Будова та принцип дії комутаторів

Основні принципи побудови та алгоритм роботи комутаторів розглянемо на прикладі комутатора EtherSwitch, структуру якого наведено на рис. 7.7.

Комутатор має вісім портів, кожний з яких побудований на базі спеціалізо­ваного мікропроцесора ЕРР, має свою буферну пам'ять та адресну таблицю.

 

Рис. 7.7. Структурна схема комутатора

Системний модуль комутатора координує роботу портів, веде повну адресну таблицю та керує роботою комутатора за протоколом SNMP. Комутаційний вузол комутатора, побудований на базі комутаційної матриці, забезпечує одночасне передавання кадрів між усіма парами своїх портів у напівдуплексному або повнодуплексному режимах.

З надходженням на вхідний порт комутатора перших байт кадру, мікро­процесор ЕРР цього порту починає записувати їх у свою буферну пам'ять. З над­ходженням МАС-адреси отримувача кадрів ЕРР починає аналіз адресної таблиці свого порту з метою визначення номера порту, до якого під'єднаний адресат. Якщо в адресній таблиці порту такої адреси не виявиться, то мікропроцесор продовжує її пошук у повній адресній таблиці системного блока. Визначивши номер вихідного порту, ЕРР виконує необхідні перемикання комутаційного вузла і передає кадр у буферну пам'ять цього порту. Отримавши доступ до розподіленого середовища, вихідний порт просуває кадр до сегмента, до якого належить адресат.

Комутаційна матриця комутатора може забезпечити одночасно чотири канали обміну кадрами між чотирма парами портів.

Внутрішня організація комутаторів різних виробників може суттєво відрізнятися, але принцип паралельної обробки кадрів портами залишається незмінним.

Способи обробки кадрів

Сучасні комутатори можуть обробляти кадри як з повною їх буферизацією, так і за конвеєрним способом обробки кадрів.

З повною буферизацією кадрів їх обробка комутаторами передбачає окремі етапи, які виконуються послідовно в часі:

Захоплення вхідним портом кадру, який передається розподіленим
середовищем, і запам'ятовування його в буферній пам'яті.

Аналіз МАС-адреси одержувача кадрів і пошук номера вихідного порту,
до якого під'єднаний сегмент адресата.

Передача кадру комутаційним вузлом у вихідний порт.

Отримання доступу до середовища і передавання кадру з вихідного
порту до сегмента адресата.

Кадри фільтруються цим способом в процесі їх надходження на вхідний порт комутатора. Описаний спосіб обробки кадрів характеризується високою надій­ністю та простотою реалізації. Однак він обумовлює затримку передавання кадру до іншого сегмента на час його повної буферизації та ймовірність переповнення буфера у разі великої інтенсивності трафіка.

За конвеєрним способом обробки кадрів кадр передається на вихідний порт без повної буферизації. Цей спосіб, який ще називають комутацією "на льоту", передбачає таку послідовність дій.

З надходженням на приймач вхідного порту перших байтів кадру даних ЕРР починає буферизувати їх, одночасно аналізує адресу призначення і звертається до адресної таблиці у своїй кеш-пам'яті. Якщо не знаходить цієї адреси у своїй пам'яті, то звертається до повної адресної таблиці системного модуля. Визначивши номер вихідного порта, до якого приєднаний адресат, ЕРР виконує необхідні перемикання комутаційного вузла і починає передавати у вихідний порт перші байти кадру. Вихідний порт починає записувати ці байти у свою пам'ять і пара­лельно добивається доступу до розподіленого середовища адресата. Отримавши доступ до середовища, починає передавати у нього перші байти кадру. Водночас перший порт продовжує буферизувати наступні байти кадру, які надходять на його приймач від їх джерела.

За високої швидкості і надійності передавання кадрів спосіб не забезпечує фільтрації некоректних кадрів.

Треба зазначити, що комутація "на льоту" можлива за умови, що швидкість обробки кадру комутатором на декілька порядків вища за швидкість передачі даних мережею.

Режими роботи комутаторів

Комутатори, як і мости, можуть працювати у прозорому режимі і в режимі з маршрутизацією від джерела кадрів.

Під час роботи у прозорому режимі комутатори визначають вихідний порт, до якого під'єднаний адресат, на основі аналізу адресної таблиці вхідного порту, або системного блока. В адресній таблиці містяться МАС-адреси станцій мережі і номери портів комутатора, за якими вони закріплені. МАС-адреси в адресній таб­лиці можуть задаватися адміністратором мережі або встановлюватися комутатором автоматично в процесі його навчання.

Навчання комутатора відбувається в процесі пасивного спостереження за трафіком, який циркулює між його портами. При цьому комутатор аналізує МАС-адреси відправників кадрів і позначає в адресній таблиці, з якого порту вони прибули. Отже, впродовж деякого проміжку часу таблиця виявиться заповненою і міститиме інформацію про МАС-адреси всіх комп'ютерів мережі.

Входи адресної таблиці, встановлені комутатором в процесі навчання, нази­ваються динамічними і мають обмежений термін дії. Якщо протягом відведеного проміжку часу кадри з цією МАС-адресою на вхід порту не надходять, то ця адреса вважається недійсною і з адресної таблиці стирається. Така процедура забезпечує

автоматичне реагування комутатора на переміщення станції з одного сегмента в інший.

Входи адресної таблиці, задані адміністратором мережі, називаються статич­ними і не мають обмеженого терміну дії. Використовуються, в основному, у мережах Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet.

Комутатори, які працюють у режимі з маршрутизацією від джерела кадрів, порт адресата визначають на основі аналізу спеціальної службової інформації, яку адаптер відправника вставляє в кадр. Такі комутатори не витрачають додаткового часу на пошук необхідної адреси в адресних таблицях і забезпечують вищу швидкість просування кадрів. Проте в мережах, де застосовуються комутатори з маршрутизацією від джерела кадрів, необхідно використовувати більш складні і дорогі адаптери кінцевих вузлів. Комутатори, які працюють в режимі з маршрутизацією від джерела кадрів, використовуються, в основному, в мережах Tokin Ring і FDDI.

Комутатори, які підтримують технології Ethernet, Token Ring і FDDI, можуть працювати, як правило, в комбінованому режимі.

Режими передавання кадрів

Комутатори можуть передавати кадри у напівдуплексному і повнодуп-лексному режимі.

Під час роботи у напівдуплексному режимі до портів комутатора можуть під'єднуватися як розподілені сегменти локальної мережі, побудованої на концент­раторах, так і адаптери кінцевих вузлів. Під час роботи у напівдуплексному режимі через кожний порт комутатора розділено в часі вводять або виводять кадри даних. Оскільки комутатори володіють функцією самонавчання і є прозорими для інших вузлів, то їх введення в мережу не вимагає додаткових дій, наприклад, конфігурації і т.п.

Введення комутаторів у працюючі в напівдуплексному режимі локальні мережі, особливо мережу на базі технології Ethernet, дозволяє, нічого не змінюючи в їх роботі, розвантажити магістралі та підвищити загальну продуктивність мережі.

У повнодуплексному режимі роботи до приймача і передавача порту комутатора під'єднуються відповідно передавач і приймач порту мережевого адаптера робочої станції або іншого комутатора. Під'єднання до портів комутатора мережевих адаптерів комп'ютерів називається мікросегментацією.

У повнодуплексному режимі роботи кожний порт комутатора може одно­часно передавати і приймати кадри. Очевидно, що мережевий адаптер комп'ютера

також повинен забезпечувати передачу кадрів у повнодуплексному режимі. Повнодуплексний режим роботи дозволяє базовим технологіям Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring і FDDI подвоїти швидкість передавання кадрів. Так, у повнодуплексному режимі роботи порти Ethernet забезпечують пере­давання кадрів із швидкістю 20 Мбіт/с - по 10 Мбіт/с у кожному напрямку, а порти FDDI - 200 Мбіт/с.

Сучасні мережеві адаптери можуть підтримувати обидва режими пере­давання даних, дотримуючись алгоритму доступу до середовища при під'єднанні до концентратора і забезпечуючи повнодуплексний режим під час роботи з комутатором без дотримання алгоритму доступу до середовища. Найчастіше в повнодуплексному режимі працюють комутатори, які з'єднані з іншими кому­таторами або з мережевими адаптерами серверів.