Что такое коммутатор Ethernet?

Основы

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетей большого размера. Для того, чтобы лучше разобраться в устройстве и работе коммутаторов Ethernet, полезно понять основы технологии организации кабельных систем сети.

Повторители

В начале 80-х годов сети Ethernet организовывались на базе шинной топологии с использованием сегментов на основе коаксиального кабеля длиной до 500 метров. Увеличение размеров сетей поставило задачу преодоления 500-метрового барьера. Для решения этой задачи использовались повторители (repeater):

Повторитель просто копирует (пересылает) все пакеты Ethernet из одного сегмента во все другие, подключенные к нему. Основной задачей повторителя является восстановление электрических сигналов для передачи их в другие сегменты. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналов повторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети

Мосты и маршрутизаторы

При использовании повторителей максимальная протяженность сети составляет 2500 метров. Для преодоления этого ограничения требуются другие устройства, называемые мостами (bridge). Мосты имеют много отличий от повторителей. Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакет не нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуют многочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальным требованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты, подключенные к повторителю образуют одну разделяемую среду, а сегменты, подключенные к каждому порту моста образуют свою среду с полосой 10 Mbps. При использовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, а пользователи разных сегментов используют независимые Среды. Следовательно, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы для каждого пользователя.

Поначалу в сетях Ethernet использовалась шинная топология на основе коаксиального кабеля, а для расширения сетей применялись 2-х портовые повторители или мосты. Однако, в конце 80-х годов началось широкое распространение сетей на основе кабеля со скрученными парами проводников (витая пара). Новая технология 10Base-T стала очень популярной и привела к трансформации топологии сетей от шинной магистрали к организации соединений типа "звезда". Требования к повторителям и мостам для таких сетей существенно изменились по сравнению с простыми двухпортовыми устройствами для сетей с шинной топологией - современные мосты и повторители представляют собой сложные многопортовые устройства. Мосты позволяют сегментировать сети на меньшие части, в которых общую среду разделяет небольшое число пользователей.

Маршрутизаторы, подобно мостам, также позволяют сегментировать сети Ethernet. маршрутизаторы фильтруют и пересылают сетевой трафик на основе алгоритмов и правил, существенно отличающихся от тех, что используются мостами. Такой способ сегментирования сетей более дорог многопортовые мосты и маршрутизаторы обычно стоят около $1,000 за порт.

Переключение портов

Сегодняшние модульные концентраторы (повторители) часто позволяют организовать несколько сегментов, каждый из которых предоставляет пользователям отдельную разделяемую полосу 10 Mbps. Некоторые концентраторы позволяют программным путем разделять порты устройства на независимые сегменты такая возможность называется переключением портов. Концентратор, к примеру, может содержать три различных сегмента Ethernet, организуемые внутренними средствами хаба. Переключение портов обеспечивает администратору сети высокую гибкость организации сегментов, позволяя переносить порты из одного сегмента в другой программными средствами. Эта возможность особенно полезна для распределения нагрузки между сегментами Ethernet и снижения расходов, связанных с подобными операциями. Переключение портов статическое связывание портов с различными сегментами Ethernet - сильно отличается от описанной ниже коммутации Ethernet.

Атрибуты коммутаторов Ethernet

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет. реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства - это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью.

Виртуальные соединения

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств (таблица 1). Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Таблица 1

MAC-адрес	Номер порта
A	1
B	2
C	3
D	4

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. На рисунке 4 узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Рисунок 4

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные пользователи (в нашем примере - B и C) не получат этот пакет. Таким образом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные для стандартных повторителей Ethernet (см. раздел "Сравнение сетевых устройств").

Одновременные соединения

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке 5 обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10 Mbps для каждого соединения.

Рисунок 5

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса Mbps, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации 12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальности скорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса пар портов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокого класса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способность при условии организации одновременных соединений между всеми парами портов. Однако, в реальной жизни трафик обычно представляет собой ситуацию "один ко многим" (например, множество пользователей сети обращается к ресурсам одного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашем примере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

Рисунок 6

На рисунке 6 три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняет пакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передача пакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинает передавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случае пропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данном случае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формой блокировки.

Производительность коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Для того, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

1. скорость передачи между портами
2. общая пропускная способность
3. задержка

Скорость передачи между портами

При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS) для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяется свойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPS между портами, полностью использует возможности среды. Полоса пропускания среды является важным параметром, поскольку коммутатор, обеспечивающий передачу пакетов с такой скоростью, полностью использует возможности среды, предоставляя пользователям максимальную полосу.

Общая пропускная способность

Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps суммарная пропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальных соединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора, поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скорость передачи не имеет внутренней блокировки.

Задержка

Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной (например, из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps) коммутацию на лету использовать вообще невозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик, при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. При организации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность.