4. Техническая реализация коммутаторов

Для эффективной работы в коммутаторах необходимо обеспечить одновременную передачу сообщений между разными портами, т.е. пропускная способность должна соответствовать суммарной пропускной способности портов. Каждый порт должен содержать буферное ЗУ для хранения сообщений в случаях, когда выходной порт (или его канал связи) занят передачей другого сообщения. Наиболее жесткие требования по быстродействию предъявляются к коммутаторам при обработке сообщений «на лету».

В настоящее время используется три основных схемы реализации коммутаторов: коммутационные матрицы, разделяемую память, общую шину. Достаточно часто эти схемы могут комбинироваться в одном коммутаторе. Но в любом варианте реализации все порты коммутатора должны образовывать полносвязаную конфигурацию, т.е. сообщения из каждого порта должны при необходимости поступать в любой другой порт.

Коммутационная матрица (рис. 2) обеспечивает самый быстрый способ взаимодействия портов и представляет собой комбинационную логическую схему, обеспечивающую передачу сигналов от каждого порта к любому другому порту. Очень часто ее строят подобно многоступенчатым матричным дешифраторам, сигналы управляющие направлением передачи формируются на основе анализа MAC – адреса и добавляются к исходному сообщению (так называемый тэг), быстродействие элементов матрицы соизмеримо со скоростью передачи данных. Однако сложность коммутационной матрицы очень существенно возрастает при увеличении количества портов коммутатора.

Рис. 2. Реализация коммутационной матрицы с помощью двоичных переключателей

В коммутаторах с общей шиной (рис. 3) порты связаны высокоскоростной шиной, обеспечивающей производительность большую, чем суммарная производительность портов. Сообщения по внутренней шине должны передаваться небольшими порциями – ячейками, это необходимо для предотвращения задержек передачи других сообщений. Общая шина не предусматривает буферизации ячеек. Каждый порт принимает все ячейки, с помощью тэгов накапливает в буфере те ячейки, которые адресованы ему и передает их в выходной канал.

Рис. 3. Архитектура общей шины

Взаимодействие портов коммутатора можно организовать с помощью двухвходовой разделяемой памяти (рис. 4). Запись в разделяемую память из входных портов осуществляется также ячейками с помощью менеджера очередей, аналогичным образом производится чтение данных для передачи в выходные порты.

Рис. 4. Архитектура разделяемой памяти

Два последних способа предъявляют весьма высокие требования по быстродействию элементов коммутатора.

5. Алгоритм «прозрачного» моста

Корректность работы коммутаторов в значительной степени зависит от корректности информации о составе каждого логического сегмента. Эта информация хранится в коммутаторах в так называемых адресных таблицах (таблицах коммутации), в виде записей о соответствии MAC-адресов узлов сети и адресов выходных портов (адресов логических сегментов) в коммутаторе. Адресные таблицы можно создавать вручную, этот способ является достаточно трудоемким и требует обновления информации при любых изменениях в сети. Могут использоваться процедуры «маршрутизации от источника», которые, во-первых, требуют дополнительных служебных полей в МАС-кадрах для передачи этих данных, и, во-вторых, требуют хранения данных о топологии сети в каждом ее узле. Наиболее эффективным и универсальным алгоритмом автоматического формирования адресных таблиц в настоящее время является алгоритм «прозрачного» моста (рис. 5).

В алгоритме «прозрачного» моста узлы сети не принимают участия в формировании адресных таблиц. При начальном включении коммутатора, работающего по этому алгоритму, адресные таблицы не содержат необходимой информации. В этом случае все поступающие сообщения ретранслируются во все выходные порты, кроме порта, из которого это сообщение поступило. Одновременно с этим для каждого поступившего сообщения создается запись в адресной таблице о соответствии МАС-адреса источника и адреса порта. При появлении этой записи все сообщения, направляемые по этому МАС-адресу, будут передаваться только в соответствующий логический сегмент. По мере заполнения адресных таблиц в процессе работы коммутатора, все меньше сообщений будут направляться во все сегменты сети. Для того, чтобы в адресных таблицах могли отображаться изменения топологии сети, каждой строке адресной таблицы устанавливается время жизни, т.е. интервал времени, в течение которого эта информация считается действительной. Если за время жизни МАС-адрес повторяется в сообщениях, то время жизни продлевается. Если за время жизни МАС-адрес отсутствует в сообщениях, запись аннулируется.

Рис. 5. Принцип работы «прозрачного» моста

Недостатками алгоритма «прозрачного» моста являются чувствительность к широковещательным штормам и ограничения на топологию сегментов. Широковещательные штормы при некорректной работе какого-либо узла могут резко увеличивать объем трафика и приводить к перегрузке и блокировке работы. Корректное формирование адресных таблиц возможно только при древовидной топологии, когда между любой парой узлов существует единственный путь. При появлении петель и контуров возможно некорректное заполнение адресных таблиц с многократной передачей сообщения в замкнутом контуре.

Существуют алгоритмы, позволяющие работать коммутаторам без таких ограничений на топологию сети. Один из таких популярных алгоритмов называют алгоритмом покрывающего дерева (spanning tree algorithm – STA). Алгоритм STA преобразуют произвольную топологию связей в активную древовидную, избыточные связи в этом алгоритме переводятся в разряд резервных и не используются пока не возникает в них необходимость. STA автоматически определяет отказы отдельных компонентов локальной сети и преобразует резервные связи в активные, реализуя новую древовидную топологию с учетом обнаруженных отказов.

Для работы алгоритма STA коммутаторы должны обмениваться специальными служебными пакетами, поэтому в отличие от всех других, решаемых на канальном уровне задач требуют наличия MAC-адреса коммутатора. Обмен служебными пакетами необходим и для определения активной конфигурации сети, и для тестирования сети в процессе работы для обнаружения отказов. Служебные пакеты помещаются в поле данных канальных кадров.

Активная конфигурация определяется в три этапа:

·                   Сначала в сети выбирается корневой коммутатор, от которого строится покрывающее дерево, при автоматическом определении корневого коммутатора им становится коммутатор с меньшим значением MAC-адреса.

·                   Затем для каждого коммутатора определяется корневой порт, этот корневой порт выбирается по кратчайшему расстоянию до корневого коммутатора (расстояние обычно оценивают количеством промежуточных коммутаторов от выходного порта до корневого коммутатора или суммарным условным временем передачи одного бита).

·                   На последнем этапе для каждого логического сегмента выбирается назначенный порт, т.е. порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. Все остальные порты и связи в топологии сети через них блокируются, переводятся в разряд резервных и запрещаются для использования. При этом активная топология сети всегда будет древововидной без петель и контуров.

В процессе работы корневой коммутатор периодически генерирует служебные пакеты для тестирования сети. Если по истечении тайм-аута на какой-либо корневой порт не поступит служебный пакет корневого коммутатора, это говорит об отказе каких-либо активных связей. Коммутатор, не получивший в течение заданного времени служебный пакет, начинает процедуру определения новой активной конфигурации по описанному выше алгоритму.

6. Способы передачи сообщений

Дейтаграммный и с установлением соединения (LLC-1, LLC-2, LLC-3). При передаче сообщений на канальном уровне сети автоматически предполагается, что получатель и отправитель имеют общий канал связи и даже на уровне локальной сети необходимо только выполнить определенные процедуры управления передачей данных в уже имеющемся канале связи. Поэтому с точки зрения управления на канальном уровне оба способа передачи данных принципиально не отличаются. Передача с установлением соединения требует только определенных дополнительных процедур для проверки готовности получателя к приему данных.

В сетях со сложной топологией при передаче сообщений необходимо предварительно определить канал связи, а эта задача на канальном уровне уже не может быть решена и требует совершенно иных средств решения. Эти средства существуют на следующем – сетевом уровне. Поддержание постоянно действующих каналов связи для передачи данных в составных сетях очень сложно, а при больших расстояниях практически нереально. Обычно связи в телекоммуникационной сети образованы коммутируемыми каналами, ресурсы которых распределяются сетью между поступающими заявками на передачу данных. Содержание процедур при разных способах организации передачи данных на сетевом уровне существенно изменяется. Передача с установлением соединения требует достаточно сложных процедур предварительного выбора и закрепления необходимых каналов связи. А дейтаграммный способ передачи требует решения задач маршрутизации, т.е. выбора маршрутов доставки сообщений, для каждого сообщения в отдельности. И тот, и другой способы передачи данных имеют определенные достоинства и находят применение в современных телекоммуникационных технологиях.

С точки зрения коммутации применительно к сетевому уровню для организации каналов связи в настоящее время применяются три основных способа коммутации: каналов, сообщений, пакетов. Под коммутацией в данном случае понимается выделение необходимых ресурсов в каналах связи для передачи данных. Для управления ресурсами каналов связи и обеспечения доступа к ним необходимы специальные процедуры и алгоритмы и средства их реализации. Эти задачи существенно усложняются из-за распределенного характера как самих управляемых ресурсов, так и средств управления ими. Очень часто задачи управления требуют передачи по тем же каналам связи довольно больших объемов служебной информации и поэтому средства управления тоже потребители сетевых ресурсов. В отличие от средств решения задач канального уровня средства сетевого уровня являются полноправными элементами сети со всеми необходимыми атрибутами, в том числе и самостоятельными сетевыми адресами.

Коммутация каналов. Это самый старый способ коммутации и предполагает создание сетевыми средствами непрерывного физического канала между узлами. До сих пор применяется в телефонных сетях. Этот физический канал монопольно закрепляется за двумя узлами на время сеанса связи, с точки зрения надежности это преимущество, так как обеспечивает повышенную надежность связи. Но этот же факт является и существенным недостатком, так как использование ресурсов каналов связи весьма неэффективно, если канал связи свободен в отдельные интервалы времени, другие элементы сети не могут получить к нему доступ, пока соединение установлено. Коммутация каналов требует выполнения довольно сложной процедуры установления соединения и поэтому, даже при достаточно длительных паузах в использовании канала связи, разрывать соединение нецелесообразно. Второй существенный недостаток этого способа коммутации – пропускная способность канала определяется самым плохим участком канала (в большинстве случаев это линия «последней мили»). Буферизация сигналов и данных не предусматривается, т.е. коммуникационное оборудование выполняет функции «телефонных коммутаторов».

Коммутация сообщений. Этот способ коммутации появился позднее и применялся в службах электронной почты. Каждое сообщение передается целиком, во всех промежуточных узлах принимается в буферное ЗУ и после необходимой обработки направляется в следующий узел, пока не достигнет пункта назначения. Может использоваться передача с установлением соединения или дейтаграммный способ передачи. В настоящее время используется редко, объемы сообщений могут быть весьма различными и требуют избыточно больших объемов буферов.

Коммутация пакетов. В настоящее время самый эффективный способ передачи данных на сетевом уровне. Каждое сообщение разбивается на пакеты относительно небольших стандартных размеров, что существенно облегчает буферизацию и обработку во всех узлах сети. Эта процедура одновременно требует создания дополнительных средств для восстановления сообщений и сохранения их целостности в пункте назначения. Однако простота транспортировки стандартных блоков данных (пакетов), как и в любой транспортной системе, является решающим преимуществом. Также может использоваться дейтаграммный способ передачи или передача с установлением соединения. В связи с более высокой надежностью передачи с установлением соединения используются алгоритмы организации работы с элементами коммутации каналов. В частности, виртуальные каналы с коммутацией пакетов по свойствам во многом аналогичны системам с коммутацией каналов, но одновременно сохраняют многие качества систем с коммутацией пакетов.

Виртуальные каналы с коммутацией пакетов требуют обязательной процедуры установления соединения с решением задачи маршрутизации. После создания виртуального канала все пакеты этого виртуального канала передаются по проложенному маршруту с использованием процедур аналогичных канальным процедурам.

Список литературы

1)    Крук Б., Шувало В. Телекоммуникационные системы и сети – Новосибирск, 2008.

2)    Уолрэнд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети. – М.: Постмаркет, 2007.

3)    Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: «Питер», 2010.

4)    Олифер В.Г., Олифер Н.А. Основы сетей передачи данных. – СПб.: «Питер», 2005.

5)    Хамбракен Д. Компьютерные сети: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2004.

6)    Нанс Б. Компьютерные сети: Пер. с англ. – М.: «БИНОМ», 2006.

Страницы: 1, 2