Комутатори мережі Ethernet 10BASE-Т

Підвищити ефективність мереж Ethernet можна за допомогою комутатора (switch), який працює як вузол комутації пакетів, приймаючи
і передаючи кадри між різними парами абонентів одночасно. Це не тільки збільшує продуктивність, а й дає можливість уникнути зіткнень пакетів. Локальні мережі, побудовані за такою технологією мають назву Switch Ethernet.

Залежно від виконуваних функцій та їх відповідності рівням еталонної моделі OSI розрізняють комутатори 2-го и 3-го рівнів. Комутатор 2-го рівня функціонує на канальному рівні. Залежно від адреси одержувача, що вказується в полі адреси, кадр передається тільки на одну вихідну лінію. В цей самий час інші лінії можуть використовуватись для передачі кадрів між іншими абонентськими системами. Отже, реальна пропускна спроможність мережі може значно перевищувати максимальну швидкість передачі даних для кожної окремої абонентської системи.

Існує два типи комутаторів 2-го рівня:

· комутатор із проміжним запам'ятовуванням (store-and-forward switch), який приймає кадр по вхідній лінії, обробляє його згідно з функціями канального рівня і направляє по відповідній вихідній лінії;

· комутатор без буферизації (cut-through switch), який починає передавати прийнятий кадр по відповідній вихідній лінії як тільки розпізнає адресу одержувача.

Комутатор без буферизації дає можливість досягти максимальної пропускної здатності, але при цьому переданий кадр може містити помилку, оскільки контрольна сума перед передачею не перевіряється. Комутатор з проміжним зберіганням вносить затримку у взаємодію між відправником та одержувачем, але підвищує вірогідність передачі.

Комутатори 2-го рівня забезпечують вищу продуктивність, задовольняючи потреби транспортування трафіка більшого за обсягом. Проте зі збільшенням кількості пристроїв, підключених до мережі, комутатори 2-го рівня вже не справляються з виконанням своїх функцій. Це насамперед пов’язане з тим, що пристрої зв’язані комутаторами 2-го рівня, використовують плоский адресний простір. Термін «плоский» (flat) означає, що всі користувачі мають загальну широкомовну адресу канального рівня. А отже, якщо будь-який пристрій посилає кадр з широкомовною адресою, то цей кадр мають отримати всі пристрої мережі, об’єднаної за допомогою комутаторів. У великій мережі це може спричинити значне перевантаження, або, що ще гірше, пошкоджений пристрій здатний створити широкомовний шторм (broadcast storm), при якому численні широкомовні кадри заповнюють мережу.

Друга проблема полягає в тому, що стандартами для протоколів комутації забороняється наявність у мережі замкнених контурів. Інакше кажучи, між будь-якими двома пристроями може існувати лише один шлях. Отже, стає неможливим з’єднання двох пристроїв кількома маршрутами через декілька комутаторів. Таке обмеження негативно впливає на продуктивність і надійність мережі.

Для розв’язання цих проблем, локальну мережу можна розділити на декілька підмереж (subnetworks), з’єднаних маршрутизаторами. При цьому широкомовний кадр передається тільки у своїй підмережі. Крім того, маршрутизатори застосовують складні алгоритми маршрутизації, завдяки яким підмережі з’єднуються кількома шляхами, що проходять через різні маршрутизатори.

Основний недолік використання маршрутизаторів замість комутаторів 2-го рівня полягає у тому, що вони за звичай обробляють пакети програмно. Високошвидкісні локальні мережі і високопродуктивні комутатори 2-го рівня можуть передавати мільйони пакетів за секунду, тоді як пропускна спроможність програмних маршрутизаторів є значно нижчою. Для вирішення цієї проблеми використовують комутатори 3-го рівня, в яких логіка маршрутизації пакетів реалізована апаратно.

З-поміж комутаторів 3-го рівня виділяють пакетний і потоковий комутатор. Пакетний комутатор (packet-by-packet switch) працює так само як і звичайний маршрутизатор. Оскільки логіка маршрутизації пакетного комутатора реалізована апаратно, за його допомогою продуктивність мережі може бути збільшена на порядок порівняно з використанням програмного маршрутизатора.

Потоковий комутатор (flow-based switch) намагається збільшити продуктивність, ідентифікуючи потоки IP-пакетів з одними й тими самими відправником і одержувачем. Це можна реалізувати шляхом спостереження за трафіком, що проходить через комутатор, а також за допомогою спеціальної позначки потоку в заголовку пакета. Після ідентифікації потоку, для прискорення процесу доставки пакета, можна вибрати визначений раніше маршрут. За допомогою цього методу також можна досягти багатократного збільшення продуктивності порівняно з використанням програмного маршрутизатора.