Switched LAN

Коммутируемая локальная сеть.

Локальная сеть, в которой вместо разделения среди всех пользователей общей пропускной способности среды передачи данных применяется коммутатор, пересылающий трафик только между теми портами, которым он требуется.

При этом каждый порт коммутатора может быть соединен с одним из следующих устройств:

Одним компьютером, например, часто используемым файловым сервером;
Концентратором, который разделяет общую пропускную способность порта среди многих пользователей;
Еще одним коммутатором.

Как правило, коммутаторы узнают присутствующие в портах адреса уровня MAC динамически и пересылают сообщения только в тот порт, к которому подключен их получатель. А широковещательный (broadcast) трафик, предназначенный для всех станций, а также многоадресный (multicast) трафик, предназначенный для определенной группы станций, как правило, пересылается во все порты (иногда этот процесс еще называется лавинной маршрутизацией [flooding]).

С другой стороны, в традиционных сетях Ethernet нередко применяется концентратор с разделяемой пропускной способностью (shared media), иногда еще называемый хабом (hub) или многопортовым повторителем (multiport repeater).

Помимо того что коммутаторы обеспечивают повышенную пропускную способность по сравнению с концентраторами, их следует применять для поддержки многих новых технологий, в частности, дуплексной сети Ethernet, нередко называемой FDSE, мультимедийного режима компании 3Com, называемого PACE, а также виртуальных локальных сетей, называемых VLAN. Многоуровневым коммутаторам (multilayer switches) присущи многие функции маршрутизаторов.

В то время как адаптеры локальной сети обладают встроенной способностью обработки, которая заключается лишь в приеме адресуемых им кадров, обработка многоадресного или широковещательного трафика, как правило, должна выполняться основным процессором принимающего компьютера. Следовательно, по мере увеличения числа рабочих станций и серверов в коммутируемой или обычной локальной сети увеличивается принимаемый всеми компьютерами многоадресный и широковещательный трафик, а также время обработки, которое они расходуют на проверку каждого кадра для определения необходимости продолжения или отмены дальнейшей обработки. В связи с этим для сокращения подобных широковещательных областей (broadcast domains), т.е. числа станций, которые принимают многоадресный и широковещательный трафик, необходимы маршрутизаторы или виртуальные локальные сети.

И наконец, большее внимание приходится уделять времени задержки (latency) коммутаторов, т.е. задержке между первым поступившим и первым отправленным битами. Время задержки концентраторов Ethernet, называемых также хабами или многопортоеыми повторителями, составляет около 2 мкс, поскольку им, по существу, приходится не только лишь усиливать, а фактически повторять принятый сигнал.

С другой стороны, мост должен принимать весь кадр Ethernet для проверки завершающей его контрольной циклической суммы (CRC), чтобы убедиться в том, что кадр не искажен, прежде чем адрес получателя будет прочтен для определения потребности в фильтрации (блокировке) или пересылке кадра в порт назначения. А поскольку выполнение операции передачи с промежуточным xpанением (store and forward) зависит от длины пакета, время задержки моста будет составлять, по меньшей мере, от 57 мкс до 1.2 мс для кадров Ethernet длиной от 64 до 1518 байтов плюс 8-байтовый заголовок. К этому времени следует добавить время поиска в таблице моста, которое, вероятно, составит еще от 50 до 300 мкс или более.

Некоторые коммутаторы Ethernet также работают в режиме передачи с промежуточным хранением, поскольку при этом гарантируется, что искаженные пакеты вообще не будут переданы в другой сегмент локальной сети. Режим передачи с промежуточным хранением применяется также в коммутаторах, порты которых работают с разной скоростью, в частности, это относится к коммутатору с портами обычного и быстрого Ethernet. Таким образом, кадр не может быть передан быстрее, чем он поступит. Время задержки коммутаторов, работающих в режиме передачи с промежуточным хранением, нередко лишь на несколько микросекунд, например, на 8, больше длительности принятого кадра, поскольку поиск адреса в них выполняется полностью аппаратно. А в мостах это обычно делается программно, поскольку они выполняют больше функций, к которым, в частности, относится поддержка алгоритма связующего дерева для избыточных соединений между мостами.

Ниже перечислены другие режимы работы, которые поддерживаются коммутаторами:

Сквозной режим, в котором пересылка кадра Ethernet начинается сразу же после получения адреса назначения, находящегося в кадре в 9-го по 14-й байт, включая и 8-байтовый заголовок Ethernet. В итоге время задержки составляет 11.2 мкс для 112 битов, которые должны быть прочитаны в первую очередь, плюс время, необходимое для поиска адреса. Время задержки самых быстродействующих коммутаторов Ethernet, работающих в сквозном режиме, составляет приблизительно от 20 до 40 мкс;
Автоматический или адаптивный сквозной режим, в котором осуществляется автоматический переход из сквозного режима в режим передачи с промежуточным хранением в соответствии с числом искаженных кадров в локальной сети. При наличии большого числа искаженных кадров используется более медленный режим передачи с промежуточным хранением;
Бесфрагментный режим, который фактически действует аналогично сквозному режиму, однако, прежде чем будет принято решение о необходимости передачи кадра в данном режиме, происходит ожидание до тех пор, пока не будут приняты 64 байта кадра. Этим гарантируется, что кадры меньше 64 байтов, которые должны быть искажены, поскольку минимальный размер кадров Ethernet составляет 64 байта, не будут переданы. Столь недопустимо малые кадры, нередко называемые карликами (runts), относятся к наиболее распространенным типам искаженных кадров в сети Ethernet, поскольку они зачастую образуются в том случае, когда обе станции осуществляют передачу одновременно. Это явление называется конфликтом (collision). Его обнаруживают обе станции, после чего они прекращают передачу, что является необходимым уеловием в данной сети. Время задержки между первым поступившим и первым отправленным битами у коммутаторов, работающих в бесфрагментом режиме, составляет 64 мкс.

Если многие порты коммутатора одновременно осуществляют передачу в единственный порт коммутатора, причем во всех случаях это происходит на присущей сети Ethernet скорости 10 Мбит/с, тогда коммутатор будет принимать больше данных, чем сможет их передать. При этом в локальных сетях могут появиться целые пакеты подобного трафика, которые оказываются слишком длинными для хранения во внутренней буферной памяти коммутатора. Один из способов устранения подобного затруднения называется противодавлением (backpressure). В данном случае коммутатор формирует имитируемый признак конфликта (сигнал затоpa (jam)) в тех портах, которые передают слишком много данных. Это обстоятельство препятствует передаче со стороны станций, подключенных к указанным портам Ethernet, и является особенностью сети Ethernet, состоящей в том, что если в сети происходит конфликт либо передача со стороны одной станции, тогда другая станция должна выждать, прежде чем начинать передачу. Противодавление оказывается не самым лучшим решением подобной проблемы, поскольку оно препятствует передаче со стороны всех станций в сегменте локальной сети, подключенном к данному порту, причем даже если кадр должен быть направлен в порт другого коммутатора. Кроме того, адаптер сети Ethernet передающей станции откажется от попытки послать кадр, если при этом ему придется столкнуться с 16 последовательными "конфликтами".

Под прямым давлением (forward pressure) подразумеваются способы назначения приоритетов портам Ethernet, в частности, тем из них, которые находятся в коммутаторе. Например, если в коммутаторе не используется стандартная двоичная экспоненциальная задержка (binary exponential backoff), которая удваивает число произвольных временных интервалов ожидания повторной передачи, тогда он может получить приоритет над другими стандартными устройствами.

У компании Kalpana, которая является производителем первых коммутаторов Ethernet, имеется Web-сервер по адресу: www.kalpana.com/kalpana. В настоящее время она принадлежит компании Cisco Systems.

(М.Шниер, с. 605 - 607)