Разделы презентаций


Лекция 1.4.5. Коммутаторы. Полнодуплексные протоколы

Содержание

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

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1Лекция 1.4.5. Коммутаторы. Полнодуплексные протоколы.
Астрахань, 2018
Александр Александрович Олейников
Компьютерные и телекоммуникационные

сети

Лекция 1.4.5. Коммутаторы. Полнодуплексные протоколы.Астрахань, 2018Александр Александрович ОлейниковКомпьютерные и телекоммуникационные сети

Слайд 2Технология 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 на рис. 9.23.

Рис. 9.23. Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpana

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в

Слайд 3Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ether­net

(Ethernet Packet Processor, EPP). 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 функционирует 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.


Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ether­net (Ethernet Packet Processor, EPP). Кроме того, коммутатор

Слайд 4При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколь­ко

первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса

назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байтов 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.
При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколь­ко первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначения.

Слайд 5Если 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.

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к комму­тационной матрице и пытается установить

Слайд 6После 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 байтов принимае­мого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно прини­мать и передавать байты кадра (рис. 9.24).

Рис. 9.24. Передача кадра через коммутационную матрицу

После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта.

Слайд 7При 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 (рис. 9.25).

При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка ме­жду приемом первого байта кадра коммутатором и

Слайд 81.Прием первых байтов кадра процессором входного порта, включая прием байтов

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 байтов кадра процессором входного порта.
5.Прием байтов кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.
6.Получение доступа к среде процессором выходного порта.
7.Передача байтов кадра процессором выходного порта в сеть.

Рис. 9.25. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: а — конвейерная обработка; б — обычная обработка с полной буферизацией

1.Прием первых байтов кадра процессором входного порта, включая прием байтов адреса назначения.2.Поиск адреса назначения в адресной таблице

Слайд 9Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как

без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет

смысла.
По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также представленном на рис. 9.25, экономия от конвейеризации получается ощутимой.
Однако главной причиной повышения производительности сети при использо­вании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации

Слайд 10Этот эффект иллюстрирует рис. 9.26, на котором показана идеальная в

отноше­нии повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми пе­редают

данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мбит/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 х 10 = 40 Мбит/с, а при обобщении при­мера для N портов — (N/2) х 10 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропу­скную способность протокола.

Рис. 9.26. Параллельная передача
кадров коммутатором

Этот эффект иллюстрирует рис. 9.26, на котором показана идеальная в отноше­нии повышения производительности ситуация, когда четыре порта

Слайд 11Естественно, что в сети не всегда складывается описанная ситуация. 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.
Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, — его высокая производительность, то раз­работчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (nonblocking) модели коммутаторов.

Естественно, что в сети не всегда складывается описанная ситуация. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам

Слайд 12Неблокирующий 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.
Неблокирующий коммутатор — это такой коммутатор, который может переда­вать кадры через свои порты с той же скоростью,

Слайд 13Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необхо­димо выполнение достаточно простого условия:


Здесь

Ck — производительность коммутатора, Срi — 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 Срi равна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном — 20 Мбит/с.

Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необхо­димо выполнение достаточно простого условия:Здесь Ck — производительность коммутатора, Срi — максимальная

Слайд 14Иногда 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:

Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий ре­жим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры

Слайд 15Первый 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 увеличения 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. Коммутаторы этих компаний 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.
Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей

Слайд 16Широкому 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.
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.
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.

Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоя­тельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установ­ленного в сетях

Слайд 17Изменения в работе МАС-уровня при полнодуплексной работе
Технология коммутации сама по

себе не имеет непосредственного отношения к методу доступа к среде,

который используется портами коммутатора. При под­ключении сегментов, представляющих собой разделяемую среду, порт коммута­тора должен поддерживать полудуплексный режим, так как является одним из узлов этого сегмента.
Однако когда к каждому порту коммутатора подключен не сегмент, а только один компьютер, причем по двум раздельным каналам, как это происходит поч­ти во всех стандартах физического уровня, кроме коаксиальных версий Ethernet, ситуация становится не такой однозначной. Порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в полнодуплексном. Подключение к портам ком­мутатора не сегментов, а отдельных компьютеров называется микросегментацией.

Изменения в работе МАС-уровня при полнодуплексной работе Технология коммутации сама по себе не имеет непосредственного отношения к

Слайд 18В обычном режиме работы порт коммутатора по-прежнему распознает колли­зии. Доменом

коллизий в этом случае является участок сети, включающий пере­датчик коммутатора,

приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера ком­пьютера, приемник сетевого адаптера компьютера и две витые пары, соединяю­щие передатчики с приемниками (рис. 9.27).

Рис. 9.27. Домен коллизий, образуемый компьютером и портом коммутатора

В обычном режиме работы порт коммутатора по-прежнему распознает колли­зии. Доменом коллизий в этом случае является участок сети,

Слайд 19Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно

или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что сегмент

свободен (см. рисунок). Правда, вероятность коллизии в таком сегмен­те гораздо меньше, чем в сегменте, состоящем из 20-30 узлов, но она не нулевая. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet в 14 880 кадров в секунду при минимальной длине кадра делится между передатчиком порта ком­мутатора и передатчиком сетевого адаптера. Если считать, что она делится попо­лам, то каждому предоставляется возможность передавать примерно по 7440 кад­ров в секунду.

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров,

Слайд 20В полнодуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком пор­та коммутатора и

сетевого адаптера коллизией не считается. В принципе это дос­таточно естественный

режим работы для индивидуальных полнодуплексных ка­налов связи и он часто используется в протоколах территориальных сетей. При полнодуплексной связи порты Ethernet могут передавать данные со скоростью 20 Мбит/с — по 10 Мбит/с в каждом направлении.

В полнодуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком пор­та коммутатора и сетевого адаптера коллизией не считается. В принципе

Слайд 21Естественно, необходимо, чтобы МАС-узлы взаимодействующих устройств под­держивали этот специальный режим.

В случае когда только один узел поддержи­вает полнодуплексный режим, второй

узел будет постоянно фиксировать коллизии и приостанавливать свою работу, в то время как другой узел будет продолжать передавать данные, которые никто в этот момент не принимает. Изменения, ко­торые нужно сделать в логике МАС-узла, чтобы он мог работать в полнодуп­лексном режиме, минимальны — нужно просто отменить фиксацию и отработку коллизий в сетях Ethernet, а в сетях Token Ring и FDDI — посылать кадры в коммутатор, не дожидаясь прихода маркера доступа, а тогда, когда это нужно ко­нечному узлу. Фактически при работе в полнодуплексном режиме МАС-узел не использует метод доступа к среде, разработанный для данной технологии.

Естественно, необходимо, чтобы МАС-узлы взаимодействующих устройств под­держивали этот специальный режим. В случае когда только один узел поддержи­вает

Слайд 22Так как переход на полнодуплексный режим работы требует изменения логики

работы МАС-узлов и драйверов сетевых адаптеров, то он сначала был

опробован при соединении двух коммутаторов. Уже первые модели коммутатора EtherSwitch компании Kalpana поддерживали полнодуплексный режим при взаимном соеди­нении, обеспечивая скорость взаимного обмена 20 Мбит/с.
Позже появились версии полнодуплексного соединения FDDI-коммутаторов, которые при одновременном использовании двух колец FDDI обеспечивали ско­рость обмена в 200 Мбит/с.
Сейчас для каждой технологии можно найти модели коммутаторов, которые под­держивают полнодуплексный обмен при соединении коммутатор—коммутатор.

Так как переход на полнодуплексный режим работы требует изменения логики работы МАС-узлов и драйверов сетевых адаптеров, то

Слайд 23После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее

и в сетевых адаптерах, в основном адаптерах Ethernet и Fast

Ethernet. При разработке технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet полнодуплексный режим стал одним из двух полноправных стан­дартных режимов работы узлов сети. Многие сетевые адаптеры сейчас могут под­держивать оба режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключении к порту коммутатора.
При использовании полнодуплексных версий протоколов происходит некоторое сближение различных технологий, так как лицо каждой технологии во многом определял метод доступа. Различие технологий остается в разных форматах кад­ров, а также в процедурах контроля корректности работы сети на физическом и канальном уровнях.
Полнодуплексные версии протоколов могли бы быть реализованы и в мостах. Принципиальных препятствий для этого не было, просто в период применения локальных мостов потребности в высокоскоростной передаче межсегментного трафика не возникало.

После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее и в сетевых адаптерах, в основном адаптерах

Слайд 24Проблема управления потоком данных при полнодуплексной работе
Простой отказ от поддержки

алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет

к повышению вероятности потерь кадров коммутаторами, так как при этом теряется контроль за потоками кадров, направ­ляемых конечными узлами в сеть. Раньше поток кадров регулировался методом доступа к разделяемой среде, так что слишком часто генерирующий кадры узел вынужден был ждать своей очереди к среде и фактическая интенсивность потока данных, который направлял в сеть этот узел, была заметно меньше той интен­сивности, которую узел хотел бы отправить в сеть. При переходе на полнодуп­лексный режим узлу разрешается отправлять кадры в коммутатор всегда, когда это ему нужно, поэтому коммутаторы сети могут в этом режиме сталкиваться с перегрузками, не имея при этом никаких средств регулирования («притормажи­вания») потока кадров.

Проблема управления потоком данных при полнодуплексной работе Простой отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без

Слайд 25Причина перегрузок обычно кроется не в том, что коммутатор является

бло­кирующим, то есть ему не хватает производительности процессоров для обслу­живания

потоков кадров, а в ограниченной пропускной способности отдельного порта, которая определяется временными параметрами протокола. Например, порт Ethernet без нарушения временных соотношений, установленных стандар­том, не может передавать больше 14 880 кадров/с.
Поэтому, если входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами, легко представить ситуацию, когда в какой-либо выходной порт ком­мутатора будет направляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протокольный максимум.
Причина перегрузок обычно кроется не в том, что коммутатор является бло­кирующим, то есть ему не хватает производительности

Слайд 26На рис. 9.28 показана как раз такая ситуация, когда в

порт 3 коммутатора направляется трафик от портов 1, 2, 4

и 6 с суммарной интенсивностью в 22 100 кадров/с. Порт 3 оказывается загружен­ным на 150 %. Естественно, что когда кадры поступают в буфер порта со ско­ростью 20 100 кадров/с, а уходят со скоростью 14 880 кадров/с, то внутренний буфер выходного порта начинает неуклонно заполняться необработанными кад­рами.

Рис. 9.28. Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика

На рис. 9.28 показана как раз такая ситуация, когда в порт 3 коммутатора направляется трафик от портов

Слайд 27Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то

момент времени обязатель­но переполнится. Нетрудно подсчитать, что при размере буфера

в 100 Кбайт в приведенном примере полное заполнение буфера произойдет через 0,22 с после начала его работы (буфер такого размера может хранить до 1600 кадров разме­ром в 64 байт). Увеличение буфера до 1 Мбайт даст увеличение времени запол­нения буфера до 2,2 с, что также неприемлемо. А потери кадров всегда очень не­желательны, так как снижают полезную производительность сети, и коммутатор, теряющий кадры, может значительно ухудшить производительность сети вместо ее улучшения.

Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то момент времени обязатель­но переполнится. Нетрудно подсчитать, что

Слайд 28Коммутаторы локальных сетей — не первые устройства, которые сталкиваются с

такой проблемой. Мосты также могут испытывать перегрузки, однако такие си­туации

при использовании мостов встречались редко из-за небольшой интенсив­ности межсегментного трафика, поэтому разработчики мостов не стали встраи­вать в протоколы локальных сетей или в сами мосты механизмы регулирования потока. В глобальных сетях коммутаторы технологии Х.25 поддерживают прото­кол канального уровня LAP-B, который имеет специальные кадры управления потоком «приемник готов» (RR) и «приемник не готов» (RNR), аналогичные по назначению кадрам протокола LLC2 (это не удивительно, так как оба протокола принадлежат семейству протоколов HDLC). Протокол LAP-B работает между соседними коммутаторами сети Х.25 и в том случае, когда очередь коммутатора доходит до опасной границы, запрещает своим ближайшим соседям с помощью кадра «приемник не готов» передавать ему кадры, пока очередь не уменьшится до нормального уровня. В сетях Х.25 такой протокол необходим, так как эти сети никогда не использовали разделяемые среды передачи данных, а работали по ин­дивидуальным каналам связи в полнодуплексном режиме.

Коммутаторы локальных сетей — не первые устройства, которые сталкиваются с такой проблемой. Мосты также могут испытывать перегрузки,

Слайд 29При разработке коммутаторов локальных сетей ситуация коренным образом от­личалась от

ситуации, при которой создавались коммутаторы территориальных сетей. Основной задачей было

сохранение конечных узлов в неизменном виде, что исключало корректировку протоколов локальных сетей. А в этих протоколах процедур управления потоком не было — общая среда передачи данных в режи­ме разделения времени исключала возникновение ситуаций, когда сеть перепол­нялась бы необработанными кадрами. Сеть не накапливала данных в каких-либо промежуточных буферах и при использовании только повторителей или концен­траторов.
Примечание Здесь речь идет о протоколах МАС-уровня (Ethernet, Token Ring и т. п), так как мосты и коммутаторы имеют дело только с ними. Протокол LLC2, который умеет управлять пото­ком данных, для целей управления потоком кадров в коммутаторах использовать нельзя. Для коммутаторов протокол LLC (все его процедуры: 1, 2 и 3) прозрачен, как и все осталь­ные протоколы верхних уровней, — коммутатор не анализирует заголовок LLC, считая его просто полем данных кадра МАС-уровня.

При разработке коммутаторов локальных сетей ситуация коренным образом от­личалась от ситуации, при которой создавались коммутаторы территориальных сетей.

Слайд 30Применение коммутаторов без изменения протокола работы оборудования всегда порождает опасность

потери кадров. Если порты коммутатора работают в обыч­ном, то есть

в полудуплексном режиме, то у коммутатора имеется возможность оказать некоторое воздействие на конечный узел и заставить его приостановить передачу кадров, пока у коммутатора не разгрузятся внутренние буферы. Не­стандартные методы управления потоком в коммутаторах при сохранении про­токола доступа в неизменном виде будут рассмотрены ниже.
Если же коммутатор работает в полнодуплексном режиме, то протокол работы конечных узлов, да и его портов все равно меняется. Поэтому имело смысл для поддержки полнодуплексного режима работы коммутаторов несколько модифи­цировать протокол взаимодействия узлов, встроив в него явный механизм управ­ления потоком кадров.

Применение коммутаторов без изменения протокола работы оборудования всегда порождает опасность потери кадров. Если порты коммутатора работают в

Слайд 31Работа над выработкой стандарта для управления потоком кадров в полнодуп­лексных

версиях Ethernet и Fast Ethernet продолжалась несколько лет. Такой длительный

период объясняется разногласиями членов соответствующих коми­тетов по стандартизации, отстаивающих подходы фирм, которые реализовали в своих коммутаторах собственные методы управления потоком.
В марте 1997 года принят стандарт IEEE 802.3x на управление потоком в полно­дуплексных версиях протокола Ethernet. Он определяет весьма простую проце­дуру управления потоком, подобную той, которая используется в протоколах LLC2 и LAP-B. Эта процедура подразумевает две команды — «приостановить переда­чу» и «возобновить передачу», которые направляются соседнему узлу. Отличие от протоколов типа LLC2 в том, что эти команды реализуются на уровне симво­лов кодов физического уровня, таких как 4В/5В, а не на уровне команд, оформ­ленных в специальные управляющие кадры. Сетевой адаптер или порт коммута­тора, поддерживающий стандарт 802.3х и получивший команду «приостановить передачу», должен прекратить передавать кадры впредь до получения команды «возобновить передачу».

Работа над выработкой стандарта для управления потоком кадров в полнодуп­лексных версиях Ethernet и Fast Ethernet продолжалась несколько

Слайд 32Некоторые специалисты высказывают опасение, что такая простая процедура управления потоком

окажется непригодной в сетях Gigabit Ethernet. Полная приостановка приема кадров

от соседа при такой большой скорости передачи кадров (1 488 090 кадр/с) может быстро вызвать переполнение внутреннего бу­фера теперь у этого соседа, который, в свою очередь, полностью заблокирует прием кадров у своих ближайших соседей. Таким образом, перегрузка просто распространится по сети, вместо того чтобы постепенно исчезнуть. Для работы с такими скоростными протоколами необходим более тонкий механизм регулиро­вания потока, который бы указывал, на какую величину нужно уменьшить ин­тенсивность потока входящих кадров в перегруженный коммутатор, а не приос­танавливал этот поток до нуля. Подобный плавный механизм регулирования потока появился у коммутаторов ATM через несколько лет после их появления. Поэтому существует мнение, что стандарт 802.3х — это временное решение, ко­торое просто закрепило существующие фирменные простые механизмы управ­ления потоком ведущих производителей коммутаторов. Пройдет некоторое вре­мя, и этот стандарт сменит другой стандарт — более сложный и более гибкий. Но возможен и иной вариант, ведь нет ничего более постоянного, чем временное.

Некоторые специалисты высказывают опасение, что такая простая процедура управления потоком окажется непригодной в сетях Gigabit Ethernet. Полная

Слайд 33Управление потоком кадров при полудуплексной работе
При работе порта в полудуплексном

режиме коммутатор не может изменять протокол и пользоваться для управления

потоком новыми командами, такими как «приостановить передачу» и «возобновить передачу».
Зато у коммутатора появляется возможность воздействовать на конечный узел с помощью механизмов алгоритма доступа к среде, который конечный узел обязан отрабатывать. Эти приемы основаны на том, что конечные узлы строго соблюда­ют все параметры алгоритма доступа к среде, а порты коммутатора — нет. Обыч­но применяются два основных способа управления потоком кадров — обратное давление на конечный узел и агрессивный захват среды.

Управление потоком кадров при полудуплексной работе При работе порта в полудуплексном режиме коммутатор не может изменять протокол

Слайд 34Метод обратного давления (backpressure) состоит в создании искусственных кол­лизий в

сегменте, который чересчур интенсивно посылает кадры в коммутатор. Для этого

коммутатор обычно использует jam-последовательность, отправляе­мую на выход порта, к которому подключен сегмент (или узел), чтобы приоста­новить его активность. Кроме того, метод обратного давления может применять­ся в тех случаях, когда процессор порта не рассчитан на поддержку максимально возможного для данного протокола трафика. Один из первых примеров приме­нения метода обратного давления как раз связан с таким случаем — метод был использован компанией LANNET в 1994 году в модулях LSE-1 и LSE-2, рассчи­танных на коммутацию трафика Ethernet с максимальной интенсивностью соот­ветственно 1 Мбит/с и 2 Мбит/с.
Метод обратного давления (backpressure) состоит в создании искусственных кол­лизий в сегменте, который чересчур интенсивно посылает кадры в

Слайд 35Второй метод «торможения» конечного узла в условиях перегрузки внутренних буферов

коммутатора основан на так называемом агрессивном поведении порта коммутатора при

захвате среды либо после окончания передачи очередного па­кета, либо после коллизии. Эти два случая иллюстрирует рис. 9.29.
В первом случае (рис. 9.29, а) коммутатор окончил передачу очередного кадра и вместо технологической паузы в 9,6 мкс сделал паузу в 9,1 мкс и начал передачу нового кадра. Компьютер не смог захватить среду, так как он выдержал стан­дартную паузу в 9,6 мкс и обнаружил после этого, что среда уже занята.

Рис. 9.29. Агрессивное поведение коммутатора при перегрузках буферов

Второй метод «торможения» конечного узла в условиях перегрузки внутренних буферов коммутатора основан на так называемом агрессивном поведении

Слайд 36Во втором случае (рис. 9.29, б) кадры коммутатора и компьютера

столкнулись, и была зафиксирована коллизия. Так как компьютер сделал паузу

после колли­зии в 51,2 мкс, как это положено по стандарту (интервал отсрочки равен 512 би­товых интервалов), а коммутатор — 50 мкс, то и в этом случае компьютеру не удалось передать свой кадр.
Коммутатор может пользоваться этим механизмом адаптивно, увеличивая сте­пень своей агрессивности по мере необходимости.
Многие производители путем сочетания этих двух методов реализуют достаточ­но тонкие механизмы управления потоком кадров при перегрузках. Эти методы используют алгоритмы чередования передаваемых и принимаемых кадров (frame interleave). Алгоритм чередования должен быть гибким и позволять компьютеру в критических ситуациях на каждый принимаемый кадр передавать несколько своих, разгружая внутренний буфер кадров, причем не обязательно снижая при этом интенсивность приема кадров до нуля, а просто уменьшая ее до необходи­мого уровня.

Во втором случае (рис. 9.29, б) кадры коммутатора и компьютера столкнулись, и была зафиксирована коллизия. Так как

Слайд 37Практически во всех моделях коммутаторов, кроме самых простых моделей для

рабочих групп, реализуют тот или иной алгоритм управления потоком кадров

при полудуплексном режиме работы портов. Этот алгоритм, как правило, обес­печивает более тонкое управление потоком, чем стандарт 802.3х, не приостанав­ливая до нуля прием кадров от соседнего узла и тем самым не способствуя пере­носу перегрузки в соседний коммутатор, если к порту подключен не конечный узел, а другой коммутатор.

Практически во всех моделях коммутаторов, кроме самых простых моделей для рабочих групп, реализуют тот или иной алгоритм

Слайд 38Выводы
Коммутаторы — наиболее быстродействующие современные коммуникацион­ные устройства, позволяющие соединять высокоскоростные

сегменты без бло­кирования (уменьшения пропускной способности) межсегментного трафика.
Пассивный способ построения

адресной таблицы коммутаторами — путем слежения за проходящим трафиком — приводит к невозможности работы в сетях с петлевидными связями. Другим недостатком сетей, построенных на коммутаторах, является отсутствие защиты от широковещательного штор­ма, который эти устройства обязаны передавать в соответствии с алгорит­мом работы.
Применение коммутаторов позволяет сетевым адаптерам использовать пол­нодуплексный режим работы протоколов локальных сетей (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI). В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных удваивается.

Выводы Коммутаторы — наиболее быстродействующие современные коммуникацион­ные устройства, позволяющие соединять высокоскоростные сегменты без бло­кирования (уменьшения пропускной способности)

Слайд 39В полнодуплексном режиме для борьбы с перегрузками коммутаторов ис­пользуется метод

управления потоком, описанный в стандарте 802.3х. Он по­вторяет алгоритмы полной

приостановки трафика по специальной команде, известной из технологий глобальных сетей.
При полудуплексном режиме работы коммутаторы используют для управле­ния потоком при перегрузках два метода: агрессивный захват среды и обрат­ное давление на конечный узел. Применение этих методов позволяет доста­точно гибко управлять потоком, чередуя несколько передаваемых кадров с одним принимаемым.

В полнодуплексном режиме для борьбы с перегрузками коммутаторов ис­пользуется метод управления потоком, описанный в стандарте 802.3х. Он

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика