Как работает коммутатор

Коммутатор - это сетевое устройство, обеспечивающее передачу информации от порта источника информации к порту назначения с минимальными задержками и низкими накладными расходами. Ядром коммутатора является коммутационная матрица, обеспечивающая передачу данных между любыми двумя точками, или быстродействующая шина, через которую любой порт может передать информацию любому другому порту. Кроме того, в коммутаторе должны быть адаптеры портов, позволяющие преобразовывать протокол, который использует присоединенное к порту устройство, в форму, приемлемую для ядра коммутатора.

Можно сказать, что в ядре коммутатора образуется нечто вроде сверхбыстрой виртуальной сети. Источник данных передает пакеты локальной сети в адаптер порта, к которому он подключен, а адаптер преобразует адрес назначения пакета в адрес порта коммутатора. Затем адаптер передает пакет в ядро коммутатора, добавив к нему вычисленный адрес порта. Получив многоадресное сообщение, коммутатор направляет его всем участникам виртуальной сети источника сообщения. При этом предполагается, что сеть работает настолько быстро, что суммарный объем трафика не может превысить ее пропускной способности.

Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу, связывающую порты с адресами подключенных к ним устройств (таблица 5). Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать ее автоматическое создание средствами коммутатора.

Используя таблицу адресов и содержащийся в пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение.

Таблица 5 - Связь портов с адресами подключенных к ним устройств

MAC-адрес	Номер порта
А В С D	2 3 4

На рисунке 36 узел А посылает пакет узлу D. Найдя адрес получателя в своей внутренней таблице, коммутатор передает пакет в порт 4.

Рисунок 36 - Как работает коммутатор

Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, то есть 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.

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала.

Например, коммутатор 10Мбит/с на рисунке 37 обеспечивает одновременную передачу пакета из A в D и из порта B в порт C с полосой 10Мбит/с для каждого соединения.

Поскольку для каждого соединения предоставляется вся полоса, суммарная пропускная способность коммутатора в приведенном примере составляет 20Мбит/с. Если данные передаются между большим числом пар портов, интегральная полоса соответственно расширяется. Например, 24 портовый коммутатор Ethernet может обеспечивать интегральную пропускную способность до 120Мбит/с при одновременной организации 12 соединений с полосой 10Мбит/с для каждого из них. Теоретически, интегральная полоса коммутатора растет пропорционально числу портов.

Рисунок 37 - Одновременные соединения

Коммутатор Ethernet 10Мбит/с 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 Мбит/с, и коммутатор не обеспечит существенного преимущества по сравнению с обычным концентратором (повторителем).

На рисунке 38 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 10Мбит/с).

Рисунок 38 - Соединение "один ко многим"

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. Коммутатор обеспечивает для каждого порта выделенную полосу 10Мбит/с. Каждый порт коммутатора связан с уникальным адресом подключенного к данному порту устройства Ethernet.

Рисунок 39 - Коммутатор в сети с архитектурой клиент-сервер

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

Поддержка различных скоростей полезна также для объединения групповых коммутаторов Ethernet с использованием концентраторов 100Мбит/с Fast Ethernet (100Base-T) в качестве локальных магистралей. В показанной на рисунке 40 конфигурации, коммутаторы, поддерживающие скорости 10Мбит/с и 100Мбит/с подключены к повторителю 100Мбит/с.

Рисунок 40 - Объединение коммутаторов для рабочих групп

Локальный трафик остается в пределах рабочей группы, а остальной трафик - передается в сеть через концентратор 100Мбит/с Ethernet. Для подключения к повторителю 10 или 100Мбит/с 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 (10Мбит/с). Кроме того, коммутаторы снижают (в пределе до нуля) количество коллизий - в отличие от магистральных коммутаторов, 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.

На уровне рабочей группы каждый узел разделяет полосу 10Мбит/с с другими узлами в том же сегменте. Пакет, адресованный за пределы данной группы, будет передан магистральным коммутатором, как показано на рисунке 41. 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. В большинстве случаев использование магистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способ повышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами.

Рисунок 41 - Магистральный коммутатор

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. 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 концентраторов (рисунок 42).

Рисунок 42 - Использование коммутаторов на уровне рабочих групп вместо концентраторов

В большинстве ресурсоемких приложений коммутатор 100Мбит/с может выполнять роль скоростной магистрали для коммутаторов рабочих групп с портами 10 и 100Мбит/с, концентраторами 100Мбит/с и серверами, в которых установлены адаптеры Ethernet 100Мбит/с.

Дата добавления: 2014-01-07