Архитектуры построения коммутаторов. Типы коммутаторов. Методы управления потоком передачи в коммутаторах.

Сетевой коммутатор (жарг. свитч от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узловкомпьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

Наиболее часто используются три типа функциональной структуры коммутаторов:

o С коммутационной матрицей;

o С общей шиной;

o С разделяемой многовходовой памятью.

Коммутаторы с коммуникационной матрицей за счет параллельной обработки быстро осуществляют взаимодействие портов. Однако число портов ограничено, так как сложность реализации коммутатора возрастает пропорционально квадрату числа портов. На рисунке (рис. 3) показана топология связей коммутационной матрицы.

Матрица может быть реализована на разных комбинационных схемах, но в любом случае в ее основе лежит технология коммутации физических каналов. Основным недостатком является невозможность буферизации данных внутри самой матрицы.

В коммутаторах с общей шиной используется высокоскоростная шина, предназначенная для связи процессоров портов. Связь портов через шину осуществляется в режиме разделения времени. В данном случае высокоскоростная шина играет пассивную роль. Активными являются специализированные процессоры портов. Для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть в несколько раз выше скорости поступления данных на входные порты. Для уменьшения задержек при передаче кадр должен передаваться по шине небольшими частями. Размер этих частей определяется производителем коммутатора. Шина, так же, как и коммутационная матрица не может осуществлять промежуточную буферизацию.

Третий тип коммутатора – коммутаторы с разделяемой многовходовой памятью. На рисунке (рис. 4) показана примерная схема коммутатора с разделяемой многовходовой памятью.

Входные блоки процессоров портов соединяются через переключатели входа с разделяемой памятью, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с памятью через переключатели выхода. Переключением входа и выхода разделяемой памяти заведует блок управления портами. Этот юлок организует в разделяемой памяти несколько очередей данных – по одной для каждого выходного порта. Выходные блоки процессоров передают блоку управления запросы на запись данных в очередь порта, который соответствует адресу назначения пакета. Блок управления портами по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей блок управления производит поочередное подключение выхода разделяемой многовходовой памяти к выходным портам и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.

Каждая из описанных архитектур имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому часто в функционально сложных коммутаторах комбинируются различные архитектуры.

Типы коммутаторов
Существует два основных типа коммутаторов: сквозные (cut- through) и с промежуточной буферизацией (store-and-forward). Сквозной коммутатор передает пакеты через соответствующий порт без дополнительной обработки, немедленно, как только они получены, считывая адрес целевой системы в заголовке протокола канального уровня. Коммутатор начинает передачу пакета, даже не дожидаясь завершения его приема. Как правило, в сквозных коммутаторах используется аппаратный компонент, состоящий из набора схем ввода- вывода, который позволяет данным поступать в коммутатор и покидать его через любой порт. Такие коммутаторы называются еще матричными (matrix) или координатными (crossbar). Они относительно недороги и сводят к минимуму так называемое время ожидания (latency), т. е. вре­мя, затрачиваемое коммутатором на обработку пакетов.
Коммутатор с промежуточной буферизацией дожидается заверше­ния приема пакета и лишь потом отправляет его по назначению. Раз­личают коммутаторы с общей памятью (shared-memoryswitch), т. е. с общим буфером для хранения данных всех портов, и коммутаторы с шиной (busarchitectureswitch) — с отдельными буферами для каждого порта, соединенными шиной. Пока пакет хранится в буферах, ком­мутатор пользуется этой возможностью, чтобы проверить данные, вычислив их код CRC. Кроме того, коммутатор отслеживает появле­ние других проблем, присущих конкретному протоколу канального уровня, которые приводят к формированию дефектных кадров, на сленге именуемых коротышками (runt), гигантами (giant) и тарабар­щиной (jabber). Эта проверка, естественно, увеличивает время ожида­ния, а дополнительные функции повышают стоимость коммутаторов с промежуточным хранением по сравнению со сквозными.

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПАКЕТОВ

мутацией.

При сквозной коммутации (называемой также коммутацией на лету и коммутацией без промежуточной буферизации) коммутатор считывает только адрес поступающего пакета. Пакет передается далее вне зависимости от отсутствия или наличия в нем ошибок. Это позволяет значительно сократить время обработки пакета, так как читаются только несколько первых байт. Поэтому определять дефектные пакеты и запрашивать их повторную передачу должна принимающая сторона. Однако современные кабельные системы достаточно надежны, так что необходимость в повторной передаче во многих сетях минимальна. Тем не менее никто не застрахован от ошибок в случае повреждения кабеля, неисправности сетевой платы или помех от внешнего электромагнитного источника.

При коммутации с промежуточной буферизацией коммутатор, получая пакет, не передает его дальше, пока не прочтет полностью, или во всяком случае не прочтет всю необходимую ему информацию. Он не только определяет адрес получателя, но и проверяет контрольную сумму, т. е. может отсекать дефектные пакеты. Это позволяет изолировать порождающий ошибки сегмент. Таким образом, коммутация с промежуточной буферизацией делает упор на надежность, а не на скорость.

Помимо двух вышеперечисленных, некоторые коммутаторы используют гибридный метод. В обычных условиях они осуществляют сквозную коммутацию, но при этом следят за числом ошибок посредством проверки контрольных сумм. Если число ошибок достигает заданного порогового значения, они переходят в режим коммутации с промежуточной буферизацией. При снижении числа ошибок до приемлемого уровня они возвращаются в режим сквозной коммутации. Такой тип коммутации называется пороговой или адаптивной коммутацией.