Коммутация «на лету» или с буферизацией

На производительности коммутатора сказывается способ передачи пакетов - «на лету» или с буферизацией. Коммутаторы, передающие пакеты «на лету», вносят меньшие задержки передачи кадров на каждом промежуточном коммутаторе, поэтому общее уменьшение задержки доставки данных может быть значительным, что важно для мультимедийного трафика. Кроме того, выбранный способ коммутации оказывает влияние на возможности реализации некоторых полезных дополнительных функций, например трансляцию протоколов канального уровня.

Средняя величина задержки коммутаторов, работающих «на лету», при высокой нагрузке объясняется тем, что в этом случае выходной порт часто бывает занят приемом другого пакета, поэтому вновь поступивший пакет для данного порта все равно приходится буферизовать.

Коммутатор, работающий «на лету», может выполнять проверку некорректности передаваемых кадров, но не может изъять плохой кадр из сети, так как часть его байт (и, как правило, большая часть) уже переданы в сеть.

Так как каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, в тех моделях коммутаторов, которым н нужно транслировать протоколы, иногда применяется механизм адаптивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора - коммутация «на лету», но коммутатор постоянно контролирует трафик и при превышении интенсивности появления плохих кадров некоторого порога переходит на режим полной буферизации. Затем коммутатор может вернуться к коммутации «на лету».

Размер адресной таблицы

Максимальная емкость адресной таблицы определяет предельное количество MAC-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт. Экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей не обязательно содержат одну и ту же адресную информацию - скорее всего, повторяющихся адресов будет не так много, если только распределение трафика каждого порта между остальными портами не полностью равновероятно. Каждый порт хранит только те наборы адресов, с которыми он работал в последнее время.

Значение максимального числа МАС - адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей - до нескольких тысяч, обычно 4000-8000 адресов.

Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, процессор должен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем не обязательны.

Объем буфера кадров

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика. Ведь даже если трафик хорошо сбалансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений графика, это не гарангирует, что их производительности хватит при пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты.

Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполнится.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Хорошо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.

КОММУТАТОРЫ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Назначение коммутаторов

 

Коммутаторы локальных сетей (LAN) обрабатывают и передают данные на уровне кадров, что соответствует канальному уровню модели OSI. Принятие решения на коммутацию выполняется на основании анализа физических адресов (MAC - media access control) источника и назначения, которые находятся в заголовке кадра.

 

По стандартам IEEE выделяются три категории МАС -адресов:

- Unicast addresses - MAC -адрес, который определяет адрес конкретной сетевой карты.

- Broadcast addresses - Данный адрес имеет вид - FFFF. FFFF. FFFF в шестнадцатеричном коде. Установка такого адреса в поле адреса назначения кадра говорит о том, что этот кадр должны получить все, кто подключен к данной LAN.

- Multicast addresses - Такие адреса предназначены для того, чтобы иметь возможность рассылки кадров от одного источника какой-то группе рабочих станций сети.

 

Коммутаторы выполняют три основных задачи:

1. Изучение (learning) - Коммутатор изучает все МАС -адреса в поле адреса источника кадра и составляет таблицу МАС -адресов.

2. Передача (forwarding) или фильтрация (filtering) - На основании МАС -адреса назначения коммутатор решает передавать поступивший кадр или фильтровать (не передавать). При передаче кадра коммутатор выполняет коммутацию на основе построенной таблицы МАС-адресов.

3. Предотвращение петель (loop prevention) - В случае возникновения в сети избыточных (дублирующих) маршрутов коммутатор предотвращает некорректную работу сети с помощью протокола STP (Spanning Tree Protocol).

Коммутаторы могут обрабатывать кадры в трех режимах:

 

• St о r е andForward: в этом режиме коммутатор полностью записывает кадр в свой буфер. Затем анализируются МАС-адреса источника(SA-source address) и назначения(DA-destination address) и контрольная сумма(CRC) и только после этого выполняется фильтрация или передача кадра на соответствующий выходной порт.

Задержка при передаче кадра таким способом зависит от его размера.

 

• Cut - through: в этом режиме как только заголовок кадра поступает на коммутатор, выполняется проверка МАС-адреса источника и назначения и сразу же выполняется фильтрация или передача кадра на соответствующий выходной порт.

Задержка в данном режиме остается постоянной независимо от размера кадра, так как коммутация начинается сразу после прочтения МАС-адреса назначения.

При этом коммутатор может продолжать читать кадр до контрольной суммы и вести счетчик ошибок. При превышении определенного порога коммутатор может перейти в режим передачи Store and Forward. Такой режим коммутации часто называют adaptive cut - through. Он сочетает преимущества низкой задержки при передаче кадра с защитой от ошибок.

 

• Fragment - free (modified cut - through): в данном режиме коммутатор или мост читает первые 64 байта (минимальный размер кадра Ethernet) прежде чем начать коммутацию кадра. Обычно коллизии происходят внутри этих первых 64 байт кадра. При возникновении коллизии появляется фрагмент меньше 64 байт. Такой фрагмент подлежит фильтрации, так как информация в нем уже искажена.

Задержка в этом режиме выше, чем в cut - through, но при этом фильтруются кадры с коллизией. Такой режим актуален, если рабочие станции подключены к порту коммутатора через концентратор.

Работа коммутатора