Что такое неблокирующий коммутатор

Обновлено: 05.07.2024

Мост является механизмом транспортировки кадров между двумя/более участками-доменами коллизий. Мост при анализе заголовка кадра смотрит MAC-адреса получателя и источника. Мост анализирует кадры, которые приходят на каждый его порт, и создает списки MAC-адресов узлов, которые подключены к этим портам. После анализа пакета, мост может следующее:

Что такое коммутатор ?

Особенности коммутатора

Коммутаторы имеют множество портов, между которыми должна реализовываться виртуальные цепь транспортировки для каждого пакета. В общем слуае N-портовый коммутатор с полудуплескными портами реализует N/2 одновременно действующих виртуальных цепей. Для полного дуплекса количество цепей теоретически может достигать и N, но такое равномерное распределение заявок практически не встречается.

Коммутатор может быть блокирующим и неблокирующим. Неблокирующий коммутатор обрабатывает все кадры, которые приходят на его порты с максимальной скоростью, которая поддерживает среда передачи. Для этого мощность коммутационной фабрики должна быть не меньшей, чем сумма пропускной способности половины портов. В мостах реализован 1 процессор, который справлялся со всеми задачами. В коммутаторах для поддержания мощности, каждый порт имеет свой процессор, и все эти процессоры работают параллельно. Соединение между портами может быть реализовано разными средствами:

Относительно конструкций коммутаторов, они могут иметь разные варианты реализации в зависимости от их производительности и назначения.

соединение коммутаторов в стек

Характеристики коммутатора

Производительность коммутаторов анализируют относительно: максимальное количество обрабатываемых кадров за единицу времени и максимальное количество бит, пропускаемых за единицу времени. Даже при высокой пропускной способности коммутатора, из-за ситуаций, когда порты будут соперничать за право передачи кадров в один из портов, возможны перегрузки. При перегрузках буфер будет переполнятся и часть пакетов будет теряться без уведомления. Протоколы верхних уровней заметят пропажу, и они повторят передачу, но это будет не быстро. Есть смысл подключать критические узлы к высокоскоростным портам коммутатора.

  • В полудуплексном режиме коммутатор может просто справляться с перегрузками, притормаживая входные порты. Для этого он специально создает коллизии (источник будет вынужден повторно передать кадр) или брать под контроль среду передачи по окончании очередного кадра чуть раньше, чем это описано в стандарте 802.3. Такие механизмы называются агрессивным поведением коммутатора.
  • В полнодуплексном режиме действия, которые описаны выше невозможны. Для регулирования потока в таком режиме был принят стандарт IEEE 802.3x. Здесь описаны служебные символы:
    • приостановить передачу на некоторое время
    • продолжить передачу

    Дополнительные функции

    Индикация уровня загрузки и коллизий. (линейки светодиодов)

    Индикация состояния портов. Для каждого порта дается возможность: скорости, режима, состояния.

    Одним из основных компонентов всего коммутационного оборудования является коммутирующая матрица (switch fabric). Коммутирующая матрица представляет собой чипсет, соединяющий множество входов с множеством выходов на основе фундаментальных технологий и принципов коммутации. Коммутирующая матрица выполняет три функции:

    • переключает трафик с одного порта матрицы на другой, обеспечивая их равнозначность;
    • предоставляет качество обслуживания (Quality of Service, QoS );
    • обеспечивает отказоустойчивость.

    Поскольку коммутирующая матрица является ядром аппаратной платформы, к ней предъявляются требования по масштабированию производительности и возможности быстрого развития системы QoS .

    Производительность коммутирующей матрицы (switch capacity) определяется как общая полоса пропускания ( bandwidth ), обеспечивающая коммутацию без отбрасывания пакетов трафика любого типа (одноадресного, многоадресного, широковещательного).

    "Неблокирующей" коммутирующей матрицей (non-blocking switch fabric) является такая матрица , у которой производительность и QoS не зависят от типа трафика, коммутируемого через матрицу, и производительность равна сумме скоростей всех портов:

    \sum^N_i<Cp_i\times 2\text<Мбит/с></p> >

    где 1 Умножение на 2 для дуплексного режима работы — количество портов, — максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора.

    Например, производительность коммутатора с 24 портами 10/100 Мбит/с и 2 портами 1 Гбит/с вычисляется следующим образом:

    Коммутатор обеспечивает портам равноправный доступ к матрице, если в системе не установлено преимущество одних портов над другими.

    Поскольку коммутирующая матрица располагается в ядре платформы коммутатора, то одним из наиболее важных вопросов остается ее отказоустойчивость . Этот вопрос решается за счет реализации отказоустойчивой архитектуры, предусматривающей резервирование критичных для работы коммутатора блоков.

    Одним из ключевых компонентов архитектуры современных коммутаторов является контроллер ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Контроллеры ASIC представляют собой быстродействующие и относительно недорогие кремниевые кристаллы, которые предназначены для выполнения определенных операций. Использование в архитектуре коммутаторов контроллеров ASIC повышает производительность системы, т.к. ASIC выполняет операции аппаратно, благодаря чему не возникают накладные расходы , связанные с выборкой и интерпретацией хранимых команд. Современные контроллеры ASIC часто содержат на одном кристалле 32-битные процессоры, блоки памяти, включая ROM , RAM , EEPROM , Flash , и встроенное программное обеспечение . Такие ASIC получили название System-on-a- Chip ( SoC ).

    * Умножение на 2 для дуплексного режима работы.

    В настоящее время существует много типов архитектур коммутирующих матриц. Выбор архитектуры матрицы во многом определяется ролью коммутатора в сети и количеством трафика, которое ему придется обрабатывать. В действительности, матрица обычно реализуется на основе комбинации двух или более базовых архитектур. Рассмотрим самые распространенные типы архитектур коммутирующих матриц.

    Архитектура с разделяемой шиной

    Архитектура с разделяемой шиной (Shared Bus), как следует из ее названия, использует в качестве разделяемой среды шину, которая обеспечивает связь подключенных к ней устройств ввода-вывода (портов). Шина используется в режиме разделения времени, т.е. в каждый момент времени только одному источнику разрешено передавать по ней данные. Управление доступом к шине осуществляется через централизованный арбитр, который предоставляет источнику право передавать данные.

    Применительно к системам с разделяемой шиной под термином "неблокирующая" понимается то, что сумма скоростей портов матрицы меньше, чем скорость шины. Т.е. производительность системы ограничена производительностью шины. Даже если общая полоса пропускания ниже производительности шины, количество и производительность устройств ввода-вывода ограничены производительностью централизованного арбитра.

    Архитектура с разделяемой шиной

    Архитектура с разделяемой памятью

    Улучшения архитектуры с разделяемой шиной привели к появлению высокопроизводительной архитектуры с разделяемой памятью (Shared Memory). Архитектура с разделяемой памятью обычно основана на использовании быстрой памяти RAM большой емкости в качестве общего буфера коммутационной системы, предназначенного для хранения входящих пакетов перед их передачей. Память обычно организуется в виде множества выходных очередей, ассоциирующихся с одним из устройств ввода-вывода или портом. Для обеспечения неблокирующей работы полоса пропускания памяти для операции "запись" и операции "чтение" должна быть равна максимальной суммарной полосе пропускания всех входных портов.

    Архитектура с разделяемой памятью

    Одним из преимуществ использования общего буфера для хранения пакетов является то, что он позволяет минимизировать количество выходных буферов, требуемых для поддержания скорости потери пакетов на низком уровне. С помощью централизованного буфера можно воспользоваться преимуществами статического разделения буферной памяти. При высокой скорости трафика на одном из портов он может захватить большее буферное пространство, если общий буферный пул не занят полностью.

    Архитектура с разделяемой памятью обладает рядом недостатков. Так как пакеты записываются и считываются из памяти одновременно, она должна обладать суммарной пропускной способностью портов, т.е. операции записи и чтения из памяти должны выполняться в N (количество портов) раз выше скорости работы портов. Т.к. доступ к памяти физически ограничен, необходимость ускорения работы в N раз ограничивает масштабируемость архитектуры. Более того, контроллер памяти должен обрабатывать пакеты с той же скоростью, что и память. Такая задача может быть трудно выполнимой в случае управления множеством классов приоритетов и сложными операциями планирования. Коммутаторы с разделяемой памятью обладают единой точкой отказа, поскольку добавление еще одного общего буфера является сложным и дорогим. В результате этого в чистом виде архитектура с разделяемой памятью используется для построения коммутаторов с небольшим количеством портов.

    Коммутатор называют неблокирующим, если он может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают.

    Когда говорят, что коммутатор может поддерживать устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, то имеют в виду, что коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для обеспечения подобного режима нужно таким образом распределить потоки кадров по выходным портам, чтобы: во-первых, порты справлялись с нагрузкой, во-вторых, коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора, и при переполнении – просто отбрасываться.


    Для поддержания устойчивости неблокирующего режима работы коммутатора необходимо, чтобы его производительность удовлетворяла условию , где СК – производительность коммутатора, СPI – максимальная производительность протокола, поддерживаемого 1-м портом коммутатора.

    Суммарная производительность портов учитывает каждый проходящий кадр дважды - как входящий кадр и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт, например Ethernet 10 Мбит/с, работает в полудуплексном режиме, то производительность порта CPI равна 10 Мбит/с, а если в дуплексном, — 20 Мбит/с.

    Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протокола, независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной – при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора.


    Для поддержки мгновенного неблокирующего режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно она должна быть равна суммарной производительности его портов:

    Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Помимо очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина – эта технология больше других страдает от увеличения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.

    Некоторые компании стали развивать технологию коммутации для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch.

    Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования — сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент. Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети.

    Вопросы:

    1. Для какой цели используется алгоритм покрывающего дерева?

    2. Дайте определение покрывающего дерева.

    3. Какой порт коммутатора называется корневым?

    4. Какой порт называется назначенным?

    5. Каким образом измеряется расстояние между коммутаторами в STA?

    6. Назовите три этапа построения активной топологии покрывающего дерева.

    7. Каким образом выбирается корневой порт из нескольких претендентов, если расстояния до корневого коммутатора у них равны?




    8. Может ли администратор влиять на выбор корневого коммутатора?

    9. Каким образом коммутаторы решают, что выбор активной топологии завершен?

    10. Что побуждает коммутатор начать процедуру поиска новой активной топологии?

    11. В чем основной недостаток STA?

    12. Чего позволяет добиться агрегирование каналов?

    13. Как взаимодействуют алгоритм покрывающего дерева и агрегирование каналов?

    14. В чем ограничения агрегирования каналов?

    15. В чем отличие между односторонним и двусторонним транком?

    16. По каким соображениям выбирает порт транка при передаче кадра?

    17. Зачем учитывать принадлежность кадров к одному сеансу при использовании агрегированного канала?

    18. Почему VLAN можно назвать доменом широковещательного трафика?

    19. Каким образом можно объединить несколько виртуальных локальных сетей?

    20. Назовите основные способы образования VLAN.

    21. Почему группирование портов плохо работает в сети, построенной на нескольких коммутаторах?

    22. Можно ли одновременно использовать группирование портов и стандарт IEEE802.1Q?

    23. Какие механизмы обеспечения показателей QoS поддерживают коммутаторы локальных сетей?

    24. На сколько классов рекомендует разделять трафик стандарт IEEE 802.1D-1998?

    25. Перечислите ограничения сетей, построенных на основе коммутаторов.

    26. В каких случаях целесообразнее выполнить агрегирование каналов, чем выбрать более скоростную версию технологии Ethernet?

    27. Каким образом стандарт IEEE 802.1Q решает проблему построения VLAN на нескольких коммутаторах?

    28. Должен ли алгоритм покрывающего дерева учитывать наличие в сети VLAN?

    29. Что делать, если коммутаторы сети поддерживают меньшее количество очередей, чем существует классов трафика?

    Коммутатор называют неблокирующим, если он может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают.

    Когда говорят, что коммутатор может поддерживать устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, то имеют в виду, что коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для обеспечения подобного режима нужно таким образом распределить потоки кадров по выходным портам, чтобы: во-первых, порты справлялись с нагрузкой, во-вторых, коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора, и при переполнении – просто отбрасываться.


    Для поддержания устойчивости неблокирующего режима работы коммутатора необходимо, чтобы его производительность удовлетворяла условию , где СК – производительность коммутатора, СPI – максимальная производительность протокола, поддерживаемого 1-м портом коммутатора.

    Суммарная производительность портов учитывает каждый проходящий кадр дважды - как входящий кадр и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт, например Ethernet 10 Мбит/с, работает в полудуплексном режиме, то производительность порта CPI равна 10 Мбит/с, а если в дуплексном, — 20 Мбит/с.

    Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протокола, независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной – при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора.


    Для поддержки мгновенного неблокирующего режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно она должна быть равна суммарной производительности его портов:

    Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Помимо очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина – эта технология больше других страдает от увеличения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, и этим средством стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.

    Некоторые компании стали развивать технологию коммутации для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Внутренняя организация коммутаторов различных производителей иногда очень отличалась от структуры первого коммутатора EtherSwitch.

    Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования — сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент. Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети.

    Читайте также: