Полнодуплексные протоколы локальных сетей

Технология коммутации сама по себе не имеет непосредственного отношении к методу доступа к среде, который используется портами коммутатора. Пря 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.

В обычном режиме работы порт коммутатора по-прежнему распознает коллизии. Доменом коллизий в этом случае будет участок сети, включающий передатчик коммутатора, приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера компьютера, приемник сетевого адаптера компьютера и две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками.

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что изображенный на рисунке сегмент свободен. Правда, вероятность коллизии в таком сегменте гораздо меньше, чем в сегменте, состоящем из 20-30 узлов, но она не нулевая

В 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 своей скоростью одновременно в каждом направлении.

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

Управление потоком кадров (проблема переполнения выходного буфера)

Трафик неравномерно распределяется между выходными портами коммутатора, легко представить ситуацию, когда в какой-либо выходной порт будет направляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протокольный максимум.

На рис. … изображена как раз такая ситуация, когда в порт 3 коммутатора направляется трафик от портов 1,2,4 и 6. Естественно, что когда кадры поступают в буфер порта со скоростью превышающей скорость ухода, то внутренний буфер выходного порта начинает неуклонно заполняться необработанными кадрами. Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то момент времени обязательно переполнится. Для того чтобы избежать потери кадров необходимо заставить узлы, которые шлют кадры вызывающие переполнение, прекратить их передачу. При этом нельзя менять существующие протоколы работы оборудования на физическом и канальном уровне.

Рисунок 4‑11. Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика

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. Эта возможность основана на воздействии порта на конечный узел с помощью механизмов алгоритма доступа к среде, который конечный узел обязан отрабатывать. Т.е. каждый входной порт оказывает воздействие на узел находящийся в сегменте, который к нему подключен.

Обычно применяются два основных способа управления потоком кадров — обратное давление на конечный узел и агрессивный захват среды.

Метод обратного давления (backpressure) состоит в создании искусственных коллизий в сегменте, который чересчур интенсивно посылает кадры в коммутатор. Для этого коммутатор обычно использует специальную последовательность (jam-последовательность), отправляемую в выход порта, к которому подключен сегмент (или узел), чтобы приостановить его активность. Т.е. в ответ на передачу узлом своего кадра коммутатор сразу начинает свою передачу, которая вызывает коллизию и тем самым прерывает передачу узла.

Второй 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. Т.е. коммутатор сам начинает передачу нового кадра после передачи предыдущего, не дожидаясь окончания технологической паузы. Компьютер не может захватить среду, так как он выдерживает стандартную паузу и обнаруживает после этого, что среда уже занята.

Если коммутатор работает в полнодуплексном режиме, то уже не существует возможности воздействовать на узел с помощью механизмов доступа к разделяемой среде, и протокол работы конечных узлов, и его портов должен меняется. В соответствии со стандартом IEEE 802.3x для поддержки полнодуплексного режима работы коммутаторов протоколы взаимодействия узлов были модифицированы, путем встраивания в них явного механизма управления потоком кадров.

Процедура управления потоком кадров в полнодуплексном режиме подразумевает две команды — «Приостановить передачу» и «Возобновить передачу», которые направляются от порта коммутатора узлу. Эти команды реализуются на уровне символов кодов физического уровня, таких как 4В/5В, а не на уровне команд, оформленных в специальные управляющие кадры. (Напомним, что в результате логического кодирования 4В/5В мы получаем 16 «запрещенных» 5 битных символов, которые не могут использоваться для передачи данных, среди этих запрещенных символов и выбираются указанные две команды.) Сетевой адаптер или порт коммутатора поддерживающий стандарт 802.3х и получивший команду «Приостановить передачу», должен прекратить передавать кадры впредь до получения команды «Возобновить передачу».

Конструкции коммутаторов

В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем:

· коммутационная матрица;

· разделяемая многовходовая память;

· общая шина.

Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.