Что такое коммутатор и где он используется? Распространенные функции коммутаторов

Собеседники. Как правило, в сетях общего доступа невозможно предоставить каждой паре абонентов собственную физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» и использовать в любое время. Поэтому в сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает разделение имеющихся физических каналов между несколькими сеансами связи и между абонентами сети.

Коммутация в локальных сетях передачи данных

Предположительно, эта страница или раздел нарушает авторские права.

Eё содержимое, вероятно, скопировано с http://citforum.ru/nets/lsok/glava_4.shtml практически без изменений.
Пожалуйста, проверьте и сравните с .
Если вы считаете, что это не так, выскажите ваше мнение на странице обсуждения этой статьи. Если Вы автор, то оформите разрешение на использование текста
Дата обнаружения нарушения : 22 июля 2012.
Выявившему нарушение : Пожалуйста, поместите сообщение
{{subst:nothanks cv|pg=Коммутация (компьютерные сети)|url=http://citforum.ru/nets/lsok/glava_4.shtml }} -- ~~~~
на страницу обсуждения участника, создавшего статью
Администраторам: ссылки сюда, история (последнее изменение), журналы , удалить .
Автору статьи: Авторские права, Получение разрешений, Что делать?

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена ниже. Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти. Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме , параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования. После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра. Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра.

Коммутация в городских телефонных сетях

Городская телефонная сеть - это совокупность линейных и станционных сооружений. Сеть, имеющая одну АТС, называется нерайонированной. Линейные сооружения такой сети состоят только из абонентских линий. Типовое значение емкости такой сети 8-10 тысяч абонентов. При больших емкостях из-за резкого увеличения длины АЛ целесообразно переходить на районированное построение сети. В этом случае территория города делится на районы, в каждом из которых сооружается одна районная АТС (РАТС), к которой подключаются абоненты этого района. Соединения абонентов одного района осуществляется через одну РАТС, абонентов разных РATC - через две. РАТС связываются между собой соединительными линиями в общем случае по принципу «каждая с каждой». Общее число пучков между РАТС равно количество РАТС/2. При возрастании емкости сети число пучков СЛ, связывающих РATC между собой по принципу «каждая с каждой», начинает резко расти, что приводит к чрезмерному возрастанию расхода кабеля и затрат на организацию связи и Поэтому при емкостях сети свыше 80 тысяч абонентов применяют дополнительный коммутационный узел. На такой сети связь между АТС разных районов осуществляется через узлы входящего сообщения (УВС), а связь внутри своего узлового района (УР осуществляется по принципу «каждая с каждой» или через свой УВС.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис.2.18.

Рис. 2.18.Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpona

Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.

Если же кадр нужно передать на другой.порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.

Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи.

1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.

2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

3. Коммутация матрицы.

4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.

5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Этот эффект иллюстрирует рис.2.19. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4x10 = 40 Мбит/с, а" при обобщении примера для N портов - (N/2)xl0 Мбит/с.

Рис.2.19.Параллельная передача кадров коммутатором

Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети, если они там имелись.

Конструктивное исполнение коммутаторов

В конструктивном отношении коммутаторы делятся на следующие типы:

Ø автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;

Ø модульные коммутаторы на основе шасси;

Ø коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.

Первый тип коммутаторов обычно предназначен для организации небольших рабочих групп.

Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего предназначены для применения на магистрали сети. Поэтому они выполняются на основе какой-либо комбинированной схемы, в которой взаимодействие модулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема. Модули такого коммутатора выполняются на основе технологии «hot swap», то есть опускают замену на ходу, без выключения коммутатора, так как центральное коммуникационное устройство сети не должно иметь перерывов в работе. Шасси обычно снабжается резервированными источниками, питания и резервированными вентиляторами в тех же целях.

С технической точки зрения определенный интерес представляют стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работатъ автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему, работающую как единый коммутатор. Говорят, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек. Структура стека коммутаторов, соединяемых по скоростным специальным портам, показана на рис.2.20.

Рис.2.20.Стек коммутаторов, объединяемых по высокоскоростным каналам

Организация компьютерной сети невозможна без такого устройства как свитч или подобного ему сетевого оборудования. Существуют различные сетевые устройства, при помощи которых становится возможным формирование локальной сети, организация доступа в Интернет для нескольких компьютеров и прочие задачи сетевой коммутации. Наиболее популярные из таких устройств — это хаб, роутер и свитч. Не все знают, как настроить такого рода устройства, чтобы работа была более комфортной.

Сетевой коммутатор необходим для создания компьютерной сети.

Если роутер (маршрутизатор) служит для соединения и маршрутизации различных сетей, то хаб и свитч — для объединения различных узлов в единую сеть. Выгодное отличие свитча (коммутатора) от хаба (концентратора) в том, что в первом пакеты данных передаются строго по адресу на указанный узел, а не транслируются на все устройства сети. Таким образом, посредством свитча реализуется прямая адресная передача данных между двумя узлами сети, при этом сетевой ресурс используются максимально эффективно. По этой причине в настоящий момент концентраторы практически нигде не используются, они были вытеснены более производительными и безопасными коммутаторами.

Основы работы свитча

Рисунок 1. Схема работы свитча.

Итак, сетевой коммутатор, он же свитч или свич («switch» — переключатель), это вид сетевого оборудования, соединяющего определенное количество узлов (компьютеров) в единый сегмент вычислительной сети и осуществляющего пакетную передачу информации и данных между отельными элементами этой сети.

Свитч имеет в распоряжении несколько портов — разъемов, в которые подключаются компьютеры и прочие сетевые узлы, оборудование и т.д. Связь между портом и узлом осуществляется с использованием обжатого кабеля, так называемой витой пары.

Для такого устройства как свитч 8 портов это норма, но встречаются и более внушительные цифры вплоть до 48 и даже 96. (РИС. 1) В рамках модели OSI данное устройство функционирует на уровне канала, поэтому, как правило, лишь объединяет другие устройства в один сегмент сети, ориентируясь на их идентификационные MAC-адреса.

Объединить несколько отдельных сетей стандартный свитч не может. Для маршрутизации на уровне сетей, например, для организации доступа в интернет на нескольких компьютерах, что является примером включения локальной сети в глобальную, необходим маршрутизатор или же свитч роутер.

Таким образом, в сетевой иерархии OSI коммутатор занимает промежуточное звено между концентратором и маршрутизатором:

Концентратор — Физический уровень. Транслирует входящие данные, дублируя их на все используемые интерфейсы.
Коммутатор — Канальный уровень. Распределяет данные сугубо адресованным получателям.
Маршрутизатор — Сетевой уровень. Связывает различные сетевые сегменты.

Работа коммутатора построена следующим образом. В памяти устройства хранится виртуальная таблица соответствий между MAC-адресами и портами свитча.

MAC-адрес («Media Access Control» — управление доступом к среде), он же Hardware Address — это специальный идентификатор, который присваивается каждому активному элементу или узлу в сети, причем для каждого из них он уникален.

В момент сразу после включения коммутатора его MAC-таблица еще пуста и ее необходимо заполнить, поэтому свитч входит в режим первичного обучения.

Особенность этого режима в том, что данные, поступившие на любой из портов, как и в концентраторе, передаются всем подключенным к устройству узлам в совокупности.

Путем анализа пакетов данных определяется MAC-адрес устройства-отправителя, затем этот адрес привязывается к номеру конкретного порта, из которого эти данные были отправлены. Таким образом, выясняется, к какому порту подключен тот или иной элемент сети, затем эти данные заносятся в таблицу.

Теперь при поступлении данных на любой из портов свитча пакеты, адресованные узлу, имеющемуся в этой таблице, будут направлены на конкретный порт, соответствующий этому узлу, а не транслироваться на все интерфейсы сразу, как это происходит в концентраторе.

Если же в отправляемых данных содержится неизвестный адрес получателя, отсутствующий в таблице, создаются дубликаты пакетов и отправляются на все интерфейсы.

Параллельно с этим новые незнакомые адреса отправителей продолжают записываться в таблицу.

Впоследствии свитч постепенно заполняет свою маршрутную таблицу, включая в нее все связи между внешними компьютерами и собственными интерфейсами, благодаря чему происходит локализация трафика.

Основные типы коммутаторов

Рисунок 2. Примерная схема подключения свитча через модем.

Простейший сетевой коммутатор — это неуправляемый. Такой свитч хоть и может быть настраиваемым непосредственно, но он не имеет поддержки сетевых протоколов управления. Разница между управляемым и неуправляемым коммутатором в том, что благодаря поддержке простого протокола сетевого менеджмента SNMP управляемый свитч позволяет по сети с помощью специализированных программ удаленно конфигурировать себя и управлять своей работой.

Управляемый коммутатор наиболее часто устанавливается в участках сети с осложненной топологией, где требуется особенно тщательный контроль. Наиболее характерные задачи, выполняемые такими устройствами:

мониторинг сетевого трафика;
управление конфигурацией интерфейсов (портов);
организация виртуальных сетей (VLAN);
объединение группы каналов.

Управляемые свитчи особенны тем, что способны обеспечить широкий спектр функционирования как на канальном, так и на сетевом уровне. Доступ к управлению таким коммутатором можно получить через специальный Web интерфейс, а также посредством командной строки либо различных протоколов (SNMP, Telnet). Помимо всего прочего свитч может использовать различные методы коммутации, разница между которыми обусловлена временем и надежностью передачи информации:

Порядок расположения проводов при «обжиме» кабеля «витая пара».

Store and Forward — когда коммутатором производится полное чтение всей информации в кадре данных с целью проверки на наличие ошибок, и лишь затем пакет передается на выбранный порт.
Cut-through — процесс коммутации происходит сразу после чтения заголовка кадра данных, где хранится адрес получателя. Благодаря этому удается сократить задержку по времени передачи, однако становится невозможным обнаружить ошибки, что снижает надежность.
Fragment-free — усовершенствованный сквозной (Cut-through) режим, при котором пакеты передаются после их предварительной фильтрации.

Такой типа свитча редко используется в домашних условиях, т.к. предназначен прежде всего для коммутации крупных и сложных структур таких, как сети интернет провайдеров, корпоративные локальные сети, центры технической поддержки клиентов и т.д.

Примером такого устройства является гигабитный свитч TL-SG2424 на 24 порта фирмы TP-Link, обладающий массой полезных функций, среди которых: защита от сетевого шторма и распределенных атак, расширенная приоритезация данных QoS, высочайшая скорость работы портов до 1 Гбит/с и другие.

Как сделать настройку свитча и создать свою сеть

Допустим, вы решили создать локальную сеть из нескольких компьютеров в вашем доме и для этой цели выбрали сетевой коммутатор. Перед тем, как настроить свитч и осуществить конфигурацию сети, ее нужно развернуть на физическом уровне, т.е. обеспечить связь каждого компьютера с коммутатором посредством сетевого кабеля. Все соединения между узлами производятся с помощью патч-корда — сетевого коммутационного кабеля на основе витой пары.

Рисунок 3. Примерная схема подключения свитча без модема.

Такой кабель можно сделать и самому, но лучше купить в магазине. Есть два способа, как подключить свитч для его настройки, в зависимости от наличия соответствующих интерфейсов: через специальный консольный порт, через который производится в основном лишь первичная настройка свитча, либо через более универсальный Ethernet порт.

Во втором случае для получения доступа к конфигурации требуется ввести IP-адрес, указанный в документации к устройству.

Подключение к консольному порту не расходует полосу пропускания коммутатора, в чем есть определенное преимущество. Для непосредственной настройки свитча с помощью данного способа нужно запустить эмулятор терминала VT100 (подойдет и стандартный HyperTerminal).

Параметры подключения выбираются соответственно документации. После соединения вводится имя пользователя и пароль.

Настройка осуществляется путем ввода команд и параметров, которые зависят от конкретной модели устройства и должны быть указаны в документации.

Выход в интернет через свитч

Следующим шагом после создания сети и настройки коммутатора является обеспечение всем компьютерам этой сети доступа в интернет. Имея в наличии свитч, можно сделать это быстро, просто и выгодно, без дополнительного подключения к провайдеру отдельно каждого компьютера, даже если интернет подведен всего лишь одним кабелем. В случае, когда услуга интернет предоставлена провайдером стационарной телефонной связи, доступ к всемирной паутине осуществляется посредством ADSL-модема, наиболее распространенные модели которого не имеют более одного порта Ethernet. Соответственно, подключить к нему можно только один компьютер. Для решения этой проблемы не обязательно приобретать дорогостоящий маршрутизатор со встроенным коммутатором, вполне достаточно и обычного свитча. Примерная схема подключения изображена на рисунке. (РИС. 2)

https://сайт/

Из схемы видно, ADSL-модем подключается не к компьютеру, а непосредственно к коммутатору. К нему же подсоединены все компьютеры локальной сети. Очень важный момент здесь — это правильная настройка свитча и параметров соединения компьютеров. У каждого устройства, включая модем, должен быть свой адрес IP внутри единой подсети, повторяться они не должны.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Структура коммутатора EtherSwitch компании Ка1рапа

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.

Рис. 4.24. Передача кадра через коммутационную матрицу

Рис. 4.25. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: а - конвейерная обработка; б - обычная обработка с полной буферизацией

1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.

3. Коммутация матрицы.

4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.

5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также приведенном на рис. 4.25, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

Этот эффект иллюстрирует рис. 4.26. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4*10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов - (N/2)*l0 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изображена на рис. 4.26. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции поток данных по 10 Мбит/с, так как порт 8 не может передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet.

Рис. 4.26. Параллельная передача кадров коммутатором

Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, это его высокая производительность, то разработчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (non-blocking) модели коммутаторов.

Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают. Естественно, что даже неблокирующий коммутатор не может разрешить в течение долгого промежутка времени ситуации, подобные описанной выше, когда блокировка кадров происходит из-за ограниченной скорости выходного порта.

Обычно имеют в виду устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, когда коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для обеспечения такого режима нужно, естественно, такое распределение потоков кадров по выходным портам, чтобы они справлялись с нагрузкой и коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора, а при превышении ее объема - просто отбрасываться. Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необходимо выполнение достаточно простого условия:

Cк= (∑ Cpi)/2,

где Ck- производительность коммутатора, Cpi- максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора. Суммарная производительность портов учитывает каждый проходящий кадр дважды - как входящий кадр и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт работает в полудуплексном режиме, например Ethernet 10 Мбит/с, то производительность порта Cpiравна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его Cpiбудет составлять 20 Мбит/с.

Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протоколов, независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной - при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Для поддержки неблокирующего мгновенного режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно, она должна быть равна суммарной производительности его портов:

Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина - эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.

Некоторые компании стали развивать технологию коммутации для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Эти коммутаторы поддерживали как алгоритм работы прозрачного моста, так и алгоритм моста с маршрутизацией от источника. Внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch, однако принцип параллельной обработки кадров по каждому порту оставался неизменным.

Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования - сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент.

Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.

Похожая информация.

Локальные мосты - предшественники коммутаторов

Принципы коммутации сегментов и узлов локальных сетей, использующих традиционные технологии

Полнодуплексные (full-duplex) протоколы локальных сетей - ориентация исключительно на коммутацию кадров

ATM-коммутация

Особенности коммутаторов локальных сетей

Техническая реализация коммутаторов

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутаторы с общей шиной

Коммутаторы с разделяемой памятью

Комбинированные коммутаторы

Модульные и стековые коммутаторы

Характеристики производительности коммутаторов

Скорость фильтрации и скорость продвижения

Оценка необходимой общей производительности коммутатора

Размер адресной таблицы

Объем буфера

Дополнительные возможности коммутаторов

Трансляция протоколов канального уровня

Поддержка алгоритма Spanning Tree

Способы управления потоком кадров

Возможности коммутаторов по фильтрации трафика

Коммутация "на лету" или с буферизацией

Использование различных классов сервиса (class-of-service)

Поддержка виртуальных сетей

Управление коммутируемыми сетями

Типовые схемы применения коммутаторов в локальных сетях

Коммутатор или концентратор?

Коммутатор или маршрутизатор?

Стянутая в точку магистраль на коммутаторе

Распределенная магистраль на коммутаторах

Обзор моделей коммутаторов

Коммутаторы Catalyst компании Cisco Systems

Коммутатор EliteSwitch ES/1 компании SMC

Коммутаторы локальных сетей компании 3Com

Примеры АТМ-коммутаторов для локальных сетей

Введение. Тенденция вытеснения концентраторов и маршрутизаторов коммутаторами

Транспортная система локальных сетей масштаба здания или кампуса уже достаточно давно стала включать разнообразные типы активного коммуникационного оборудования - повторители, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, соединенные в сложные иерархические структуры, вроде той, которая изображена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Типичная структура сети здания или кампуса

Активное оборудование управляет циркулирующими в сети битами, кадрами и пакетами, стараясь организовать их передачу так, чтобы данные терялись как можно реже, а попадали к адресатам как можно быстрее, в соответствии с потребностями трафика работающих в сети приложений.

Описанный подход стал нормой при проектировании крупных сетей и полностью вытеснил сети, построенные исключительно на основе пассивных сегментов кабеля, которыми совместно пользуются для передачи информации компьютеры сети. Преимущества сетей с иерархически соединенным активным оборудованием не раз проверены на практике и сейчас никем не оспариваются.

И, если не обращать внимание на типы используемого оборудования, а рассматривать их просто как многопортовые черные ящики, то может сложиться впечатление, что никаких других изменений в теории и практике построения локальных сетей нет - предлагаются и реализуются очень похожие схемы, отличающиеся только количеством узлов и уровней иерархии коммуникационного оборудования.

Однако, качественный анализ используемого оборудования говорит об обратном. Изменения есть, и они существенны. За последние год-два коммутаторы стали заметно теснить другие виды активного оборудования с казалось бы прочно завоеванных позиций. Несколько лет назад в типичной сети здания нижний уровень иерархии всегда занимали повторители и концентраторы, верхний строился с использованием маршрутизаторов, а коммутаторам отводилось место где-то посередине, на уровне сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного - их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подключения сверхпроизводительных серверов.

Коммутаторы стали вытеснять маршрутизаторы из центра сети на периферию (рисунок 1.2), где они использовались для соединения локальной сети с глобальными.

Рис. 1.2. Совместное использование коммутаторов и маршрутизаторов

Центральное место в сети здания занял модульный корпоративный коммутатор, который объединял на своей внутренней, как правило, очень производительной, магистрали все сети этажей и отделов. Коммутаторы потеснили маршрутизаторы потому, что их показатель "цена/производительность", рассчитанный для одного порта, оказался гораздо ниже при приближающихся к маршрутизаторам функциональным возможностям по активному воздействию на передаваемый трафик. Сегодняшние корпоративные коммутаторы умеют многое из того, что несколько лет назад казалось исключительной прерогативой маршрутизаторов: транслировать кадры разных технологий локальных сетей, например Ethernet в FDDI, осуществлять фильтрацию трафика по различным условиям, в том числе и задаваемым пользователем, изолировать трафик одного сегмента от другого и т.п. Коммутаторы ввели также и новую технологию, которая до их появления не применялась - технологию виртуальных сегментов, позволяющих перемещать пользователей из одного сегмента в другой чисто программным путем, без физической перекоммутации разъемов. И при всем при этом стоимость за один порт при равной производительности у коммутаторов оказывается в несколько раз ниже, чем у маршрутизаторов.

После завоевания магистрального уровня корпоративной сети коммутаторы начали наступление на сети рабочих групп, где до этого в течение последних пяти лет всегда использовались многопортовые повторители (концентраторы) для витой пары, заменившие пассивные коаксиальные сегменты. Появились коммутаторы, специально предназначенные для этой цели - простые, часто неуправляемые устройства, способные только быстро передавать кадры с порта на порт по адресу назначения, но не поддерживающие всей многофункциональности корпоративных коммутаторов. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт быстро снижается и, хотя порт концентратора по-прежнему стоит меньше порта коммутатора рабочей группы, тенденция к сближению их цен налицо.

Подтверждением этой тенденции могут служить данные исследовательских компаний InStat и Dell"Oro Group за 1996 год и их прогноз на 1998 год:

1996	1998Процент снижения за два года
Средняя цена за порт концентратора
Ethernet	$101	$946.9%
Fast Ethernet	$200	$14527.5%
Средняя цена за порт коммутатора
Ethernet	$427	$20053%
Fast Ethernet	$785	$50036.3%
Отношение порт коммутатора/порт концентратора
Ethernet	4.22	2.1
Fast Ethernet	3.9	3.4

Эти данные собраны по всем классам коммутаторов, от уровня рабочей группы до магистрального уровня, где концентраторы не применяются, поэтому сопоставление концентраторов только с коммутаторами рабочих групп дало бы еще более близкие в стоимостном отношении результаты, так как стоимость за порт Ethernet у отдельных коммутаторов доходит до $150, то есть всего в полтора раза превышает стоимость порта концентратора Ethernet.

В то же время производительность сети, построенной на коммутаторе, обычно в несколько раз превышает производительность аналогичной сети, построенной с использованием концентратора. Так как плата за повышение производительности не так уж велика и постоянно снижается, то многие сетевые интеграторы все чаще соглашаются с ней для снижения задержек в своей сети. С распространением работающих в реальном времени приложений ущерб от транспортных задержек становится все ощутимее, а нагрузка на транспортную систему возрастает, что еще больше стимулирует приближение таких высокопроизводительных устройств, как коммутаторы, к пользовательским компьютерам.

Естественно, тенденция повышения роли коммутаторов в локальных сетях не имеет абсолютного характера. И у маршрутизаторов, и у концентраторов по-прежнему имеются свои области применения, где их применение более рационально, чем коммутаторов. Маршрутизаторы остаются незаменимыми при подключении локальной сети к глобальной. Кроме того, маршрутизаторы хорошо дополняют коммутаторы при построении виртуальных сетей из виртуальных сегментов, так как дают испытанный способ объединения сегментов в сеть на основании их сетевых адресов.

Концентраторы также имеют сегодня свою нишу. По-прежнему существует большое количество случаев, когда трафик в рабочей группе невелик и направлен к одному серверу. В таких случаях высокая производительность коммутатора мало что дает конечному пользователю - при замене концентратора на коммутатор он ее практически не почувствует.

Тем не менее, в локальных сетях появляется все больше коммутаторов, и эта ситуация вряд ли коренным образом изменится в ближайшем будущем. Некоторые новые технологии, такие как ATM, вообще используют коммутацию как единственный способ передачи данных в сети, другие, например, Gigabit Ethernet - рассматривают ее в качестве, хотя и не единственного, но основного способа связи устройств в сети.

Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях

Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных

Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Классическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры разделяют во времени единственный канал связи, образованный сегментом коаксиального кабеля (рисунок 2.1).