Архитектура коммутаторов. Основные принципы
Сети передачи данных являются относительно молодой технологией, однако они настолько естественно и прочно вошли в структуру нашей цивилизации, что современный мир уже нельзя без них представить. На глобальные сети опираются деятельность банковских и биржевых систем, силовых структур, бизнес-операции и управление компаниями и корпорациями, медицина и образование. Они начинают конкурировать с существующими телекоммуникационными сетями. Похоже, что общество стало заложником еще одной технологии.
Без нарушения общности можно сказать, что инфраструктура широкополосных коммуникаций базируется на взаимосвязанных сетях разного масштаба. Однако какие бы протоколы верхнего уровня ни реализовали эту взаимосвязь, то ли традиционные X.25 или Frame Relay, то ли более современные ATM, — на самом нижнем уровне мы всегда найдем высокоскоростные коммутаторы, которые обеспечивают передачу данных от отправителя к получателю.
Безусловно, особенности архитектуры коммутаторов во многом определяются сетевой технологией. Тем не менее принципы построения остаются общими. Поэтому для упрощения изложения примем, что коммутатор содержит N входных и N выходных портов, а поступающие пакеты имеют фиксированную длину (в терминологии ATM такие пакеты называют ячейками).
Вообще говоря, коммутаторы выполняют довольно широкий набор функций. Однако мы сосредоточим наше внимание на двух основных: маршрутизация, или пересылка пакетов от входного порта на выходной (адрес которого обычно указывается в заголовке пакета), и разрешение конфликтов, возникающих в тех случаях, когда несколько одновременно прибывших пакетов конкурируют за один и тот же выходной порт. Последняя проблема решается обычно с помощью той или иной схемы буферизации, которая зачастую и определяет основные особенности архитектуры коммутатора.
Базовый коммутирующий элемент
Начнем наше рассмотрение с так называемого бета-элемента (В-element), реализующего функции коммутации для устройства с двумя входными и двумя выходными портами (коммутатор 2 x 2). Во многих случаях коммутаторы 2N x 2N строятся, как некая сетевая структура из таких элементарных блоков. Они состоят из решающей логики, которая обрабатывает заголовки пакетов, регистра-защелки, фиксирующего результат решения, линии задержки, необходимой для синхронизации операций, и непосредственно коммутационного поля (switch fabric), выполняющего "прямое" или "кросс-соединение" входных и выходных портов (рис. 1).
| Рис. 1 |
Традиционные методы, используемые еще в телефонных сетях, определялись как коммутация с пространственным разделением (Space-Division Switching — SDS), разделением по времени (Time-Division Switching — TDS) и их комбинацией. Метод пространственного разделения происходит от технологии коммутации каналов. Он заключается в том, что для соединения входного и выходного портов создается физический канал. Обычно эта технология реализуется с помощью коммутационной матрицы. Суть разделения по времени упрощенно состоит в том, что каждый входящий пакет занимает определенный временной слот, порядок которых соответствует порядку выходных портов, и демультиплексор "знает", в какой порт направить данный пакет. Однако современная классификация архитектур коммутаторов основана на других принципах. В соответствии с ними дизайн коммутаторов наиболее часто описывается следующими четырьмя категориями:
- с разделяемой памятью;
- с разделяемой средой передачи;
- с полносвязной топологией "каждый с каждым";
- с пространственным разделением.
Теперь перейдем к более детальному анализу каждой из перечисленных архитектур. В процессе изложения мы волей-неволей вынуждены будем затрагивать вопросы буферизации, хотя более полное рассмотрение связанных с этим проблем отложим на дальнейшее.
Коммутаторы с разделяемой памятью
Основные принципы построения таких устройств иллюстрирует рис. 2. Трудность реализации этой архитектуры заключается в том, что при наличии N входных (и выходных) портов быстродействие памяти должно быть в N раз выше, чем скорость поступления данных в порт. Поэтому такие коммутаторы оборудуются высокоскоростной внутренней многоразрядной шиной, а поступающий поток бит из последовательного кода преобразуется в параллельный. Для обеспечения приемлемой частоты тактирования шину делают достаточно широкой. Так, если W — разрядность шины, то необходимая тактовая частота будет в N/W раз меньше, чем пропускная способность порта.
| Рис. 2 |
Пакеты, предназначенные для разных портов, хранятся в специально отведенных раздельных областях памяти. Будут ли эти разделы фиксированной длины или переменной, зависит от особенностей реализации обсуждаемой архитектуры. Очевидно, что разделы переменной длины требуют более сложного управления, однако такой подход позволяет в большинстве случаев решить проблемы переполнения и значительно снизить потерю пакетов. Для выполнения операций записи и чтения за один такт память делается двухпортовой.
Поскольку увеличение количества портов требует соответствующего повышения быстродействия памяти, то эта архитектура плохо расширяется. Кроме этого, контроллер, осуществляющий управление буферами, должен обрабатывать заголовки пакетов и маршрутные теги с той же скоростью, с которой работает память. Поэтому такой дизайн наиболее часто используется в небольших скоростных коммутаторах для объединения локальных сетей. Однако даже для коммутаторов средней (по количеству портов) величины требуемая частота внутренней шины становится чрезмерно большой. Так, для коммутатора с 32 входными портами и 16-разрядной шиной при скорости поступления данных 155 Mbps на порт необходимая тактовая частота внутренней шины составила бы 310 MHz.
Коммутаторы с разделяемой средой передачи
Эта архитектура широко использовалась в ранних поколениях многопортовых коммутаторов, предназначенных для сетей Ethernet со скоростью передачи 10 Mbps. Пакеты поступали на шину последовательно. Если применялось мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing — TDM), то каждому временному слоту соответствовал определенный выходной порт. Другое решение базировалось на адресных фильтрах, которые направляли пакет к нужному порту на основе маршрутной информации, содержащейся в заголовке пакета (рис. 3). Для коммутации могла также использоваться адресная шина.
Как и в предыдущем случае, основным ограничением для увеличения количества портов или повышения скорости коммутации пакетов служила частота, на которой могла оперировать шина. Чтобы не допустить отбрасывания входных пакетов, скорость передачи должна была быть не менее N x V, где N — количество портов, а V — скорость входящего потока. На практике ее пропускная способность обычно составляла около 2 Gbps.
Коммутаторы с полносвязной топологией
При этом подходе между любой из N 2 пар входных и выходных портов существует независимый путь (рис. 4). Поступающие во входные порты пакеты передаются по отдельным шинам ко всем выходным портам, и там в работу включаются адресные фильтры. Такие коммутаторы обычно оборудуются выходными буферами, количество которых в классическом варианте равно N 2 .
| Рис. 4 |
Полносвязный дизайн имеет ряд плюсов. В частности, легко реализуются широковещательный и многоадресный режимы передачи. Поскольку адресные фильтры и буфера должны работать со скоростью поступления данных в порт, такая архитектура легко масштабируется. Правда, за это нужно платить квадратичным ростом числа выходных буферов. Поэтому компанией AT&T был предложен так называемый коммутатор с выбыванием (knockout switch), с L буферами для каждого выходного порта, т. е. их общее количество составляло N x L. Это решение основывалось на предположении, что одновременное поступление на вход более чем L пакетов является маловероятным событием. Если же оно все же произойдет, то дополнительный элемент, называемый концентратором, отберет первые L, а остальные отбросит. Изменяя величину L, можно регулировать долю потерянных пакетов. Отметим, что для коммутаторов с выбыванием количество выходных буферов при увеличении числа портов растет линейно, как N x L, а не квадратично.
Коммутаторы с пространственным разделением
При пространственном разделении между парами входных и выходных портов могут существовать как единственный, так и множественные пути. Простейшим примером такой архитектуры является коммутационная матрица (crossbar). В ней на каждом такте синхронизирующего генератора контроллер анализирует адресную информацию поступивших на входные порты пакетов и устанавливает соединения между портами по выделенному каналу. Маршрутизация в коммутационной матрице сходна с таковой в ячеистой сети. Поскольку пропускная способность выделенного канала определяется только физическими характеристиками передающей среды, то суммарная скорость передачи данных в таких коммутаторах может достигать более 100 Gbps. Однако в некоторых случаях при неравномерно распределенном относительно портов трафике производительность матричных коммутаторов может оказаться ниже, чем устройств с разделяемой памятью. Стандартным методом решения проблем, возникающих при конкуренции за выходной порт, является использование той или иной схемы буферизации.
Для сокращения числа коммутационных элементов, необходимых при внутренней коммутации каналов, были разработаны многокаскадные сетевые архитектуры внутренних соединений (Multistage Interconnection Networks — MIN).
Прежде чем переходить к рассмотрению этого важного класса коммутаторов, напомним некоторые определения. Говорят, что сеть является самомаршрутизирующейся (self-routing), если состояние каждого бета-элемента определяется только информацией, содержащейся во входном пакете. Архитектура коммутатора называется неблокирующей (non-blocking), если одновременно может выполняться коммутация пакетов при любой перестановке путей от различных входных к различным выходным портам. Показано, что минимальное число бета-элементов, необходимое для перестраиваемой неблокирующей сети, равно N log2 N. Такие сети, также известные как сети Бенеша (Benes network), не являются самомаршрутизирующимися. В этом случае для определения состояния всех коммутационных элементов необходим контроллер. Следовательно, для построения перестраиваемой неблокирующей самомаршрутизирующейся коммутационной сети необходимо большее, чем указано выше, число коммутационных элементов. Представленная ниже архитектура является попыткой найти компромисс между степенью использования соединений, долей потерянных пакетов и сложностью дизайна.
В число наиболее распространенных многокаскадных архитектур входят баньяноподобные коммутационные сети. Такое название они получили потому, что их схема напоминает корни тропического растения баньян (индийской смоковницы). Это самомаршрутизирующаяся архитектура, которая, однако, использует немного меньше бета-элементов, чем необходимо для построения неблокирующего коммутатора. Более точно их число равно (N/2) log2 N. Значит, можно получить такую комбинацию путей, что пакеты не смогут коммутироваться одновременно. Поэтому для обеспечения приемлемого количества потерянных пакетов необходима какая-нибудь схема буферизации.
Баньяноподобные сети строятся с помощью взаимосвязанных каскадов коммутационных элементов. Базовый коммутационный элемент 2 x 2 (рис. 5а) может маршрутизировать входящие пакеты, основываясь на значении управляющего бита в поле адреса выходного порта: при значении "0" пакет коммутируется "прямо", в противном случае — "наискосок". На рис. 5б представлена схема коммутатора 4 x 4, состоящего из двух каскадов. Здесь для принятия решения о маршруте необходимо использовать уже два адресных бита. При этом первый бит может указывать номер коммутационного элемента, в то время как второй — адрес порта. Трехкаскадная сеть 8 x 8 формируется рекурсивно (рис. 5в). Для нахождения маршрута используются три бита. По значению первого выполняется коммутация в первом каскаде, после которого пакеты направляются на "верхнюю" или "нижнюю" сеть 4 x 4, где повторяется описанный ранее алгоритм.
| Рис. 5 |
Коммутаторы на базе баньяноподобных сетей получили широкое распространение благодаря использованию простых коммутационных элементов. Кроме этого, поскольку обработка входящих пакетов осуществляется параллельно и все элементы работают с одинаковой скоростью, то отсутствуют дополнительные ограничения на число входных портов и скорость поступающих пакетов при необходимости расширения.
Как уже упоминалось выше, число элементов в коммутаторе N x N типа баньяна меньше, чем необходимо для построения неблокирующей архитектуры. Один из способов решения данной проблемы заключается в упорядочении определенным образом поступающих на входные порты пакетов. Такую процедуру выполняет, в частности, сортировщик Бэтчера (Batcher), который устанавливается перед коммутационной сетью. Однако если два пакета адресуются на один выходной порт, то здесь от потери пакетов спасает только…
Какой бы архитектурный подход ни использовался при проектировании коммутаторов, практически везде необходима буферизация. Мы остановимся на трех базовых подходах, или схемах размещения буферов.
Буферизация на входе. По этой схеме буфером оборудуется каждый входной порт коммутатора. Чаще всего она используется в неблокирующей архитектуре с пространственным разделением. Входная буферизация помогает решить конфликт, при котором несколько станций одновременно (в начале одного такта) пытаются отослать пакеты на один и тот же выходной порт. Из буфера пакет направляется в порт назначения только тогда, когда он становится свободным. Схема эффективна для поддержки широковещательных и многоадресных рассылок, однако страдает от так называемой блокировки первым в очереди (head-of-queue blocking). Она возникает в том случае, когда пакеты, стоящие в очереди, должны быть направлены в различные порты. При этом если пакет В стоит позади пакета А, чей порт занят, то он не будет отправлен даже после освобождения своего порта. В некоторых коммутаторах управляющая логика может просматривать адреса портов назначения стоящих в очереди пакетов, и если порт для какого-либо из них свободен, то он направляется вне очереди. Однако это значительно повышает сложность коммутатора.
Буферизация на выходе. Этот тип буферизации предусматривает организацию буферов при выходных портах. Обычно данная схема применяется для коммутаторов с полносвязной топологией и с разделяемой средой передачи. Для решения проблемы одновременной доставки множества пакетов в один порт, как правило, используется пул буферов, в идеале их количество для каждого выходного порта должно совпадать с числом входных портов. Отметим, что выходная буферизация не создает эффекта блокировки первым в очереди.
Буферизация внутри коммутационного поля. В коммутаторах с пространственным разделением буфера могут размещаться непосредственно внутри коммутационных элементов. К примеру, в баньяноподобных сетях базовые элементы могут содержать буфера для каждого входного порта. Однако, кажется, такое решение имеет больше недостатков, чем преимуществ. Во-первых, ему присуща блокировка первым в очереди, особенно в случае небольших буферов или многоэлементных сетей, а во-вторых, внутренние буфера вводят непредсказуемую задержку при передаче пакетов по маршруту. Суммарно это может значительно понизить производительность таких устройств.
Как следует из вышесказанного, существует множество разнообразных подходов при выборе архитектуры коммутаторов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Данная публикация не претендует на роль пособия по выбору того или иного решения, а лишь обрисовывает сложность задачи тонкой настройки сети.
Структура и принципы работы коммутаторов
Коммутатор — это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить широковещательное сегментирование локальной сети, а также выделить полосу пропускания к конечным станциям в сети.
Под коммутацией обычно понимают четыре различные технологии: конфигурационную коммутацию (коммутацию каналов), коммутацию кадров, коммутацию ячеек и преобразование между кадрами и ячейками. В основе конфигурационной коммутации лежит определение соответствия между конкретным портом коммутатора и внутренним сегментом сети. Это назначение портов производится удаленным образом посредством программного управления сетью при подключении или перемещении пользователей в сети. Технология конфигурационной коммутации основана на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и использовании коммутаторов, позволяющих одновременно передавать пакеты между всеми его парами портов. Новшество заключалось в параллельной обработке поступающих кадров.
Структурная схема коммутатора фирмы Kalpana EtherSwitch показана на рис. 5.4. Системный модуль поддерживает общую адресную таблицу коммутатора. Коммутационная матрица предназначена для передачи кадров между портами. Каждый порт имеет свой процессор пакетов. При поступлении кадра в один из портов процессор пакетов буферизует несколько первых байтов кадра для прочтения адреса назначения. После получения адреса процессор принимает решение о передаче кадра, не дожидаясь прихода остальных байтов. Для этого анализируется адресная таблица. Если адрес существует в таблице, то выбирается соответствующий выходной порт. Выбор порта и формирование соединения производятся коммутационной матрицей. Если адреса нет в таблице, то заводится новая строка в адресной таблице, а кадр передается широковещательным методом через все порты, за исключением принявшего.
В настоящее время различают три типа коммутаторов: с коммутационной матрицей, с общей шиной и с разделяемой многовходовой памятью.
Коммутаторы с коммуникационной матрицей за счет параллельной обработки данных позволяют реализовать наиболее быстрый способ взаимодействия портов. Эта реализация возможна только для определенного числа портов. Причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора. Основным недостатком данной технологии является отсутствие возможности буферизации данных внутри коммутационной матрицы.
В коммутаторах с общей шиной в режиме разделения времени используется высокоскоростная шина для связи процессоров портов. В этой архитектуре активную роль играют специализированные процессоры портов. Высокоскоростная шина играет пассивную роль. Для того чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть в несколько раз выше скорости поступления данных на входные порты. Для уменьшения задержек при передаче кадр должен передаваться по шине небольшими частями. Размер этих частей определяется производителем коммутатора. Шина так же, как и комму тационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию.
В коммутаторах с разделяемой многовходовой памятью (рис. 5.5) входные блоки процессоров портов соединяются через переключатели входа с разделяемой памятью, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с этой памятью через переключатели выхода. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляет блок управления портами. Он организует в разделяемой памяти несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают блоку управления запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Блок управления портами по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессора, и тот переписывает часть данных в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей блок управления производит поочередное подключение выходов разделяемой многовходовой памяти к выходным портам, и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.
Некоторые производители используют в своих коммутаторах различные приемы управления потоком кадров для предотвращения потерь при перегрузках в сети. Существует два способа реализации снижения интенсивности трафика: агрессивное поведение порта и метод обратного давления.
Агрессивное поведение порта коммутатора может быть реализовано путем захвата среды передачи данных или после коллизии в сети (для сети Ethernet). Например, в первом случае коммутатор окончил передачу очередного кадра и сделал технологическую паузу в 9,1 мкс вместо положенной паузы в 9,6 мкс. При этом компьютер, сделав ту же паузу в 9,6 мкс, не смог захватить среду передачи данных. Во втором случае кадры коммутатора и компьютера столкнулись, и была зафиксирована коллизия. Компьютер делает стандартную паузу после коллизии в 51,2 мкс, а коммутатор — в 50 мкс. И в этом случае среда передачи остается за коммутатором.
В основе второго метода лежит передача компьютеру фиктивных кадров при отсутствии в буфере коммутатора кадров для передачи по данному порту. В этом случае коммутатор может не нарушать алгоритм доступа, однако интенсивность передачи кадров в коммутатор в среднем уменьшается вдвое.
Существует два способа передачи пакетов коммутаторами: со сквозной обработкой и с буферизацией. Коммутатор со сквозной обработкой кадров считывает только физический адрес назначения, а сам кадр передается без проверки его содержимого. Этот способ представляет собой, по сути, конвейерную обработку кадров с частичным совмещением этапов передачи. Передача кадров происходит в такой последовательности:
1) прием первых байтов кадра (включая байт адреса назначения);
2) поиск адреса назначения в адресной таблице;
3) построение коммутируемого пути;
4) прием остальных байтов кадра;
5) прием всех байтов кадра выходным портом через коммутационную матрицу;
6) получение доступа к среде передачи;
7) передача кадра в сеть.
Использование сквозной коммутации может дать значительный выигрыш в производительности, но за счет снижения надежности.
При коммутации с буферизацией происходит проверка содержимого кадра: если в кадре содержится ошибка, то он отбраковывается.
Коммутаторы, наряду с основными функциями по передаче кадров с порта на порт, могут реализовывать дополнительные функции, например поддержку протокола STP (Spanning Tree) — построение остова дерева. Алгоритм Spanning Tree позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой. Поддержка мостами и коммутаторами этой функции важна для обеспечения работоспособности сложных сетей.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Конструкции коммутаторов
В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем:
разделяемая многовходовая память;
Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.
Коммутаторы на основе коммутационной матрицы
Коммутационная матриц обеспечивает основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов, именно он был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей. Однако реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора.
Рассмотрим реализацию коммутационной матрицы для 4-х портового коммутатора (рис. …). В нашем примере входные буфера портов коммутаторов располагаются слева, а выходные справа. При поступлении кадра во входной буфер порта производится анализ МАС-адреса узла назначения, т.е. на основании просмотра адресной таблицы коммутатора определяется номер выходного порта (так как в нашем примере коммутатор имеет четыре порта, номер будет состоять из двух двоичных разрядов). Найденный номер порта коммутатор добавляет перед исходным кадром в виде специального ярлыка — тэга (tag). Матрица состоит из двух уровней двоичных переключателей, которые соединяют свой вход с одним из двух выходов в зависимости от значения бита тэга. Переключатели первого уровня управляются первым битом тэга, второго – вторым. Особенностью данного способа является технология коммутации физических каналов, т.е. образуется непосредственная связь между входными и выходными портами (на рис. … пути прохождения кадров показаны пунктиром).
Основные достоинства таких матриц — высокая скорость коммутации и регулярная структура, которую удобно реализовывать в интегральных микросхемах. Недостатком этой технологии является отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы — если составной канал невозможно построить из-за занятости выходного порта или промежуточного коммутационного элемента, то данные должны накапливаться в их источнике, в данном случае — во входном блоке (буфере) порта, принявшего кадр. Существует еще один ее недостаток — сложность наращивания числа коммутируемых портов.
Коммутаторы с общей шиной
В коммутаторах с общей шиной порты связывают высокоскоростной шиной, используемой в режиме разделения времени.
Пример такой архитектуры приведен на рис. …. Чтобы шина не блокировала работу коммутатора, ее производительность должна равняться по крайней мере сумме производительности всех портов коммутатора. Кадр, находящийся в буфере входного порта, должен передаваться по шине небольшими частями, по нескольку байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора
Номер выходного порта, который извлекается из адресной таблицы коммутатора, является адресом для ячейки данных передаваемых по шине (тэгом, добавляемым к этой ячейке). Каждый выходной порт содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту.
Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет.
Что такое сетевой коммутатор и для чего он нужен?
Сетевой коммутатор — это электронный прибор, объединяющий несколько компьютеров и/или других цифровых устройств в локальную сеть и позволяющий им обмениваться данными. Имеет ещё одно распространённое название — свитч, которое происходит от английского слова switch (коммутатор, переключатель).
Что такое свитч простыми словами
С каждым годом нас окружает всё больше и больше компьютеров, ноутбуков, мобильных и других цифровых устройств. Они используются дома, в офисах, административных и многих других помещениях. Становится всё более актуальной проблема их соединения для передачи данных — такого, которое избавило бы от необходимости переносить информацию, например, на USB-флешке. В недавнем прошлом её решали с помощью концентраторов, но к настоящему моменту их почти вытеснили более интеллектуальные устройства — сетевые коммутаторы, или свитчи. Говоря простыми словами, это — устройства, позволяющие объединить несколько компьютеров в сеть и играющие в ней роль её ядра. Это действительно удобно, причём в самых разных ситуациях:
на предприятии или в офисе, в котором установлено большое количество компьютеров, сетевых принтеров и другой цифровой техники;
в небольшой домашней локальной сети — к примеру, состоящей из нескольких компьютеров, ноутбука и современного телевизора;
в составе масштабной системы видеонаблюдения с большим количеством камер;
в промышленной сети с многочисленными датчиками, контролирующими техпроцессы и передающими данные на диспетчерский пункт;
вомногих других случаях.
Принцип работы коммутатора
За вопросом о том, что такое коммутатор, закономерно следует ещё один: по какому принципу он работает? Всё одновременно и просто, и сложно. Свитч получает данные от обращающихся к нему устройств и постепенно заполняет таблицу коммутации их MAC-адресами. При последующих обращениях коммутатор считывает адрес устройства-отправителя, анализирует таблицу коммутации и определяет по ней, на какое устройство нужно переслать данные. Прочие компьютеры при этом не «знают» о факте передачи информации, поскольку она не имеет к ним отношения. Благодаря этому обеспечивается работа сети в так называемом полнодуплексном (full duplex) режиме.
Новый коммутатор на этапе обучения, не обнаруживая в своей таблице MAC-адрес получателя, рассылает данные на все подключенные к нему устройства (разумеется, кроме отправителя). Правильный получатель отвечает коммутатору, и последний создаёт новую запись в таблице коммутации. В дальнейшем свитч, принимая данные с этим же MAC-адресом, «понимает», куда именно их нужно направить, и производит уже не массовую рассылку, но строго адресную отправку. Трафик, таким образом, локализуется, а сеть — разгружается.
Выше был описан принцип действия так называемого неуправляемого коммутатора, который работает на втором (канальном) уровне OSI. Помимо таких, существуют более продвинутые модели, работающие на третьем и четвёртом уровнях. Они значительно функциональнее, поскольку допускают ручное управление (в частности, через интерфейс командной строки), поддерживают QoS, VLAN, зеркалирование, обнаружение штормов трафика, ограничение скоростей передачи данных для разных портов и многие другие полезные функции. Такие устройства включают в состав сложных и разветвлённых сетей — в частности, тех, что развёрнуты на больших предприятиях.
Режимы коммутации
Есть три режима, в которых свитч передаёт данные узлам-адресатам. Ключевые особенности каждого режима — степень надёжности передачи и связанное с ней время ожидания.
Первый режим называется Cut-Through — сквозной. Свитч принимает данные, считывает из них только адрес узла-получателя и без каких-либо дополнительных проверок отправляет их по назначению. Время ожидания в этом случае минимально, но возникает вероятность передачи данных с ошибками.
Второй режим называется Store and Forward — с промежуточным хранением. Коммутатор не только считывает адрес получателя, но и анализирует всю поступившую информацию с целью поиска ошибок. Лишь после этого данные передаются по назначению. Время ожидания в сравнении с предыдущим режимом увеличивается — оно необходимо свитчу для проверки.
Третий режим называется Fragment-Free — бесфрагментный, или гибридный. Он представляет собой сочетание двух описанных выше режимов. Коммутатор принимает кадр данных, считывает адрес получателя, а затем проверяет информацию на предмет ошибок, но не всю, а лишь первые 64 байта. После проверки свитч отправляет данные получателю.
Условия передачи данных непостоянны — они меняются со временем. Полезно иметь коммутатор, в котором реализована адаптивная подстройка под эти условия. В начале работы такое устройство включает сквозной режим коммутации для всех портов. Затем те порты, на которых появляется слишком много ошибок, автоматически переводятся в гибридный (бесфрагментный) режим. Наконец, если и после этого ошибок остаётся слишком много, порты переводятся в режим с промежуточным хранением данных.
Отличие коммутатора (switch) от концентратора (hub)
В недавнем прошлом были широко распространены концентраторы (hub). Эти устройства работают на основе широковещательной модели. Выражаясь проще, концентратор, принимая сетевой трафик, просто рассылает его всем без исключения подключенным к нему устройствам. Функция определения адресата, которая есть в коммутаторе, в нём не реализована, и в этом — основное отличие hub от switch. Широковещательная передача данных таит как минимум два подводных камня: во-первых, она сильно загружает сеть и заметно замедляет передачу данных, во-вторых, она влечёт риск появления большого количества ошибок, особенно — при добавлении в сеть новых компьютеров. Использование сетевых коммутаторов избавляет от этих проблем — и именно поэтому эти устройства к настоящему времени почти вытеснили собой концентраторы.
Отличие коммутатора (switch) от маршрутизатора (router)
Коммутатор более функционален, чем концентратор, но ещё больше функций реализовано в маршрутизаторе (или, как его ещё называют, роутере). Это устройство работает на третьем уровне OSI и отвечает не только за распределение трафика по узлам-адресатам, но и за связь между разными сетями с отличающимися архитектурами. В его память записана таблица маршрутизации, на основе данных из которой router решает, куда следует переслать поступивший пакет данных. Пересылка выполняется в соответствии с правилами, заданными администратором при настройке маршрутизатора.
Роутер позволяет снизить загрузку сети, разделяя её на широковещательные домены и фильтруя пакеты. Он даёт возможность объединить Ethernet-сеть и соединения WAN — например, для организации выхода в Интернет. В этом случае маршрутизатор не только транслирует адреса, но и играет роль межсетевого экрана, обеспечивая тем самым информационную безопасность. По сути, любой маршрутизатор — это миниатюрный компьютер с большим количеством настраиваемых параметров. К слову, именно поэтому роль роутера может играть любой персональный компьютер — при условии, что на нём установлено и настроено специализированное программное обеспечение для маршрутизации.
Как выбрать коммутатор
В продаже представлено великое множество моделей коммутаторов, которые существенно отличаются друг от друга как по функциональности, так и по цене. IT-специалисту нужно знать основные характеристики свитчей (читай — критерии выбора).
Базовая скорость передачи
В большинстве случаев в характеристиках коммутаторов указано сразу несколько значений скорости (пример записи — 10/100 Мбит/сек). Нужно ориентироваться на высшее значение — это максимум для данного устройства. Если данные будут поступать на свитч со скоростью меньшей, чем этот максимум, он автоматически подстроится под неё. Модели верхнего ценового диапазона могут работать на скоростях 10/20/100/200/1000/2000Мбит/сек. Принимайте во внимание особенности вашей сети и характеристики входящих в неё устройств и делайте правильный выбор.
Количество портов
В продаже представлены модели с количеством портов от 5 до 48. Выбирайте свитч с учётом не только фактического количества устройств, которые будут к нему подключены немедленно, но и перспективы расширения сети в будущем. Опыт показывает, что для сетей, развёрнутых дома и в небольших офисах, оптимальны коммутаторы с количеством портов от 5 до 15. Для предприятия подойдёт устройство с количеством портов от 15 до 48.
Исполнение (способ установки)
настольные коммутаторы. Это — компактные модели для небольших сетей. Они не вызывают ни малейших сложностей при установке — их можно просто положить на стол;
настенные модели. Также сравнительно компактны, однако имеют специальные пазы, позволяющие зафиксировать их на стене. Как показывает опыт, многие настенные свитчи можно и не крепить на вертикальном основании, а просто положить на стол;
стоечные коммутаторы. В эту категорию входят наиболее продвинутые модели для предприятий, которые устанавливаются в стандартную 19-дюймовую стойку для телекоммуникационного оборудования.
Возможность управления
Одну категорию образуют неуправляемые коммутаторы. Они не позволяют выполнить тонкую настройку, что минус для крупного предприятия, но плюс для использования дома или в небольшом офисе. Неуправляемые модели, как правило, компактны и имеют невысокую стоимость.
Ко второй категории относятся управляемые модели. Они допускают гибкую настройку с помощью специализированного ПО или web-интерфейса. Администратор может менять многочисленные параметры управляемого коммутатора — приоритеты подключенных устройств, общие параметры сети и другие. Такие модели хорошо подходят для использования в сложных и разветвлённых сетях, однако для их настройки нужны специальные познания и определённый опыт.
Поддержка PoE
Выбирайте коммутатор с этой функцией, если вам нужна подача питания к устройствам непосредственно по сетевому кабелю (витой паре). Один из возможных примеров — IP-камеры, включенные в локальную сеть. PoE (Power over Ethernet) — очень удобная функция: она избавляет от необходимости использовать силовые кабели, нисколько не снижая качество передачи данных.
Наличие портов SFP
Свитч с такими портами понадобится, если нужно соединить его с другими коммутаторами или устройствами более высокого уровня. Обратите внимание: SFP — это лишь порт, в него нужно предварительно установить специальный модуль, который, в свою очередь, даст возможность нестандартного подключения (например, по оптоволокну).
Наличие функции энергосбережения
Коммутаторы с такой функцией становятся всё более востребованными — играет роль растущий интерес к защите экологии. Эти интеллектуальные модели следят за подключенными к ним устройствам, выявляют неактивные порты и временно переводят их в спящий режим. Производители утверждают, что функция энергосбережения, реализованная в свитчах, позволяет сэкономить до 80% (!) электроэнергии.
Поддержка VLAN
Выбирайте модель с такой функцией, если нуждаетесь в логическом разграничении отдельных участков локальной сети. Вы сможете создать свои сегменты для разных отделов, подразделений и филиалов компании, организовать сеть общего доступа.
Наличие функции сегментации трафика
Коммутаторы с такой функцией позволяют настраивать порты или их группы так, чтобы они были полностью отделены друг от друга, но при этом имели доступ к серверу.
Поддержка стекирования
Устройство с такой функцией понадобится, если вам нужно создать единый логический коммутатор с количеством портов большим, чем 48. Несложно понять, что поддержка стекирования требуется в масштабных, разветвлённых сетях, развёрнутых на крупных предприятиях.
Наличие защиты от широковещательного шторма
Одно из частных проявлений такого шторма — DDoS-атака на локальную сеть. Если в последнюю входит обычный коммутатор без защиты от широковещательного шторма, в результате атаки вся сеть может попросту «лечь». Модели, в которых такая защита реализована, выявляют флуд и своевременно отсекают его, благодаря чему сеть остаётся стабильной.