Реферат: Коммутаторы Ethernet. Коммутаторы реферат

Реферат - Коммутаторы Ethernet - Информатика

Введение

Что такое коммутатор Ethernet?

Основы

Атрибуты коммутаторов Ethernet

Сравнение сетевых устройств

Классы коммутаторов Ethernet

Коммутаторы для рабочих групп

Магистральные коммутаторы

Преимущества коммутаторов Ethernet

Применение коммутаторов

Объединение концентраторов 10Base-T с помощью магистрального коммутатора

Выделенная полоса для каждого пользователя

Рабочие группы с несколькими серверами

Объединение коммутаторов рабочих групп и корпоративных серверов

Заключение

Введение

Разработанный в 1973 стандарт Ethernet сегодня является наиболее популярным среди стандартов ЛВС. Как технология с разделяемой средой Ethernet обеспечивает скорость передачи 10 мегабит в секунду (Mbps) для всех пользователей, имеющих доступ к среде передачи и протокол разрешения доступа.

По мере расширения сети доступная пользователю полоса (средняя скорость передачи) сужается за счет того, что канал 10 Mbps делится между всеми узлами сети. Повышение производительности компьютеров и использование приложений с интенсивным сетевым трафиком требует расширения полосы для полной реализации возможностей программ и оборудования. Расширение сетей и повышение производительности компьютеров требуют расширения доступной пользователям полосы, обеспечиваемой сетевой средой передачи.

Существует два способа расширения полосы, доступной каждому пользователю. Технология Fast Ethernet базируется на расширении полосы разделяемой среды до 100 Mbps, обеспечивая рост скорости в 10 раз. Другим способ является снижение числа узлов сети, имеющих доступ к разделяемой среде и, следовательно, расширение доступной оставшимся узлам полосы. В предельном случае вся полоса канала передачи может быть предоставлена одному пользователю.

Процесс снижения числа узлов в сети называется сегментацией и осуществляется за счет деления большой сети на несколько меньших. Поскольку пользователям может требоваться доступ к ресурсам других сегментов, нужен механизм обеспечения такого доступа, обеспечивающий межсегментный обмен с достаточно высокой скоростью. Новый тип устройств, называемых коммутаторами Ethernet, обеспечивает требуемые возможности. В данной статье рассматриваются различные типы коммутаторов Ethernet и их роль в повышении производительности сетей Ethernet.

Что такое коммутатор Ethernet?

Основы

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетей большого размера. Для того, чтобы лучше разобраться в устройстве и работе коммутаторов Ethernet, полезно понять основы технологии организации кабельных систем сети.

Повторители

В начале 80-х годов сети Ethernet организовывались на базе шинной топологии с использованием сегментов на основе коаксиального кабеля длиной до 500 метров. Увеличение размеров сетей поставило задачу преодоления 500-метрового барьера. Для решения этой задачи использовались повторители (repeater):

Повторитель просто копирует (пересылает) все пакеты Ethernet из одного сегмента во все другие, подключенные к нему. Основной задачей повторителя является восстановление электрических сигналов для передачи их в другие сегменты. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналов повторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети

Мосты и маршрутизаторы

При использовании повторителей максимальная протяженность сети составляет 2500 метров. Для преодоления этого ограничения требуются другие устройства, называемые мостами (bridge). Мосты имеют много отличий от повторителей. Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакет не нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуют многочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальным требованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты, подключенные к повторителю образуют одну разделяемую среду, а сегменты, подключенные к каждому порту моста образуют свою среду с полосой 10 Mbps. При использовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, а пользователи разных сегментов используют независимые Среды. Следовательно, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы для каждого пользователя.

Поначалу в сетях Ethernet использовалась шинная топология на основе коаксиального кабеля, а для расширения сетей применялись 2-х портовые повторители или мосты. Однако, в конце 80-х годов началось широкое распространение сетей на основе кабеля со скрученными парами проводников (витая пара). Новая технология 10Base-T стала очень популярной и привела к трансформации топологии сетей от шинной магистрали к организации соединений типа «звезда». Требования к повторителям и мостам для таких сетей существенно изменились по сравнению с простыми двухпортовыми устройствами для сетей с шинной топологией — современные мосты и повторители представляют собой сложные многопортовые устройства. Мосты позволяют сегментировать сети на меньшие части, в которых общую среду разделяет небольшое число пользователей.

Маршрутизаторы, подобно мостам, также позволяют сегментировать сети Ethernet. маршрутизаторы фильтруют и пересылают сетевой трафик на основе алгоритмов и правил, существенно отличающихся от тех, что используются мостами. Такой способ сегментирования сетей более дорог многопортовые мосты и маршрутизаторы обычно стоят около $1,000 за порт.

Переключение портов

Сегодняшние модульные концентраторы (повторители) часто позволяют организовать несколько сегментов, каждый из которых предоставляет пользователям отдельную разделяемую полосу 10 Mbps. Некоторые концентраторы позволяют программным путем разделять порты устройства на независимые сегменты такая возможность называется переключением портов. Концентратор, к примеру, может содержать три различных сегмента Ethernet, организуемые внутренними средствами хаба. Переключение портов обеспечивает администратору сети высокую гибкость организации сегментов, позволяя переносить порты из одного сегмента в другой программными средствами. Эта возможность особенно полезна для распределения нагрузки между сегментами Ethernet и снижения расходов, связанных с подобными операциями. Переключение портов статическое связывание портов с различными сегментами Ethernet — сильно отличается от описанной ниже коммутации Ethernet.

Атрибуты коммутаторов Ethernet

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет. реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства — это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью.

Виртуальные соединения

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств (таблица 1). Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Таблица 1

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. На рисунке 4 узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Рисунок 4

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные пользователи (в нашем примере — B и C) не получат этот пакет. Таким образом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные для стандартных повторителей Ethernet (см. раздел «Сравнение сетевых устройств»).

Одновременные соединения

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке 5 обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10 Mbps для каждого соединения.

Рисунок 5

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса Mbps, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации 12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальности скорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса пар портов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокого класса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способность при условии организации одновременных соединений между всеми парами портов. Однако, в реальной жизни трафик обычно представляет собой ситуацию «один ко многим» (например, множество пользователей сети обращается к ресурсам одного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашем примере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

Рисунок 6

На рисунке 6 три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняет пакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передача пакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинает передавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случае пропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данном случае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формой блокировки.

Производительность коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Для того, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

1. скорость передачи между портами
2. общая пропускная способность
3. задержка

Скорость передачи между портами

При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS) для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяется свойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPS между портами, полностью использует возможности среды. Полоса пропускания среды является важным параметром, поскольку коммутатор, обеспечивающий передачу пакетов с такой скоростью, полностью использует возможности среды, предоставляя пользователям максимальную полосу.

Общая пропускная способность

Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps суммарная пропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальных соединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора, поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скорость передачи не имеет внутренней блокировки.

Задержка

Задержка — это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной (например, из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps) коммутацию на лету использовать вообще невозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик, при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. При организации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность

Сравнение сетевых устройств

Повторители

Повторители Ethernet, контексте сетей 10Base-T часто называемые концентраторами или хабами, работают в соответствии со стандартом IEEE 802.3. Повторитель просто передает полученные пакеты во все свои порты независимо от адресата.

Хотя все устройства, подключенные к повторителю Ethernet (включая другие повторители) «видят» весь сетевой трафик, получить пакет должен только тот узел, которому он адресован. Все остальные узлы должны игнорировать этот пакет. некоторые сетевые устройства (например, анализаторы протоколов) работают на основе того, что сетевая среда (типа Ethernet) является общедоступной и анализируют весь сетевой трафик. Для некоторых сред, однако, способность каждого узла видеть все пакеты неприемлема по соображениям безопасности.

С точки зрения производительности повторители просто передают пакеты с использованием всей полосы канала. Задержка, вносимая повторителем весьма мала (в соответствии с IEEE 802.3 — менее 3 микросекунд). Сети, содержащие повторители имеют полосу 10 Mbps подобно сегменту на основе коаксиального кабеля и прозрачны для большинства сетевых протоколов, таких как TCP/IP и IPX.

Мосты

Мосты функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.1d. Подобно коммутаторам Ethernet мосты не зависят от протокола и передают пакеты порту, к которому подключен адресат. Однако, в отличие от большинства коммутаторов Ethernet, мосты не передают фрагменты пакетов при возникновении коллизий и пакеты с ошибками, поскольку все пакеты буферизуются перед их пересылкой в порт адресата. Буферизация пакетов (store-and-forward) приводит к возникновению задержки по сравнению с коммутацией на лету. Мосты могут обеспечивать производительность, равную пропускной способности среды, однако внутренняя блокировка несколько снижает скорость их работы.

Маршрутизаторы

Работа маршрутизаторов зависит от сетевых протоколов и определяется связанной с протоколом информацией, передаваемой в пакете. Подобно мостам, маршрутизаторы не передают адресату фрагменты пакетов при возникновении коллизий. Маршрутизаторы сохраняют пакет целиком в своей памяти прежде, чем передать его адресату, следовательно, при использовании маршрутизаторов пакеты передаются с задержкой. Маршрутизаторы могут обеспечивать полосу, равную пропускной способности канала, однако для них характерно наличие внутренней блокировки. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов маршрутизаторы изменяют все передаваемые пакеты.

Резюме

Основные различия между сетевыми устройствами показаны в таблице 2.

Таблица 2.

Классы коммутаторов Ethernet

Хотя все коммутаторы имеют много общего, целесообразно разделить их на два класса, предназначенных для решения разных задач.

Коммутаторы для рабочих групп

Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединении любой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. Если порты имеют одинаковую скорость, получатель пакета должен быть свободен, чтобы не возникло блокировки.

Поддерживая на каждый порт по крайней мере то число адресов, которые могут присутствовать в сегменте, коммутатор обеспечивает для каждого порта выделенную полосу 10 Mbps. Каждый порт коммутатора связан с уникальным адресом подключенного к данному порту устройства Ethernet.

Рисунок 7

Физическое соединение «точка-точка» между коммутаторами рабочих групп и узлами 10Base-T обычно выполняется неэкранированным кабелем на основе скрученных пар, а в узлах сети устанавливается оборудование, соответствующее стандарту 10Base-T.

Коммутаторы рабочих групп могут работать со скоростью 10 или 100 Mbps для различных портов. Такая возможность снижает уровень блокировки при попытке организации нескольких соединений клиентов 10 Mbps с одним скоростным портом. В рабочих группах с архитектурой клиент-сервер несколько клиентов 10 Mbps могут обращаться к серверу, подключенному к порту 100 Mbps. В показанном на рисунке 8 примере три узла 10 Mbps одновременно обращаются к серверу через порт 100 Mbps. Из полосы 100 Mbps, доступной для доступа к серверу, используется 30 Mbps, а 70 Mbps доступно для одновременного подключения к серверу еще семи устройств 10 Mbps через виртуальные каналы.

Рисунок 8

Поддержка различных скоростей полезна также для объединения групповых коммутаторов Ethernet с использованием концентраторов 100 Mbps Fast Ethernet (100Base-T) в качестве локальных магистралей (local backbone). В показанной на рисунке 9 конфигурации коммутаторы, поддерживающие скорости 10 Mbps и 100 Mbps подключены к концентратору 100 Mbps. Локальный трафик остается в пределах рабочей группы, а остальной трафик передается в сеть через концентратор 100 Mbps Ethernet.

Рисунок 9

Для подключения к повторителю 10 или 100 Mbps коммутатор должен иметь порт, способный работать с большим числом адресов Ethernet.

Основным преимуществом коммутаторов для рабочих групп является высокая производительность сети на уровне рабочей группы за счет предоставления каждому пользователю выделенной полосы канала (10 Mbps). Кроме того, коммутаторы снижают (в пределе до нуля) количество коллизий — в отличие от магистральных коммутаторов, описанных ниже, коммутаторы рабочих групп, не будут передавать коллизионные фрагменты адресатам. Коммутаторы для рабочих групп позволяют полностью сохранить сетевую инфраструктуру со стороны клиентов, включая программы, сетевые адаптеры, кабели. Стоимость коммутаторов для рабочих групп в расчете на один порт сегодня сравнима с ценами портов управляемых концентраторов.

Магистральные коммутаторы

Магистральные коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачи среды между парой незанятых сегментов Ethernet. Если скорость портов для отправителя и получателя совпадают, сегмент получателя должен быть свободен во избежание блокировки.

Рисунок 10

На уровне рабочей группы каждый узел разделяет полосу 10 Mbps с другими узлами в том же сегменте. Пакет, адресованный за пределы данной группы, будет передан магистральным коммутатором как показано на рисунке 10. Магистральный коммутатор обеспечивает одновременную передачу пакетов со скоростью среды между любыми парами своих портов. Подобно коммутаторам для рабочих групп, магистральные коммутаторы могут поддерживать различную скорость для своих портов. Магистральные коммутаторы могут работать с сегментами 10Base-T и сегментами на основе коаксиального кабеля. В большинстве случаев использование магистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способ повышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами.

Рисунок 11

Основным недостатком при работе с магистральными коммутаторами является то, что на уровне рабочих групп пользователи работают с разделяемой средой, если они подключены к сегментам, организованным на основе повторителей или коаксиального кабеля. Более того, время отклика на уровне рабочей группы может быть достаточно большим. В отличие от узлов, подключенных к портам коммутатора, для узлов, находящихся в сегментах 10Base-T или сегментах на основе коаксиального кабеля полоса 10 Mbps не гарантируется и они зачастую вынуждены ждать, пока другие узлы не закончат передачу своих пакетов. На уровне рабочей группы по прежнему сохраняются коллизии, а фрагменты пакетов с ошибками будут пересылаться во все сети, подключенные к магистрали. Перечисленных недостатков можно избежать, если на уровне рабочих групп использовать коммутаторы взамен хабов 10Base-T. В большинстве ресурсоемких приложений коммутатор 100 Mbps может выполнять роль скоростной магистрали для коммутаторов рабочих групп с портами 10 и 100 Mbps, концентраторами 100 Mbps и серверами, в которых установлены адаптеры Ethernet 100 Mbps.

Сравнение возможностей

Основные свойства коммутаторов Ethernet приведены в таблице 3:

Таблица 3

Преимущества коммутаторов Ethernet

Ниже перечислены основные преимущества использования коммутаторов Ethernet:

1. Повышение производительности за счет высокоскоростных соединений между сегментами Ethernet (магистральные коммутаторы) или узлами сети (коммутаторы для рабочих групп). В отличие от разделяемой среды Ethernet коммутаторы позволяют обеспечить рост интегральной производительности при добавлении в сеть пользователей или сегментов.
2. Снижение числа коллизий, особенно в тех случаях, когда каждый пользователь подключен к отдельному порту коммутатора.
3. Незначительные расходы при переходе от разделяемой среды к коммутируемой за счет сохранения существующей инфраструктуры 10 Mbps Ethernet (кабели, адаптеры, программы).
4. Повышение безопасности за счет передачи пакетов только в тот порт, к которому подключен адресат.
5. Малое и предсказуемое время задержки за счет того, что полосу разделяет небольшое число пользователей (в идеале — один)

Применение коммутаторов

Объединение концентраторов 10Base-T с помощью магистрального коммутатора

Магистральные коммутаторы прежде всего используются в качестве недорогой альтернативы многопротокольным маршрутизаторам для сегментирования сети. Например, при добавление в сеть, уже содержащую 100 узлов, некоторого количества производительных станций, работа этих станций в сети будет казаться замедленной. Выходом из положения может быть деление сети на несколько сегментов с использование магистрального коммутатора для связи этих сегментов.

Рисунок 12

В приведенном на рисунке 12 примере интегральная пропускная способность составляет 40 Mbps (четыре сегмента 10 Mbps Ethernet). В такой ситуации можно использовать для сегментирования и мультипротокольный маршрутизатор, однако это будет дороже и сложнее. Если основной задачей является повышение производительности сети, установка коммутатора обеспечит наиболее простое и эффективное решение.

Выделенная полоса для каждого пользователя

Магистральные коммутаторы обеспечивают эффективное сегментирование сети, а коммутаторы для рабочих групп способны предоставить каждому пользователю всю полосу среды. Следовательно, коммутаторы для рабочих групп позволяют значительно повысить производительность работы каждого пользователя в группе и избавить от коллизий. Повышение производительности и снижение времени отклика обеспечивают гигантские преимущества по сравнению с использованием разделяемой среды.

Рисунок 13

Рабочие группы с несколькими серверами

Если все узлы подключены к концентратору 10Base-T производительность будет невысокой за счет частых случаев одновременного обращения нескольких пользователей к одному серверу. Замена хаба 10Base-T коммутатором для рабочей группы может существенно повысить производительность работы группы.

Рабочие группы с архитектурой клиент-сервер

Для рабочих групп, где большая часть трафика связана с одним узлом (сервер) существенно повысить производительность можно за счет использования коммутатора, имеющего порты, работающие с более высокой скоростью, нежели скорость клиентов В таком случае сервер подключается к порту 100 Mbps, что позволяет избавиться от пробок при одновременном обращении к серверу нескольких пользователей (см. рисунок 8). Используя порт 100 Mbps для подключения сервера, можно обеспечить десять одновременных подключений со скоростью 10 Mbps. Порт 100 Mbps можно также использовать для подключения к магистральному коммутатору или концентратору 100 Mbps.

Объединение коммутаторов рабочих групп и корпоративных серверов

Создание больших сетей Ethernet на базе коммутаторов для рабочих групп требует организации скоростного соединения коммутаторов между собой. Кроме того, целесообразно организовать скоростную магистраль для доступа к серверам, используемым всеми рабочими группами сети. Для организации такой магистрали можно использовать коммутаторы или хабы 100 Mbps Ethernet, к портам которых подключаются коммутаторы рабочих групп как это показано на рисунке 14.

Рисунок 14

В нашем примере рабочие станции имеют выделенную полосу 10 Mbps для доступа к серверам через коммутатор рабочей группы и концентратор 100 Mbps Ethernet. Концентратор 100Base-T и корпоративные серверы обычно располагаются в одном помещении, а коммутаторы рабочих групп устанавливаются вблизи этих групп и соединяются с хабом стандартными кабелями.

Заключение

Коммутация Ethernet является недорогой высокопроизводительной технологией модернизации существующих сетей 10 Mbps Ethernet. Коммутатор является достойной альтернативой многопротокольным маршрутизаторам для деление больших сетей на несколько сегментов. Коммутаторы для рабочих групп предоставляют выделенную полосу каждому пользователю и, по сути, являются единственным эффективным способом модернизации сетей 10Base-T. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт сегодня сравнима с ценой порта в сегментируемом наращиваемом концентраторе. При использовании вместе с магистралями 100 Mbps коммутаторы для рабочих групп позволяют организовать большие высокопроизводительные сети. Для организации эффективных магистралей 100 Mbps следует использовать коммутаторы 100 Mbps Ethernet, известные также как Fast Ethernet и 100Base-T. Коммутаторы можно использовать без внесения каких-либо изменений в существующие кабельные системы 10Base-T, оборудование рабочих станций и т.п., что позволяет значительно снизить расходы на модернизацию сетей.

www.ronl.ru

Реферат на тему Коммутаторы Ethernet

Что такое коммутатор Ethernet?

Основы

Атрибуты коммутаторов Ethernet

Сравнение сетевых устройств

Классы коммутаторов Ethernet

Коммутаторы для рабочих групп

Магистральные коммутаторы

Преимущества коммутаторов Ethernet

Применение коммутаторов

Объединение концентраторов 10Base-T с помощью магистрального коммутатора

Выделенная полоса для каждого пользователя

Рабочие группы с несколькими серверами

Объединение коммутаторов рабочих групп и корпоративных серверов

Заключение

Разработанный в 1973 стандарт Ethernet сегодня является наиболее популярным среди стандартов ЛВС. Как технология с разделяемой средой Ethernet обеспечивает скорость передачи 10 мегабит в секунду (Mbps) для всех пользователей, имеющих доступ к среде передачи и протокол разрешения доступа.

По мере расширения сети доступная пользователю полоса (средняя скорость передачи) сужается за счет того, что канал 10 Mbps делится между всеми узлами сети. Повышение производительности компьютеров и использование приложений с интенсивным сетевым трафиком требует расширения полосы для полной реализации возможностей программ и оборудования. Расширение сетей и повышение производительности компьютеров требуют расширения доступной пользователям полосы, обеспечиваемой сетевой средой передачи.

Существует два способа расширения полосы, доступной каждому пользователю. Технология Fast Ethernet базируется на расширении полосы разделяемой среды до 100 Mbps, обеспечивая рост скорости в 10 раз. Другим способ является снижение числа узлов сети, имеющих доступ к разделяемой среде и, следовательно, расширение доступной оставшимся узлам полосы. В предельном случае вся полоса канала передачи может быть предоставлена одному пользователю.

Процесс снижения числа узлов в сети называется сегментацией и осуществляется за счет деления большой сети на несколько меньших. Поскольку пользователям может требоваться доступ к ресурсам других сегментов, нужен механизм обеспечения такого доступа, обеспечивающий межсегментный обмен с достаточно высокой скоростью. Новый тип устройств, называемых коммутаторами Ethernet, обеспечивает требуемые возможности. В данной статье рассматриваются различные типы коммутаторов Ethernet и их роль в повышении производительности сетей Ethernet.

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетей большого размера. Для того, чтобы лучше разобраться в устройстве и работе коммутаторов Ethernet, полезно понять основы технологии организации кабельных систем сети.

Повторители

В начале 80-х годов сети Ethernet организовывались на базе шинной топологии с использованием сегментов на основе коаксиального кабеля длиной до 500 метров. Увеличение размеров сетей поставило задачу преодоления 500-метрового барьера. Для решения этой задачи использовались повторители (repeater):

Повторитель просто копирует (пересылает) все пакеты Ethernet из одного сегмента во все другие, подключенные к нему. Основной задачей повторителя является восстановление электрических сигналов для передачи их в другие сегменты. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналов повторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети

Мосты и маршрутизаторы

При использовании повторителей максимальная протяженность сети составляет 2500 метров. Для преодоления этого ограничения требуются другие устройства, называемые мостами (bridge). Мосты имеют много отличий от повторителей. Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакет не нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуют многочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальным требованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты, подключенные к повторителю образуют одну разделяемую среду, а сегменты, подключенные к каждому порту моста образуют свою среду с полосой 10 Mbps. При использовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, а пользователи разных сегментов используют независимые Среды. Следовательно, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы для каждого пользователя.

Поначалу в сетях Ethernet использовалась шинная топология на основе коаксиального кабеля, а для расширения сетей применялись 2-х портовые повторители или мосты. Однако, в конце 80-х годов началось широкое распространение сетей на основе кабеля со скрученными парами проводников (витая пара). Новая технология 10Base-T стала очень популярной и привела к трансформации топологии сетей от шинной магистрали к организации соединений типа "звезда". Требования к повторителям и мостам для таких сетей существенно изменились по сравнению с простыми двухпортовыми устройствами для сетей с шинной топологией - современные мосты и повторители представляют собой сложные многопортовые устройства. Мосты позволяют сегментировать сети на меньшие части, в которых общую среду разделяет небольшое число пользователей.

Маршрутизаторы, подобно мостам, также позволяют сегментировать сети Ethernet. маршрутизаторы фильтруют и пересылают сетевой трафик на основе алгоритмов и правил, существенно отличающихся от тех, что используются мостами. Такой способ сегментирования сетей более дорог многопортовые мосты и маршрутизаторы обычно стоят около $1,000 за порт.

Переключение портов

Сегодняшние модульные концентраторы (повторители) часто позволяют организовать несколько сегментов, каждый из которых предоставляет пользователям отдельную разделяемую полосу 10 Mbps. Некоторые концентраторы позволяют программным путем разделять порты устройства на независимые сегменты такая возможность называется переключением портов. Концентратор, к примеру, может содержать три различных сегмента Ethernet, организуемые внутренними средствами хаба. Переключение портов обеспечивает администратору сети высокую гибкость организации сегментов, позволяя переносить порты из одного сегмента в другой программными средствами. Эта возможность особенно полезна для распределения нагрузки между сегментами Ethernet и снижения расходов, связанных с подобными операциями. Переключение портов статическое связывание портов с различными сегментами Ethernet - сильно отличается от описанной ниже коммутации Ethernet.

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет. реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства - это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью.

Виртуальные соединения

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств (таблица 1). Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Таблица 1

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. На рисунке 4 узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Рисунок 4

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные пользователи (в нашем примере - B и C) не получат этот пакет. Таким образом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные для стандартных повторителей Ethernet (см. раздел "Сравнение сетевых устройств").

Одновременные соединения

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке 5 обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10 Mbps для каждого соединения.

Рисунок 5

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса Mbps, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации 12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальности скорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса пар портов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокого класса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способность при условии организации одновременных соединений между всеми парами портов. Однако, в реальной жизни трафик обычно представляет собой ситуацию "один ко многим" (например, множество пользователей сети обращается к ресурсам одного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашем примере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

Рисунок 6

На рисунке 6 три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняет пакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передача пакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинает передавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случае пропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данном случае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формой блокировки.

Производительность коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Для того, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

Скорость передачи между портами

При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS) для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяется свойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPS между портами, полностью использует возможности среды. Полоса пропускания среды является важным параметром, поскольку коммутатор, обеспечивающий передачу пакетов с такой скоростью, полностью использует возможности среды, предоставляя пользователям максимальную полосу.

Общая пропускная способность

Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps суммарная пропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальных соединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора, поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скорость передачи не имеет внутренней блокировки.

Задержка

Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной (например, из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps) коммутацию на лету использовать вообще невозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик, при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. При организации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность

Повторители

Повторители Ethernet, контексте сетей 10Base-T часто называемые концентраторами или хабами, работают в соответствии со стандартом IEEE 802.3. Повторитель просто передает полученные пакеты во все свои порты независимо от адресата.

Хотя все устройства, подключенные к повторителю Ethernet (включая другие повторители) "видят" весь сетевой трафик, получить пакет должен только тот узел, которому он адресован. Все остальные узлы должны игнорировать этот пакет. некоторые сетевые устройства (например, анализаторы протоколов) работают на основе того, что сетевая среда (типа Ethernet) является общедоступной и анализируют весь сетевой трафик. Для некоторых сред, однако, способность каждого узла видеть все пакеты неприемлема по соображениям безопасности.

С точки зрения производительности повторители просто передают пакеты с использованием всей полосы канала. Задержка, вносимая повторителем весьма мала (в соответствии с IEEE 802.3 - менее 3 микросекунд). Сети, содержащие повторители имеют полосу 10 Mbps подобно сегменту на основе коаксиального кабеля и прозрачны для большинства сетевых протоколов, таких как TCP/IP и IPX.

Мосты

Мосты функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.1d. Подобно коммутаторам Ethernet мосты не зависят от протокола и передают пакеты порту, к которому подключен адресат. Однако, в отличие от большинства коммутаторов Ethernet, мосты не передают фрагменты пакетов при возникновении коллизий и пакеты с ошибками, поскольку все пакеты буферизуются перед их пересылкой в порт адресата. Буферизация пакетов (store-and-forward) приводит к возникновению задержки по сравнению с коммутацией на лету. Мосты могут обеспечивать производительность, равную пропускной способности среды, однако внутренняя блокировка несколько снижает скорость их работы.

Маршрутизаторы

Работа маршрутизаторов зависит от сетевых протоколов и определяется связанной с протоколом информацией, передаваемой в пакете. Подобно мостам, маршрутизаторы не передают адресату фрагменты пакетов при возникновении коллизий. Маршрутизаторы сохраняют пакет целиком в своей памяти прежде, чем передать его адресату, следовательно, при использовании маршрутизаторов пакеты передаются с задержкой. Маршрутизаторы могут обеспечивать полосу, равную пропускной способности канала, однако для них характерно наличие внутренней блокировки. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов маршрутизаторы изменяют все передаваемые пакеты.

Резюме

Основные различия между сетевыми устройствами показаны в таблице 2.

Таблица 2.

Хотя все коммутаторы имеют много общего, целесообразно разделить их на два класса, предназначенных для решения разных задач.

Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединении любой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. Если порты имеют одинаковую скорость, получатель пакета должен быть свободен, чтобы не возникло блокировки.

Поддерживая на каждый порт по крайней мере то число адресов, которые могут присутствовать в сегменте, коммутатор обеспечивает для каждого порта выделенную полосу 10 Mbps. Каждый порт коммутатора связан с уникальным адресом подключенного к данному порту устройства Ethernet.

Рисунок 7

Физическое соединение "точка-точка" между коммутаторами рабочих групп и узлами 10Base-T обычно выполняется неэкранированным кабелем на основе скрученных пар, а в узлах сети устанавливается оборудование, соответствующее стандарту 10Base-T.

Коммутаторы рабочих групп могут работать со скоростью 10 или 100 Mbps для различных портов. Такая возможность снижает уровень блокировки при попытке организации нескольких соединений клиентов 10 Mbps с одним скоростным портом. В рабочих группах с архитектурой клиент-сервер несколько клиентов 10 Mbps могут обращаться к серверу, подключенному к порту 100 Mbps. В показанном на рисунке 8 примере три узла 10 Mbps одновременно обращаются к серверу через порт 100 Mbps. Из полосы 100 Mbps, доступной для доступа к серверу, используется 30 Mbps, а 70 Mbps доступно для одновременного подключения к серверу еще семи устройств 10 Mbps через виртуальные каналы.

Рисунок 8

Поддержка различных скоростей полезна также для объединения групповых коммутаторов Ethernet с использованием концентраторов 100 Mbps Fast Ethernet (100Base-T) в качестве локальных магистралей (local backbone). В показанной на рисунке 9 конфигурации коммутаторы, поддерживающие скорости 10 Mbps и 100 Mbps подключены к концентратору 100 Mbps. Локальный трафик остается в пределах рабочей группы, а остальной трафик передается в сеть через концентратор 100 Mbps Ethernet.

Рисунок 9

Для подключения к повторителю 10 или 100 Mbps коммутатор должен иметь порт, способный работать с большим числом адресов Ethernet.

Основным преимуществом коммутаторов для рабочих групп является высокая производительность сети на уровне рабочей группы за счет предоставления каждому пользователю выделенной полосы канала (10 Mbps). Кроме того, коммутаторы снижают (в пределе до нуля) количество коллизий - в отличие от магистральных коммутаторов, описанных ниже, коммутаторы рабочих групп, не будут передавать коллизионные фрагменты адресатам. Коммутаторы для рабочих групп позволяют полностью сохранить сетевую инфраструктуру со стороны клиентов, включая программы, сетевые адаптеры, кабели. Стоимость коммутаторов для рабочих групп в расчете на один порт сегодня сравнима с ценами портов управляемых концентраторов.

Магистральные коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачи среды между парой незанятых сегментов Ethernet. Если скорость портов для отправителя и получателя совпадают, сегмент получателя должен быть свободен во избежание блокировки.

Рисунок 10

На уровне рабочей группы каждый узел разделяет полосу 10 Mbps с другими узлами в том же сегменте. Пакет, адресованный за пределы данной группы, будет передан магистральным коммутатором как показано на рисунке 10. Магистральный коммутатор обеспечивает одновременную передачу пакетов со скоростью среды между любыми парами своих портов. Подобно коммутаторам для рабочих групп, магистральные коммутаторы могут поддерживать различную скорость для своих портов. Магистральные коммутаторы могут работать с сегментами 10Base-T и сегментами на основе коаксиального кабеля. В большинстве случаев использование магистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способ повышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами.

Рисунок 11

Основным недостатком при работе с магистральными коммутаторами является то, что на уровне рабочих групп пользователи работают с разделяемой средой, если они подключены к сегментам, организованным на основе повторителей или коаксиального кабеля. Более того, время отклика на уровне рабочей группы может быть достаточно большим. В отличие от узлов, подключенных к портам коммутатора, для узлов, находящихся в сегментах 10Base-T или сегментах на основе коаксиального кабеля полоса 10 Mbps не гарантируется и они зачастую вынуждены ждать, пока другие узлы не закончат передачу своих пакетов. На уровне рабочей группы по прежнему сохраняются коллизии, а фрагменты пакетов с ошибками будут пересылаться во все сети, подключенные к магистрали. Перечисленных недостатков можно избежать, если на уровне рабочих групп использовать коммутаторы взамен хабов 10Base-T. В большинстве ресурсоемких приложений коммутатор 100 Mbps может выполнять роль скоростной магистрали для коммутаторов рабочих групп с портами 10 и 100 Mbps, концентраторами 100 Mbps и серверами, в которых установлены адаптеры Ethernet 100 Mbps.

Основные свойства коммутаторов Ethernet приведены в таблице 3:

Таблица 3

Ниже перечислены основные преимущества использования коммутаторов Ethernet:

Магистральные коммутаторы прежде всего используются в качестве недорогой альтернативы многопротокольным маршрутизаторам для сегментирования сети. Например, при добавление в сеть, уже содержащую 100 узлов, некоторого количества производительных станций, работа этих станций в сети будет казаться замедленной. Выходом из положения может быть деление сети на несколько сегментов с использование магистрального коммутатора для связи этих сегментов.

Рисунок 12

В приведенном на рисунке 12 примере интегральная пропускная способность составляет 40 Mbps (четыре сегмента 10 Mbps Ethernet). В такой ситуации можно использовать для сегментирования и мультипротокольный маршрутизатор, однако это будет дороже и сложнее. Если основной задачей является повышение производительности сети, установка коммутатора обеспечит наиболее простое и эффективное решение.

Магистральные коммутаторы обеспечивают эффективное сегментирование сети, а коммутаторы для рабочих групп способны предоставить каждому пользователю всю полосу среды. Следовательно, коммутаторы для рабочих групп позволяют значительно повысить производительность работы каждого пользователя в группе и избавить от коллизий. Повышение производительности и снижение времени отклика обеспечивают гигантские преимущества по сравнению с использованием разделяемой среды.

Рисунок 13

Если все узлы подключены к концентратору 10Base-T производительность будет невысокой за счет частых случаев одновременного обращения нескольких пользователей к одному серверу. Замена хаба 10Base-T коммутатором для рабочей группы может существенно повысить производительность работы группы.

Рабочие группы с архитектурой клиент-сервер

Для рабочих групп, где большая часть трафика связана с одним узлом (сервер) существенно повысить производительность можно за счет использования коммутатора, имеющего порты, работающие с более высокой скоростью, нежели скорость клиентов В таком случае сервер подключается к порту 100 Mbps, что позволяет избавиться от пробок при одновременном обращении к серверу нескольких пользователей (см. рисунок 8). Используя порт 100 Mbps для подключения сервера, можно обеспечить десять одновременных подключений со скоростью 10 Mbps. Порт 100 Mbps можно также использовать для подключения к магистральному коммутатору или концентратору 100 Mbps.

Создание больших сетей Ethernet на базе коммутаторов для рабочих групп требует организации скоростного соединения коммутаторов между собой. Кроме того, целесообразно организовать скоростную магистраль для доступа к серверам, используемым всеми рабочими группами сети. Для организации такой магистрали можно использовать коммутаторы или хабы 100 Mbps Ethernet, к портам которых подключаются коммутаторы рабочих групп как это показано на рисунке 14.

Рисунок 14

В нашем примере рабочие станции имеют выделенную полосу 10 Mbps для доступа к серверам через коммутатор рабочей группы и концентратор 100 Mbps Ethernet. Концентратор 100Base-T и корпоративные серверы обычно располагаются в одном помещении, а коммутаторы рабочих групп устанавливаются вблизи этих групп и соединяются с хабом стандартными кабелями.

Коммутация Ethernet является недорогой высокопроизводительной технологией модернизации существующих сетей 10 Mbps Ethernet. Коммутатор является достойной альтернативой многопротокольным маршрутизаторам для деление больших сетей на несколько сегментов. Коммутаторы для рабочих групп предоставляют выделенную полосу каждому пользователю и, по сути, являются единственным эффективным способом модернизации сетей 10Base-T. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт сегодня сравнима с ценой порта в сегментируемом наращиваемом концентраторе. При использовании вместе с магистралями 100 Mbps коммутаторы для рабочих групп позволяют организовать большие высокопроизводительные сети. Для организации эффективных магистралей 100 Mbps следует использовать коммутаторы 100 Mbps Ethernet, известные также как Fast Ethernet и 100Base-T. Коммутаторы можно использовать без внесения каких-либо изменений в существующие кабельные системы 10Base-T, оборудование рабочих станций и т.п., что позволяет значительно снизить расходы на модернизацию сетей.

alive-inter.net

Реферат Сетевой коммутатор

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 Принцип работы коммутатора
• 2 Режимы коммутации
• 3 Симметричная и асимметричная коммутация
• 4 Буфер памяти
• 5 Возможности и разновидности коммутаторов
Литература

Введение

24-портовый сетевой коммутатор

Сетевой коммутатор или свич (жарг. от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Коммутатор работает на канальном (2) уровне модели OSI и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

1. Принцип работы коммутатора

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

2. Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

1. С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
2. Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
3. Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадр размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).

Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

3. Симметричная и асимметричная коммутация

Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зрения ширины полосы пропускания для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с.

Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мб/с и 100 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.

Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединен сервер, с целью предотвращения переполнения на этом порте. Для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.

Асимметричный коммутатор также необходим для обеспечения большей ширины полосы пропускания каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения, или каналов между сегментами магистрали.

4. Буфер памяти

Для временного хранения пакетов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.

Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки пакетов: буферизация по портам и буферизация с общей памятью. При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передается на выходной порт только тогда, когда все пакеты, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, когда один пакет задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка может происходить даже в том случае, когда остальные пакеты могут быть переданы на открытые порты их пунктов назначения.

При буферизации в общей памяти все пакеты хранятся в общем буфере памяти, который используется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого пакеты, находившиеся в буфере, динамически распределяются по выходным портам. Это позволяет получить пакет на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.

Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить пакеты. Очистка этой карты происходит только после того, как пакет успешно отправлен.

Поскольку память буфера является общей, размер пакета ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные пакеты могут быть переданы с меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.

5. Возможности и разновидности коммутаторов

100-мегабитный управляемый коммутатор LS-100-8

Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые). Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например Layer 3 Switch или просто, сокращенно L3. Управление коммутатором может осуществляться посредством протокола Web-интерфейса, SNMP, RMON (протокол, разработанный Cisco) и т. п. Многие управляемые коммутаторы позволяют выполнять дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование. Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство — стек – с целью увеличения числа портов (например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с (4*24-6=90) портами, либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты)).

Литература

• Дэвид Хьюкаби, Стив Мак-Квери Руководство Cisco по конфигурированию коммутаторов Catalyst = Cisco Field Manual: Catalyst Switch Configuration. — М.: «Вильямс», 2004. — С. 560. — ISBN 5-8459-0700-4
• Брайан Хилл Глава 9. Основные сведения о коммутаторах // Полный справочник по Cisco = Cisco: The Complete Reference. — М.: «Вильямс». — С. 1088. — ISBN 0-07-219280-1

wreferat.baza-referat.ru

Доклад на тему Коммутаторы Ethernet

Что такое коммутатор Ethernet?

Основы

Атрибуты коммутаторов Ethernet

Сравнение сетевых устройств

Классы коммутаторов Ethernet

Коммутаторы для рабочих групп

Магистральные коммутаторы

Преимущества коммутаторов Ethernet

Применение коммутаторов

Объединение концентраторов 10Base-T с помощью магистрального коммутатора

Выделенная полоса для каждого пользователя

Рабочие группы с несколькими серверами

Объединение коммутаторов рабочих групп и корпоративных серверов

Заключение

Разработанный в 1973 стандарт Ethernet сегодня является наиболее популярным среди стандартов ЛВС. Как технология с разделяемой средой Ethernet обеспечивает скорость передачи 10 мегабит в секунду (Mbps) для всех пользователей, имеющих доступ к среде передачи и протокол разрешения доступа.

По мере расширения сети доступная пользователю полоса (средняя скорость передачи) сужается за счет того, что канал 10 Mbps делится между всеми узлами сети. Повышение производительности компьютеров и использование приложений с интенсивным сетевым трафиком требует расширения полосы для полной реализации возможностей программ и оборудования. Расширение сетей и повышение производительности компьютеров требуют расширения доступной пользователям полосы, обеспечиваемой сетевой средой передачи.

Существует два способа расширения полосы, доступной каждому пользователю. Технология Fast Ethernet базируется на расширении полосы разделяемой среды до 100 Mbps, обеспечивая рост скорости в 10 раз. Другим способ является снижение числа узлов сети, имеющих доступ к разделяемой среде и, следовательно, расширение доступной оставшимся узлам полосы. В предельном случае вся полоса канала передачи может быть предоставлена одному пользователю.

Процесс снижения числа узлов в сети называется сегментацией и осуществляется за счет деления большой сети на несколько меньших. Поскольку пользователям может требоваться доступ к ресурсам других сегментов, нужен механизм обеспечения такого доступа, обеспечивающий межсегментный обмен с достаточно высокой скоростью. Новый тип устройств, называемых коммутаторами Ethernet, обеспечивает требуемые возможности. В данной статье рассматриваются различные типы коммутаторов Ethernet и их роль в повышении производительности сетей Ethernet.

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетей большого размера. Для того, чтобы лучше разобраться в устройстве и работе коммутаторов Ethernet, полезно понять основы технологии организации кабельных систем сети.

Повторители

В начале 80-х годов сети Ethernet организовывались на базе шинной топологии с использованием сегментов на основе коаксиального кабеля длиной до 500 метров. Увеличение размеров сетей поставило задачу преодоления 500-метрового барьера. Для решения этой задачи использовались повторители (repeater):

Повторитель просто копирует (пересылает) все пакеты Ethernet из одного сегмента во все другие, подключенные к нему. Основной задачей повторителя является восстановление электрических сигналов для передачи их в другие сегменты. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналов повторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети

Мосты и маршрутизаторы

При использовании повторителей максимальная протяженность сети составляет 2500 метров. Для преодоления этого ограничения требуются другие устройства, называемые мостами (bridge). Мосты имеют много отличий от повторителей. Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакет не нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуют многочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальным требованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты, подключенные к повторителю образуют одну разделяемую среду, а сегменты, подключенные к каждому порту моста образуют свою среду с полосой 10 Mbps. При использовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, а пользователи разных сегментов используют независимые Среды. Следовательно, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы для каждого пользователя.

Поначалу в сетях Ethernet использовалась шинная топология на основе коаксиального кабеля, а для расширения сетей применялись 2-х портовые повторители или мосты. Однако, в конце 80-х годов началось широкое распространение сетей на основе кабеля со скрученными парами проводников (витая пара). Новая технология 10Base-T стала очень популярной и привела к трансформации топологии сетей от шинной магистрали к организации соединений типа "звезда". Требования к повторителям и мостам для таких сетей существенно изменились по сравнению с простыми двухпортовыми устройствами для сетей с шинной топологией - современные мосты и повторители представляют собой сложные многопортовые устройства. Мосты позволяют сегментировать сети на меньшие части, в которых общую среду разделяет небольшое число пользователей.

Маршрутизаторы, подобно мостам, также позволяют сегментировать сети Ethernet. маршрутизаторы фильтруют и пересылают сетевой трафик на основе алгоритмов и правил, существенно отличающихся от тех, что используются мостами. Такой способ сегментирования сетей более дорог многопортовые мосты и маршрутизаторы обычно стоят около $1,000 за порт.

Переключение портов

Сегодняшние модульные концентраторы (повторители) часто позволяют организовать несколько сегментов, каждый из которых предоставляет пользователям отдельную разделяемую полосу 10 Mbps. Некоторые концентраторы позволяют программным путем разделять порты устройства на независимые сегменты такая возможность называется переключением портов. Концентратор, к примеру, может содержать три различных сегмента Ethernet, организуемые внутренними средствами хаба. Переключение портов обеспечивает администратору сети высокую гибкость организации сегментов, позволяя переносить порты из одного сегмента в другой программными средствами. Эта возможность особенно полезна для распределения нагрузки между сегментами Ethernet и снижения расходов, связанных с подобными операциями. Переключение портов статическое связывание портов с различными сегментами Ethernet - сильно отличается от описанной ниже коммутации Ethernet.

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет. реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства - это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью.

Виртуальные соединения

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств (таблица 1). Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Таблица 1

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. На рисунке 4 узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Рисунок 4

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные пользователи (в нашем примере - B и C) не получат этот пакет. Таким образом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные для стандартных повторителей Ethernet (см. раздел "Сравнение сетевых устройств").

Одновременные соединения

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке 5 обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10 Mbps для каждого соединения.

Рисунок 5

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса Mbps, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации 12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальности скорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса пар портов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокого класса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способность при условии организации одновременных соединений между всеми парами портов. Однако, в реальной жизни трафик обычно представляет собой ситуацию "один ко многим" (например, множество пользователей сети обращается к ресурсам одного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашем примере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

Рисунок 6

На рисунке 6 три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняет пакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передача пакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинает передавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случае пропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данном случае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формой блокировки.

Производительность коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Для того, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

Скорость передачи между портами

При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS) для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяется свойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPS между портами, полностью использует возможности среды. Полоса пропускания среды является важным параметром, поскольку коммутатор, обеспечивающий передачу пакетов с такой скоростью, полностью использует возможности среды, предоставляя пользователям максимальную полосу.

Общая пропускная способность

Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps суммарная пропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальных соединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора, поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скорость передачи не имеет внутренней блокировки.

Задержка

Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной (например, из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps) коммутацию на лету использовать вообще невозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик, при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. При организации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность

Повторители

Повторители Ethernet, контексте сетей 10Base-T часто называемые концентраторами или хабами, работают в соответствии со стандартом IEEE 802.3. Повторитель просто передает полученные пакеты во все свои порты независимо от адресата.

Хотя все устройства, подключенные к повторителю Ethernet (включая другие повторители) "видят" весь сетевой трафик, получить пакет должен только тот узел, которому он адресован. Все остальные узлы должны игнорировать этот пакет. некоторые сетевые устройства (например, анализаторы протоколов) работают на основе того, что сетевая среда (типа Ethernet) является общедоступной и анализируют весь сетевой трафик. Для некоторых сред, однако, способность каждого узла видеть все пакеты неприемлема по соображениям безопасности.

С точки зрения производительности повторители просто передают пакеты с использованием всей полосы канала. Задержка, вносимая повторителем весьма мала (в соответствии с IEEE 802.3 - менее 3 микросекунд). Сети, содержащие повторители имеют полосу 10 Mbps подобно сегменту на основе коаксиального кабеля и прозрачны для большинства сетевых протоколов, таких как TCP/IP и IPX.

Мосты

Мосты функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.1d. Подобно коммутаторам Ethernet мосты не зависят от протокола и передают пакеты порту, к которому подключен адресат. Однако, в отличие от большинства коммутаторов Ethernet, мосты не передают фрагменты пакетов при возникновении коллизий и пакеты с ошибками, поскольку все пакеты буферизуются перед их пересылкой в порт адресата. Буферизация пакетов (store-and-forward) приводит к возникновению задержки по сравнению с коммутацией на лету. Мосты могут обеспечивать производительность, равную пропускной способности среды, однако внутренняя блокировка несколько снижает скорость их работы.

Маршрутизаторы

Работа маршрутизаторов зависит от сетевых протоколов и определяется связанной с протоколом информацией, передаваемой в пакете. Подобно мостам, маршрутизаторы не передают адресату фрагменты пакетов при возникновении коллизий. Маршрутизаторы сохраняют пакет целиком в своей памяти прежде, чем передать его адресату, следовательно, при использовании маршрутизаторов пакеты передаются с задержкой. Маршрутизаторы могут обеспечивать полосу, равную пропускной способности канала, однако для них характерно наличие внутренней блокировки. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов маршрутизаторы изменяют все передаваемые пакеты.

Резюме

Основные различия между сетевыми устройствами показаны в таблице 2.

Таблица 2.

Хотя все коммутаторы имеют много общего, целесообразно разделить их на два класса, предназначенных для решения разных задач.

Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединении любой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. Если порты имеют одинаковую скорость, получатель пакета должен быть свободен, чтобы не возникло блокировки.

Поддерживая на каждый порт по крайней мере то число адресов, которые могут присутствовать в сегменте, коммутатор обеспечивает для каждого порта выделенную полосу 10 Mbps. Каждый порт коммутатора связан с уникальным адресом подключенного к данному порту устройства Ethernet.

Рисунок 7

Физическое соединение "точка-точка" между коммутаторами рабочих групп и узлами 10Base-T обычно выполняется неэкранированным кабелем на основе скрученных пар, а в узлах сети устанавливается оборудование, соответствующее стандарту 10Base-T.

Коммутаторы рабочих групп могут работать со скоростью 10 или 100 Mbps для различных портов. Такая возможность снижает уровень блокировки при попытке организации нескольких соединений клиентов 10 Mbps с одним скоростным портом. В рабочих группах с архитектурой клиент-сервер несколько клиентов 10 Mbps могут обращаться к серверу, подключенному к порту 100 Mbps. В показанном на рисунке 8 примере три узла 10 Mbps одновременно обращаются к серверу через порт 100 Mbps. Из полосы 100 Mbps, доступной для доступа к серверу, используется 30 Mbps, а 70 Mbps доступно для одновременного подключения к серверу еще семи устройств 10 Mbps через виртуальные каналы.

Рисунок 8

Поддержка различных скоростей полезна также для объединения групповых коммутаторов Ethernet с использованием концентраторов 100 Mbps Fast Ethernet (100Base-T) в качестве локальных магистралей (local backbone). В показанной на рисунке 9 конфигурации коммутаторы, поддерживающие скорости 10 Mbps и 100 Mbps подключены к концентратору 100 Mbps. Локальный трафик остается в пределах рабочей группы, а остальной трафик передается в сеть через концентратор 100 Mbps Ethernet.

Рисунок 9

Для подключения к повторителю 10 или 100 Mbps коммутатор должен иметь порт, способный работать с большим числом адресов Ethernet.

Основным преимуществом коммутаторов для рабочих групп является высокая производительность сети на уровне рабочей группы за счет предоставления каждому пользователю выделенной полосы канала (10 Mbps). Кроме того, коммутаторы снижают (в пределе до нуля) количество коллизий - в отличие от магистральных коммутаторов, описанных ниже, коммутаторы рабочих групп, не будут передавать коллизионные фрагменты адресатам. Коммутаторы для рабочих групп позволяют полностью сохранить сетевую инфраструктуру со стороны клиентов, включая программы, сетевые адаптеры, кабели. Стоимость коммутаторов для рабочих групп в расчете на один порт сегодня сравнима с ценами портов управляемых концентраторов.

Магистральные коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачи среды между парой незанятых сегментов Ethernet. Если скорость портов для отправителя и получателя совпадают, сегмент получателя должен быть свободен во избежание блокировки.

Рисунок 10

На уровне рабочей группы каждый узел разделяет полосу 10 Mbps с другими узлами в том же сегменте. Пакет, адресованный за пределы данной группы, будет передан магистральным коммутатором как показано на рисунке 10. Магистральный коммутатор обеспечивает одновременную передачу пакетов со скоростью среды между любыми парами своих портов. Подобно коммутаторам для рабочих групп, магистральные коммутаторы могут поддерживать различную скорость для своих портов. Магистральные коммутаторы могут работать с сегментами 10Base-T и сегментами на основе коаксиального кабеля. В большинстве случаев использование магистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способ повышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами.

Рисунок 11

Основным недостатком при работе с магистральными коммутаторами является то, что на уровне рабочих групп пользователи работают с разделяемой средой, если они подключены к сегментам, организованным на основе повторителей или коаксиального кабеля. Более того, время отклика на уровне рабочей группы может быть достаточно большим. В отличие от узлов, подключенных к портам коммутатора, для узлов, находящихся в сегментах 10Base-T или сегментах на основе коаксиального кабеля полоса 10 Mbps не гарантируется и они зачастую вынуждены ждать, пока другие узлы не закончат передачу своих пакетов. На уровне рабочей группы по прежнему сохраняются коллизии, а фрагменты пакетов с ошибками будут пересылаться во все сети, подключенные к магистрали. Перечисленных недостатков можно избежать, если на уровне рабочих групп использовать коммутаторы взамен хабов 10Base-T. В большинстве ресурсоемких приложений коммутатор 100 Mbps может выполнять роль скоростной магистрали для коммутаторов рабочих групп с портами 10 и 100 Mbps, концентраторами 100 Mbps и серверами, в которых установлены адаптеры Ethernet 100 Mbps.

Основные свойства коммутаторов Ethernet приведены в таблице 3:

Таблица 3

Ниже перечислены основные преимущества использования коммутаторов Ethernet:

Магистральные коммутаторы прежде всего используются в качестве недорогой альтернативы многопротокольным маршрутизаторам для сегментирования сети. Например, при добавление в сеть, уже содержащую 100 узлов, некоторого количества производительных станций, работа этих станций в сети будет казаться замедленной. Выходом из положения может быть деление сети на несколько сегментов с использование магистрального коммутатора для связи этих сегментов.

Рисунок 12

В приведенном на рисунке 12 примере интегральная пропускная способность составляет 40 Mbps (четыре сегмента 10 Mbps Ethernet). В такой ситуации можно использовать для сегментирования и мультипротокольный маршрутизатор, однако это будет дороже и сложнее. Если основной задачей является повышение производительности сети, установка коммутатора обеспечит наиболее простое и эффективное решение.

Магистральные коммутаторы обеспечивают эффективное сегментирование сети, а коммутаторы для рабочих групп способны предоставить каждому пользователю всю полосу среды. Следовательно, коммутаторы для рабочих групп позволяют значительно повысить производительность работы каждого пользователя в группе и избавить от коллизий. Повышение производительности и снижение времени отклика обеспечивают гигантские преимущества по сравнению с использованием разделяемой среды.

Рисунок 13

Если все узлы подключены к концентратору 10Base-T производительность будет невысокой за счет частых случаев одновременного обращения нескольких пользователей к одному серверу. Замена хаба 10Base-T коммутатором для рабочей группы может существенно повысить производительность работы группы.

Рабочие группы с архитектурой клиент-сервер

Для рабочих групп, где большая часть трафика связана с одним узлом (сервер) существенно повысить производительность можно за счет использования коммутатора, имеющего порты, работающие с более высокой скоростью, нежели скорость клиентов В таком случае сервер подключается к порту 100 Mbps, что позволяет избавиться от пробок при одновременном обращении к серверу нескольких пользователей (см. рисунок 8). Используя порт 100 Mbps для подключения сервера, можно обеспечить десять одновременных подключений со скоростью 10 Mbps. Порт 100 Mbps можно также использовать для подключения к магистральному коммутатору или концентратору 100 Mbps.

Создание больших сетей Ethernet на базе коммутаторов для рабочих групп требует организации скоростного соединения коммутаторов между собой. Кроме того, целесообразно организовать скоростную магистраль для доступа к серверам, используемым всеми рабочими группами сети. Для организации такой магистрали можно использовать коммутаторы или хабы 100 Mbps Ethernet, к портам которых подключаются коммутаторы рабочих групп как это показано на рисунке 14.

Рисунок 14

В нашем примере рабочие станции имеют выделенную полосу 10 Mbps для доступа к серверам через коммутатор рабочей группы и концентратор 100 Mbps Ethernet. Концентратор 100Base-T и корпоративные серверы обычно располагаются в одном помещении, а коммутаторы рабочих групп устанавливаются вблизи этих групп и соединяются с хабом стандартными кабелями.

Коммутация Ethernet является недорогой высокопроизводительной технологией модернизации существующих сетей 10 Mbps Ethernet. Коммутатор является достойной альтернативой многопротокольным маршрутизаторам для деление больших сетей на несколько сегментов. Коммутаторы для рабочих групп предоставляют выделенную полосу каждому пользователю и, по сути, являются единственным эффективным способом модернизации сетей 10Base-T. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт сегодня сравнима с ценой порта в сегментируемом наращиваемом концентраторе. При использовании вместе с магистралями 100 Mbps коммутаторы для рабочих групп позволяют организовать большие высокопроизводительные сети. Для организации эффективных магистралей 100 Mbps следует использовать коммутаторы 100 Mbps Ethernet, известные также как Fast Ethernet и 100Base-T. Коммутаторы можно использовать без внесения каких-либо изменений в существующие кабельные системы 10Base-T, оборудование рабочих станций и т.п., что позволяет значительно снизить расходы на модернизацию сетей.

bukvasha.ru

Сетевые коммутаторы — реферат

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра «Персональные компьютеры и сети» 

Реферат

По дисциплине «Сети ЭВМ и телекоммуникаций»

на тему: «Сетевые коммутаторы» 

Выполнил:

студент 4-го курса

дневного  отделения

факультет ИТ спец. 230101

группа  ИТ-4

Петров  А. Г.

__________________

подпись, дата 

Преподаватель:

__________________

подпись, дата 

Москва  – 2010

Коммутация  по праву считается одной из самых  популярных современных технологий. Коммутаторы по всему фронту теснят мосты и маршрутизаторы, оставляя за последними только организацию связи через глобальную сеть. Популярность коммутаторов обусловлена прежде всего тем, что они позволяют за счет сегментации повысить производительность сети. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность создавать логические сети и легко перегруппировывать устройства в них. Иными словами, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети.

В 1994 году компания IDC дала свое определение коммутатора локальных сетей: “ коммутатор – это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование локальной сети, а также выделить полосу пропускания конечным станциям в сети”.

Впервые коммутаторы появились в конце 80-х годов. Первые коммутаторы использовались для перераспределения пропускной способности и, соответственно, повышения  производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально применялись исключительно для сегментации сети. В наше время произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы используются для прямого подключения к конечным станциям.

Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между пользователями и приложениями. Несмотря на то что первоначальная стоимость была довольно высока, тем не менее они были значительно дешевле и проще в настройке и использовании, чем маршрутизаторы. Широкое распространение коммутаторов на уровне рабочих групп можно объяснить тем, что коммутаторы позволяют повысить отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных пользователей.

В отличие  от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

 Коммутатор работает на канальном (2) уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

Принципы  работы

Коммутатор  хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порте интерфейса.

Режимы  коммутации

Существует  три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надежность передачи.

1. С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
2. Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
3. Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадр размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).

Латентность, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для  входа на порт коммутатора и выхода с него и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Симметричная  и асимметричная  коммутация

Свойство  симметрии при коммутации позволяет  дать характеристику коммутатора с  точки зрения ширины полосы пропускания  для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с.

Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые  соединения между портами с различной  шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с  шириной полосы пропускания 10 Мб/с  и 100 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.

Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединен сервер, с целью предотвращения переполнения на этом порте. Для того, чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.

Асимметричный коммутатор также необходим для  обеспечения большей ширины полосы пропускания каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения или каналов между  сегментами магистрали.

Буфер памяти

Для временного хранения пакетов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.

Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки пакетов — буферизация по портам и буферизация с общей памятью. При буферизации по портам, пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передается на выходной порт только тогда, когда все пакеты, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, когда один пакет задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка может происходить даже в том случае, когда остальные пакеты могут быть переданы на открытые порты их пунктов назначения.

При буферизации  в общей памяти, все пакеты хранятся в общем буфере памяти, который  используется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого пакеты, находившиеся в буфере динамически распределяются по выходным портам. Это позволяет получить пакет на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.

Коммутатор  поддерживает карту портов, в которые  требуется отправить пакеты. Очистка  этой карты происходит только после  того, как пакет успешно отправлен.

Поскольку память буфера является общей, размер пакета ограничивается всем размером буфера, а не долей предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные пакеты, могут быть переданы с меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.

Настольные  коммутаторы

Будучи  предназначенными для работы с небольшим  числом пользователей, настольные коммутаторы  могут служить для замены концентраторов 10Base-T. Обычно настольные коммутаторы имеют 24 порта, каждый из которых поддерживает персональный (private) канал с полосой 10 Мбит/сек для подключения одного узла (например, рабочей станции). Дополнительно такой коммутатор может иметь один или несколько портов 100Base-T или FDDI для подключения к магистрали (backbone) или серверу.

Объединяя в себе возможности технологий 10 Мбит/сек и 100 Мбит/сек, настольные коммутаторы  минимизируют блокировку при попытке  одновременного подключения нескольких узлов к единственному скоростному порту (100 Мбит/сек). В среде клиент-сервер одновременно несколько узлов могут получить доступ к серверу, подключенному через порт 100 Мбит/сек.

Настольные  коммутаторы просты в установке  и обслуживании, зачастую содержат встроенные plug-and-play программы и имеют упрощенный интерфейс установки параметров. Стоимость в пересчете на один порт составляет - $150, менее чем вдвое превосходя стоимость порта в концентраторах 10Base-T.

Магистральные коммутаторы

На вершине  иерархии коммутаторов Ethernet находятся магистральные коммутаторы - устройства для соединения сетей или сегментов, поддерживающие множественную адресацию для своих портов. Такие коммутаторы используются для соединения концентраторов 10Base-T, настольных и групповых коммутаторов, серверов.

Для пользователей, желающих увеличить доступную полосу за счет сегментации, магистральные  коммутаторы служат простой, высокопроизводительной и эффективной по стоимости альтернативой  маршрутизаторам. Магистральные коммутаторы  могут одновременно передавать трафик между несколькими сегментами с полным использованием полосы пропускания среды.

Кроме того, магистральные коммутаторы  могут фильтровать пакеты на основе признаков, отличающихся от адресов. Например, администратор может запретить  передачу широковещательных пакетов NetWare рабочим станциям Unix за счет фильтрации по протоколу.

Для магистральных  коммутаторов характерно модульное  устройство и способность поддерживать до нескольких тысяч MAC-адресов на каждый порт. Установка таких коммутаторов более сложна по сравнению с настольными коммутаторами, главным образом за счет необходимости настройки функций маршрутизации. Резервные источники питания, горячая замена модулей, поддержка протокола Spanning Tree являются обязательными для магистральных коммутаторов элементами, обеспечивающими все возможности технологий коммутации, включая виртуальные сети.

При совместном использовании с настольными  коммутаторами (взамен концентраторов 10Base-T), магистральные коммутаторы  обеспечивают сквозную (end-to-end) коммутацию, позволяющую избежать большинства проблем, связанных с использованием разделяемой среды (большое количество коллизий, размножение ошибочных пакетов, снижение уровня безопасности). В большинстве мощных приложений магистральные коммутаторы 100 Мбит/сек могут служить высокоскоростной магистралью между настольными коммутаторами 100/10 Мбит/сек и серверами, подключенными по каналу 100 Мбит/сек.

freepapers.ru

Реферат: Коммутаторы Ethernet

Коммутаторы Ethernet

Что такое коммутатор Ethernet?

Основы

Атрибуты коммутаторов Ethernet

Сравнение сетевых устройств

Классы коммутаторов Ethernet

Коммутаторы для рабочих групп

Магистральные коммутаторы

Преимущества коммутаторов Ethernet

Применение коммутаторов

Объединение концентраторов 10Base-T с помощью магистрального коммутатора

Выделенная полоса для каждого пользователя

Рабочие группы с несколькими серверами

Объединение коммутаторов рабочих групп и корпоративных серверов

Заключение

Введение

Разработанный в 1973 стандарт Ethernet сегодня является наиболее популярным среди стандартов ЛВС. Как технология с разделяемой средой Ethernet обеспечивает скорость передачи 10 мегабит в секунду (Mbps) для всех пользователей, имеющих доступ к среде передачи и протокол разрешения доступа.

По мере расширения сети доступная пользователю полоса (средняя скорость передачи) сужается за счет того, что канал 10 Mbps делится между всеми узлами сети. Повышение производительности компьютеров и использование приложений с интенсивным сетевым трафиком требует расширения полосы для полной реализации возможностей программ и оборудования. Расширение сетей и повышение производительности компьютеров требуют расширения доступной пользователям полосы, обеспечиваемой сетевой средой передачи.

Существует два способа расширения полосы, доступной каждому пользователю. Технология Fast Ethernet базируется на расширении полосы разделяемой среды до 100 Mbps, обеспечивая рост скорости в 10 раз. Другим способ является снижение числа узлов сети, имеющих доступ к разделяемой среде и, следовательно, расширение доступной оставшимся узлам полосы. В предельном случае вся полоса канала передачи может быть предоставлена одному пользователю.

Процесс снижения числа узлов в сети называется сегментацией и осуществляется за счет деления большой сети на несколько меньших. Поскольку пользователям может требоваться доступ к ресурсам других сегментов, нужен механизм обеспечения такого доступа, обеспечивающий межсегментный обмен с достаточно высокой скоростью. Новый тип устройств, называемых коммутаторами Ethernet, обеспечивает требуемые возможности. В данной статье рассматриваются различные типы коммутаторов Ethernet и их роль в повышении производительности сетей Ethernet.

Что такое коммутатор Ethernet?

Основы

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетей большого размера. Для того, чтобы лучше разобраться в устройстве и работе коммутаторов Ethernet, полезно понять основы технологии организации кабельных систем сети.

Повторители

В начале 80-х годов сети Ethernet организовывались на базе шинной топологии с использованием сегментов на основе коаксиального кабеля длиной до 500 метров. Увеличение размеров сетей поставило задачу преодоления 500-метрового барьера. Для решения этой задачи использовались повторители (repeater):

Повторитель просто копирует (пересылает) все пакеты Ethernet из одного сегмента во все другие, подключенные к нему. Основной задачей повторителя является восстановление электрических сигналов для передачи их в другие сегменты. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналов повторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети

Мосты и маршрутизаторы

При использовании повторителей максимальная протяженность сети составляет 2500 метров. Для преодоления этого ограничения требуются другие устройства, называемые мостами (bridge). Мосты имеют много отличий от повторителей. Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакет не нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуют многочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальным требованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты, подключенные к повторителю образуют одну разделяемую среду, а сегменты, подключенные к каждому порту моста образуют свою среду с полосой 10 Mbps. При использовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, а пользователи разных сегментов используют независимые Среды. Следовательно, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы для каждого пользователя.

Поначалу в сетях Ethernet использовалась шинная топология на основе коаксиального кабеля, а для расширения сетей применялись 2-х портовые повторители или мосты. Однако, в конце 80-х годов началось широкое распространение сетей на основе кабеля со скрученными парами проводников (витая пара). Новая технология 10Base-T стала очень популярной и привела к трансформации топологии сетей от шинной магистрали к организации соединений типа "звезда". Требования к повторителям и мостам для таких сетей существенно изменились по сравнению с простыми двухпортовыми устройствами для сетей с шинной топологией - современные мосты и повторители представляют собой сложные многопортовые устройства. Мосты позволяют сегментировать сети на меньшие части, в которых общую среду разделяет небольшое число пользователей.

Маршрутизаторы, подобно мостам, также позволяют сегментировать сети Ethernet. маршрутизаторы фильтруют и пересылают сетевой трафик на основе алгоритмов и правил, существенно отличающихся от тех, что используются мостами. Такой способ сегментирования сетей более дорог многопортовые мосты и маршрутизаторы обычно стоят около $1,000 за порт.

Переключение портов

Сегодняшние модульные концентраторы (повторители) часто позволяют организовать несколько сегментов, каждый из которых предоставляет пользователям отдельную разделяемую полосу 10 Mbps. Некоторые концентраторы позволяют программным путем разделять порты устройства на независимые сегменты такая возможность называется переключением портов. Концентратор, к примеру, может содержать три различных сегмента Ethernet, организуемые внутренними средствами хаба. Переключение портов обеспечивает администратору сети высокую гибкость организации сегментов, позволяя переносить порты из одного сегмента в другой программными средствами. Эта возможность особенно полезна для распределения нагрузки между сегментами Ethernet и снижения расходов, связанных с подобными операциями. Переключение портов статическое связывание портов с различными сегментами Ethernet - сильно отличается от описанной ниже коммутации Ethernet.

Атрибуты коммутаторов Ethernet

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет. реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства - это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью.

Виртуальные соединения

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств (таблица 1). Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Таблица 1

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. На рисунке 4 узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Рисунок 4

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные пользователи (в нашем примере - B и C) не получат этот пакет. Таким образом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные для стандартных повторителей Ethernet (см. раздел "Сравнение сетевых устройств").

Одновременные соединения

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке 5 обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10 Mbps для каждого соединения.

Рисунок 5

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса Mbps, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации 12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальности скорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса пар портов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокого класса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способность при условии организации одновременных соединений между всеми парами портов. Однако, в реальной жизни трафик обычно представляет собой ситуацию "один ко многим" (например, множество пользователей сети обращается к ресурсам одного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашем примере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

Рисунок 6

На рисунке 6 три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняет пакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передача пакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинает передавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случае пропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данном случае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формой блокировки.

Производительность коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Для того, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

1. скорость передачи между портами
2. общая пропускная способность
3. задержка

Скорость передачи между портами

При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS) для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяется свойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPS между портами, полностью использует возможности среды. Полоса пропускания среды является важным параметром, поскольку коммутатор, обеспечивающий передачу пакетов с такой скоростью, полностью использует возможности среды, предоставляя пользователям максимальную полосу.

Общая пропускная способность

Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps суммарная пропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальных соединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора, поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скорость передачи не имеет внутренней блокировки.

Задержка

Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того, как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в начале пакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят от отправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) и обеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с ней непосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутации на лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержат ошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета (адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату. Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общую производительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной (например, из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps) коммутацию на лету использовать вообще невозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик, при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. При организации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуется буферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данные передаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которых содержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в форме последовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержка меньше влияет на производительность

Сравнение сетевых устройств

Повторители

Повторители Ethernet, контексте сетей 10Base-T часто называемые концентраторами или хабами, работают в соответствии со стандартом IEEE 802.3. Повторитель просто передает полученные пакеты во все свои порты независимо от адресата.

Хотя все устройства, подключенные к повторителю Ethernet (включая другие повторители) "видят" весь сетевой трафик, получить пакет должен только тот узел, которому он адресован. Все остальные узлы должны игнорировать этот пакет. некоторые сетевые устройства (например, анализаторы протоколов) работают на основе того, что сетевая среда (типа Ethernet) является общедоступной и анализируют весь сетевой трафик. Для некоторых сред, однако, способность каждого узла видеть все пакеты неприемлема по соображениям безопасности.

С точки зрения производительности повторители просто передают пакеты с использованием всей полосы канала. Задержка, вносимая повторителем весьма мала (в соответствии с IEEE 802.3 - менее 3 микросекунд). Сети, содержащие повторители имеют полосу 10 Mbps подобно сегменту на основе коаксиального кабеля и прозрачны для большинства сетевых протоколов, таких как TCP/IP и IPX.

Мосты

Мосты функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.1d. Подобно коммутаторам Ethernet мосты не зависят от протокола и передают пакеты порту, к которому подключен адресат. Однако, в отличие от большинства коммутаторов Ethernet, мосты не передают фрагменты пакетов при возникновении коллизий и пакеты с ошибками, поскольку все пакеты буферизуются перед их пересылкой в порт адресата. Буферизация пакетов (store-and-forward) приводит к возникновению задержки по сравнению с коммутацией на лету. Мосты могут обеспечивать производительность, равную пропускной способности среды, однако внутренняя блокировка несколько снижает скорость их работы.

Маршрутизаторы

Работа маршрутизаторов зависит от сетевых протоколов и определяется связанной с протоколом информацией, передаваемой в пакете. Подобно мостам, маршрутизаторы не передают адресату фрагменты пакетов при возникновении коллизий. Маршрутизаторы сохраняют пакет целиком в своей памяти прежде, чем передать его адресату, следовательно, при использовании маршрутизаторов пакеты передаются с задержкой. Маршрутизаторы могут обеспечивать полосу, равную пропускной способности канала, однако для них характерно наличие внутренней блокировки. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов маршрутизаторы изменяют все передаваемые пакеты.

Резюме

Основные различия между сетевыми устройствами показаны в таблице 2.

Таблица 2.

Классы коммутаторов Ethernet

Хотя все коммутаторы имеют много общего, целесообразно разделить их на два класса, предназначенных для решения разных задач.

Коммутаторы для рабочих групп

Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединении любой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. Если порты имеют одинаковую скорость, получатель пакета должен быть свободен, чтобы не возникло блокировки.

Поддерживая на каждый порт по крайней мере то число адресов, которые могут присутствовать в сегменте, коммутатор обеспечивает для каждого порта выделенную полосу 10 Mbps. Каждый порт коммутатора связан с уникальным адресом подключенного к данному порту устройства Ethernet.

Рисунок 7

Физическое соединение "точка-точка" между коммутаторами рабочих групп и узлами 10Base-T обычно выполняется неэкранированным кабелем на основе скрученных пар, а в узлах сети устанавливается оборудование, соответствующее стандарту 10Base-T.

Коммутаторы рабочих групп могут работать со скоростью 10 или 100 Mbps для различных портов. Такая возможность снижает уровень блокировки при попытке организации нескольких соединений клиентов 10 Mbps с одним скоростным портом. В рабочих группах с архитектурой клиент-сервер несколько клиентов 10 Mbps могут обращаться к серверу, подключенному к порту 100 Mbps. В показанном на рисунке 8 примере три узла 10 Mbps одновременно обращаются к серверу через порт 100 Mbps. Из полосы 100 Mbps, доступной для доступа к серверу, используется 30 Mbps, а 70 Mbps доступно для одновременного подключения к серверу еще семи устройств 10 Mbps через виртуальные каналы.

Рисунок 8

Поддержка различных скоростей полезна также для объединения групповых коммутаторов Ethernet с использованием концентраторов 100 Mbps Fast Ethernet (100Base-T) в качестве локальных магистралей (local backbone). В показанной на рисунке 9 конфигурации коммутаторы, поддерживающие скорости 10 Mbps и 100 Mbps подключены к концентратору 100 Mbps. Локальный трафик остается в пределах рабочей группы, а остальной трафик передается в сеть через концентратор 100 Mbps Ethernet.

Рисунок 9

Для подключения к повторителю 10 или 100 Mbps коммутатор должен иметь порт, способный работать с большим числом адресов Ethernet.

Основным преимуществом коммутаторов для рабочих групп является высокая производительность сети на уровне рабочей группы за счет предоставления каждому пользователю выделенной полосы канала (10 Mbps). Кроме того, коммутаторы снижают (в пределе до нуля) количество коллизий - в отличие от магистральных коммутаторов, описанных ниже, коммутаторы рабочих групп, не будут передавать коллизионные фрагменты адресатам. Коммутаторы для рабочих групп позволяют полностью сохранить сетевую инфраструктуру со стороны клиентов, включая программы, сетевые адаптеры, кабели. Стоимость коммутаторов для рабочих групп в расчете на один порт сегодня сравнима с ценами портов управляемых концентраторов.

Магистральные коммутаторы

Магистральные коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачи среды между парой незанятых сегментов Ethernet. Если скорость портов для отправителя и получателя совпадают, сегмент получателя должен быть свободен во избежание блокировки.

Рисунок 10

На уровне рабочей группы каждый узел разделяет полосу 10 Mbps с другими узлами в том же сегменте. Пакет, адресованный за пределы данной группы, будет передан магистральным коммутатором как показано на рисунке 10. Магистральный коммутатор обеспечивает одновременную передачу пакетов со скоростью среды между любыми парами своих портов. Подобно коммутаторам для рабочих групп, магистральные коммутаторы могут поддерживать различную скорость для своих портов. Магистральные коммутаторы могут работать с сегментами 10Base-T и сегментами на основе коаксиального кабеля. В большинстве случаев использование магистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способ повышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами.

Рисунок 11

Основным недостатком при работе с магистральными коммутаторами является то, что на уровне рабочих групп пользователи работают с разделяемой средой, если они подключены к сегментам, организованным на основе повторителей или коаксиального кабеля. Более того, время отклика на уровне рабочей группы может быть достаточно большим. В отличие от узлов, подключенных к портам коммутатора, для узлов, находящихся в сегментах 10Base-T или сегментах на основе коаксиального кабеля полоса 10 Mbps не гарантируется и они зачастую вынуждены ждать, пока другие узлы не закончат передачу своих пакетов. На уровне рабочей группы по прежнему сохраняются коллизии, а фрагменты пакетов с ошибками будут пересылаться во все сети, подключенные к магистрали. Перечисленных недостатков можно избежать, если на уровне рабочих групп использовать коммутаторы взамен хабов 10Base-T. В большинстве ресурсоемких приложений коммутатор 100 Mbps может выполнять роль скоростной магистрали для коммутаторов рабочих групп с портами 10 и 100 Mbps, концентраторами 100 Mbps и серверами, в которых установлены адаптеры Ethernet 100 Mbps.

Сравнение возможностей

Основные свойства коммутаторов Ethernet приведены в таблице 3:

Таблица 3

Преимущества коммутаторов Ethernet

Ниже перечислены основные преимущества использования коммутаторов Ethernet:

1. Повышение производительности за счет высокоскоростных соединений между сегментами Ethernet (магистральные коммутаторы) или узлами сети (коммутаторы для рабочих групп). В отличие от разделяемой среды Ethernet коммутаторы позволяют обеспечить рост интегральной производительности при добавлении в сеть пользователей или сегментов.
2. Снижение числа коллизий, особенно в тех случаях, когда каждый пользователь подключен к отдельному порту коммутатора.
3. Незначительные расходы при переходе от разделяемой среды к коммутируемой за счет сохранения существующей инфраструктуры 10 Mbps Ethernet (кабели, адаптеры, программы).
4. Повышение безопасности за счет передачи пакетов только в тот порт, к которому подключен адресат.
5. Малое и предсказуемое время задержки за счет того, что полосу разделяет небольшое число пользователей (в идеале - один)

Применение коммутаторов

Объединение концентраторов 10Base-T с помощью магистрального коммутатора

Магистральные коммутаторы прежде всего используются в качестве недорогой альтернативы многопротокольным маршрутизаторам для сегментирования сети. Например, при добавление в сеть, уже содержащую 100 узлов, некоторого количества производительных станций, работа этих станций в сети будет казаться замедленной. Выходом из положения может быть деление сети на несколько сегментов с использование магистрального коммутатора для связи этих сегментов.

Рисунок 12

В приведенном на рисунке 12 примере интегральная пропускная способность составляет 40 Mbps (четыре сегмента 10 Mbps Ethernet). В такой ситуации можно использовать для сегментирования и мультипротокольный маршрутизатор, однако это будет дороже и сложнее. Если основной задачей является повышение производительности сети, установка коммутатора обеспечит наиболее простое и эффективное решение.

Выделенная полоса для каждого пользователя

Магистральные коммутаторы обеспечивают эффективное сегментирование сети, а коммутаторы для рабочих групп способны предоставить каждому пользователю всю полосу среды. Следовательно, коммутаторы для рабочих групп позволяют значительно повысить производительность работы каждого пользователя в группе и избавить от коллизий. Повышение производительности и снижение времени отклика обеспечивают гигантские преимущества по сравнению с использованием разделяемой среды.

Рисунок 13

Рабочие группы с несколькими серверами

Если все узлы подключены к концентратору 10Base-T производительность будет невысокой за счет частых случаев одновременного обращения нескольких пользователей к одному серверу. Замена хаба 10Base-T коммутатором для рабочей группы может существенно повысить производительность работы группы.

Рабочие группы с архитектурой клиент-сервер

Для рабочих групп, где большая часть трафика связана с одним узлом (сервер) существенно повысить производительность можно за счет использования коммутатора, имеющего порты, работающие с более высокой скоростью, нежели скорость клиентов В таком случае сервер подключается к порту 100 Mbps, что позволяет избавиться от пробок при одновременном обращении к серверу нескольких пользователей (см. рисунок 8). Используя порт 100 Mbps для подключения сервера, можно обеспечить десять одновременных подключений со скоростью 10 Mbps. Порт 100 Mbps можно также использовать для подключения к магистральному коммутатору или концентратору 100 Mbps.

Объединение коммутаторов рабочих групп и корпоративных серверов

Создание больших сетей Ethernet на базе коммутаторов для рабочих групп требует организации скоростного соединения коммутаторов между собой. Кроме того, целесообразно организовать скоростную магистраль для доступа к серверам, используемым всеми рабочими группами сети. Для организации такой магистрали можно использовать коммутаторы или хабы 100 Mbps Ethernet, к портам которых подключаются коммутаторы рабочих групп как это показано на рисунке 14.

Рисунок 14

В нашем примере рабочие станции имеют выделенную полосу 10 Mbps для доступа к серверам через коммутатор рабочей группы и концентратор 100 Mbps Ethernet. Концентратор 100Base-T и корпоративные серверы обычно располагаются в одном помещении, а коммутаторы рабочих групп устанавливаются вблизи этих групп и соединяются с хабом стандартными кабелями.

Заключение

Коммутация Ethernet является недорогой высокопроизводительной технологией модернизации существующих сетей 10 Mbps Ethernet. Коммутатор является достойной альтернативой многопротокольным маршрутизаторам для деление больших сетей на несколько сегментов. Коммутаторы для рабочих групп предоставляют выделенную полосу каждому пользователю и, по сути, являются единственным эффективным способом модернизации сетей 10Base-T. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт сегодня сравнима с ценой порта в сегментируемом наращиваемом концентраторе. При использовании вместе с магистралями 100 Mbps коммутаторы для рабочих групп позволяют организовать большие высокопроизводительные сети. Для организации эффективных магистралей 100 Mbps следует использовать коммутаторы 100 Mbps Ethernet, известные также как Fast Ethernet и 100Base-T. Коммутаторы можно использовать без внесения каких-либо изменений в существующие кабельные системы 10Base-T, оборудование рабочих станций и т.п., что позволяет значительно снизить расходы на модернизацию сетей.

www.referatmix.ru

Доклад - Коммутаторы Ethernet - Информатика, программирование

Что такое коммутаторEthernet?

Основы

Атрибуты коммутаторовEthernet

Сравнение сетевых устройств

Классы коммутаторов Ethernet

Коммутаторы для рабочих групп

Магистральные коммутаторы

Преимущества коммутаторовEthernet

Применение коммутаторов

Объединение концентраторов10Base-T с помощью магистрального коммутатора

Выделенная полоса для каждогопользователя

Рабочие группы с несколькимисерверами

Объединение коммутатороврабочих групп и корпоративных серверов

Заключение

Разработанный в 1973 стандарт Ethernet сегодня является наиболее популярнымсреди стандартов ЛВС. Как технология с разделяемой средой Ethernet обеспечиваетскорость передачи 10 мегабит в секунду (Mbps) для всех пользователей, имеющихдоступ к среде передачи и протокол разрешения доступа.

По мере расширения сети доступная пользователю полоса (средняя скоростьпередачи) сужается за счет того, что канал 10 Mbps делится между всеми узламисети. Повышение производительности компьютеров и использование приложений синтенсивным сетевым трафиком требует расширения полосы для полной реализациивозможностей программ и оборудования. Расширение сетей и повышениепроизводительности компьютеров требуют расширения доступной пользователямполосы, обеспечиваемой сетевой средой передачи.

Существует два способа расширения полосы, доступной каждому пользователю.Технология Fast Ethernet базируется на расширении полосы разделяемой среды до100 Mbps, обеспечивая рост скорости в 10 раз. Другим способ является снижениечисла узлов сети, имеющих доступ к разделяемой среде и, следовательно,расширение доступной оставшимся узлам полосы. В предельном случае вся полосаканала передачи может быть предоставлена одному пользователю.

Процесс снижения числа узлов в сети называется сегментацией и осуществляетсяза счет деления большой сети на несколько меньших. Поскольку пользователямможет требоваться доступ к ресурсам других сегментов, нужен механизмобеспечения такого доступа, обеспечивающий межсегментный обмен с достаточновысокой скоростью. Новый тип устройств, называемых коммутаторами Ethernet,обеспечивает требуемые возможности. В данной статье рассматриваются различныетипы коммутаторов Ethernet и их роль в повышении производительности сетейEthernet.

Коммутатор Ethernet представляет собой устройство для организации сетейбольшого размера. Для того, чтобы лучше разобраться в устройстве и работекоммутаторов Ethernet, полезно понять основы технологии организации кабельныхсистем сети.

Повторители

В начале 80-х годов сети Ethernet организовывались на базе шинной топологиис использованием сегментов на основе коаксиального кабеля длиной до 500 метров.Увеличение размеров сетей поставило задачу преодоления 500-метрового барьера.Для решения этой задачи использовались повторители (repeater):

/>

Повторитель просто копирует (пересылает) все пакеты Ethernet из одногосегмента во все другие, подключенные к нему. Основной задачей повторителяявляется восстановление электрических сигналов для передачи их в другиесегменты. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналовповторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основекоаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети

Мосты и маршрутизаторы

При использовании повторителей максимальная протяженность сети составляет2500 метров. Для преодоления этого ограничения требуются другие устройства,называемые мостами (bridge). Мосты имеют много отличий от повторителей.Повторители передают все пакеты, а мосты только те, которые нужно. Если пакетне нужно передавать в другой сегмент, он фильтруется. Для мостов существуютмногочисленные алгоритмы (правила) передачи и фильтрации пакетов минимальнымтребованием является фильтрация пакетов по адресу получателя.

Другим важным отличием мостов от повторителей является то, что сегменты,подключенные к повторителю образуют одну разделяемую среду, а сегменты,подключенные к каждому порту моста образуют свою среду с полосой 10 Mbps. Прииспользовании моста пользователи одного сегмента разделяют полосу, апользователи разных сегментов используют независимые Среды. Следовательно, мостобеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечениябольшей полосы для каждого пользователя.

/>

Поначалу в сетях Ethernet использовалась шинная топология на основекоаксиального кабеля, а для расширения сетей применялись 2-х портовыеповторители или мосты. Однако, в конце 80-х годов началось широкоераспространение сетей на основе кабеля со скрученными парами проводников (витаяпара). Новая технология 10Base-T стала очень популярной и привела ктрансформации топологии сетей от шинной магистрали к организации соединенийтипа «звезда». Требования к повторителям и мостам для таких сетейсущественно изменились по сравнению с простыми двухпортовыми устройствами длясетей с шинной топологией — современные мосты и повторители представляют собойсложные многопортовые устройства. Мосты позволяют сегментировать сети наменьшие части, в которых общую среду разделяет небольшое число пользователей.

/>

Маршрутизаторы, подобно мостам, также позволяют сегментировать сетиEthernet. маршрутизаторы фильтруют и пересылают сетевой трафик на основеалгоритмов и правил, существенно отличающихся от тех, что используются мостами.Такой способ сегментирования сетей более дорог многопортовые мосты имаршрутизаторы обычно стоят около $1,000 за порт.

Переключение портов

Сегодняшние модульные концентраторы (повторители) часто позволяюторганизовать несколько сегментов, каждый из которых предоставляет пользователямотдельную разделяемую полосу 10 Mbps. Некоторые концентраторы позволяютпрограммным путем разделять порты устройства на независимые сегменты такаявозможность называется переключением портов. Концентратор, к примеру, можетсодержать три различных сегмента Ethernet, организуемые внутренними средствамихаба. Переключение портов обеспечивает администратору сети высокую гибкостьорганизации сегментов, позволяя переносить порты из одного сегмента в другойпрограммными средствами. Эта возможность особенно полезна для распределениянагрузки между сегментами Ethernet и снижения расходов, связанных с подобнымиоперациями. Переключение портов статическое связывание портов с различнымисегментами Ethernet — сильно отличается от описанной ниже коммутации Ethernet.

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способнысегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передаютпакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет.реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможностиорганизации одновременных соединений между любыми парами портов устройства — это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того,мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком дотого, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачупакета, не приняв его полностью.

Виртуальные соединения

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты садресами подключенных к ним устройств (таблица 1). Эту таблицу администраторсети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое созданиесредствами коммутатора.

Таблица 1

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя,коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портомполучателя и передает пакет через это соединение. На рисунке 4 узел А посылаетпакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутаторпередает пакет в порт 4.

/>

Рисунок 4

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течениепередачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединениеорганизуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат,остальные пользователи (в нашем примере — B и C) не получат этот пакет. Такимобразом, коммутаторы обеспечивают средства безопасности, недоступные длястандартных повторителей Ethernet (см. раздел «Сравнение сетевыхустройств»).

Одновременные соединения

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портовпроисходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединениявыделяется вся полоса канала. Например, коммутатор 10 Mbps на рисунке 5обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C сполосой 10 Mbps для каждого соединения.

/>

Рисунок 5

Поскольку для каждого соединения предоставляется полоса Mbps, суммарная пропускнаяспособность коммутатора в приведенном примере составляет 20 Mbps. Если данныепередаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственнорасширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечиватьинтегральную пропускную способность до 120 Mbps при одновременной организации12 соединений с полосой 10 Mbps для каждого из них. теоретически, интегральнаяполоса коммутатора растет пропорционально числу портов. Однако, в реальностискорость пересылки пакетов, измеренная в Mbps, меньше чем суммарная полоса парпортов за счет так называемой внутренней блокировки. Для коммутаторов высокогокласса блокировка весьма незначительно снижает интегральную полосу устройства.

Коммутатор Ethernet 10 Mbps может обеспечить высокую пропускную способностьпри условии организации одновременных соединений между всеми парами портов.Однако, в реальной жизни трафик обычно представляет собой ситуацию «одинко многим» (например, множество пользователей сети обращается к ресурсамодного сервера). В таких случаях пропускная способность коммутатора в нашемпримере не будет превышать 10 Mbps, и коммутатор не обеспечит существенногопреимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

/>

Рисунок 6

На рисунке 6 три узла A, B и D передают данные узлу C. Коммутатор сохраняетпакеты от узлов A и B в своей памяти до тех пор, пока не завершится передачапакета из узла D. После завершения передачи пакета коммутатор начинаетпередавать хранящиеся в памяти пакеты от узлов A и B. В данном случаепропускная способность коммутатора определяется полосой канала C (в данномслучае 10 Mbps). Описанная в данном примере ситуация является другой формойблокировки.

Производительность коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Длятого, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

Скорость передачи между портами

При полосе 10 Mbps Ethernet может передавать 14880 пакетов в секунду (PPS)для пакетов минимального размера (64 байта). Этот параметр определяетсясвойствами среды. Коммутатор, который способен обеспечить скорость 14880 PPSмежду портами, полностью использует возможности среды. Полоса пропускания средыявляется важным параметром, поскольку коммутатор, обеспечивающий передачупакетов с такой скоростью, полностью использует возможности среды, предоставляяпользователям максимальную полосу.

Общая пропускная способность

Измеренная в Mbps или PPS, общая пропускная способность характеризуетмаксимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутаторадресатам. В коммутаторах, все порты которых имеют полосу 10 Mbps суммарнаяпропускная способность равна скорости порта, умноженной на число виртуальныхсоединений, которые могут существовать одновременно (число портов коммутатора,поделенное на 2). Коммутатор, способный обеспечивать максимальную скоростьпередачи не имеет внутренней блокировки.

Задержка

Задержка — это промежуток времени между получением пакета от отправителя ипередачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого битапакета.

Коммутаторы Ethernet могут обеспечивать очень низкую задержку после того,как будет определен адресат. Поскольку адрес получателя размещается в началепакета, передачу можно начать до того, как пакет будет полностью принят ототправителя. Такой метод называется коммутацией на лету (cut-through) иобеспечивает минимальную задержку. Малая задержка важна, поскольку с нейнепосредственно связана производительность коммутатора. Однако метод коммутациина лету не проверяет пакеты на предмет ошибок.

При таком способе коммутатор передает все пакеты (даже те, которые содержатошибки). Например, при возникновении коллизии после начала передачи пакета(адрес уже получен) полученный фрагмент все равно будет передан адресату.Передача таких фрагментов занимает часть полосы канала и снижает общуюпроизводительность коммутатора.

При передаче пакетов из низкоскоростного порта в высокоскоростной (например,из порта 10 Mbps в порт 100 Mbps) коммутацию на лету использовать вообщеневозможно. Поскольку порт-приемник имеет большую скорость, нежели передатчик,при использовании коммутации на лету неизбежно возникнут ошибки. Приорганизации виртуального соединения между портами с разной скоростью требуетсябуферизация пакетов.

Малая задержка повышает производительность сетей, в которых данныепередаются в виде последовательности отдельных пакетов, каждый из которыхсодержит адрес получателя. В сетях, где данные передаются в формепоследовательности пакетов с организацией виртуального канала, малая задержкаменьше влияет на производительность

Повторители

Повторители Ethernet, контексте сетей 10Base-T часто называемыеконцентраторами или хабами, работают в соответствии со стандартом IEEE 802.3.Повторитель просто передает полученные пакеты во все свои порты независимо отадресата.

Хотя все устройства, подключенные к повторителю Ethernet (включая другиеповторители) «видят» весь сетевой трафик, получить пакет должентолько тот узел, которому он адресован. Все остальные узлы должны игнорироватьэтот пакет. некоторые сетевые устройства (например, анализаторы протоколов)работают на основе того, что сетевая среда (типа Ethernet) являетсяобщедоступной и анализируют весь сетевой трафик. Для некоторых сред, однако,способность каждого узла видеть все пакеты неприемлема по соображениямбезопасности.

С точки зрения производительности повторители просто передают пакеты сиспользованием всей полосы канала. Задержка, вносимая повторителем весьма мала(в соответствии с IEEE 802.3 — менее 3 микросекунд). Сети, содержащие повторителиимеют полосу 10 Mbps подобно сегменту на основе коаксиального кабеля ипрозрачны для большинства сетевых протоколов, таких как TCP/IP и IPX.

Мосты

Мосты функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.1d. Подобнокоммутаторам Ethernet мосты не зависят от протокола и передают пакеты порту, ккоторому подключен адресат. Однако, в отличие от большинства коммутаторовEthernet, мосты не передают фрагменты пакетов при возникновении коллизий ипакеты с ошибками, поскольку все пакеты буферизуются перед их пересылкой в портадресата. Буферизация пакетов (store-and-forward) приводит к возникновениюзадержки по сравнению с коммутацией на лету. Мосты могут обеспечиватьпроизводительность, равную пропускной способности среды, однако внутренняяблокировка несколько снижает скорость их работы.

Маршрутизаторы

Работа маршрутизаторов зависит от сетевых протоколов и определяетсясвязанной с протоколом информацией, передаваемой в пакете. Подобно мостам,маршрутизаторы не передают адресату фрагменты пакетов при возникновенииколлизий. Маршрутизаторы сохраняют пакет целиком в своей памяти прежде, чемпередать его адресату, следовательно, при использовании маршрутизаторов пакетыпередаются с задержкой. Маршрутизаторы могут обеспечивать полосу, равнуюпропускной способности канала, однако для них характерно наличие внутреннейблокировки. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов маршрутизаторыизменяют все передаваемые пакеты.

Резюме

Основные различия между сетевыми устройствами показаны в таблице 2.

Таблица 2.

< 3 мксек

(коммутация на лету)

< 40 мксек

(для устройств с буферизацией зависит от размера пакета)

50 — 1500 мксек

(в зависимости от протокола задержка может возрастать)

Хотя все коммутаторы имеют много общего, целесообразно разделить их на двакласса, предназначенных для решения разных задач.

Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединениилюбой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. Если порты имеютодинаковую скорость, получатель пакета должен быть свободен, чтобы не возниклоблокировки.

Поддерживая на каждый порт по крайней мере то число адресов, которые могутприсутствовать в сегменте, коммутатор обеспечивает для каждого порта выделеннуюполосу 10 Mbps. Каждый порт коммутатора связан с уникальным адресомподключенного к данному порту устройства Ethernet.

/>

Рисунок 7

Физическое соединение «точка-точка» между коммутаторами рабочихгрупп и узлами 10Base-T обычно выполняется неэкранированным кабелем на основескрученных пар, а в узлах сети устанавливается оборудование, соответствующеестандарту 10Base-T.

Коммутаторы рабочих групп могут работать со скоростью 10 или 100 Mbps дляразличных портов. Такая возможность снижает уровень блокировки при попыткеорганизации нескольких соединений клиентов 10 Mbps с одним скоростным портом. Врабочих группах с архитектурой клиент-сервер несколько клиентов 10 Mbps могутобращаться к серверу, подключенному к порту 100 Mbps. В показанном на рисунке 8примере три узла 10 Mbps одновременно обращаются к серверу через порт 100 Mbps.Из полосы 100 Mbps, доступной для доступа к серверу, используется 30 Mbps, а 70Mbps доступно для одновременного подключения к серверу еще семи устройств 10Mbps через виртуальные каналы.

/>

Рисунок 8

Поддержка различных скоростей полезна также для объединения групповыхкоммутаторов Ethernet с использованием концентраторов 100 Mbps Fast Ethernet(100Base-T) в качестве локальных магистралей (local backbone). В показанной нарисунке 9 конфигурации коммутаторы, поддерживающие скорости 10 Mbps и 100 Mbpsподключены к концентратору 100 Mbps. Локальный трафик остается в пределахрабочей группы, а остальной трафик передается в сеть через концентратор 100Mbps Ethernet.

/>

Рисунок 9

Для подключения к повторителю 10 или 100 Mbps коммутатор должен иметь порт,способный работать с большим числом адресов Ethernet.

Основным преимуществом коммутаторов для рабочих групп является высокаяпроизводительность сети на уровне рабочей группы за счет предоставления каждомупользователю выделенной полосы канала (10 Mbps). Кроме того, коммутаторыснижают (в пределе до нуля) количество коллизий — в отличие от магистральныхкоммутаторов, описанных ниже, коммутаторы рабочих групп, не будут передаватьколлизионные фрагменты адресатам. Коммутаторы для рабочих групп позволяютполностью сохранить сетевую инфраструктуру со стороны клиентов, включаяпрограммы, сетевые адаптеры, кабели. Стоимость коммутаторов для рабочих групп врасчете на один порт сегодня сравнима с ценами портов управляемых концентраторов.

Магистральные коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачисреды между парой незанятых сегментов Ethernet. Если скорость портов дляотправителя и получателя совпадают, сегмент получателя должен быть свободен воизбежание блокировки.

/>

Рисунок 10

На уровне рабочей группы каждый узел разделяет полосу 10 Mbps с другимиузлами в том же сегменте. Пакет, адресованный за пределы данной группы, будетпередан магистральным коммутатором как показано на рисунке 10. Магистральныйкоммутатор обеспечивает одновременную передачу пакетов со скоростью среды междулюбыми парами своих портов. Подобно коммутаторам для рабочих групп,магистральные коммутаторы могут поддерживать различную скорость для своихпортов. Магистральные коммутаторы могут работать с сегментами 10Base-T исегментами на основе коаксиального кабеля. В большинстве случаев использованиемагистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способповышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами.

/>

Рисунок 11

Основным недостатком при работе с магистральными коммутаторами является то,что на уровне рабочих групп пользователи работают с разделяемой средой, еслиони подключены к сегментам, организованным на основе повторителей иликоаксиального кабеля. Более того, время отклика на уровне рабочей группы можетбыть достаточно большим. В отличие от узлов, подключенных к портам коммутатора,для узлов, находящихся в сегментах 10Base-T или сегментах на основекоаксиального кабеля полоса 10 Mbps не гарантируется и они зачастую вынужденыждать, пока другие узлы не закончат передачу своих пакетов. На уровне рабочейгруппы по прежнему сохраняются коллизии, а фрагменты пакетов с ошибками будутпересылаться во все сети, подключенные к магистрали. Перечисленных недостатковможно избежать, если на уровне рабочих групп использовать коммутаторы взаменхабов 10Base-T. В большинстве ресурсоемких приложений коммутатор 100 Mbps можетвыполнять роль скоростной магистрали для коммутаторов рабочих групп с портами10 и 100 Mbps, концентраторами 100 Mbps и серверами, в которых установленыадаптеры Ethernet 100 Mbps.

Основные свойства коммутаторов Ethernet приведены в таблице 3:

Таблица 3

Характеристика

Коммутатор для рабочей группы

Магистральный коммутатор

Ниже перечислены основные преимущества использования коммутаторов Ethernet:

Магистральные коммутаторы прежде всего используются в качестве недорогойальтернативы многопротокольным маршрутизаторам для сегментирования сети.Например, при добавление в сеть, уже содержащую 100 узлов, некоторогоколичества производительных станций, работа этих станций в сети будет казатьсязамедленной. Выходом из положения может быть деление сети на несколькосегментов с использование магистрального коммутатора для связи этих сегментов.

/>

Рисунок 12

В приведенном на рисунке 12 примере интегральная пропускная способностьсоставляет 40 Mbps (четыре сегмента 10 Mbps Ethernet). В такой ситуации можноиспользовать для сегментирования и мультипротокольный маршрутизатор, однако этобудет дороже и сложнее. Если основной задачей является повышениепроизводительности сети, установка коммутатора обеспечит наиболее простое иэффективное решение.

Магистральные коммутаторы обеспечивают эффективное сегментирование сети, акоммутаторы для рабочих групп способны предоставить каждому пользователю всюполосу среды. Следовательно, коммутаторы для рабочих групп позволяютзначительно повысить производительность работы каждого пользователя в группе иизбавить от коллизий. Повышение производительности и снижение времени откликаобеспечивают гигантские преимущества по сравнению с использованием разделяемойсреды.

/>

Рисунок 13

Если все узлы подключены к концентратору 10Base-T производительность будетневысокой за счет частых случаев одновременного обращения несколькихпользователей к одному серверу. Замена хаба 10Base-T коммутатором для рабочейгруппы может существенно повысить производительность работы группы.

Рабочие группы с архитектурой клиент-сервер

Для рабочих групп, где большая часть трафика связана с одним узлом (сервер)существенно повысить производительность можно за счет использованиякоммутатора, имеющего порты, работающие с более высокой скоростью, нежелискорость клиентов В таком случае сервер подключается к порту 100 Mbps, чтопозволяет избавиться от пробок при одновременном обращении к серверу несколькихпользователей (см. рисунок 8). Используя порт 100 Mbps для подключения сервера,можно обеспечить десять одновременных подключений со скоростью 10 Mbps. Порт100 Mbps можно также использовать для подключения к магистральному коммутаторуили концентратору 100 Mbps.

Создание больших сетей Ethernet на базе коммутаторов для рабочих групптребует организации скоростного соединения коммутаторов между собой. Крометого, целесообразно организовать скоростную магистраль для доступа к серверам,используемым всеми рабочими группами сети. Для организации такой магистралиможно использовать коммутаторы или хабы 100 Mbps Ethernet, к портам которыхподключаются коммутаторы рабочих групп как это показано на рисунке 14.

/>

Рисунок 14

В нашем примере рабочие станции имеют выделенную полосу 10 Mbps для доступак серверам через коммутатор рабочей группы и концентратор 100 Mbps Ethernet.Концентратор 100Base-T и корпоративные серверы обычно располагаются в одномпомещении, а коммутаторы рабочих групп устанавливаются вблизи этих групп исоединяются с хабом стандартными кабелями.

Коммутация Ethernet является недорогой высокопроизводительной технологиеймодернизации существующих сетей 10 Mbps Ethernet. Коммутатор является достойнойальтернативой многопротокольным маршрутизаторам для деление больших сетей нанесколько сегментов. Коммутаторы для рабочих групп предоставляют выделеннуюполосу каждому пользователю и, по сути, являются единственным эффективнымспособом модернизации сетей 10Base-T. Стоимость таких коммутаторов в расчете наодин порт сегодня сравнима с ценой порта в сегментируемом наращиваемомконцентраторе. При использовании вместе с магистралями 100 Mbps коммутаторы длярабочих групп позволяют организовать большие высокопроизводительные сети. Дляорганизации эффективных магистралей 100 Mbps следует использовать коммутаторы100 Mbps Ethernet, известные также как Fast Ethernet и 100Base-T. Коммутаторыможно использовать без внесения каких-либо изменений в существующие кабельныесистемы 10Base-T, оборудование рабочих станций и т.п., что позволяетзначительно снизить расходы на модернизацию сетей.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Пиодермии реферат
• 
  Реферат феноменология
• 
  Авитаминоз реферат
• 
  Вест реферат
• 
  Клизмы реферат
• 
  Реферат коагулопатии
• 
  Посейдон реферат
• 
  Гайморит реферат
• 
  Анархизм реферат
• 
  Тойота реферат
• 
  Реферат тойота