Характеристики производительности коммутаторов

Скорости фильтрации и продвижения кадров — две основные характеристики произво­дительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.

Скорость фильтрации — это скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

1. Прием кадра в свой буфер.

2. Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра.

3. Уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту.

Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов блокирующим фактором не яв­ляется — коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.

Скорость продвижения — это скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров.

1. Прием кадра в свой буфер.

2. Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра.

3. Передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в се­кунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров мини­мального размера, то есть кадров длиной 64 байт. Как мы уже обсуждали, режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен подтвердить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика.

Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода перво­го байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байтов кадра, и времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором — просмотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продвижении, получение доступа к среде выходного порта. Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров — от 50 до 200 мкс для кадров минимальной длины при передаче со скоростью 10 Мбит/с. Коммутаторы, под­держивающие более скоростные версии Ethernet, вносят меньшие задержки в процесс продвижения кадров.

Производительность коммутатора определяется количеством пользовательских дан­ных, переданных в единицу времени через его порты, и измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательски­ми данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров Ethernet. Максимальное значение производительности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информа­цию кадра минимальна. Коммутатор — это многопортовое устройство, поэтому для него в качестве характеристики принято давать максимальную суммарную производительность при одновременной передаче трафика по всем его портам.

Еще одной важной конструктивной характеристикой коммутатора является максимальная емкость адресной таблицы. Она определяет предельное количество МАС-адресов, которыми может одновременно оперировать коммутатор.

Для выполнения операций каждого порта в коммутаторах чаще всего используется вы­деленный процессорный блок со своей памятью для хранения собственного экземпляра адресной таблицы. Каждый порт хранит только те наборы адресов, с которыми он работал в последнее время, поэтому экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей, как правило, не совпадают.

Значение максимального числа MAC-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 кадре, процессор должен удалить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимает у процессора часть времени, но главные потери производительности наблюдаются при поступлении кадра с адресом назначения, кото­рый пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, коммутатору приходится передавать этот кадр на все остальные порты. Некоторые про­изводители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом^[45]. Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору (при иерархическом соединении коммута­торов в крупной сети), который имеет достаточную емкость адресной таблицы и «знает», куда можно передать любой кадр.

Скоростные версии Ethernet

Скорость 10 Мбит/с первой стандартной версии Ethernet долгое время удовлетворяла по­требности пользователей локальных сетей. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet, так как скорость обмена с сетью стала существенно меньше скорости внутренней шины компьютера. Кроме того, начали по­являться новые мультимедийные приложения, гораздо более требовательные к скорости сети, чем их текстовые предшественники. В поисках решения проблемы ведущие произ­водители сетевого оборудования начали интенсивные работы по повышению скорости Ethernet при сохранении главного достоинства этой технологии — простоты и низкой стоимости оборудования.

Результатом стало появление новых скоростных стандартов Ethernet: Fast Ethernet (скорость 100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, или 1 Гбит/с) и 10G Ethernet (10 Гбит/с). На время написания этой книги два новых стандарта — 40G Ethernet и 100G Ethernet — находились в стадии разработки, обещая следующее десятикратное превышение верхней границы производительности Ethernet.

Разработчикам новых скоростных стандартов Ethernet удалось сохранить основные чер­ты классической технологии Ethernet и, прежде всего, простой способ обмена кадрами без встроенных в технологию сложных контрольных процедур. Этот фактор оказался решающим в соревновании технологий локальных сетей, так как выбор пользователей всегда склонялся в пользу простого наращивания скорости сети, а не в пользу решений, связанных с более эффективным расходованием той же самой пропускной способности с помощью более сложной и дорогой технологии. Примером такого подхода служит пере­ход с оборудования Fast Ethernet на Gigabit Ethernet вместо перехода на оборудование ATM со скоростью 155 Мбит/с. Несмотря на значительную разницу в пропускной способ­ности (1000 Мбит/с против 155 Мбит/с), оба варианта обновления сети примерно равны по степени положительного влияния на «самочувствие» приложений, так как Gigabit Ethernet достигает нужного эффекта за счет равного повышения доли пропускной спо­собности для всех приложений, a ATM перераспределяет меньшую пропускную способ­ность более тонко, дифференцируя ее в соответствии с потребностями приложений. Тем не менее пользователи предпочли не вдаваться в детали и тонкости настройки сложного оборудования, когда можно просто применить знакомое и простое, но более скоростное оборудование Ethernet.

Значительный вклад в «победу» Ethernet внесли также коммутаторы локальных сетей, так как их успех привел к отказу от разделяемой среды, где технология Ethernet всегда была уязвимой из-за случайного характера метода доступа. Начиная с версии 10G Ethernet, раз­работчики перестали включать вариант работы на разделяемой среде в описание стандарта. Коммутаторы с портами Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Etherhet работают по одному и тому же алгоритму, описанному в стандарте IEEE 802.1D. Возможность комбинировать порты с различными скоростями в диапазоне от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с делает коммута­торы Ethernet гибкими и эффективными сетевыми устройствами, позволяющими строить разнообразные сети.

Повышение скорости работы Ethernet было достигнуто за счет улучшения качества кабе­лей, применяемых в компьютерных сетях, а также совершенствования методов кодирова­ния данных при их передаче по кабелям, то есть за счет совершенствования физического уровня технологии.

Fast Ethernet

История создания

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров тех­нологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовала некоммерческое объеди­нение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была обеспечить резкое повышение производительности при максимально возможном сохранении особенностей технологии Ethernet.

В комитете 802 института IEEE в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложен­ную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения метода случайного доступа CSMA/CD. Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преем­ственность и согласованность сетей со скоростями 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция HP и AT&T, которая заручилась поддержкой значительно меньшего числа производителей в се­тевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный приоритетным доступом по требованию (demand priority). Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3; для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3и, который не является самостоя­тельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию 100VG-AnyLAN, в которой использовался приоритетный доступ по требованию и поддерживались кадры двух фор­матов — Ethernet и Token Ring.

Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN в первые месяцы своего существования рас­сматривались как равные соперники, но очень скоро стало ясно, что пользователи предпо­читают более простую и знакомую технологию Fast Ethernet. Вскоре технология 100VG- AnyLAN прекратила свое существование; немаловажным фактором этого стал и переход локальных сетей на полностью коммутируемые версии, сводящий «на нет» преимущества более совершенного метода доступа технологии 100VG-AnyLAN.