БИБЛИЯ ХАКЕРА

Принципы коммутации сегментов и узлов локальных сетей, использующих традиционные технологии

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фир­мой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. Эта технология основана на отказе от ис­пользования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и использовании коммутаторов, позволяющих одновременно передавать пакеты между всеми его парами портов.

Функционально многопортовый коммутатор работает как много­портовый мост, то есть работает на канальном уровне, анализирует заго­ловки кадров, автоматически строит адресную таблицу и на основании этой таблицы перенаправляет кадр в один из своих выходных портов или фильтрует его, удаляя из буфера. Новшество заключалось в параллельной обработке поступающих кадров, в то время как мост обрабатывает кадр за кадром. Коммутатор же обычно имеет несколько внутренних процессо­ров обработки кадров, каждый из которых может выполнять алгоритм моста. Таким образом, можно считать, что коммутатор — это мультипро­цессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность.

В структурной схеме коммутатора EtherSwitch, предложенного фир­мой Kalpana, каждый порт обслуживается одним процессором пакетов Ethernet — EPP (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор име­ет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для пере­дачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или муль­типроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с не­сколькими модулями памяти.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буфери­зует несколько первых байт кадра, для того, чтобы прочитать адрес назна­чения. После получения адреса назначения процессор сразу же принима­ет решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таб­лицы, а если не находит там нужного адреса, то обращается к системно­му модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно об­служивая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную

Строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего исполь­зования.

После нахождения адреса назначения в адресной таблице, процес­сор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во вре­мя просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию по­ступающих в порт байт кадра). В случае, если кадр нужно отфильтровать, то процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра и ждет поступления нового кадра.

В случае, если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом адреса назначения. Коммутационная ма­трица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначе­ния в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом. В слу­чае, если же порт занят, то кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того, как нужный путь установился, в него направляются бу­феризованные байты кадра, которые принимаются процессором выход­ного порта, а после получения им доступа к среде передаются в сеть. Про­цессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно при­нимать и передавать байты кадра.

При свободном, в момент приема кадра, состоянии выходного пор­та задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появле­нием этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у ком­мутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации по­лучил название коммутации «на лету» («оп-the-fly») или «навылет» («cut - through»). Этот способ представляет по сути конвейерную обработку кад­ра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи:

• 1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.

• 2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

Ф 3. Коммутация матрицы.

4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.

♦ 5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

♦ 6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

♦ 7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания но­мера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

По сравнению с режимом полной буферизации кадра, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

Однако, главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка не­скольких кадров.

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

Некоторые компании стали развивать технологию коммутации и для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как Token Ring и FDDI. Так как в основе технологии коммутации лежит алгоритм работы прозрачного моста, то принцип коммутации не зависит от метода доступа, формата пакета и других деталей каждой тех­нологии. Коммутатор изучает на основании проходящего через него тра­фика адреса конечных узлов сети, строит адресную таблицу сети и затем на ее основании производит межкольцевые передачи в сетях Token Ring или FDDI. Принцип работы коммутатора в сетях любых технологий оста­вался неизменным, хотя внутренняя организация коммутаторов различ­ных производителей иногда очень отличалась от структуры первого ком­мутатора EtherSwitch.

Широкому применению коммутаторов безусловно способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации требовало за­мены только концентраторов или просто добавления коммутаторов для разделения сегментов, образованных с помощью коммутаторов на более мелкие сегменты. Вся огромная установленная база оборудования конеч­ных узлов — сетевых адаптеров, а также кабельной системы, повторите­лей и концентраторов — оставалась что давало огромную экономию капиталовложений по сравнению с переходом на какую-ни­будь совершенно новую технологию, например, ATM.

Так как коммутаторы, как и мосты, прозрачны для протоколов се­тевого уровня, то их появление в сети оставило в неизменном виде не только оборудование и программное обеспечение конечных узлов, но и маршрутизаторы сети, если они там использовались.

Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство, и, если администратор не нагружает его до­полнительными функциями, то конфигурировать его не обязательно — нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам комму­татора, а дальше он будет работать самостоятельно и стараться эффектив­но выполнять поставленную перед ним задачу повышения производи­тельности сети.

Безусловно, повышение производительности сети при установке коммутатора в общем случае не будет такой значительной, как в примере. На эффективность работы коммутатора влияет много факторов, и в неко­торых случаях, как это будет показано ниже, коммутатор может совсем не дать никаких преимуществ по сравнению с концентратором. Примером такого фактора может служить несбалансированность трафика в сети — если порт 1 и порт 2 коммутатора чаще всего обращаются к порту 3 ком­мутатора, то порт 3 будет периодически занят и недоступен для одного из двух этих портов и входящий в них трафик будет простаивать, ожидая ос­вобождения порта 3.