Задача дипломного проекта 13

4.4.3. Коммутатор (switch)

А теперь что же такое коммутатор? Попросту говоря, коммутатор – это мост. Правда, в отличие от моста, имеющего централь­ный процессор, который может обрабатывать лишь один кадр, коммутатор имеет специализированное оборудование, позволяющее ему управлять одновременно многими портами. Коммутаторы обладают всеми преиму­ществами мостов, но лишены всех их недостатков, отличаются значительно более высокой производительностью, позволяя создавать сети небывалого ранее качества.

Первый коммутатор Ethernet, созданный фирмой Kalpana (сейчас отделение Cisco Systems), был обычным мостом. Он не поддерживал алгоритма остовного дерева, не был управляемым, имел достаточно высокую стоимость. Но коммутатор Kalpana обладал одной ценнейшей особенностью: он был очень быстрым по сравнению с мостом.
Коммутатор Kalpana приобрел подлинный успех, предоставив возможность сегментировать перегруженные сети Ethernet без потери про­изводительности. Даже лучшие мосты работали медленнее по сравнению с присоединенными к ним сетями.
Двумя наиболее распространенными показателями производительности мостов являются максимальная скорость ретрансляции и совокупная скорость ретрансляции. Максимальная скорость ретрансляции соответствует макси­мальному количеству пакетов, которые могут быть ретранслированы из одного порта в другой в течение секунды. В случае мостов более чем с двумя портами она обычно измеряется при условии, что остальные порты свобод­ны. У большинства мостов Ethernet скорость ретрансляции меньше, чем максимальная скорость передачи кадров в самой сети. Это означает, что мосты, обеспечивая связь, становятся узким бутылочным горлышком, сни­жающим темп передачи данных между узлами различных сегментов. Неко­торые высокоскоростные мосты имеют скорость ретрансляции, сравнимую с максимальной скоростью передачи кадров по сети Ethernet.
Совокупная скорость ретрансляции моста – это максимальное количе­ство кадров, которые могут быть ретранслированы через все его порты. Например, четырехпортовый мост Ethernet может иметь максимальную, скорость ретрансляции 14800 кадров в секунду, а совокупную – всего лишь 18000 кадров в секунду. Это означает, что он может поддерживать макси­мальную скорость не на всех своих портах одновременно, а лишь на двух из них. Совокупная скорость ретрансляции мостов, подобных этому, меньше, чем сумма скоростей передачи кадров в сегментах, с которыми они соеди­нены,
Самая большая проблема, с которой приходится сталкиваться при созда­нии сети с мостами, заключается в распределении мостов и устройств по различным сегментам с целью соблюдения правила 80/20. Спроектировать сеть, у которой мосты не являются бутылочными горлышками, задача очень непростая, а часто и невозможная.
Помогают решить эту проблему коммутаторы, у которых совокупная скорость ретрансляции гораздо выше, чем у мостов. Коммутатор, подобно мосту, соединяет несколько сегментов, однако по сравнению с последним имеет намного большую производительность. Высокая совокупная скорость ретрансляции первых коммутаторов позволяла им ретранслировать кадры на все порты настолько быстро, насколько быстро сегменты могли отправлять их. Поскольку коммутаторы имели большее количество портов, нежели мосты, то они могли сегментировать сеть на меньшие части. Применение коммутаторов позволило уменьшить количество узлов в ка­ждом сегменте сети Ethernet. Меньшее количество пользователей в сегменте означает, что каждый из них получит более широкую полосу пропускания. Поэтому наличие коммутаторов может дать пользователю на одном сегменте доступ к ресурсам другого сегмента без ощутимой потери производительности. Возможность задействовать большое количество портов и высокая совокупная скорость ретрансляции делают коммутацию почти идеальным решением при сегментации локальной сети Ethernet. Коммутаторы Kalpana после появления на рынке их первых образцов начали быстро наращивать мощность. Устройства новых моделей стали поддерживать больше портов и обладали большей совокупной скоростью ретрансляции. Современные коммутаторы поддерживают алгоритм остовного дерева, и большинство из них управляемы. Почти все современные коммутаторы имеют очень высокую совокупную скорость ретрансляции и обеспечивают максимально возможную скорость ретрансляции на каждом порту.
Хотя коммутаторы работают подобно многопортовым мостам, но на самом деле представляют собой нечто большее, нежели мост с огромным количеством портов. Следует выделить три существенных различия между коммутаторами и мостами:

• 
  Как правило, коммутаторы снабжены большим количеством портов, чем мосты. Первые коммутаторы обычно имели лишь по 6 или 8 портов. С развитием технологии стали преобладать коммутаторы с 12 и 16 пор­тами, получили распространение и коммутаторы с 24 портами. Совре­менные коммутаторы корпоративного уровня могут поддерживать еще больше портов.
  
• 
  Внутренняя архитектура коммутаторов существенно отличается от ар­хитектуры мостов. Коммутатор может обрабатывать много кадров одновременно. Он проверяет кадры, управляет таблицей адресов и прини­мает решение об одновременной или параллельной ретрансляции для всех своих портов.
  
• 
  Совокупная скорость ретрансляции моста определяется мощностью цен­трального процессора. Это означает, что в мосту существует единый путь между портами. Коммутаторы, напротив, имеют много логический путей для потоков данных и могут получать и ретранслировать кадры на одном, некоторых или всех своих портах одновременно.
  

Как легко представить, коммутаторы обладают большой вычислительной мощностью. Мощные возможности обработки кадров не являются следствием применения производительного процессора или нескольких про­цессоров. Многие коммутаторы и вовсе не имеют такового. Коммутаторы­ – это особым образом сконструированные устройства, выполняющие большинство, если не все, функций моста при помощи специальных микросхем ASIC (Application-Specific Integrated Circuit – специализированная интегральная схема). ASIC реализуют очень сложные, быстрые и мощные конструкторские решения при низкой своей стоимости.
Существуют также коммутаторы для Token Ring, 100VG AnyLAN и FDDI, новая технология АТМ содержит только их.
Подобно мостам коммутаторы относятся к устройствам уровня 2 и оперируют кадрами, поэтому иногда их называют переключателями или коммутаторами кадров (switch – переключать(англ.)). Являясь мостом, коммутатор принимает решение о ретрансляции или фильтрации, основываясь на адресе получателя кадра подобно тому, как это делает старый добрый мост. Мост отличается от коммутатора методом физического сопровождения кадров из одного сегмента в другой. Коммута­торы предоставляют кадрам много путей для движения из порта в порт, в чем и заключается особенность их работы. Логическая схема шестипортового коммутатора приведена на рис. 4.16.
Каждый порт коммутатора, подобно порту сетевого интерфейса или концентратора, имеет принимающую и передающую стороны. Каждая сторона порта логически связана с перекрестной матрицей (crossbar matrix). Прини­мающая сторона каждого порта соединена с горизонтальной линейкой, а передающая – с вертикальной. Когда принимающая линейка соединяется с передающей, создается путь от принимающей стороны одного порта к передающей стороне другого. Таким способом можно соединить любую пару портов. Например, если соединены пары портов 5 и 3, а также 2 и 4, то два кадра могут быть одновременно получены на портах 2 и 5 и переданы в порты 3 и 4.
Когда порт получает кадр, коммутатор проверяет его адрес получателя и принимает решение о ретрансляции. Если кадр нуждается в ретрансляции, создается связь с нужным портом. Поскольку между портами коммутатора может быть много логических путей, то одновременно можно ретранслиро­вать много кадров.

Рис. 4.16. Логическая схема коммутатора.

На рис. 4.16. показано, как ретранслируются от одного порта к другому однопунктовые кадры. Широковещательные, многопунктовые и однопунктовые кадры с неизвестным адресом мосты должны ретранслировать на все порты. Если широковещательный кадр получен, скажем, в порту 2, то он будет ретранслирован в порты 1, 3, 4, 5 и 6. Это легко осуществить при наличии коммутатора (рис. 4.17.).

На рис. 4.16. и 4.17. приведена логическая схема коммутатора в действии. Любой коммутатор можно представить как имеющий перекрестную мат­рицу, которая соединяет принимающую и передающую стороны каждого порта. Некоторые коммутаторы, к которым относятся и первые устройства Kalpana, действительно содержали физические перекрестные матрицы. Тем не менее многие коммутаторы обладают совершенно иной внутренней архитектурой. Мы не будем обсуждать внутреннюю архитектуру коммутатора, однако понять принципы коммутации нам необходимо. Для ретрансляции кадров из одного сегмента ЛВС в другой коммутатор может использовать сле­дующие способы коммутации:

• 
  Cut-Through (сквозное вырезание);
  
• 
  Interim Cut-Through (предварительное сквозное вырезание);
  
• 
  Store-and-Forward (накопление и ретрансляция).
  

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. К счастью, многие современные коммутаторы поддерживают два или даже все три способа коммутации.

Рис. 4.17. Ретрансляция широковещательного кадра.