Маркерный метод доступа к разделяемой среде

Маркерный метод доступа к разделяемой среде

 

В сетях с маркерным методом доступа (а к ним, кроме сетей Token Ring, относятся сети FDDI, а также сети, близкие к стандарту 802.4, — ArcNet, сети производствен­ного назначения MAP) право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими сосед­ние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркули­рует кадр специального формата и назначения — маркер. В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции — той, которая является предыдущей в кольце. Такая станция называется ближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку (данных) — Nearest Active Upstream Neighbor, NAUN. Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближай­шему соседу вниз по потоку данных.

Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Рис. 3.14. Принцип маркерного доступа

 

Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копиру­ет кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения при­ема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с., описанных в стандарте 802.5.

На рис. 3.14 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3. После прохождения станции, назначения 3 в пакете А устанавливаются два признака: признак распознавания адреса и признак копиро­вания пакета в буфер (что на рисунке отмечено звездочкой внутри пакета). После возвращения пакета в станцию 1 отправитель распознает свой пакет по адресу источника и удаляет пакет из кольца. Установленные станцией 3 признаки, говорят станции-отправителю о том, что пакет дошел до адресата и, был успешно скопиро­ван им в свой буфер.

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается време­нем удержания маркера (token holding time), после истечения, которого станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается за­вершить) и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания маркера. Обычно время удержания марке­ра по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с. он обычно равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с — 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания маркера станция должна успеть передать хотя бы один кадр. При скорости 4 Мбит/с. за время 10 мс можно передать 5000 байт, а при скорости 16 Мбит/с — соответственно 20 000 байт. Мак­симальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с. используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по коль­цу одновременно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее, свои кад­ры в каждый момент времени может генерировать только одна станция — та, которая в данный момент владеет маркером доступа. Остальные станции в это время толь­ко повторяют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохра­няется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

Для различных видов сообщений, передаваемым кадрам, могут назначаться различ­ные приоритеты: от 0 (низший) до 7 (высший). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция (протокол Token Ring получает этот параметр через межуровневые интерфейсы от протоколов верхнего уровня, например при­кладного). Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Стан­ция имеет право захватить переданный ей маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше (или равен) приоритета маркера. В против­ном случае станция обязана передать маркер следующей по кольцу станции.

За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного вре­мени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер.

Форматы кадров Token Ring

 

В Token Ring существуют три различных формата кадров:

• маркер;

• кадр данных;

• прерывающая последовательность.

Маркер

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт.

• Начальный ограничитель (Start Delimiter, SD) появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет собой следующую уникальную последовательность символов манчестерского кода: JK0JK000. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой бито­вой последовательностью внутри кадра.

• Управление доступом (Access Control) состоит из четырех подполей: РРР, Т, М и RRR, где РРР — биты приоритета, Т — бит маркера, М — бит монитора, RRR — резервные биты приоритета. Бит Т, установленный в 1, указывает на то, что данный кадр является маркером доступа. Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором и в 0 любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор видит маркер или кадр, содержащий бит монито­ра со значением 1, то активный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и не был обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то активный монитор передает его даль­ше по кольцу. Использование полей приоритетов будет рассмотрено ниже.

• Конечный ограничитель (End Delimiter, ED) — последнее поле маркера. Так же как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную последо­вательность манчестерских кодов JK1JK1, а также два однобитовых признака, I и Е. Признак I (Intermediate) показывает, является ли кадр последним в серии кадров (1=0) или промежуточным (1=1). Признак Е (Error) — это признак ошиб­ки. Он устанавливается в 0 станцией-отправителем, и любая станция кольца, через которую проходит кадр, должна установить этот признак в 1, если она обнаружит ошибку по контрольной сумме или другую некорректность кадра.

Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — оптоволоконный интерфейс распределенных данных — это первая технология локальных сетей, в которой сре­дой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Работы по созданию технологий и устройств, для использования волоконно-оптических каналов в ло­кальных сетях начались в 80-е годы, вскоре после начала промышленной эксплуа­тации подобных каналов в территориальных сетях. Проблемная группа ХЗТ9.5 института ANSI разработала в период с 1986 по 1988 гг. начальные версии стандар­та FDDI, который обеспечивает передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с. по двой­ному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км.

Многомодовый кабель

Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт определяет применение излучателей, ра­ботающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работа­ющие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Однако возможность удешевления чрезвычайно важ­на для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet.

Для многомодового оптоволокна стандарт 802.3z определил спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX.

В первом случае используется длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength, короткая волна), а во втором — 1300 нм (L — от Long Wavelength, длинная волна).

Для спецификации 1000Base-SX предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 оставляет 220 м, а для кабеля 50/125 — 500 м. Очевидно, что эти максимальные значения могут достигаться только для полнодуплексной пере­дачи данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках 220 м рав­но 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов опто­волоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м. Приведенные расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для худшего по стандарту случая полосы пропускания многомодового кабеля, находящегося в пределах от 160 до 500 МГц/км. Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими характеристиками, находящимися между 600 и 1000 МГц/км. В этом случае можно увеличить длину кабеля до при­мерно 800 м.

Одномодовый кабель

Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применя­ется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм.

Основная область применения стандарта 1000Base-LX — это одномодовое опто­волокно. Максимальная длина кабеля для одномодового волокна равна 5000 м.

Спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим — 550 м. Это связано с особенностями распространения когерентного света в широком канале многомодово­го кабеля. Для присоединения лазерного трансивера к многомодовому кабелю не­обходимо использовать специальный адаптер.

Твинаксиальный кабель

В качестве среды передачи данных используется высококачественный твинакси-альный кабель (Twinax) с волновым сопротивлением 150 Ом (2х75 Ом). Данные посылаются одновременно по паре проводников, каждый из которых окружен эк­ранирующей оплеткой. При этом получается режим полудуплексной передачи. Для обеспечения полнодуплексной передачи необходимы еще две пары коаксиальных проводников. Начал выпускаться специальный кабель, который содержит четыре; коаксиальных проводника — так называемый Quad-кабель. Он внешне напоминает кабель категории 5 и имеет близкий к нему внешний диаметр и гибкость. Максимальная длина твинаксиального сегмента составляет всего 25 метров, поэтому это решение подходит для оборудования, расположенного в одной комнате.

 

13.7.4. Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

 

Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с. было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля (так же, как и в технологии 100VG-AnyLAN). Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Ярднако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное использование четырех пар на первый взгляд лишает сеть возможность распознавать колизии.

На оба эти вопроса комитет 802.3аЬ нашел ответы.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остаётся запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комби­наций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для (Того требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения пра­вильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима разработчики спецификации 802-ЗаЬ применили технику, используемую при организа­ции дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих на встречу передатчиков, по диапазону частот, оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 3.26). Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использо­вать одновременно витую пару и для приема и для передачи (так же, как и в трансиверах коаксиального Ethernet).

Рис. 3.26. Двунаправленная передача по четырем парам UTP категории 5

 

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычи­тает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP (Digital Signal Processor). Такая техника уже про­шла проверку практикой, но в модемах и сетях ISDN она применялась совсем на других скоростях.

При полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных счи­тается коллизией, а для полнодуплексного режима работы — нормальной ситуацией.

Ввиду того, что работы по стандартизации спецификации Gigabit Ethernet на неэкранированной витой паре категории 5 подходят к концу, многие производите­ли и потребители надеются на положительный исход этой работы, так как в этом случае для поддержки технологии Gigabit Ethernet не нужно будет заменять уже установленную проводку категории 5 на оптоволокно или проводку категории 7.

Выводы

• Технология Gigabit Ethernet добавляет новую, 1000 Мбит/с., ступень в иерар­хии скоростей семейства Ethernet. Эта ступень позволяет эффективно строить крупные локальные сети, в которых мощные серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль Gigabit Ethernet объединяет их, обеспечивая достаточно большой запас пропускной способности.

• Разработчики технологии Gigabit Ethernet сохранили большую степень преем­ственности с технологиями Ethernet и Fast Ethernet. Gigabit Ethernet использует те же форматы кадров, что и предыдущие версии Ethernet, работает в полно­дуплексном и полудуплексном режимах, поддерживая на разделяемой среде тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями.

• Для обеспечения приемлемого максимального диаметра сети в 200 м в полу­дуплексном режиме разработчики технологии пошли на увеличение минималь­ного размера кадра с 64 до 512 байт. Разрешается также передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду, на интервале 8096 байт, тогда кадры не обязательно дополнять до 512 байт. Остальные параметры метода доступа и максимального размера кадра остались неизменными.

• Летом 1998 года был принят стандарт 802.3z, который определяет использование в качестве физической среды трех типов кабеля: многомодового оптоволоконного (расстояние до 500 м), одномодового оптоволоконного (расстояние до 5000 м) и двойного коаксиального (twinax), по которому данные передаются одновременно по двум медным экранированным проводникам на расстояние до 25 м.

• Для разработки варианта Gigabit Ethernet на UTP категории 5 была создана специальная группа 802.3ab, которая уже разработала проект стандарта для ра­боты по 4-м парам UTP категории 5. Принятие этого стандарта ожидается в ближайшее время.

Вопросы и упражнения

Поясните разницу между расширяемостью и масштабируемостью на примере технологии Ethernet.

2. Что такое коллизия:

• (А) ситуация, когда станция, желающая передать пакет, обнаруживает, что в данный момент другая станция уже заняла передающую среду;

• (В) ситуация, когда две рабочие станции одновременно передают данные в разделяемую передающую среду.

3. Что такое домен коллизий? Являются ли доменами коллизий фрагменты сети, показанные на рис. 3.27?

4. В чем состоят функции преамбулы и начального ограничителя кадра в стан­дарте Ethernet?

5. Какие сетевые средства осуществляют jabber control?

6. Чему равны значения следующих характеристик стандарта lOBase-5:

• номинальная пропускная способность (бит/с);

• эффективная пропускная способность (бит/с);

• пропускная способность (кадр/с);

• внутрипакетная скорость передачи (бит/с);

• межбитовый интервал (с).

7. Чем объясняется, что минимальный размер кадра в стандарте 10Base-5 был вы­бран равным 64 байт?

Рис. 3.27. Домены коллизий

8. Поясните смысл каждого поля кадра Ethernet.

9. Как известно, имеются 4 стандарта на формат кадров Ethernet. Выберите из ниже приведенного списка названия для каждого из этих стандартов. Учтите, что некоторые стандарты имеют несколько названий:

• Novell 802.2;

• Ethernet II;

• 802.3/802.2

• Novell 802.3;

• Raw 802.3;

• Ethernet DIX;

• 802.3/LLC;

• Ethernet SNAP.

10. Что может произойти в сети, в которой передаются кадры Ethernet разных форматов?

11. При каких типах ошибок в сети Ethernet концентратор обычно отключает порт?

12. Как величина MTU влияет на работу сети? Какие проблемы несут слишком длинные кадры? В чем состоит неэффективность коротких кадров?

13. Как коэффициент использования влияет на производительность сети Ethernet?

14. Если один вариант технологии Ethernet имеет более высокую скорость пере­дачи данных, чем другой (например, Fast Ethernet и Ethernet), то какая из них поддерживает большую максимальную длину сети?

15. Из каких соображений выбрана максимальная длина физического сегмента в стандартах Ethernet?

6. Проверьте корректность конфигурации сети Fast Ethernet, приведенной на рис. 3.28.

Рм. 3.28. Пример конфигурации сети

17. Укажите максимально допустимые значения MTU для:

• Ethernet;

• Token Ring;

• FDDI;

• АТМ.

18. Опишите алгоритм доступа к среде технологии Token Ring.

19. Из каких соображений выбирается максимальное время оборота маркера по кольцу?

20. Если бы вам пришлось выбирать, какую из технологий — Ethernet или Token Ring — использовать в сети вашего предприятия, какое решение вы бы приня­ли? Какие соображения привели бы в качестве обоснования этого решения?

21. В чем состоит сходство и различие технологий FDDI и Token Ring?

22. Какие элементы сети FDDI обеспечивают отказоустойчивость?

23. Технология FDDI является отказоустойчивой. Означает ли это, что при любом однократном обрыве кабеля сеть FDDI будет продолжать нормально работать?

24. К каким последствиям может привести двукратный обрыв кабеля в кольце FDDI?

25. Что общего в работе концентратора 100VG-AnyLAN и обычного моста?

26. Какие из ниже перечисленных пар сетевых технологий совместимы по форматам кадров и, следовательно, позволяют образовывать составную сеть без необходимости транслирования кадров:

• (А) FDDI - Ethernet;

• (В) Token Ring - Fast Ethernet;

• (С) Token Ring - 100VG-AnyLAN;

• (D) Ethernet - Fast Ethernet;

• (E) Ethernet - 100VG-AnyLAN;

• (F) Token Ring - FDDI.

27. Из-за увеличения пропускной способности минимальный размер кадра в Gigabit Ethernet пришлось увеличить до 512 байт. В тех случаях, когда передаваемые данные не могут полностью заполнить поле данных кадра, оно дополняется до необходимой длины неким «заполнителем», который не несет полезной ин­формации. Что предпринято в Gigabit Ethernet для сокращения накладных расходов, возникающих при передаче коротких данных?

28. С чем связано ограничение, известное как «правило 4-х хабов»?

 

 

 

Построение локальных сетей по стандартам физического и канального уровней

В данной главе рассматриваются вопросы, связанные с реализацией рассмотрен­ных выше протоколов физического и канального уровней в сетевом коммуникаци­онном оборудовании. Хотя на основе оборудования только этого уровня трудно построить достаточно крупную корпоративную сеть, именно кабельные системы, сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и коммутаторы представляют наиболее массовый тип сетевых устройств.

За исключением кабельной системы, которая является протокольно независи­мой, устройство и функции коммуникационного оборудования остальных типов существенно зависят от того, какой конкретно протокол в них реализован. Концентратор Ethernet устроен не так, как концентратор Token Ring, а сетевой адаптер hfddi не сможет работать в сети Fast Ethernet. С другой стороны, даже в рамках одной технологии оборудование разных производителей может заметно отличаться друг от друга. В этой главе будут рассмотрены наиболее типичные варианты реализации основных и дополнительных устройств физического и канального уровней.

Сетевые адаптеры

Концентраторы

Отключение портов

Очень полезной при эксплуатации сети является способность концентратора отключить некорректно работающие порты, изолируя тем самым остальную часть сети от возникших в узле проблем. Эту функцию называют автосегментацией (autopartitioning). Для концентратора FDDI эта функция для многих ошибочных функций является основной, так как определена в протоколе. В то же время для концентратора Ethernet или Token Ring функция автосегментации для многих ситуаций является дополнительной, так как стандарт не описывает реакцию концентратора на эту ситуацию. Основной причиной отключения порта в стандартах Ethernet и Fast Ethernet является отсутствие ответа на последовательность импульсов link test, посылаемых во все порты каждые 16 мс. В этом случае неисправ­ный порт переводится в состояние «отключен», но импульсы link test будут про­должать посылаться в порт с тем, чтобы при восстановлении устройства работа с ним была продолжена автоматически.

Рассмотрим ситуации, в которых концентраторы Ethernet и Fast Ethernet вы­полняют отключение порта.

• Ошибки на уровне кадра. Если интенсивность прохождения через порт кадров имеющих ошибки, превышает заданный порог, то порт отключается, а затем при отсутствии ошибок в течение заданного времени, включается снова. Такими ошибками могут быть: неверная контрольная сумм, неверная длина кадра (больше 1518 байт или меньше 64 байт), неоформленный заголовок кадра.

• Множественные коллизии. Если концентратор фиксирует, что источником кол­лизии был один и тот же порт 60 раз подряд, то порт отключается. Через неко­торое время порт снова будет включен.

• Затянувшаяся передача (jabber). Как и сетевой адаптер, концентратор контро­лирует время прохождения одного кадра через порт. Если это время превышает время передачи кадра максимальной длины в 3 раза, то порт отключается.

Поддержка резервных связей

Так как использование резервных связей в концентраторах определено только в стандарте FDDI, то для остальных стандартов разработчики концентраторов под­держивают такую функцию с помощью своих частных решений. Например, кон­центраторы Ethernet/Fast Ethernet могут образовывать только иерархические связи без петель. Поэтому резервные связи всегда должны соединять отключенные пор­ты, чтобы не нарушать логику работы сети. Обычно при конфигурировании кон­центратора администратор должен определить, какие порты являются основными, а какие по отношению к ним — резервными (рис. 4.7). Если по какой-либо причине порт отключается (срабатывает механизм автосегментации), концентратор делает активным его резервный порт.

Рис. 4.7. Резервные связи между концентраторами Ethernet

В некоторых моделях концентраторов разрешается использовать механизм на­значения резервных портов только для оптоволоконных портов, считая, что нужно резервировать только наиболее важные связи, которые обычно выполняются на оптическом кабеле. В других же моделях резервным можно сделать любой порт.

 

Принципы работы мостов

Коммутаторы локальных сетей

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 фирмой Kalpana, представлена на рис. 4.23.

Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet — ЕРР (Ethernet Packet Processor). 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 работает 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.

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

Системный модуль
Управление	Многозадачное ядро

 

Рис. 4.23. Структура коммутатора EtherSwitch компании Ка1рапа

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.

Если 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.

После 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 байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 4.24).

При 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.

Рис. 4.24. Передача кадра через коммутационную матрицу

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил названиe 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. 4.25).

1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт 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 байт кадра процессором входного порта.

5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 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 приведенном на рис. 4.25, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

Рис. 4.25. Экономия времени при конвейерной обработке кадра:

о - конвейерная обработка;

б— обычная обработка с полной буферизацией

 

Однако главной причиной повышения производительности сети при использо­вании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Этот эффект иллюстрирует рис. 4.26. На рисунке изображена идеальная в отно­шении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/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 график даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведен­ном примере составит 4х10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N пор­тов — (N/2)xl0 Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изоб­ражена на рис. 4.26. 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, это его высокая производительность, то раз­работчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокируюгщю (non-blocking) модели коммутаторов.

1—4 — потоки кадров между компьютерами

Рис. 4.26. Параллельная передача кадров коммутатором

 

Неблокирующий 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 течении 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, естествено, 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. Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необходимо выполнение достаточно простого условия:

| Ck=(SCpi,)/2,

где Ck — производительность коммутатора, Cpi — 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 подержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт работает в полудуплексном режиме, например Ethernet 10 Мбит/с, то производительность порта Cpi равна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его Cpi будет составлять 20 Мбит/с.

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

портах на максимальной скорости протоколов, независимо от того, обеспечивают­ся ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным графиком. 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:

Ck = SCpi.

Первый 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 повышения 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. Эти коммутаторы 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.