БИБЛИЯ ХАКЕРА

Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях

Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), ос­нованных на разделяемых средах передачи данных

Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Клас­сическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры разделяют во вре­мени единственный канал связи, образованный сегментом коаксиально­го кабеля.

При передаче каким-нибудь компьютером кадра данных все осталь­ные компьютеры принимают его по общему коаксиальному кабелю, на­ходясь с передатчиком в постоянном побитном синхронизме. На время передачи этого кадра никакие другие обмены информации в сети не раз­решаются. Способ доступа к общему кабелю управляется несложным рас­пределенным механизмом арбитража — каждый компьютер имеет право начать передачу кадра, если на кабеле отсутствуют инф ормационные сиг­налы, а при одновременной передаче кадров несколькими компьютерами

Схемы приемников умеют распознавать и обрабатывать эту ситуацию, на­зываемую коллизией. Обработка коллизии также несложна — все переда­ющие узлы прекращают выставлять биты своих кадров на кабель и повто­ряют попытку передачи кадра через случайный промежуток времени.

Работа всех узлов сети Ethernet в режиме большой распределенной электронной схемы с общим тактовым генератором приводит к несколь­ким ограничениям, накладываемым на сеть. Основными ограничениями являются:

Максимально допустимая длина сегмента

Она зависит от типа используемого кабеля: для витой пары это 100 м, для тонкого коаксиала — 185 м, для толстого коаксиала — 500 м, а для оптоволокна — 2000 м. Для наиболее дешевых и распространенных типов кабеля — витой пары и тонкого коаксиала — это ограничение часто ста­новится весьма нежелательным. Технология Ethernet предлагает исполь­зовать для преодоления этого ограничения повторители и концентрато­ры, выполняющие функции усиления сигнала, улучшения формы фронтов импульсов и исправления погрешностей синхронизации. Одна­ко возможности этих устройств по увеличению максимально допустимо­го расстояния между двумя любыми узлами сети (которое называется ди­аметром сети) не очень велики — число повторителей между узлами не может превышать 4-х (так называемое правило четырех хабов). Для витой пары это дает увеличение до 500 м. Кроме того, существует общее ограни­чение на диаметр сети Ethernet — не более 2500 м для любых типов кабе­ля и любого количества установленных концентраторов. Это ограничение нужно соблюдать для четкого распознавания коллизий всеми узлами се­ти, как бы далеко (в заданных пределах) они друг от друга не находились, иначе кадр может быть передан с искажениями.

Максимальное число узлов в сети

Стандарты Ethernet ограничивают число узлов в сети предельным значением в компьютера вне зависимости от типа кабеля и количе­ства сегментов, а каждая спецификация для конкретного типа кабельной системы устанавливает еще и свое, более жесткое ограничение. Так, к сег­менту кабеля на тонком коаксиале нельзя подключить более 30 узлов, а для толстого коаксиала это число увеличивается до 100 узлов. В сетях Ethernet на витой паре и оптоволокне каждый отрезок кабеля соединяет всего два узла, но так как количество таких отрезков спецификация не оговаривает, то здесь действует общее ограничение в узла.

Существуют также и другие причины, кроме наличия указанных в стандартах ограничений, по которым число узлов в сети Ethernet обычно не превосходит нескольких десятков. Эти причины лежат в самом прин­ципе разделения во времени одного канала передачи данных между все­ми узлами сети. При подключении к такому каналу каждый узел пользу­ется его пропускной способностью — 10 Мб/с — в течение только неко­торой доли общего времени работы сети. Соответственно, на узел прихо­дится эта же доля пропускной способности канала. Даже если упрощен­но считать, что все узлы получают равные доли времени работы канала и непроизводительные потери времени отсутствуют, то при наличии в сети N узлов на один узел приходится только 10/N Мб/с пропускной способ­ности. Очевидно, что при больших значениях N пропускная способность, выделяемая каждому узлу, оказывается настолько малой величиной, что нормальная работа приложений и пользователей становится невозмож­ной — задержки доступа к сетевым ресурсам превышают тайм-ауты при­ложений, а пользователи просто отказываются так долго ждать отклика сети.

Случайный характер алгоритма доступа к среде передачи данных, принятый в технологии Ethernet, усугубляет ситуацию. В случае, если за­просы на доступ к среде генерируются узлами в случайные моменты вре­мени, то при большой их интенсивности вероятность возникновения кол­лизий также возрастает и приводит к неэффективному использованию канала: время обнаружения коллизии и время ее обработки составляют непроизводительные затраты. Доля времени, в течение которого канал предоставляется в распоряжение конкретномуузлу, становится еще мень­ше.

До недавнего времени в локальных сетях редко использовались мультимедийные приложения, перекачивающие большие файлы данных, нередко состоящие из нескольких десятков мегабайт. Приложения же, работающие с алфавитно-цифровой информацией, не создавали значи­тельного трафика. Поэтому долгое время для сегментов Ethernet было действительным эмпирическое правило — в разделяемом сегменте не должно быть больше 30 узлов. Теперь ситуация изменилась и нередко 3-4 компьютера полностью загружают сегмент Ethernet с его максимальной пропускной способностью в 10 Мб/с или же 14880 кадров в секунду.

Более универсальным критерием загруженности сегмента Ethernet по сравнению с общим количеством узлов является суммарная нагрузка на сегмент, создаваемая его узлами. В случае, если каждый узел генериру­ет в среднем Ші кадров в секунду для передачи по сети, то средняя суммар­ная нагрузка на сеть будет составлять Ij кадров в секунду. Известно, что при отсутствии коллизий, то при самом благоприятном разбросе за­просов на передачу кадров во времени, сегмент Ethernet может передать не больше 14880 кадров в секунду (для самых коротких по стандарту кад­ров в 64 байта). Поэтому, если принять эту величину за единицу, то отно­шение пі,/14880 будет характеризовать степень использования канала, называемый также коэффициентом загрузки.

Зависимость времени ожидания доступа к сети от коэффициента загрузки гораздо меньше зависит от интенсивности трафика каждого уз­ла, поэтому эту величину удобно использовать для оценки пропускной способности сети, состоящей из произвольного числа узлов. Имитацион­ное моделирование сети Ethernet и исследование ее работы с помощью анализаторов протоколов показали, что при коэффициенте загрузки в районе 0.3-0.5 начинается быстрый рост числа коллизий и соответствен­но времени ожидания доступа. Поэтому во многих системах управления сетями пороговая граница для индикатора коэффициента загрузки по умолчанию устанавливается на величину 0.3.

Ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сег­мента, чаще всего оказываются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображе­ний устойчивой передачи электрических сигналов в кабелях.

Технология Ethernet была выбрана в качестве примера при демон­страции ограничений, присущих технологиям локальных сетей, так как в этой технологии ограничения проявляются наиболее ярко, а их причины достаточно очевидны. Однако подобные ограничения присущи и всем ос­тальным технологиям локальных сетей, так как они опираются на исполь­зование среды передачи данных как одного разделяемого ресурса. Коль­ца Token Ring и FDDI также могут использоваться узлами сети только в режиме разделяемого ресурса. Отличие от канала Ethernet здесь состоит только в том, что маркерный метод доступа определяет детерминирован­ную очередность предоставления доступа к кольцу, но по-прежнему при предоставлении доступа одного узла к кольцу все остальные узлы не мо­гут передавать свои кадры и должны ждать, пока владеющий правом до­ступа узел не завершит свою передачу.

Как и в технологии Ethernet, в технологиях Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и также определены максимальные длины от­

Дельных физических сегментов кабеля и ограничения на максимальный диаметр сети и максимальное количество в ней узлов. Эти ограничения несколько менее стеснительны, чем у технологии Ethernet, но мо­

Гут быть серьезным препятствием при создании крупной сети.

Особенно же быстро может проявиться ограничение, связанное с коэффициентом загрузки общей среды передачи данных. Хотя метод мар­керного доступа, используемый в технологиях Token Ring и FDDI, или метод приоритетных требований технологии позволяют

Работать с более загруженными средами, все равно отличия эти только ко­личественные — резкий рост времени ожидания начинается в таких сетях при больших коэффициентах загрузки, где-то в районе 60% — 70%. Каче­ственный характер нарастания времени ожидания доступа и в этих техно­логиях тот же, и он не может быть принципиально иным, когда общая среда передачи данных разделяется во времени между компьютерами сети.

Общее ограничение локальных сетей, построенных только с ис­пользованием повторителей и концентраторов, состоит в том, что общая производительность такой сети всегда фиксирована и равна максималь­ной производительности используемого протокола. И эту производитель­ность можно повысить только перейдя к другой технологии, что связано с дорогостоящей заменой всего оборудования.

Рассмотренные ограничения являются платой за преимущества, ко­торые дает использование разделяемых каналов в локальных сетях. Эти преимущества существенны, недаром технологии такого типа существу­ют уже около 20 лет.

К преимуществам нужно отнести в первую очередь:

• простоту топологии сети;

Гарантию доставки кадра адресату при соблюдении ограничений стандарта и корректно работающей аппаратуре;

• простоту протоколов, обеспечившую низкую стоимость

Сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов;

Однако начавшийся процесс вытеснения повторителей и концент­раторов коммутаторами говорит о том, что приоритеты изменились, и за повышение общей пропускной способности сети пользователи готовы пойти на издержки, связанные с приобретением коммутаторов вместо концентраторов.