Комутатори (Switches)

Зменшення числа вузлів в мережі називається сегментацією. Вона здійснюється за рахунок поділу великої мережі на менші частини - сегменти. Оскільки користувачам, як правило, необхідно мати доступ до ресурсів всіх сегментів, потрібні механізми забезпечення міжсегментного обміну з досить високою швидкістю. Пристрої, які називаються комутаторами, надають такі можливості.

Комутатори подібно мостам і маршрутизаторам здатні сегментувати мережі. Як і багатопортові мости, комутатори передають пакети між портами на основі адреси одержувача, яка включена до кожного пакета. Реалізація комутаторів звичайно відрізняється від мостів у частині можливості організації одночасних з'єднань між будь-якими парами портів пристрою - це значно розширює сумарну пропускну здатність мережі. Більше того, мости у відповідності із стандартом IEEE 802.1d, повинні прийняти весь пакет до того моменту, як він почне передаватись адресату, а комутатори можуть почати передачу пакета, не прийнявши його повністю.

Технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana у 1990 році у відповідь на зростаючі потреби у підвищенні пропускної здатності зв'язків високопродуктивних серверів із сегментами робочих станцій.

Віртуальні з'єднання. Комутатор Ethernet підтримує внутрішню таблицю, яка зв'язує порти з адресами підключених до них пристроїв. Цю таблицю адміністратор мережі може створити самостійно або задати її автоматичне створення засобами комутатора.

Використовуючи таблицю адрес і адресу одержувача, що міститься в пакеті, комутатор організує віртуальне з'єднання порту відправника з портом одержувача і передає пакет через це з'єднання. На Рис.1.1 вузол А посилає пакет вузлу D. Знайшовши адресу одержувача у своїй внутрішній таблиці, комутатор передає пакет у порт 4.

Рис.1.1 Віртуальне з’єднання

Віртуальне з'єднання між портами комутатора зберігається на час передачі одного пакета, тобто для кожного пакета віртуальне з'єднання організується знову на основі адреси, що міститься в даному пакеті.

Оскільки пакет передається тільки в той порт, до якого підключений адресат, інші користувачі (у нашому прикладі - B і C) не отримають цей пакет. Таким чином, комутатори забезпечують засоби безпеки, недоступні для стандартних повторювачів Ethernet.

Рис.1.2 Одночасні з’єднання

Одночасні з'єднання. У комутаторах Ethernet передача даних між будь – якими парами портів відбувається незалежно і, отже, для кожного віртуального з'єднання виділяється вся смуга перепускання каналу. Наприклад, комутатор 10 Mбіт/с на Рис.1.2 забезпечує одночасну передачу пакета з A в D і з порту B порт C зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з'єднання.

Оскільки для кожного з'єднання дається смуга 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність комутатора в наведеному прикладі складає 20 Mбіт/с. Якщо дані передаються між великим числом пар портів, інтегральна смуга відповідно розширюється. Наприклад, 24 портовий комутатор Ethernet може забезпечувати інтегральну пропускну здатність до 120 Mбіт/с при одночасній організації 12 з'єднань зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з них. Теоретично, інтегральна смуга комутатора росте пропорційно числу портів. Однак, в реальності швидкість пересилання пакетів, що вимірюється в Mбіт/с, менша ніж сумарна смуга пар портів за рахунок так званого внутрішнього блокування. Для комутаторів високого класу блокування незначно знижує інтегральну перепускну смугу пристрою.

Комутатор Ethernet 10Mбіт/с може забезпечити високу перепускну здатність за умови організації одночасних з'єднань між усіма парами портів. Однак, реально трафік звичайно являє собою ситуацію "один до багатьох" (наприклад, безліч користувачів мережі звертається до ресурсів одного сервера). У таких випадках перепускна здатність комутатора в нашому прикладі не буде перевищувати 10 Mбіт/с і комутатор не забезпечить істотної переваги в порівнянні зі звичайним концентратором (повторювачем) з точки зору режиму, що розглядається.

На рис.1.3 три вузли A, B і D передають дані вузлу C. Комутатор зберігає пакети від вузлів A і B у своїй пам'яті доти, доки не завершиться передача пакета з вузла D. Після завершення передачі цього пакета комутатор починає передавати пакети від вузлів А та В, які зберігаються в пам’яті.

Рис.1.3 Варіант блокування

У даному випадку перепускна здатність комутатора визначається смугою каналу C (у даному випадку 10 Mбіт/с). Описана в даному прикладі ситуація є іншим варіантом блокування.

Продуктивність комутатора. Іншим важливим параметром комутатора є його продуктивність. В якості характеристик продуктивності використовують такі показники:

1.Швидкість передачі між портами.

2.Загальна перепускна здатність.

3.Затримка.

Швидкість передачі між портами. При смузі 10Mбіт/с Ethernet може передавати 14880 пакетів мінімального розміру (64 байта)в секунду (PPS). Цей параметр (PPS) визначається властивостями середовища. Комутатор, що здатний забезпечити швидкість 14880 PPS між портами, цілком використовує можливості середовища. Смуга перепускання середовища є важливим параметром, оскільки комутатор, що забезпечує передачу пакетів з такою швидкістю, цілком використовує можливості середовища, надаючи користувачам максимальну смугу.

Загальна перепускна здатність. Вимірювана в Mбіт/с або PPS, загальна перепускна здатність характеризує максимальну швидкість, з якою пакети можуть передаватися через комутатор адресатам. В комутаторах, усі порти яких мають смугу 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність дорівнює швидкості порту, помноженої на число віртуальних з'єднань, що можуть існувати одночасно (це число портів комутатора, поділене на 2). Комутатор, здатний забезпечувати максимальну швидкість передачі, не має внутрішнього блокування.

Затримка. Затримка - це проміжок часу між отриманням пакета від відправника і передачею його адресату. Звичайно затримку вимірюють щодо першого біта пакета.

Комутатори Ethernet можуть забезпечувати дуже низьку затримку після того, як буде визначений адресат. Оскільки адреса одержувача розміщається на початку пакета, передачу можна почати до того, як пакет буде цілком прийнятий від відправника. Такий метод називається комутацією на льоту (cut-through) і забезпечує мінімальну затримку. Мала затримка важлива, оскільки з нею безпосередньо пов'язана продуктивність комутатора. Але метод комутації на льоту не перевіряє пакети на предмет помилок При такому методі комутатор передає всі пакети (навіть ті, які містять помилки). Наприклад, при виникненні колізії після початку передачі пакета (адреса вже отримана) отриманий фрагмент все одно буде переданий адресату. Передача таких фрагментів займає частину смуги каналу і знижує загальну продуктивність комутатора.

При передачі пакетів з низькошвидкісного порту у високошвидкісний (наприклад, з порту 10Mбіт/с у порт 100Mбіт/с) комутацію на льоту використовувати взагалі неможливо. Оскільки порт – приймач має більшу швидкість, ніж передавач, при використанні комутації на льоту неминуче виникнуть помилки. При організації віртуального з'єднання між портами з різною швидкістю потрібна буферизация пакетів.

Мала затримка підвищує продуктивність мереж, у яких дані передаються у виді послідовності окремих пакетів, кожний з який містить адресу одержувача. У мережах, де дані передаються у формі послідовності пакетів з організацією віртуального каналу, мала затримка менше впливає на продуктивність.