Мосты и коммутаторы

Что такое мост ?

Мост является механизмом транспортировки кадров между двумя/более участками-доменами коллизий. Мост при анализе заголовка кадра смотрит MAC-адреса получателя и источника. Мост анализирует кадры, которые приходят на каждый его порт, и создает списки MAC-адресов узлов, которые подключены к этим портам. После анализа пакета, мост может следующее:

Если адрес назначения принадлежит к тому сегменту, откуда пришел пакет — он фильтруется, и никуда не транслируется
Если адрес назначения относится к другому сегменту сети, и он известен мосту, мост транслирует этот кадр в определенный порт
Если положение адресата не известен мосту, то кадр транслируется во все порты, кроме того, откуда он пришел

Широковещательные и многоадресные кадры также транслируются на все порты. Трансляция подразумевает доступ к сегменту сети по обычной схеме — ожидание отсутствия несущей, передача кадра и если коллизия повторить попытку передачи. Для реализации такой схемы мост имеет буферную память для временного хранение кадров, а также память для хранения всех MAC-адресов узлов сегментов всех портов. Такая обычная схема относится к прозрачным мостам, которые определенны стандартом IEEE 802.1d.

Что такое коммутатор ?

Коммутатор — выполняет те же функции, что и мост, но определен под немного другие цели. Коммутатор реализует сегментацию сети — уменьшение количества узлов в доменах коллизий. В самом критичной ситуации, или микросегментации — к каждому порту коммутатора подключен только один узел. Если к порту коммутатора присоединить только один узел, то реализуется возможность в полнодуплексном режиме. При этом коллизии как таковые отсутствуют. Есть два варианта коммутации.

Технология с промежуточным хранением описывает механизм, при котором каждый кадр, который пришел в порт, полностью заносится в буферную память. Дальше процессор анализирует заголовок кадра и его адрес источника для построение своих таблиц. Анализируя адрес назначения, процессор определяет порт, в который кадр будет направлен. При широковещательной и многоадресной передачи назначения порта — все порты кроме порта с которого пришел пакет. Отправка пакет в порт реализуется по мере освобождения, согласно механизму CSMA/CD. При успешной передачи во все порты, кадр удаляется из памяти и освобождается место для следующего кадра. Такой механизм разрешает анализировать кадр (проверять CRC-код) и фильтровать ошибочные. Недостатком такого механизма можно назвать длительную задержку передачи кадров — на прием кадра для максимально длинного кадра при 10 Мбит/с — 1,22 мс.

Коммутация на лету — механизм, который реализует по возможности транслирование пакетов без промежуточного хранения. Порт принимает кадр, при этом анализируется его поле заголовка. Как только будут достигнуты биты адреса назначения, а это 6 байт после преамбулы — коммутатор уже может посылать кадр в порт назначения, если они не заняты. В ином случае хранение в буферной памяти неизбежно. Коммутация при таком механизме вносит задержку — 11,2 мкс. Такой механизм не реализует проверку CRC, и коммутатор передает все кадры, в том числе и отсеченные коллизиями.

Особенности коммутатора

Коммутаторы имеют множество портов, между которыми должна реализовываться виртуальные цепь транспортировки для каждого пакета. В общем слуае N-портовый коммутатор с полудуплескными портами реализует N/2 одновременно действующих виртуальных цепей. Для полного дуплекса количество цепей теоретически может достигать и N, но такое равномерное распределение заявок практически не встречается.

Коммутатор может быть блокирующим и неблокирующим. Неблокирующий коммутатор обрабатывает все кадры, которые приходят на его порты с максимальной скоростью, которая поддерживает среда передачи. Для этого мощность коммутационной фабрики должна быть не меньшей, чем сумма пропускной способности половины портов. В мостах реализован 1 процессор, который справлялся со всеми задачами. В коммутаторах для поддержания мощности, каждый порт имеет свой процессор, и все эти процессоры работают параллельно. Соединение между портами может быть реализовано разными средствами:

Коммутационная матрица — это аппаратная схема, которая реализует организацию цепи транспортировки логического сигнала между любой парой портов. Процессор каждого порта принимает кадр в свой буфер. При определении адреса назначения кадра, процессор запрашивает у матрицы нужное соединение. Объем схемы коммутационной матрицы увеличивается пропорционально квадрату числа портов, поэтому такой механизм реализуется при ограниченном числе портов
Объединяющая шина — большой мощности связывает процессоры всех портов. Кадры передаются мелкими фрагментами (ячейками) на скорости, которая значительно выше чем скорость портов. Скорость передачи ячеей по шине не зависит от конкретной скорости портов. Согласование размеров ячеек относительно стандарта АТМ упрощает построение гибридных коммутаторов Ethernet- Token Ring — ATM — FDDI. Здесь шина используется в виде пассивной объединяющей панели, а модули с группами портов могут быть установлены в любом порядке и количестве с возможностью быстрой замены.
Разделяемая память — это одна буферная память, которая доступна всем процессорам всех портов. Все входящие кадры становятся в очередь в памяти. Процессорам выходных портов передаются указатели на номер в очереди, который пакет принадлежит к этому порту. Такая единая память разрешает не делать память для каждого порта. Такая память проще реализуется в одно платных коммутаторах. Шина память сугубо локальна.

Относительно конструкций коммутаторов, они могут иметь разные варианты реализации в зависимости от их производительности и назначения.

Модульные коммутаторы — могут содержать до сотни портов. Такие коммутаторы реализуют для магистралей на уровне домовых, этажных распределителей. Удельная стоимость порта уменьшается по мере увеличения числа установленных модулей.
Коммутаторы с фиксированным числом портов — дешевый вариант, где поддерживаются до 30 портов. Обычно 1-2 порта на таком коммутаторе имеют скорость большую чем на остальных портах. Это объясняется возможностью соединять приоритетные узлы. Могут выступать в роле распределителей в малых сетях или быть центральными устройствами.
Стековые коммутаторы в идеале должны обладать пропускной способностью не ниже суммы пропускной способностью половины портов всех коммутаторов, которые объединены в стек. На практике обычно это место является узким, и количество объединяемых устройств обычно ограничено четырьмя. Топологию соединений устройств стека можно посмотреть на рис.1.

Рисунок — 1

Характеристики коммутатора

Производительность коммутаторов анализируют относительно: максимальное количество обрабатываемых кадров за единицу времени и максимальное количество бит, пропускаемых за единицу времени. Даже при высокой пропускной способности коммутатора, из-за ситуаций, когда порты будут соперничать за право передачи кадров в один из портов, возможны перегрузки. При перегрузках буфер будет переполнятся и часть пакетов будет теряться без уведомления. Протоколы верхних уровней заметят пропажу, и они повторят передачу, но это будет не быстро. Есть смысл подключать критические узлы к высокоскоростным портам коммутатора.

В полудуплексном режиме коммутатор может просто справляться с перегрузками, притормаживая входные порты. Для этого он специально создает коллизии (источник будет вынужден повторно передать кадр) или брать под контроль среду передачи по окончании очередного кадра чуть раньше, чем это описано в стандарте 802.3. Такие механизмы называются агрессивным поведением коммутатора.
В полнодуплексном режиме действия, которые описаны выше невозможны. Для регулирования потока в таком режиме был принят стандарт IEEE 802.3x. Здесь описаны служебные символы:
- приостановить передачу на некоторое время
- продолжить передачу
Такие символы вводятся на физическом уровне

Итог

Коммутаторы и мосты разрешают разбивать сеть на определенные сегменты — домены коллизий. Это описывает то, что коллизии не распространяются за границы сегментов. Локализация широковещательного и многоадресного трафика разрешает реализовать интеллектуальные коммутаторы, которые поддерживают виртуальные локальные сети.