевая топология) строится по следующей схеме: каждое устройство в стеке подключается к вышележащему и нижележащему, при этом самый нижний и самый верхний коммутатор в стеке также соединяются. При передаче данных пакет последовательно передается от одного устройства стека к другому до тех пор, пока не достигнет порта назначения. Система автоматически определяет оптимальный путь передачи трафика, что позволяет достичь полного использования полосы пропускания. Преимуществом топологии "кольцо" является то, что при выходе одного устройства из строя или обрыве связи остальные устройства стека будут продолжать функционировать в обычном режиме.
В стеке типа "цепочка" (линейная топология) каждое устройство соединено с вышележащим и нижележащим. Самый верхний и самый нижний коммутаторы не соединяются.
Физическое стекирование по линейной и кольцевой топологии реализовано в семи сериях коммутаторов D-Link. Коммутаторы серий DGS-1510-xx, DGS-3120-xx позволяют объединить в стек до 6 устройств, коммутаторы серии DGS-3610-xx – до 8 устройств, а коммутаторы серий DGS-3420-xx и DGS-3620-xx – до 12 устройств, используя интерфейсы 10 Gigabit Ethernet (10GE).
Все устройства стека управляются через один IP-адрес. Передача данных между ними ведется в полнодуплексном режиме.
В зависимости от выполняемых задач коммутаторы могут быть оборудованы различным количеством и типом портов. В таблице 1.1 приведены типы наиболее часто используемых интерфейсов и их основные характеристики в соответствии со стандартом IEEE 802.3-2008.
Наиболее распространенными интерфейсами, реализуемыми в коммутаторах, являются фиксированные интерфейсы с разъемом
| Стандарт | Тип кабеля | Максимальное расстояние передачи,м |
|---|---|---|
| Кабель на основе витой пары категории 3 или 5 | 100 | |
| Кабель на основе витой пары категории 5 | 100 | |
| 100BASE-FX | Многомодовый оптический кабель | 412 (полудуплекс) 2000 (дуплекс) |
| 100BASE-BX10 | Одноволоконный одномодовый оптический кабель (длина волны: 1310 нм — восходящий поток, 1550 нм — нисходящий) | 10 000 |
| 100BASE-LX10 | Одномодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм) | 10 000 |
| 1000BASE-T | Кабель на основе витой пары категории 5, 5e, 6 или 7 | 100 |
| 1000BASE-SX | Многомодовый оптический кабель 62.5/125 микрон/ 50/125 микрон | 220/550 |
| 1000BASE-LX | Одномодовый оптический кабель | 5 000 |
| Многомодовый оптический кабель | 550 | |
| 1000BASE-LX10 | Одномодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм) | 10 000 |
| Многомодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм) | 550 | |
| 1000BASE-BX10 | Одноволоконный одномодовый оптический кабель (длина волны: 1310 нм — восходящий поток, 1550 нм — нисходящий) | 10 000 |
| 1000BASE-ZX | Одномодовый оптический кабель (длина волны 1550 нм) | 80 000 |
| 1000BASE-LH ( | Одномодовый оптический кабель | 50 000 |
| Экранированный сбалансированный медный кабель | 15 | |
| Многомодовый оптический кабель | 300 | |
| Одномодовый оптический кабель | 10 000 | |
| Одномодовый оптический кабель | 40 000 | |
| Одномодовый оптический кабель | 70 000 |
Для обеспечения большей гибкости в выборе типа подключения, многие коммутаторы оборудованы специальными слотами для установки компактных сменных интерфейсных модулей GBIC (Gigabit Interface Converter), SFP (Small Form Factor Pluggable), SFP+ (Enhanced Small Form Factor Pluggable) и XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable), поддерживающих режим "горячей замены".
Самой первой спецификацией на компактные сменные интерфейсные модули была спецификация
(рис 1.7) Модуль GBIC DGS-703 с одним портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля
Спустя несколько лет после появления спецификации
(рис 1.8) Модуль SFP DEM-310GT с одним портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля
Компания D-Link выпускает модули SFP, поддерживающие стандар-ты Fast и Gigabit Ethernet и предназначенные для работы с разнообразным оптическим кабелем — одномодовым двухволоконным, одномодовым одноволоконным для систем с технологией WDM (Wavelength Division Multiplexing) и многомодовым. Модули снабжены дуплексными или сим-плексными разъемами типа LC для подключения оптического кабеля. В зависимости от используемой длины волны и типа оптического кабеля, модули обеспечивают разную дальность передачи – от 550 м до 80 км. Благодаря этому можно выбрать необходимый модуль SFP для конкретного соединения.
Модули SFP могут поддерживать важные функции цифровой диагностики (описанные в спецификации SFF-8472), позволяющие в реальном времени осуществлять мониторинг таких параметров как мощность пере-датчика, чувствительность приемника, напряжение питания и температура каждого оптического компонента. Информация о поддержке этой функции обычно указывается в спецификации на устройство.
Каждый модуль SFP выпускается с собственной электронной меткой, где содержатся сведения об идентификационном номере устройства и спецификации внешнего порта. Информация о внешнем порте может включать данные о длине волны, характеристиках волокна, скорости передачи данных, поддерживаемых протоколах, а также о длине канала. Идентификация SFP полезна при инвентаризации: с ее помощью отслеживается установка и замена компонентов и определяется местонахождение того или иного модуля.
(рис 1.9) Технология Wavelength Division Multiplexing
Технология сменных модулей оказалась очень эффективной в системах оптического уплотнения (
Самая простая и дешевая реализация технологии WDM использует два канала – один на длине волны 1310 нм, другой на длине волны 1550 нм. Ее развитием являются технологии Coarse WDM (CWDM, мультиплексирование с разреженным спектральным разделением) и Dense WDM (DWDM, мультиплексирование с плотным спектральным разделением). Большинство WDM-систем используют для работы одномодовые оптические кабели с диаметром волокна 9/125 мкм.
Компания D-Link производит модули SFP с использованием технологии WDM (также встречаются названия Bi-Di, WDMBi-Directional, т.е. "двунаправленные"), поддерживающие скорости передачи 100 Мбит/с и 1000 Мбит/с. Эти модули позволяют одновременно передавать и получать сигналы на длинах волн 1310 нм и 1550 нм по одному оптическому волокну на расстояние до 40 км. Это достигается путем установки SFP-модуля передатчика и SFP-модуля приемника на разных концах линии связи. Модули оборудованы симплексными разъемами LC для подключения одноволоконного одномодового кабеля.
(рис 1.10) Модули SFP DEM-331R и DEM-331T с одним портом 1000BASE-BX10 с поддержкой технологии WDM
Следующей ступенью эволюции сменных интерфейсов стала разработка оптических
В настоящее время компания D-Link выпускает
(рис 1.11) Модуль XFP DEM-423XT с одним портом 10GE (10GBASE-ER) для одномодового оптического кабеля
Новым поколением оптических сменных интерфейсных модулей с поддержкой скоростей 10 Гбит/с стали
По сравнению с трансиверами XFP, модули SFP+ обладают меньшими габаритными размерами и тепловыделением, что позволяет повысить плотность размещения портов 10 Гбит/с на корпусе телекоммуникационных устройств.
Модули SFP+, так же как и модули SFP, могут поддерживать систему цифровой диагностики в соответствии со спецификацией
Компания D-Link производит широкий спектр трансиверов SFP+ с поддержкой и без поддержки функции цифровой диагностики. Различают модули, предназначенные для работы с одномодовым или многомодовым оптическим кабелем на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм, с поддержкой технологий WDM, CWDM.
(рис 1.12) Модуль SFP+ DEM-432XT-DD с одним портом 10GE (10GBASE-LR) для одномодового оптического кабеля и поддержкой функции цифровой диагностики
Отдельно следует отметить модули XFP и SFP+ с поддержкой технологии CWDM. Технология CWDM (Coarse WDM, мультиплексирование с разреженным спектральным разделением) является развитием технологии WDM, которая позволяет использовать до 18 оптических каналов (как опре-делено в ITU-T G.694.2), отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм для передачи оптических сигналов. Оптические каналы лежат в диапазоне от 1271 до 1611 нм. Сетка длин волн CWDM приведена в таблице 1.2.
| Номинальные значения центральных длин волн (нм) для расстояния между каналами 20 нм |
|---|
| 1271 |
| 1291 |
| 1311 |
| 1331 |
| 1351 |
| 1371 |
| 1391 |
| 1411 |
| 1431 |
| 1451 |
| 1471 |
| 1491 |
| 1511 |
| 1531 |
| 1551 |
| 1571 |
| 1591 |
| 1611 |
Из-за высокого затухания в диапазоне 1271-1451 нм большинство CWDM-реализаций используют 8 каналов в диапазоне 1471-1611 нм.
Популярность CWDM-систем в городских и региональных сетях растет благодаря тому, что они позволяют снизить затраты на прокладку оптических кабелей, повысить пропускную способность оптической сети на фоне постоянно увеличивающегося объема трафика, что особенно актуально провайдерам услуг, которые хотят предоставлять клиентам дополнительные сервисы. Новый сервис может быть добавлен поверх существующего оптического кабеля без приостановки предоставления услуг клиентам. Помимо предоставления сервисов, использование технологии CWDM позволяет операторам связи оказывать такую услугу как предоставление в аренду "виртуального волокна".
Компания D-Link производит модули XFP и SFP+ с поддержкой техно- логии CWDM для следующих длин волн: 1271, 1291, 1311, 1331, 1471, 1491, 1511, 1531, 1551, 1571, 1591, 1611 нм. Модули оснащены дуплексными разъемами LC для подключения одномодового оптического кабеля и обеспечивают передачу данных на расстояния до 10, 40 и 70 км в зависимости от модели. Благодаря наличию широкого спектра модулей провайдеры услуг могут создавать CWDM-системы с различным количеством оптических каналов, работающих на требуемых частотах.
(рис 1.13) а) Модуль SFP+ DEM-X40CS-1611 с одним портом 10GE (10GBase-SR) для одномодового оптического кабеля с подержкой технологии CWDM и расстоянием передачи до 40 км; б) Модуль XFP DEM-X70CX-1611 с одним портом 10GE (10GBase-ZR) для одномодового оптического кабеля с поддержкой технологии CWDM и расстоянием передачи до 70 км.
Следует отметить, что в отличие от модулей с поддержкой технологии WDM, которые работают в паре и передают сигналы по одному волокну оптического кабеля на разных длинах волн, модули D-Link XFP и SFP+ CWDM являются однонаправленными и требуют подключения к мультиплексору на другом конце линии связи.
Мультиплексор – это пассивное устройство, которое объединяет (мультиплексирует) передаваемые и разделяет (демультиплексирует) принимаемые на разных длинах волн оптические сигналы. В зависимости от типа используемого для межмультиплексорной связи оптического кабеля, существуют две реализации мультиплексоров – одноволоконные и двухволоконные.
Модули D-Link XFP и SFP+ CWDM используются для подключения к двухволоконным мультиплексорам. Они передают и принимают сигналы на одной и той же длине волны по разным волокнам одномодового оптического кабеля. Мультиплексор объединяет сигналы, полученные от модулей, и передает их (каждый в своем оптическом канале) по одному волокну двухволо- конного оптического кабеля. По другому волокну кабеля выполняется прием мультиплексированных сигналов, которые далее демультиплексируются приемником мультиплексора. Благодаря использованию двух волокон оптиче- ского кабеля мультиплексор может одновременно мультиплексировать и демультиплексировать сигналы в обоих направлениях – от модуля и к модулю CWDM.
(рис 1.14) Примеры использования технологии CWDM
Одним из основных компонентов всего коммутационного оборудования является коммутирующая матрица (switch fabric). Коммутирующая матрица представляет собой чипсет, соединяющий множество входов с множеством выходов на основе фундаментальных технологий и принципов коммутации. Коммутирующая матрица выполняет три функции:
Поскольку коммутирующая матрица является ядром аппаратной платформы, к ней предъявляются требования по масштабированию производительности и возможности быстрого развития системы
Производительность коммутирующей матрицы (switch capacity) определяется как общая полоса пропускания (
"Неблокирующей" коммутирующей матрицей (non-blocking switch fabric) является такая матрица, у которой производительность и
$$\sum^N_i{Cp_i\times 2\text{Мбит/с}}$$
Например, производительность коммутатора с 24 портами 10/100 Мбит/с и 2 портами 1 Гбит/с вычисляется следующим образом:
((24 х 100 Мбит/с) + (2 х 1 Гбит/с)) х 2 = 8.8 Гбит/с
Коммутатор обеспечивает портам равноправный доступ к матрице, если в системе не установлено преимущество одних портов над другими.
Поскольку коммутирующая матрица располагается в ядре платформы коммутатора, то одним из наиболее важных вопросов остается ее отказоустойчивость. Этот вопрос решается за счет реализации отказоустойчивой архитектуры, предусматривающей резервирование критичных для работы коммутатора блоков.
Одним из ключевых компонентов архитектуры современных коммутаторов является контроллер ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Контроллеры
* Умножение на 2 для дуплексного режима работы.
В настоящее время существует много типов архитектур коммутирующих матриц. Выбор архитектуры матрицы во многом определяется ролью коммутатора в сети и количеством трафика, которое ему придется обрабатывать. В действительности, матрица обычно реализуется на основе комбинации двух или более базовых архитектур. Рассмотрим самые распространенные типы архитектур коммутирующих матриц.
Архитектура с разделяемой шиной (Shared Bus), как следует из ее названия, использует в качестве
Применительно к системам с разделяемой шиной под термином "неблокирующая" понимается то, что сумма скоростей портов матрицы меньше, чем скорость шины. Т.е. производительность системы ограничена производительностью шины. Даже если общая полоса пропускания ниже производительности шины, количество и производительность устройств ввода-вывода ограничены производительностью централизованного арбитра.
(рис 1.15) Архитектура с разделяемой шиной
Улучшения архитектуры с разделяемой шиной привели к появлению высокопроизводительной архитектуры с разделяемой памятью (Shared Memory). Архитектура с разделяемой памятью обычно основана на использовании быстрой памяти RAM большой емкости в качестве общего буфера коммутационной системы, предназначенного для хранения входящих пакетов перед их передачей. Память обычно организуется в виде множества выходных очередей, ассоциирующихся с одним из устройств ввода-вывода или портом. Для обеспечения неблокирующей работы полоса пропускания памяти для операции "запись" и операции "чтение" должна быть равна максимальной суммарной полосе пропускания всех входных портов.
Типовая архитектура коммутаторов с разделяемой памятью показана на рис. 1.13 . Входящие пакеты преобразуются из последовательного формата в параллельный и затем записываются в двухпортовую память. Запись в память осуществляется по принципу мультиплексирования с разделением по времени (
(рис 1.16) Архитектура с разделяемой памятью
Одним из преимуществ использования общего буфера для хранения пакетов является то, что он позволяет минимизировать количество выходных буферов, требуемых для поддержания скорости потери пакетов на низком уровне. С помощью централизованного буфера можно воспользоваться преимуществами статического разделения буферной памяти. При высокой скорости трафика на одном из портов он может захватить большее буферное пространство, если общий буферный пул не занят полностью.
Архитектура с разделяемой памятью обладает рядом недостатков. Так как пакеты записываются и считываются из памяти одновременно, она должна обладать суммарной пропускной способностью портов, т.е. операции записи и чтения из памяти должны выполняться в N (количество портов) раз выше скорости работы портов. Т.к. доступ к памяти физически ограничен, необходимость ускорения работы в N раз ограничивает масштабируемость архитектуры. Более того, контроллер памяти должен обрабатывать пакеты с той же скоростью, что и память. Такая задача может быть трудно выполнимой в случае управления множеством классов приоритетов и сложными операциями планирования. Коммутаторы с разделяемой памятью обладают единой точкой отказа, поскольку добавление еще одного общего буфера является сложным и дорогим. В результате этого в чистом виде архитектура с разделяемой памятью используется для построения коммутаторов с небольшим количеством портов.
Параллельно с появлением архитектуры с разделяемой памятью (в середине 1990-х годов) была разработана архитектура на основе коммутационной матрицы (Crossbar architecture). Эта архитектура используется для построения коммутаторов различных типов.
Существует множество вариаций архитектуры этого типа. Базовая архитектура на основе коммутационной матрицы N х N непосредственно соединяет N входных портов с N выходными портами в виде матрицы. В местах пересечения проводников, соединяющих входы и выходы, находятся коммутирующие устройства, которыми управляет специальный контроллер. В каждый момент времени, анализируя адресную информацию, контроллер сообщает коммутирующим устройствам, какой выход должен быть подключен к какому входу. В том случае, если два входящих пакета от разных портов-источников будут переданы на один и тот же выходной порт, он будет заблокирован. Существуют различные подходы к решению этой проблемы: повышение производительности матрицы по сравнению с производительностью входных портов или использование буферов памяти и арбитров.
Несмотря на простой дизайн, одной из фундаментальных проблем архитектуры на основе коммутационной матрицы остается ее масштабируемость. При увеличении количества входов и выходов усложняется схемотехника матрицы и в особенности контроллера. Поэтому для построения многопортовых коммутационных матриц используется другой подход, который заключается в том, что простые коммутационные матрицы связываются между собой, образуя одну большую коммутационную матрицу.
(рис 1.17) Архитектура на основе коммутационной матрицы
Можно выделить два типа коммутаторов на основе коммутационной матрицы:
В коммутаторах на основе коммутационной матрицы с буферизацией буферы расположены на трех основных стадиях: на входе и выходе и непосредственно на коммутационной матрице. Благодаря наличию очередей на трех стадиях эта архитектура позволяет избежать сложностей, связанных с реализацией механизма централизованного
Несмотря на то, что эта архитектура является простейшей архитектурой коммутаторов, из-за независимости стадий для нее существуют сложности с реализацией качества обслуживания (
Эта архитектура характеризуется наличием безбуферных коммутирующих элементов и арбитра, который управляет передачей трафика между входами и выходами матрицы. Отсутствие буферов у коммутирующих элементов компенсируется наличием буферов входных и выходных портов. Обычно разработчики используют один из трех методов буферизации: выходные буферы, входные буферы, комбинированные входные и выходные буферы.
В коммутаторах с входными очередями (Input-
Арбитр принимает решение о последовательности передачи пакетов из входных очередей на основе алгоритма диспетчеризации (
(рис 1.18) Архитектура на основе коммутационной матрицы с входными очередями
(рис 1.19) Архитектура на основе коммутационной матрицы с выходными очередями
В коммутаторах с выходными очередями (output-queued switch) пакеты буферизируются только на выходных портах после завершения процесса коммутации. В этом случае удается избежать проблемы, связанной с блокированием очередей
Следует отметить, что выходной буфер каждого порта требует большего объема памяти по сравнению с входным буфером. Это позволяет избежать блокирования на выходе, когда все входные порты пытаются подключиться к одному выходу. Еще одним важным фактором является скорость выполнения операции "запись" коммутируемых пакетов в выходную очередь. По этим двум причинам архитектура с выходными очередями должна быть реализована на высокоскоростных элементах, что делает ее очень дорогостоящей.
Коммутаторы с виртуальными очередями (Virtual Output Queues, VOQ) позволяют преодолеть проблему блокировки очередей N (где N — количество выходных портов) логических очередей типа FIFO, по одной для каждого выходного порта. Эти очереди используются для буферизации пакетов, поступающих на входной порт и предназначенных для выходного порта j (j = 1,…N).
В том случае, если существует несколько виртуальных очередей, может возникнуть проблема, связанная с одновременным доступом к коммутационной матрице и блокировкой очередей. Для решения этой проблемы используется арбитр, который на основе алгоритма диспетчеризации выбирает пакеты из разных очередей.
(рис 1.20) Архитектура на основе коммутационной матрицы с виртуальными очередями
В коммутаторах с комбинированными входными и выходными очередями (Combined Input and Output Queued, CIOQ) буферы памяти подключены как к входным, так и к выходным портам. Память каждого из входных портов организована в виде N виртуальных выходных очередей типа FIFO, по одной для каждого выходного порта. Каждый из N выходных портов также содержит очередь типа FIFO, которая используется для буферизации пакетов, ожидающих передачи через него. Система коммутации работает по принципу конвейера, каждая стадия которого называется временным слотом (
(рис 1.21) Архитектура на основе коммутационной матрицы с CIOQ
Во временной слот 2, который называется стадией диспетчеризации, ячейки передаются из входных очередей в выходные. Последовательность передачи ячеек определяется централизованным арбитром с помощью алгоритма диспетчеризации. Для того чтобы выходные очереди быстро заполнялись пакетами из входных очередей (с целью уменьшения задержки передачи пакетов и обеспечения
Во временной слот 3, который называется стадией передачи, осуществляется сборка пакетов и их передача с выходных портов.
Производительность коммутатора — характеристика, на которую сетевые
Основными показателями коммутатора, характеризующими его производительность, являются:
Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:
Скорость фильтрации и продвижения кадров — это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями и не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.
Скорость фильтрации (filtering) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
64 байт или больше 1518 байт);Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов является неблокирующей — коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.
Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряется обычно в кадрах в секунду. 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 минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт (без преамбулы) с полем данных в 46 байт. Применение в качестве основного показателя скорости обработки коммутатором кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности передаваемых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика.
Пропускная способность коммутатора (throughput) измеряется количеством пользовательских данных (в мегабитах или гигабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня — Ethernet, Fast Ethernet и т. д. Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, а время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше. Поэтому коммутатор может быть блокирующим для кадров минимальной длины, но при этом иметь очень хорошие показатели пропускной способности.
Задержка передачи кадра (forward delay) измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором, а именно на просмотр
Величина вносимой коммутатором задержки зависит от используемого в нем метода коммутации. Если коммутация осуществляется без буферизации, 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).
Максимальная емкость
Значение максимального числа МАС-адресов, которое может храниться в от 1К до 8К. Коммутаторы крупных рабочих групп поддерживают таблицу МАС-адресов емкостью от 8К до 16К, а коммутаторы магистралей сетей — как правило, от 16К до 64К адресов и более.
Недостаточная емкость
Для обеспечения временного хранения кадров в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт, коммутаторы, в зависимости от реализованной архитектуры, оснащаются буферами на входных, выходных портах или общим буфером для всех портов. Размер буфера влияет как на задержку передачи кадра, так и на скорость потери пакетов. Поэтому чем больше объем буферной памяти, тем менее вероятны потери кадров.
Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, обладают буферной памятью в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Общий для всех портов буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.
Механизм управления потоком (Flow Control) позволяет предотвратить потерю данных в случае
Для управления потоком в полудуплексном режиме обычно используется метод обратного давления (Backpressure). Принимающее устройство (порт коммутатора) в случае переполнения его буфера отправляет искусственно созданный сигнал обнаружения коллизии или отправляет обратно устройству-отправителю его кадры.
Для управления потоком в дуплексном режиме используется стандарт IEEE 802.3х. Согласно этому стандарту управление потоком осуществляется между МАС-уровнями с помощью специального кадра-паузы, который автоматически формируется МАС-уровнем принимающего устройства. В случае
Общая схема управления потоком показана на рис. 1.22.
Дуплексный режим работы и сопутствующее ему управление потоком являются дополнительными режимами для всех МАС-уровней Ethernet независимо от скорости передачи. Кадры-паузы идентифицируются как управляющие МАС-кадры по уникальным значениям полей "Длина/тип" (88-08) и "Код операции управления МАС" (00-01).
(рис 1.22) Последовательность управления потоком IEEE 802.3x
| Заголовок | Признак начала кадра | Адрес назначения | Адрес источника | Длина/ тип | Код операции управления MAC (00-01) | Параметры управления MAC (от 00-00 до FF-FF) | Зарезервировано | Контрольная последовательность кадров |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7 байт | 1 байт | 6 байт | 6 байт | 2 байта | 2 байта | 2 байта | 42 байта | 4 байта |
Правильно сконфигурированная функция управления потоком на устройствах позволяет повысить общую производительность сети за счет уменьшения потери данных и повторных передач. Управление потоком данных IEEE 802.3х большинства интерфейсных сетевых карт и встроенных сетевых карт включено по умолчанию. Коммутаторы D-Link имеют разные настройки функции IEEE 802.3х по умолчанию:
Поэтому для корректной работы функции IEEE 802.3х на порте коммутатора должна быть активизирована функция управления потоком.
Коммутаторы локальных сетей можно классифицировать в соответствии с уровнями модели OSI, на которых они передают, фильтруют и коммутируют кадры. Различают коммутаторы уровня 2 (Layer 2 (L2) Switch) и коммутаторы уровня 3 (Layer 3 (L3) Switch).
Коммутаторы уровня 2 анализируют входящие кадры, принимают решение об их дальнейшей передаче и передают их пунктам назначения на основе МАС-адресов канального уровня модели OSI. Основное преимущество коммутаторов уровня 2 — прозрачность для протоколов верхнего уровня. Т.к. коммутатор функционирует на 2-м уровне, ему нет необходимости анализировать информацию верхних уровней модели OSI.
Коммутация 2-го уровня — аппаратная. Она обладает высокой производительностью. Передача кадра в коммутаторе может осуществляться специализированным контроллером
Несмотря на преимущества коммутации 2-го уровня, она все же имеет некоторые ограничения. Наличие коммутаторов в сети не препятствует распространению широковещательных кадров по всем сегментам сети.
Коммутаторы уровня 3 осуществляют коммутацию и фильтрацию на основе адресов
Коммутаторы уровня 3 осуществляют маршрутизацию пакетов аналогично традиционным маршрутизаторам. Они поддерживают
Существует две разновидности маршрутизации: аппаратная (коммутация 3 уровня) и программная. При аппаратной реализации пересылка пакетов осуществляется посредством специализированных контроллеров
Программное обеспечение коммутаторов D-Link предоставляет набор программных сервисов, предназначенных для выполнения различных функций, обеспечивающих безопасность, отказоустойчивость сети, управление многоадресной рассылкой, качество обслуживания (
Системное программное обеспечение располагается во Flash-памя-ти коммутатора, размер которой, в зависимости от модели, может быть до 32 Мбайт. Компания D-Link предоставляет возможность бесплатного обновления программного обеспечения коммутаторов по мере появления новых версий с обновленным функционалом.
Грамотный сетевой проект основывается на многих принципах, базовыми из которых являются:
(рис 1.23) Трехуровневая модель сети
Для каждого уровня определены свои функции. Три уровня не обязательно предполагают наличие трех различных устройств. Если провести аналогию с иерархической моделью OSI, то в ней отдельный протокол не всегда соответствует одному из семи уровней. Иногда протокол соответствует более чем одному уровню модели OSI, а иногда несколько протоколов реализованы в рамках одного уровня. Так и при построении иерархических сетей, на одном уровне может быть как несколько устройств, так и одно устройство, выполняющее все функции, определенные на двух соседних уровнях.
Уровень ядра находится на самом верху иерархии и отвечает за надежную и быструю передачу больших объемов данных. Трафик, передаваемый через ядро, является общим для большинства пользователей. Сами пользовательские данные обрабатываются на уровне распределения, который, при необходимости, пересылает запросы к ядру.
Для уровня ядра большое значение имеет его отказоустойчивость, поскольку сбой на этом уровне может привести к потере связности между уровнями распределения сети.
Уровень распределения, который иногда называют уровнем рабочих групп, является связующим звеном между уровнями доступа и ядра. В зависимости от способа реализации уровень распределения может выполнять следующие функции:
Уровень доступа управляет доступом пользователей и рабочих групп к ресурсам объединенной сети. Основной задачей уровня доступа является создание точек входа/выхода пользователей в сеть. Уровень выполняет следующие функции:
По мере развития сетевых технологий современные коммутаторы становятся все более сложными устройствами. Для успешного построения и обслуживания сетей ключевым моментом является понимание фундаментальных основ наиболее распространенных сетевых технологий, таких как коммутация 2-го уровня, коммутация 3-го уровня, IEEE 802.1Q, IEEE 802.1p, RSTP, MSTP, IGMP и многих других, а также знание того, как данные технологии можно применить на практике наиболее эффективно.
Книга "Построение коммутируемых компьютерных сетей" появилась благодаря многолетнему сотрудничеству компании D-Link и ведущего технического университета страны — МГТУ им. Н. Э. Баумана. Книга направлена на глубокое изложение теории и формирование практических знаний. В ее основу легли учебные материалы компании D-Link, а также практические занятия, проводимые в учебном центре D-Link — МГТУ им. Н. Э. Баумана – D-Link и кафедры "Компьютерные системы и сети".
Книга содержит полное описание фундаментальных технологий коммутации локальных сетей, примеры их использования, а также настройки на коммутаторах D-Link. Она будет полезна студентам, обучающимся по направлению "Информатика и вычислительная техника", аспирантам, сетевым администраторам, специалистам предприятий, внедряющим новые информационные технологии, а также всем, кто интересуется современными сетевыми технологиями и принципами построения коммутируемых сетей.
Авторы хотят поблагодарить всех людей, вовлеченных в процесс консультирования, редактирования и подготовки рисунков для курса. Авторы выражают благодарность руководителям Представительства компании "Д-
В тексте курса используются следующие пиктограммы для обозначения сетевых устройств различных типов:
Следующие символы используются для описания ввода команд,
| Символ | Назначение |
|---|---|
< угловые скобки > | Содержат ожидаемую переменную или значение, которое должно быть указано |
[ квадратные скобки] | Содержат требуемое значение или набор требуемых аргументов. Может быть указано одно значение или аргумент |
| вертикальная черта | Отделяет два или более взаимно исключающих пунктов из списка, один из которых должен быть введен/указан |
{ фигурные скобки} | Содержит необязательное значение или набор необязательных аргументов |
Эволюция локальных сетей неразрывно связана с историей развития технологии Ethernet, которая по сей день остается самой распространенной технологией локальных сетей.
Первоначально технология локальных сетей рассматривалась как времясберегающая и экономичная технология, обеспечивающая совместное использование данных, дискового пространства и дорогостоящих периферийных устройств. Снижение стоимости персональных компьютеров и периферии привело к их широкому распространению в бизнесе, и количество сетевых пользователей резко возросло. Одновременно изменились архитектура приложений ("клиент-сервер") и их требования к вычислительным ресурсам, 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.
В первых сетях Ethernet (
Следующим шагом стала разработка стандарта
Задача сегментации сети, т.е. разделения пользователей на группы (сегменты) в соответствии с их физическим размещением с целью уменьшения количества клиентов, соперничающих за полосу пропускания, была решена с помощью устройства, называемого мостом (bridge). Мост был разработан компанией Digital Equipment Corporation (DEC) в начале 1980-х годов и представлял собой устройство канального уровня модели OSI (обычно двухпортовое), предназначенное для объединения сегментов сети. В отличие от концентратора, мост не просто пересылал пакеты данных из одного сегмента в другой, а анализировал и передавал их только в том случае, если такая передача действительно была необходима, то есть адрес рабочей станции назначения принадлежал другому сегменту. Таким образом, мост изолировал трафик одного сегмента от трафика другого, уменьшая домен коллизий и повышая общую производительность сети.
Однако мосты были эффективны лишь до тех пор, пока количество рабочих станций в сегменте оставалось относительно невелико. Как только оно увеличивалось, в сетях возникала перегрузка (переполнение приемных буферов сетевых устройств), которая приводила к потере пакетов.
Увеличение количества устройств, объединяемых в сети, повышение мощности процессоров рабочих станций, появление мультимедийных приложений и приложений "клиент-сервер" требовали большей полосы пропускания. В ответ на эти растущие требования фирмой Kalpana в 1990 г. на рынок был выпущен первый коммутатор (switch), получивший название EtherSwitch.
(рис 1.1) Коммутатор локальной сети
Коммутатор представлял собой многопортовый мост и также функционировал на канальном уровне модели OSI. Основное отличие коммутатора от моста заключалось в том, что он мог устанавливать одновременно несколько соединений между разными парами портов. При передаче пакета через коммутатор в нем создавался отдельный виртуальный (либо реальный, в зависимости от архитектуры) канал, по которому данные пересылались напрямую от порта-источника к порту-получателю с максимально возможной для используемой технологии скоростью. Такой принцип работы получил название "микросегментация". Благодаря микросегментации коммутаторы получили возможность функционировать в режиме полного дуплекса (
(рис 1.2) Микросегментация
В настоящее время коммутаторы являются основным строительным блоком для создания локальных сетей. Современные коммутаторы Ethernet превратились в интеллектуальные устройства со специализированными процессорами для обработки и перенаправления пакетов на высоких скоростях и реализации таких функций, как организация резервирования и повышения отказоустойчивости сети, агрегирование каналов, создание
С появлением стандарта
С ростом популярности технологий беспроводного доступа в корпоративных сетях производители оборудования выпустили на рынок унифицированные коммутаторы с поддержкой технологии
Повышение потребностей заказчиков и тенденции рынка стимулируют разработчиков коммутаторов более или менее регулярно расширять аппаратные и функциональные возможности производимых устройств, позволяющие предоставлять в локальных сетях новые услуги, повышать их надежность, управляемость и защищенность.
Коммутаторы локальных сетей обрабатывают кадры на основе алгоритма прозрачного моста (transparent bridge), который определен стандартом
Изначально таблица коммутации пуста. При включении питания, одновременно с передачей данных, коммутатор начинает изучать расположение подключенных к нему сетевых устройств путем анализа МАС-адресов источников получаемых кадров. Например, если на порт 1 коммутатора, показанного на рис. 1.3 , поступает кадр от узла А, то он создает в
(рис 1.3) Построение таблицы коммутации
Помимо динамического создания записей в
Статическую таблицу коммутации удобно использовать с целью повышения сетевой безопасности, когда необходимо гарантировать, что только устройства с определенными МАС-адресами могут подключаться к сети. В этом случае необходимо отключить автоизучение МАС-адресов на портах коммутатора.
Как только в
(рис 1.4) Передача кадра с порта на порт коммутатора
Когда коммутатор получает кадр, отправленный компьютером А компьютеру В, он извлекает из него МАС-адрес приемника и ищет этот МАС-адрес в своей
Если бы оказалось, что выходной порт и порт-источник совпадают, то передаваемый кадр был бы отброшен коммутатором. Этот процесс называется фильтрацией (filtering).
В том случае, если МАС-адрес приемника в поступившем кадре неизвестен (в
Помимо лавинной передачи одноадресных кадров, коммутаторы также выполняют лавинную передачу многоадресных и широковещательных кадров, которые генерируются сетевыми мультимедийными приложениями.
Прежде чем принять решение о передаче кадра, коммутатор получает и анализирует его содержимое. В современных коммутаторах используются следующие методы коммутации, определяющие поведение устройства при получении кадра:
Оба метода коммутации принимают решение о продвижении кадров на основе МАС-адреса получателя, но отличаются последовательностью действий, которые коммутатор выполнит, прежде чем передать или отбросить поступивший на его порт кадр.
(рис 1.5) Методы коммутации
Метод коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward) исторически появился первым. Он характеризуется тем, что коммутатор, прежде чем передать кадр, полностью копирует его в буфер и производит проверку на наличие ошибок. Если кадр содержит ошибки (не совпадает контрольная сумма, или кадр меньше 64 байт или больше 1518 байт), то он отбрасывается. Если кадр не содержит ошибок, то коммутатор находит МАС-адрес приемника в своей таблице коммутации и определяет выходной порт. Затем, если не определены никакие фильтры, коммутатор передает кадр через соответствующий порт устройству назначения.
Несмотря на то, что этот способ передачи связан с задержками (чем больше размер кадра, тем больше времени требуется на его прием и проверку на наличие ошибок), он обладает двумя существенными преимуществами:
В большинстве коммутаторов D-Link реализован этот метод коммутации. Благодаря использованию в устройствах высокопроизводительных процессоров и контроллеров ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), задержка, вносимая коммутацией store-and-forward при передаче кадров, оказывается незначительной.
Коммутация без буферизации (cut-through) была реализована в первом коммутаторе Ethernet, разработанном фирмой Kalpana в 1990 г. При работе в этом режиме теоретически коммутатор копирует в буфер только МАС-адрес назначения (первые 6 байт после преамбулы) и сразу начинает передавать кадр, не дожидаясь его полного приема. Однако современные коммутаторы не всегда реализуют коммутацию без буферизации в классическом варианте. В зависимости от реализации коммутатор дожидается приема в буфер определенного количества байтов кадра и, если на порте не определены никакие фильтры, принимает решение о его передаче. Так как при работе в режиме cut-through коммутатор не дожидается приема всего кадра, то он не выполняет проверку кадров на наличие ошибок. Проверка кадра на наличие ошибок возлагается на принимающий узел. Однако, современная сетевая инфраструктура, включающая оборудование и кабельную систему позволяет свести вероятность возникновения ошибочных кадров к минимуму.
Основным преимуществом коммутация без буферизации по сравнению с коммутацией с промежуточным хранением является уменьшение времени передачи кадров большого размера. Например, если приложение использует Jumbo-фреймы (кадры Ethernet, размер поля данных которых может достигать 10 000 байт), то коммутатор, работающий в режиме cut-through, будет передавать данные на несколько микро или миллисекунд (в зависимости от скорости портов коммутатора) быстрее коммутатора, использующего режим store-and-forward.
Помимо этого, коммутаторы с поддержкой режима cut-through хорошо подходят для использования в сетях, например в центрах обработки данных, с приложениями критичными к задержкам.
Однако в некоторых случаях, метод cut-through теряет свои преимущества в скорости передачи. Это может произойти при перегрузке сети, использовании функций фильтрации, требующих обработки на ЦПУ, или когда порты коммутатора поддерживают разную скорость (если коммутационная матрица плохо спроектирована).
Коммутаторы D-Link серии DXS-3600-xx обеспечивают гибкость в выборе метода коммутации, т.к. поддерживают selectable store-andforward/ cut-through mode. По умолчанию в коммутаторах этой серии используется режим store-and-forward, поэтому для получения преимуществ от использования режима cut-through, администратор сети должен сначала его активизировать. Коммутатор будет копировать в буфер, и изучать первые 560 байт кадра. Если размер кадра окажется больше 560 байт, коммутатор автоматически переключится в режим cut-through и начнет процесс продвижения кадра, не дожидаясь его полного приема. Соответственно для кадров, чей размер меньше или равен 560 байт будет использоваться режим коммутации store-and-forward.
В зависимости от конструктивного исполнения (габаритных размеров) можно выделить три группы коммутаторов:
Как следует из названия, настольные коммутаторы предназначены для размещения на столах, иногда они могут оснащаться входящими в комплект поставки скобами для крепления на стену. Обычно такие коммутаторы обладают корпусом обтекаемой формы с относительно небольшим количеством фиксированных портов (у коммутаторов D-Link количество портов варьируется от 5 до 16), внешним или внутренним блоком питания и небольшими ножками (обычно резиновыми) для обеспечения вентиляции нижней поверхности устройства. Чаще всего коммутаторы настольного форм-фактора используются в сетях класса SOHO (Small Office, Home Office), где не требуется высокая производительность и расширенные сетевые функции. В качестве примера коммутатора в настольном исполнении можно привести коммутатор D-Link модели DES-1008A.
Автономные коммутаторы в стоечном исполнении высотой 1U обладают корпусом для монтажа в 19" стойку, встроенным блоком питания и фиксированным количеством портов (у коммутаторов D-Link количество портов может достигать 52-х штук). По сравнению с настольными коммутаторами коммутаторы, монтируемые в стойку, обеспечивают более высокую производительность и надежность, а также предлагают широкий набор сетевых функций и интерфейсов. Как правило, такие коммутаторы используются на уровнях доступа и распределения сетей малых и средних предприятий (Small to Medium Business, SMB), корпоративных сетей и сетей провайдеров услуг (Internet Service Provider, ISP).
Среди коммутаторов в стоечном исполнении с фиксированным количеством портов можно выделить отдельную группу устройств — стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работать как автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, так и совместно, благодаря наличию специальных интерфейсов, позволяющих объединять коммутаторы в одно логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления и мониторинга. Говорится, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.
Коммутаторы на основе шасси содержат слоты, которые могут быть использованы для установки интерфейсных модулей расширения, резервных источников питания и процессорных модулей. Модульное решение обеспечивает гибкость применения, высокую плотность портов и возможность резервирования критичных для функционирования коммутатора компонентов. Модули такого коммутатора поддерживают технологию hot swap ("горячая замена"), то есть допускают замену на ходу, без выключения питания коммутатора. Коммутаторы на основе
Под физическим стекированием понимается объединение нескольких коммутаторов в одно логическое устройство с целью увеличения количества портов, удобства управления и мониторинга. Объединенные в стек коммутаторы имеют общие
В коммутаторах D-Link используются 2 топологии стекирования: "кольцо" (ring) и "цепочка" (
(рис 1.6) Топологии стекирования "кольцо" и "цепочка"
Стек типа "кольцо" (кольцевая топология) строится по следующей схеме: каждое устройство в стеке подключается к вышележащему и нижележащему, при этом самый нижний и самый верхний коммутатор в стеке также соединяются. При передаче данных пакет последовательно передается от одного устройства стека к другому до тех пор, пока не достигнет порта назначения. Система автоматически определяет оптимальный путь передачи трафика, что позволяет достичь полного использования полосы пропускания. Преимуществом топологии "кольцо" является то, что при выходе одного устройства из строя или обрыве связи остальные устройства стека будут продолжать функционировать в обычном режиме.
В стеке типа "цепочка" (линейная топология) каждое устройство соединено с вышележащим и нижележащим. Самый верхний и самый нижний коммутаторы не соединяются.
Физическое стекирование по линейной и кольцевой топологии реализовано в семи сериях коммутаторов D-Link. Коммутаторы серий DGS-1510-xx, DGS-3120-xx позволяют объединить в стек до 6 устройств, коммутаторы серии DGS-3610-xx – до 8 устройств, а коммутаторы серий DGS-3420-xx и DGS-3620-xx – до 12 устройств, используя интерфейсы 10 Gigabit Ethernet (10GE).
Все устройства стека управляются через один IP-адрес. Передача данных между ними ведется в полнодуплексном режиме.
В зависимости от выполняемых задач коммутаторы могут быть оборудованы различным количеством и типом портов. В таблице 1.1 приведены типы наиболее часто используемых интерфейсов и их основные характеристики в соответствии со стандартом IEEE 802.3-2008.
Наиболее распространенными интерфейсами, реализуемыми в коммутаторах, являются фиксированные интерфейсы с разъемом
| Стандарт | Тип кабеля | Максимальное расстояние передачи,м |
|---|---|---|
| Кабель на основе витой пары категории 3 или 5 | 100 | |
| Кабель на основе витой пары категории 5 | 100 | |
| 100BASE-FX | Многомодовый оптический кабель | 412 (полудуплекс) 2000 (дуплекс) |
| 100BASE-BX10 | Одноволоконный одномодовый оптический кабель (длина волны: 1310 нм — восходящий поток, 1550 нм — нисходящий) | 10 000 |
| 100BASE-LX10 | Одномодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм) | 10 000 |
| 1000BASE-T | Кабель на основе витой пары категории 5, 5e, 6 или 7 | 100 |
| 1000BASE-SX | Многомодовый оптический кабель 62.5/125 микрон/ 50/125 микрон | 220/550 |
| 1000BASE-LX | Одномодовый оптический кабель | 5 000 |
| Многомодовый оптический кабель | 550 | |
| 1000BASE-LX10 | Одномодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм) | 10 000 |
| Многомодовый оптический кабель (длина волны 1310 нм) | 550 | |
| 1000BASE-BX10 | Одноволоконный одномодовый оптический кабель (длина волны: 1310 нм — восходящий поток, 1550 нм — нисходящий) | 10 000 |
| 1000BASE-ZX | Одномодовый оптический кабель (длина волны 1550 нм) | 80 000 |
| 1000BASE-LH ( | Одномодовый оптический кабель | 50 000 |
| Экранированный сбалансированный медный кабель | 15 | |
| Многомодовый оптический кабель | 300 | |
| Одномодовый оптический кабель | 10 000 | |
| Одномодовый оптический кабель | 40 000 | |
| Одномодовый оптический кабель | 70 000 |
Для обеспечения большей гибкости в выборе типа подключения, многие коммутаторы оборудованы специальными слотами для установки компактных сменных интерфейсных модулей GBIC (Gigabit Interface Converter), SFP (Small Form Factor Pluggable), SFP+ (Enhanced Small Form Factor Pluggable) и XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable), поддерживающих режим "горячей замены".
Самой первой спецификацией на компактные сменные интерфейсные модули была спецификация
(рис 1.7) Модуль GBIC DGS-703 с одним портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля
Спустя несколько лет после появления спецификации
(рис 1.8) Модуль SFP DEM-310GT с одним портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля
Компания D-Link выпускает модули SFP, поддерживающие стандар-ты Fast и Gigabit Ethernet и предназначенные для работы с разнообразным оптическим кабелем — одномодовым двухволоконным, одномодовым одноволоконным для систем с технологией WDM (Wavelength Division Multiplexing) и многомодовым. Модули снабжены дуплексными или сим-плексными разъемами типа LC для подключения оптического кабеля. В зависимости от используемой длины волны и типа оптического кабеля, модули обеспечивают разную дальность передачи – от 550 м до 80 км. Благодаря этому можно выбрать необходимый модуль SFP для конкретного соединения.
Модули SFP могут поддерживать важные функции цифровой диагностики (описанные в спецификации SFF-8472), позволяющие в реальном времени осуществлять мониторинг таких параметров как мощность пере-датчика, чувствительность приемника, напряжение питания и температура каждого оптического компонента. Информация о поддержке этой функции обычно указывается в спецификации на устройство.
Каждый модуль SFP выпускается с собственной электронной меткой, где содержатся сведения об идентификационном номере устройства и спецификации внешнего порта. Информация о внешнем порте может включать данные о длине волны, характеристиках волокна, скорости передачи данных, поддерживаемых протоколах, а также о длине канала. Идентификация SFP полезна при инвентаризации: с ее помощью отслеживается установка и замена компонентов и определяется местонахождение того или иного модуля.
(рис 1.9) Технология Wavelength Division Multiplexing
Технология сменных модулей оказалась очень эффективной в системах оптического уплотнения (
Самая простая и дешевая реализация технологии WDM использует два канала – один на длине волны 1310 нм, другой на длине волны 1550 нм. Ее развитием являются технологии Coarse WDM (CWDM, мультиплексирование с разреженным спектральным разделением) и Dense WDM (DWDM, мультиплексирование с плотным спектральным разделением). Большинство WDM-систем используют для работы одномодовые оптические кабели с диаметром волокна 9/125 мкм.
Компания D-Link производит модули SFP с использованием технологии WDM (также встречаются названия Bi-Di, WDMBi-Directional, т.е. "двунаправленные"), поддерживающие скорости передачи 100 Мбит/с и 1000 Мбит/с. Эти модули позволяют одновременно передавать и получать сигналы на длинах волн 1310 нм и 1550 нм по одному оптическому волокну на расстояние до 40 км. Это достигается путем установки SFP-модуля передатчика и SFP-модуля приемника на разных концах линии связи. Модули оборудованы симплексными разъемами LC для подключения одноволоконного одномодового кабеля.
(рис 1.10) Модули SFP DEM-331R и DEM-331T с одним портом 1000BASE-BX10 с поддержкой технологии WDM
Следующей ступенью эволюции сменных интерфейсов стала разработка оптических
В настоящее время компания D-Link выпускает
(рис 1.11) Модуль XFP DEM-423XT с одним портом 10GE (10GBASE-ER) для одномодового оптического кабеля
Новым поколением оптических сменных интерфейсных модулей с поддержкой скоростей 10 Гбит/с стали
По сравнению с трансиверами XFP, модули SFP+ обладают меньшими габаритными размерами и тепловыделением, что позволяет повысить плотность размещения портов 10 Гбит/с на корпусе телекоммуникационных устройств.
Модули SFP+, так же как и модули SFP, могут поддерживать систему цифровой диагностики в соответствии со спецификацией
Компания D-Link производит широкий спектр трансиверов SFP+ с поддержкой и без поддержки функции цифровой диагностики. Различают модули, предназначенные для работы с одномодовым или многомодовым оптическим кабелем на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм, с поддержкой технологий WDM, CWDM.
(рис 1.12) Модуль SFP+ DEM-432XT-DD с одним портом 10GE (10GBASE-LR) для одномодового оптического кабеля и поддержкой функции цифровой диагностики
Отдельно следует отметить модули XFP и SFP+ с поддержкой технологии CWDM. Технология CWDM (Coarse WDM, мультиплексирование с разреженным спектральным разделением) является развитием технологии WDM, которая позволяет использовать до 18 оптических каналов (как опре-делено в ITU-T G.694.2), отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм для передачи оптических сигналов. Оптические каналы лежат в диапазоне от 1271 до 1611 нм. Сетка длин волн CWDM приведена в таблице 1.2.
| Номинальные значения центральных длин волн (нм) для расстояния между каналами 20 нм |
|---|
| 1271 |
| 1291 |
| 1311 |
| 1331 |
| 1351 |
| 1371 |
| 1391 |
| 1411 |
| 1431 |
| 1451 |
| 1471 |
| 1491 |
| 1511 |
| 1531 |
| 1551 |
| 1571 |
| 1591 |
| 1611 |
Из-за высокого затухания в диапазоне 1271-1451 нм большинство CWDM-реализаций используют 8 каналов в диапазоне 1471-1611 нм.
Популярность CWDM-систем в городских и региональных сетях растет благодаря тому, что они позволяют снизить затраты на прокладку оптических кабелей, повысить пропускную способность оптической сети на фоне постоянно увеличивающегося объема трафика, что особенно актуально провайдерам услуг, которые хотят предоставлять клиентам дополнительные сервисы. Новый сервис может быть добавлен поверх существующего оптического кабеля без приостановки предоставления услуг клиентам. Помимо предоставления сервисов, использование технологии CWDM позволяет операторам связи оказывать такую услугу как предоставление в аренду "виртуального волокна".
Компания D-Link производит модули XFP и SFP+ с поддержкой техно- логии CWDM для следующих длин волн: 1271, 1291, 1311, 1331, 1471, 1491, 1511, 1531, 1551, 1571, 1591, 1611 нм. Модули оснащены дуплексными разъемами LC для подключения одномодового оптического кабеля и обеспечивают передачу данных на расстояния до 10, 40 и 70 км в зависимости от модели. Благодаря наличию широкого спектра модулей провайдеры услуг могут создавать CWDM-системы с различным количеством оптических каналов, работающих на требуемых частотах.
(рис 1.13) а) Модуль SFP+ DEM-X40CS-1611 с одним портом 10GE (10GBase-SR) для одномодового оптического кабеля с подержкой технологии CWDM и расстоянием передачи до 40 км; б) Модуль XFP DEM-X70CX-1611 с одним портом 10GE (10GBase-ZR) для одномодового оптического кабеля с поддержкой технологии CWDM и расстоянием передачи до 70 км.
Следует отметить, что в отличие от модулей с поддержкой технологии WDM, которые работают в паре и передают сигналы по одному волокну оптического кабеля на разных длинах волн, модули D-Link XFP и SFP+ CWDM являются однонаправленными и требуют подключения к мультиплексору на другом конце линии связи.
Мультиплексор – это пассивное устройство, которое объединяет (мультиплексирует) передаваемые и разделяет (демультиплексирует) принимаемые на разных длинах волн оптические сигналы. В зависимости от типа используемого для межмультиплексорной связи оптического кабеля, существуют две реализации мультиплексоров – одноволоконные и двухволоконные.
Модули D-Link XFP и SFP+ CWDM используются для подключения к двухволоконным мультиплексорам. Они передают и принимают сигналы на одной и той же длине волны по разным волокнам одномодового оптического кабеля. Мультиплексор объединяет сигналы, полученные от модулей, и передает их (каждый в своем оптическом канале) по одному волокну двухволо- конного оптического кабеля. По другому волокну кабеля выполняется прием мультиплексированных сигналов, которые далее демультиплексируются приемником мультиплексора. Благодаря использованию двух волокон оптиче- ского кабеля мультиплексор может одновременно мультиплексировать и демультиплексировать сигналы в обоих направлениях – от модуля и к модулю CWDM.
(рис 1.14) Примеры использования технологии CWDM
Одним из основных компонентов всего коммутационного оборудования является коммутирующая матрица (switch fabric). Коммутирующая матрица представляет собой чипсет, соединяющий множество входов с множеством выходов на основе фундаментальных технологий и принципов коммутации. Коммутирующая матрица выполняет три функции:
Поскольку коммутирующая матрица является ядром аппаратной платформы, к ней предъявляются требования по масштабированию производительности и возможности быстрого развития системы
Производительность коммутирующей матрицы (switch capacity) определяется как общая полоса пропускания (
"Неблокирующей" коммутирующей матрицей (non-blocking switch fabric) является такая матрица, у которой производительность и
$$\sum^N_i{Cp_i\times 2\text{Мбит/с}}$$
Например, производительность коммутатора с 24 портами 10/100 Мбит/с и 2 портами 1 Гбит/с вычисляется следующим образом:
((24 х 100 Мбит/с) + (2 х 1 Гбит/с)) х 2 = 8.8 Гбит/с
Коммутатор обеспечивает портам равноправный доступ к матрице, если в системе не установлено преимущество одних портов над другими.
Поскольку коммутирующая матрица располагается в ядре платформы коммутатора, то одним из наиболее важных вопросов остается ее отказоустойчивость. Этот вопрос решается за счет реализации отказоустойчивой архитектуры, предусматривающей резервирование критичных для работы коммутатора блоков.
Одним из ключевых компонентов архитектуры современных коммутаторов является контроллер ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Контроллеры
* Умножение на 2 для дуплексного режима работы.
В настоящее время существует много типов архитектур коммутирующих матриц. Выбор архитектуры матрицы во многом определяется ролью коммутатора в сети и количеством трафика, которое ему придется обрабатывать. В действительности, матрица обычно реализуется на основе комбинации двух или более базовых архитектур. Рассмотрим самые распространенные типы архитектур коммутирующих матриц.
Архитектура с разделяемой шиной (Shared Bus), как следует из ее названия, использует в качестве
Применительно к системам с разделяемой шиной под термином "неблокирующая" понимается то, что сумма скоростей портов матрицы меньше, чем скорость шины. Т.е. производительность системы ограничена производительностью шины. Даже если общая полоса пропускания ниже производительности шины, количество и производительность устройств ввода-вывода ограничены производительностью централизованного арбитра.
(рис 1.15) Архитектура с разделяемой шиной
Улучшения архитектуры с разделяемой шиной привели к появлению высокопроизводительной архитектуры с разделяемой памятью (Shared Memory). Архитектура с разделяемой памятью обычно основана на использовании быстрой памяти RAM большой емкости в качестве общего буфера коммутационной системы, предназначенного для хранения входящих пакетов перед их передачей. Память обычно организуется в виде множества выходных очередей, ассоциирующихся с одним из устройств ввода-вывода или портом. Для обеспечения неблокирующей работы полоса пропускания памяти для операции "запись" и операции "чтение" должна быть равна максимальной суммарной полосе пропускания всех входных портов.
Типовая архитектура коммутаторов с разделяемой памятью показана на рис. 1.13 . Входящие пакеты преобразуются из последовательного формата в параллельный и затем записываются в двухпортовую память. Запись в память осуществляется по принципу мультиплексирования с разделением по времени (
(рис 1.16) Архитектура с разделяемой памятью
Одним из преимуществ использования общего буфера для хранения пакетов является то, что он позволяет минимизировать количество выходных буферов, требуемых для поддержания скорости потери пакетов на низком уровне. С помощью централизованного буфера можно воспользоваться преимуществами статического разделения буферной памяти. При высокой скорости трафика на одном из портов он может захватить большее буферное пространство, если общий буферный пул не занят полностью.
Архитектура с разделяемой памятью обладает рядом недостатков. Так как пакеты записываются и считываются из памяти одновременно, она должна обладать суммарной пропускной способностью портов, т.е. операции записи и чтения из памяти должны выполняться в N (количество портов) раз выше скорости работы портов. Т.к. доступ к памяти физически ограничен, необходимость ускорения работы в N раз ограничивает масштабируемость архитектуры. Более того, контроллер памяти должен обрабатывать пакеты с той же скоростью, что и память. Такая задача может быть трудно выполнимой в случае управления множеством классов приоритетов и сложными операциями планирования. Коммутаторы с разделяемой памятью обладают единой точкой отказа, поскольку добавление еще одного общего буфера является сложным и дорогим. В результате этого в чистом виде архитектура с разделяемой памятью используется для построения коммутаторов с небольшим количеством портов.
Параллельно с появлением архитектуры с разделяемой памятью (в середине 1990-х годов) была разработана архитектура на основе коммутационной матрицы (Crossbar architecture). Эта архитектура используется для построения коммутаторов различных типов.
Существует множество вариаций архитектуры этого типа. Базовая архитектура на основе коммутационной матрицы N х N непосредственно соединяет N входных портов с N выходными портами в виде матрицы. В местах пересечения проводников, соединяющих входы и выходы, находятся коммутирующие устройства, которыми управляет специальный контроллер. В каждый момент времени, анализируя адресную информацию, контроллер сообщает коммутирующим устройствам, какой выход должен быть подключен к какому входу. В том случае, если два входящих пакета от разных портов-источников будут переданы на один и тот же выходной порт, он будет заблокирован. Существуют различные подходы к решению этой проблемы: повышение производительности матрицы по сравнению с производительностью входных портов или использование буферов памяти и арбитров.
Несмотря на простой дизайн, одной из фундаментальных проблем архитектуры на основе коммутационной матрицы остается ее масштабируемость. При увеличении количества входов и выходов усложняется схемотехника матрицы и в особенности контроллера. Поэтому для построения многопортовых коммутационных матриц используется другой подход, который заключается в том, что простые коммутационные матрицы связываются между собой, образуя одну большую коммутационную матрицу.
(рис 1.17) Архитектура на основе коммутационной матрицы
Можно выделить два типа коммутаторов на основе коммутационной матрицы:
В коммутаторах на основе коммутационной матрицы с буферизацией буферы расположены на трех основных стадиях: на входе и выходе и непосредственно на коммутационной матрице. Благодаря наличию очередей на трех стадиях эта архитектура позволяет избежать сложностей, связанных с реализацией механизма централизованного
Несмотря на то, что эта архитектура является простейшей архитектурой коммутаторов, из-за независимости стадий для нее существуют сложности с реализацией качества обслуживания (
Эта архитектура характеризуется наличием безбуферных коммутирующих элементов и арбитра, который управляет передачей трафика между входами и выходами матрицы. Отсутствие буферов у коммутирующих элементов компенсируется наличием буферов входных и выходных портов. Обычно разработчики используют один из трех методов буферизации: выходные буферы, входные буферы, комбинированные входные и выходные буферы.
В коммутаторах с входными очередями (Input-
Арбитр принимает решение о последовательности передачи пакетов из входных очередей на основе алгоритма диспетчеризации (
(рис 1.18) Архитектура на основе коммутационной матрицы с входными очередями
(рис 1.19) Архитектура на основе коммутационной матрицы с выходными очередями
В коммутаторах с выходными очередями (output-queued switch) пакеты буферизируются только на выходных портах после завершения процесса коммутации. В этом случае удается избежать проблемы, связанной с блокированием очередей
Следует отметить, что выходной буфер каждого порта требует большего объема памяти по сравнению с входным буфером. Это позволяет избежать блокирования на выходе, когда все входные порты пытаются подключиться к одному выходу. Еще одним важным фактором является скорость выполнения операции "запись" коммутируемых пакетов в выходную очередь. По этим двум причинам архитектура с выходными очередями должна быть реализована на высокоскоростных элементах, что делает ее очень дорогостоящей.
Коммутаторы с виртуальными очередями (Virtual Output Queues, VOQ) позволяют преодолеть проблему блокировки очередей N (где N — количество выходных портов) логических очередей типа FIFO, по одной для каждого выходного порта. Эти очереди используются для буферизации пакетов, поступающих на входной порт и предназначенных для выходного порта j (j = 1,…N).
В том случае, если существует несколько виртуальных очередей, может возникнуть проблема, связанная с одновременным доступом к коммутационной матрице и блокировкой очередей. Для решения этой проблемы используется арбитр, который на основе алгоритма диспетчеризации выбирает пакеты из разных очередей.
(рис 1.20) Архитектура на основе коммутационной матрицы с виртуальными очередями
В коммутаторах с комбинированными входными и выходными очередями (Combined Input and Output Queued, CIOQ) буферы памяти подключены как к входным, так и к выходным портам. Память каждого из входных портов организована в виде N виртуальных выходных очередей типа FIFO, по одной для каждого выходного порта. Каждый из N выходных портов также содержит очередь типа FIFO, которая используется для буферизации пакетов, ожидающих передачи через него. Система коммутации работает по принципу конвейера, каждая стадия которого называется временным слотом (
(рис 1.21) Архитектура на основе коммутационной матрицы с CIOQ
Во временной слот 2, который называется стадией диспетчеризации, ячейки передаются из входных очередей в выходные. Последовательность передачи ячеек определяется централизованным арбитром с помощью алгоритма диспетчеризации. Для того чтобы выходные очереди быстро заполнялись пакетами из входных очередей (с целью уменьшения задержки передачи пакетов и обеспечения
Во временной слот 3, который называется стадией передачи, осуществляется сборка пакетов и их передача с выходных портов.
Производительность коммутатора — характеристика, на которую сетевые
Основными показателями коммутатора, характеризующими его производительность, являются:
Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:
Скорость фильтрации и продвижения кадров — это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями и не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.
Скорость фильтрации (filtering) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
64 байт или больше 1518 байт);Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов является неблокирующей — коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.
Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряется обычно в кадрах в секунду. 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 минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт (без преамбулы) с полем данных в 46 байт. Применение в качестве основного показателя скорости обработки коммутатором кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности передаваемых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика.
Пропускная способность коммутатора (throughput) измеряется количеством пользовательских данных (в мегабитах или гигабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня — Ethernet, Fast Ethernet и т. д. Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, а время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше. Поэтому коммутатор может быть блокирующим для кадров минимальной длины, но при этом иметь очень хорошие показатели пропускной способности.
Задержка передачи кадра (forward delay) измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором, а именно на просмотр
Величина вносимой коммутатором задержки зависит от используемого в нем метода коммутации. Если коммутация осуществляется без буферизации, 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).
Максимальная емкость
Значение максимального числа МАС-адресов, которое может храниться в от 1К до 8К. Коммутаторы крупных рабочих групп поддерживают таблицу МАС-адресов емкостью от 8К до 16К, а коммутаторы магистралей сетей — как правило, от 16К до 64К адресов и более.
Недостаточная емкость
Для обеспечения временного хранения кадров в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт, коммутаторы, в зависимости от реализованной архитектуры, оснащаются буферами на входных, выходных портах или общим буфером для всех портов. Размер буфера влияет как на задержку передачи кадра, так и на скорость потери пакетов. Поэтому чем больше объем буферной памяти, тем менее вероятны потери кадров.
Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, обладают буферной памятью в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Общий для всех портов буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.
Механизм управления потоком (Flow Control) позволяет предотвратить потерю данных в случае
Для управления потоком в полудуплексном режиме обычно используется метод обратного давления (Backpressure). Принимающее устройство (порт коммутатора) в случае переполнения его буфера отправляет искусственно созданный сигнал обнаружения коллизии или отправляет обратно устройству-отправителю его кадры.
Для управления потоком в дуплексном режиме используется стандарт IEEE 802.3х. Согласно этому стандарту управление потоком осуществляется между МАС-уровнями с помощью специального кадра-паузы, который автоматически формируется МАС-уровнем принимающего устройства. В случае
Общая схема управления потоком показана на рис. 1.22.
Дуплексный режим работы и сопутствующее ему управление потоком являются дополнительными режимами для всех МАС-уровней Ethernet независимо от скорости передачи. Кадры-паузы идентифицируются как управляющие МАС-кадры по уникальным значениям полей "Длина/тип" (88-08) и "Код операции управления МАС" (00-01).
(рис 1.22) Последовательность управления потоком IEEE 802.3x
| Заголовок | Признак начала кадра | Адрес назначения | Адрес источника | Длина/ тип | Код операции управления MAC (00-01) | Параметры управления MAC (от 00-00 до FF-FF) | Зарезервировано | Контрольная последовательность кадров |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7 байт | 1 байт | 6 байт | 6 байт | 2 байта | 2 байта | 2 байта | 42 байта | 4 байта |
Правильно сконфигурированная функция управления потоком на устройствах позволяет повысить общую производительность сети за счет уменьшения потери данных и повторных передач. Управление потоком данных IEEE 802.3х большинства интерфейсных сетевых карт и встроенных сетевых карт включено по умолчанию. Коммутаторы D-Link имеют разные настройки функции IEEE 802.3х по умолчанию:
Поэтому для корректной работы функции IEEE 802.3х на порте коммутатора должна быть активизирована функция управления потоком.
Коммутаторы локальных сетей можно классифицировать в соответствии с уровнями модели OSI, на которых они передают, фильтруют и коммутируют кадры. Различают коммутаторы уровня 2 (Layer 2 (L2) Switch) и коммутаторы уровня 3 (Layer 3 (L3) Switch).
Коммутаторы уровня 2 анализируют входящие кадры, принимают решение об их дальнейшей передаче и передают их пунктам назначения на основе МАС-адресов канального уровня модели OSI. Основное преимущество коммутаторов уровня 2 — прозрачность для протоколов верхнего уровня. Т.к. коммутатор функционирует на 2-м уровне, ему нет необходимости анализировать информацию верхних уровней модели OSI.
Коммутация 2-го уровня — аппаратная. Она обладает высокой производительностью. Передача кадра в коммутаторе может осуществляться специализированным контроллером
Несмотря на преимущества коммутации 2-го уровня, она все же имеет некоторые ограничения. Наличие коммутаторов в сети не препятствует распространению широковещательных кадров по всем сегментам сети.
Коммутаторы уровня 3 осуществляют коммутацию и фильтрацию на основе адресов
Коммутаторы уровня 3 осуществляют маршрутизацию пакетов аналогично традиционным маршрутизаторам. Они поддерживают
Существует две разновидности маршрутизации: аппаратная (коммутация 3 уровня) и программная. При аппаратной реализации пересылка пакетов осуществляется посредством специализированных контроллеров
Программное обеспечение коммутаторов D-Link предоставляет набор программных сервисов, предназначенных для выполнения различных функций, обеспечивающих безопасность, отказоустойчивость сети, управление многоадресной рассылкой, качество обслуживания (
Системное программное обеспечение располагается во Flash-памя-ти коммутатора, размер которой, в зависимости от модели, может быть до 32 Мбайт. Компания D-Link предоставляет возможность бесплатного обновления программного обеспечения коммутаторов по мере появления новых версий с обновленным функционалом.
Грамотный сетевой проект основывается на многих принципах, базовыми из которых являются:
(рис 1.23) Трехуровневая модель сети
Для каждого уровня определены свои функции. Три уровня не обязательно предполагают наличие трех различных устройств. Если провести аналогию с иерархической моделью OSI, то в ней отдельный протокол не всегда соответствует одному из семи уровней. Иногда протокол соответствует более чем одному уровню модели OSI, а иногда несколько протоколов реализованы в рамках одного уровня. Так и при построении иерархических сетей, на одном уровне может быть как несколько устройств, так и одно устройство, выполняющее все функции, определенные на двух соседних уровнях.
Уровень ядра находится на самом верху иерархии и отвечает за надежную и быструю передачу больших объемов данных. Трафик, передаваемый через ядро, является общим для большинства пользователей. Сами пользовательские данные обрабатываются на уровне распределения, который, при необходимости, пересылает запросы к ядру.
Для уровня ядра большое значение имеет его отказоустойчивость, поскольку сбой на этом уровне может привести к потере связности между уровнями распределения сети.
Уровень распределения, который иногда называют уровнем рабочих групп, является связующим звеном между уровнями доступа и ядра. В зависимости от способа реализации уровень распределения может выполнять следующие функции:
Уровень доступа управляет доступом пользователей и рабочих групп к ресурсам объединенной сети. Основной задачей уровня доступа является создание точек входа/выхода пользователей в сеть. Уровень выполняет следующие функции:
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.