БИБЛИЯ ХАКЕРА

Особенности коммутаторов локальных сетей

Техническая реализация коммутаторов

После того, как технология коммутации привлекла общее внимание и получила высокие оценки специалистов, многие компании занялись ре­ализацией этой технологии в своих устройствах, применяя для этого раз­личные технические решения. Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, то есть основывались на центральном процессоре общего назначения, связанном с интерфейсными портами по внутренней скоростной шине. Однако, это были скорее пробные устрой­ства, предназначенные для освоения самой компании технологии комму­тации, а не для завоевания рынка.

Основным недостатком таких коммутаторов была их низкая ско­рость. Универсальный процессор никак не мог справиться с большим объемом специализированных операций по пересылке кадров между ин­терфейсными модулями. Для ускорения операций коммутации нужны были специализированные процессоры со специализированными средст­вами обмена данными,' как в первом коммутаторе Ralpana, и они вскоре появились. Теперь коммутаторы используют заказные специализирован­ные БИС, которые оптимизированы для выполнения основных операций коммутации. Часто в одном коммутаторе используется несколько специ­ализированных БИС, каждая из которых выполняет функционально за­конченную часть операций.

В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой од­ну из трех схем взаимодействия своих блоков или модулей:

• коммутационная матрица;

• разделяемаямноговходовая память;

• общая шина.

Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутационная матрица — основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов, именно он был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей. Однако, реализация мат­рицы возможна только для определенного числа портов, причем слож­ность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора.

Матрица состоит из трех уровней двоичных переключателей, кото­рые соединяют свой вход с одним из двух выходов в зависимости от зна­чения бита тэга. Переключатели первого уровня управляются первым би­том тэга, второго — вторым, а третьего — третьим.

Матрица может быть реализована и по-другому, на основании ком­бинационных схем другого типа, но ее особенностью все равно остается технология коммутации физических каналов. Известным недостатком этой технологии является отсутствие буферизации данных внутри комму­тационной матрицы — если составной канал невозможно построить из-за занятости выходного порта или промежуточного коммутационного эле­мента, то данные должны накапливаться в их источнике, в данном случае — во входном блоке порта, принявшего кадр.

Коммутаторы с общей шиной

Коммутаторы с общей шиной используют для связи процессоров портов высокоскоростную шину, используемую в режиме разделения времени. Эта архитектура коммутаторов на основе универсального про­цессора, но отличается тем, что шина здесь пассивна, а активную роль вы­полняют специализированные процессоры портов. Для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть по крайней мере в N/2 раз выше скорости поступления данных во вход­ные блоки процессоров портов. Кроме этого, кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например, LANNET (сейчас подразделение компании Madge Networks), выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку ATM с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол ATM, если комму­татор поддерживает эти технологии.

Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по ши­не, тэг, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту.

Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществ­лять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбивают­ся на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступно­сти выходного порта в такой схеме нет.

Коммутаторы с разделяемой памятью

Третья базовая архитектура взаимодействия портов — разделяемая память.

Входные блоки процессоров портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходные блоки этих же процессоров со­единяются с переключаемым выходом этой памяти. Переключением вхо­да и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходных портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процес­соров передают менеджерупортов запросы на запись данных в очередь то­го порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессо­ров и тот переписывает часть данных кадра в очередь определенного вы­ходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит так­же поочередное подключение выхода разделяемой памяти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди переписываются в вы­ходной буфер процессора.

Память должна быть достаточно быстродействующей для поддер­жания скорости переписи данных между N портами коммутатора.

Применение общей буферной памяти, гибко распределяемой мене­джером между отдельными портами, снижает требования к размеру бу­ферной памяти процессора порта.

Комбинированные коммутаторы

У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и недо­статки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры приме­няются в комбинации с другом.

Коммутатор состоит из модулей с фиксированным количеством портов (2-8), выполненных на основе специализированной БИС (ASIC), реализующей архитектуру коммутационной матрицы. В случае, если пор­ты, между которыми нужно передать кадр данных, принадлежат одному модулю, то передача кадра осуществляется процессорами модуля на осно­ве имеющейся в модуле коммутационной матрицы. В случае, еслиже пор­ты принадлежат разным модулям, то процессоры общаются по общей ши­не. При такой архитектуре передача кадров внутри модуля будет происходить чаще всего быстрее, чем при межмодульной передаче, так как коммутационная матрица — наиболее быстрый, хотя и наименее мас­штабируемый способ взаимодействия портов. Скорость внутренней ши­ны коммутаторов может достигать нескольких Гб/с, ау наиболее мощных моделей — до 10-14 Гб/с.

Можно представить и другие способы комбинировании архитектур, например, использование для взаимодействия модулей разделяемой па­мяти.

Модульные и стековые коммутаторы

В конструктивном отношении коммутаторы делятся на:

• автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;

• модульные коммутаторы на основе шасси;

Ф коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.

Первый тип коммутаторов обычно предназначен для организации небольших рабочих групп.

Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего предназначе­ны для применения на магистрали сети. Поэтому они выполняются на ос­нове какой-либо комбинированной схемы, в которой взаимодействие мо­дулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема. Модули такого коммута­тора выполняются на основе технологии «hot swap», то есть допускают за­мену на ходу, без выключения коммутатора, так как центральное комму­никационное устройство сети не должно иметь перерывов в работе. Шасси обычно снабжается резервированными источниками питания и резервированными вентиляторами, в тех же целях. В целом такие комму­таторы напоминают маршрутизаторы высшего класса или корпоративные многофункциональные концентраторы, поэтому иногда они включают помимо модулей коммутации и модули повторителей или маршрутизат - ров.

С технической точки зрения определенный интерес представляют стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутато­ры, которые могут работать автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их

Объединять в общую систему, которая работает как единый коммутатор. Говорят, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.

Обычно такой специальный интерфейс представляет собой высоко­скоростную шину, которая позволяет объединить отдельные корпуса по­добно модулям в коммутаторе на основе шасси. Так как расстояния меж­ду корпусами больше, чем между модулями на шасси, скорость обмена по шине обычно ниже, чем у модульных коммутаторов: 200-400 Мб/с. Не очень высокие скорости обмена между коммутаторами стека обусловле­ны также тем, что стековые коммутаторы обычно занимают промежуточ­ное положение между коммутаторами с фиксированным количеством портов и коммутаторами на основе шасси. Стековые коммутаторы приме­няются для создания сетей рабочих групп и отделов, поэтому сверхвысо­кие скорости шин обмена им не очень нужны и не соответствуют их це­новому диапазону.

Компания Cisco предложила другой подход к организации стека. Ее коммутатор Catalyst 3000 (ранее называвшийся EtherSwitch Pro Stack) так­же имеет специальный скоростной интерфейс 280 Мб/с для организации стека, но с его помощью коммутаторы соединяются не друг с другом, а с отдельным устройством, содержащим коммутационную матрицу 8x8, ор­ганизующую более высокопроизводительный обмен между любыми пара­ми коммутаторов.