2.5 Методы коммутации (2/3)

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов- это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера,что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает сними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер - и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться - часть тайм-слотов или частотных полос коммутаторов будет занята и недоступна другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Необходимо уточнить, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байтдо многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 38).Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки.Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.

Рисунок 38. Разбиение сообщения на пакеты

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою собственную задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико.

Принцип работы коммутатора

Коммутаторхранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствиеMAC-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 и, определивMAC-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. ЕслиMAC-адрес хоста-получателя ещё не известен, то кадр будет продублирован на все интерфейсы. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов,и в результате трафик локализуется.

Существует три способа коммутации.

С промежуточным хранением (Store and Forward).Коммутаторчитает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.

Сквозной (cut-through).Коммутаторсчитывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.

Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный.Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадр размером 64байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).

В современных коммутаторах вносится такие понятия, как 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 и100 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.

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. Пакетпередается 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 общей в 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.

Коммутаторподдерживает 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, т. е. когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10Мб/с.

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

Возможности и разновидности коммутаторов

Коммутаторы подразделяются науправляемые и неуправляемые. Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на канальном (втором) и сетевом (третьем) уровне моделиOSI. Обычно их именуют соответственно, например Layer 2Switch, Layer 3Switchили просто,сокращенно L2, L3. Управление коммутатором может осуществляться посредством протокола Web-интерфейса,SNMP, 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 24портами и получить логический коммутатор с (4*24-4=92) портами, либо с 96-ю портами (если для стекирования используются специальные порты)).

Рисунок 39 . КоммутаторDES-1005A .

Серии коммутаторов улучшенного дизайна DES-10xxD/RU и DGS-10xxD/RU включают коммутаторы с 5/8 портами Fast и Gigabit Ethernetсоответственно.

Рисунок 40. DGS-1016/GE

Серия DGS-10xxD/GE включает в себя модели неуправляемых коммутаторов Gigabit Ethernetс различным количеством портов 10/100/1000Мбит/с (от 5 до 24). Эти коммутаторы поддерживают стандартIEEE 802.1р и четыре аппаратных очереди приоритетов на каждом физическом порте.

Коммутаторы серий DGS-10xxD/RU и DGS-10xxD / GE поддерживают технологию GreenEthernet. Эта энергосберегающая технология позволяет сократить расходы на электроэнергию, при этом, не оказывая влияния на производительность и функциональность устройств. Технология GreenEthernetможет регулировать потребление электроэнергии, основываясь на определении состояния канала связи и длины кабеля. Когда коммутатор с поддержкой этой технологии определяет, что питание,подключенного к нему компьютера отключено, то переводит соответствующий порт в режим сохранения энергии ( power standby mode ). Также коммутатор может регулировать энергопотребление путем анализа длины кабеляEthernet. Т.к. в большинстве случаев для подключения пользователей домашних/офисных сетей используются кабели длиной менее 20 м, энергопотребление может быть снижено.

Благодаря уменьшению энергопотребления (до 80%), выделяется меньше тепла, что увеличивает срок эксплуатации устройства и снижает эксплуатационные расходы.

Также данная технология подразумевает использование материалов, не наносящих вред окружающей среде.

Помимо технологии Green Ethernet, в коммутаторах серий DGS -10 xxD / RU и DGS -10 xxD / GE реализована поддержка функции диагностики кабеля (Cable Diagnostic). Эта функция позволяет пользователям определять состояние кабеля по индикаторам,расположенным на передней панели коммутатора. С помощью нее можно определить следующие повреждения кабеля:

· разомкнутая цепь (Open Circuit) – оборванная жила кабеля Ethernetили кабель не подключен;

· короткое замыкание (Short Circuit) –закороченная пара кабеля (два проводника касаются друг друга);

· не правильная терминация кабеля (Improper Termination)– сопротивление между кабелем и его разъемом не совпадает или сопротивление больше чем 100 Ом.

Рисунок 41 Функция диагностики кабеля.

Функция диагностики кабеля сканирует все порты Ethernetи определяет состояние каждого подключенного кабеля. Во время этого процесса индикатор каждого порта последовательно мигает зеленым светом. Первоначальное сканирование порта требует около 10 секунд. Если обнаруживается повреждение кабеля, индикатор соответствующего порта будет мигать желтым светом около 5 секунд. Далее коммутатор автоматически перезагрузится и продолжит работу в обычном режиме.Этот процесс займет около 2-х секунд.

Традиционно разделяют только 2 категории коммутаторов: неуправляемые и управляемые. Однако D-Link предлагает еще одну,промежуточную категорию – настраиваемые коммутаторы(smartswitches). Эти коммутаторы предназначены для использования на уровне доступа сетей малых и средних предприятий ( Small - to - Medium Business,SMB).

Настраиваемые коммутаторы D - Link представлены двумя сериями: EasySmartиSmart.

КоммутаторыEasySmartв настоящее время включают две модели: DES-1100-16 и DES-1100-24. Эти коммутаторы помещены в металлический корпус компактного размера (11”) и оснащены 16 и 24 портами10/100Base-TXсоответственно. Они предоставляют пользователям возможность настраивать определенные параметры сети с помощью интуитивно понятных средств управления, например Web -интерфейса или утилиты SmartConsole. По сравнению с коммутаторами серииSmart, устройстваEasySmartобладают ограниченным функционалом.

Третье поколение коммутаторов серии Smartпредставлено продуктовыми линейками DES-1210-xx и DGS-1210-xx. Серия DES-1210-xx в настоящее время включает модели DES -1210-28 и DES -1210-52, оснащенные 24/48 портами 10/100Мбит/с соответственно, 2 портами GigabitEthernetи 2 комбинированными uplink -портами 1000Base- T /SFP. Серия DGS -1210- xx включает четыре модели DGS -1210-10Р, DGS -1210-16, DGS -1210-24 и DGS -1210-48. Модели DGS-1210-16, DGS -1210-24 и DGS-1210-48 оснащены 12/20/44портами 1000Base-T и 4 комбинированными uplink -портами 1000Base-T/SFP. В модели DGS-1210-10Р реализована поддержка технологии Power overEthernet(PoE) (стандартыIEEE 802.3af иIEEE 802.3a t (PoE+)) , которая позволяет передавать питание по неиспользуемым парам кабеляEthernetодновременно с передачей данных. Все устройства за исключением DGS -1210-10Р помещены в металлический корпус размером для установки в стойку (19”). Размер корпуса DGS-1210-10Р - 13”.

Рисунок 42 . КоммутаторDES-1210-28.

Коммутаторы серииSmartподдерживают функции обеспечения отказоустойчивости, безопасности, сегментации сети,качества обслуживания, мониторинга трафика и диагностики кабеля. Управление коммутаторами может осуществляться через Web-интерфейс, утилиту SmartConsole,упрощенный интерфейс командной строки и протоколSNMP.

Помимо этого, коммутаторы серии DGS-1210-хх поддерживают технологию Green EthernetиJumbo-фреймы.

Управляемые коммутаторы, по сравнению с неуправляемыми и коммутаторами серии Smart, являются сложными устройствами, поддерживающими расширенный набор функций 2 и 3 уровня моделиOSI. Такие устройства предоставляют большой выбор интерфейсов, обладают высокоскоростной внутренней магистралью,возможностью установки дополнительных модулей и физического стекирования.Управление коммутаторами может осуществляться посредством Web -интерфейса, командной строки (CLI), протоколаSNMP,Telnetи т.д.

Серия бюджетных управляемых коммутаторов Fast Ethernet2 уровня DES -1228/ ME , DES -3028/52 может использоваться на уровне доступа сетей малых,средних и крупных предприятий, а также в сетях провайдеров для предоставления услуг Triple Play .Коммутаторы поддерживают базовый и расширенный функционал 2 уровня,обеспечивающий возможность управления доступом пользователей, контроля полосы пропускания, сегментации сети, управления широковещательными пакетами,многоадресной рассылкой.Коммутаторы DES -1228/ ME также поддерживают функцию диагностики кабеля.

Коммутаторы FastEthernet2 уровня серии DES-3200-хх предназначены для использования на уровне доступа сетей провайдеров,предоставляющих услуги по подключению к сетиИнтернетпосредством технологийMetro Ethernet(Ethernet-To-The-Home,ETTHи Fiber -To-The-Home, FTTH ) и реализующих сервисы Triple Play .

Рисунок 43 . Коммутаторы серии DES-3200-хх.

Серия коммутаторов Fast Ethernet2 уровня DES-3528/3552 предназначена для использования на уровне доступа сетей крупных предприятий иMetro Ethernetс сервисами Triple Play .Коммутаторы поддерживают физическое стекирование поEthernet, статическую маршрутизацию,функции управления многоадресной рассылкой, расширенные функции безопасности и виртуальных локальных сетейVLAN.Устройства легко интегрируется с коммутаторами L3 уровня ядра для формирования многоуровневой сетевой структуры с высокоскоростной магистралью и централизованными серверами.

Коммутаторы FastEthernet3 уровня серии DES -3810-хх являются новым поколением мультисервисных коммутаторов D - Link ,предназначенным для использования на уровне доступа сетей крупных предприятий иMetro Ethernet, в которых реализованы сервисы Triple Play иVPN.В настоящее время серия представлена моделью DES-3810-28. Одной из особенностей коммутаторов серии DES-3810-хх является то, что в них встроены два разных образа программного обеспечения: StandardImage (SI) и Enhanced Image (EI). В стандартной прошивке реализованы такие функции как качество обслуживания (QoS), включая механизм Traffic Shaping, Q - in - QVLAN, маршрутизация пакетов IPv 4, многоадресная рассылка,EthernetOAM и множество функций безопасности. Расширенная прошивка включает поддержку маршрутизации IPv 6, протоколовBGPиMPLS. Также коммутаторы серии DES-3810-хх поддерживают функциюSwitchResource Management (SRM), позволяющую администратору оптимизировать ресурсы коммутатора при его использовании в различных сетевых средах.

Рисунок 44. КоммутаторDES-3810-28.

Коммутаторы GigabitEthernet2 уровня серии DGS-3120- xx могут использоваться как на уровне доступа, так и на уровне субагрегации сетейSOHO/SMBиMetro Ethernet.В коммутаторах реализован базовый и расширенный функционал 2 уровня,поддерживается физическое стекирование через порты 10 GE , подключение резервных источников питания, функция диагностики кабеля. Благодаря высокой плотности портовSFPкоммутаторы DGS-3120-24SC и DGS-3120-24SC-DC обеспечивают возможность гибкого подключения по оптике к магистрали сети и серверам в сетях провайдеров услуг.Коммутаторы DGS-3120-24PC и DGS-3120-48PC поддерживают спецификацию передачи питания поEthernet(стандартыIEEE 802.3af иIEEE 802.3at (РоЕ+)).

Рисунок 45 . Коммутаторы серии DGS-3120-хх.

Мало портовые коммутаторы Gigabit Ethernet2 уровня серии DGS-3200-хх обладают полным набором функций, позволяющим обеспечить безопасность, контроль доступа,отказоустойчивость и управляемость сети, и предназначены для использования на уровне доступа сетей средних и крупных предприятий.Коммутаторы DGS-3200-10 и DGS-3200-16 помещены в компактный корпус размером 11”. В коммутаторе DGS-3200-10 нет вентиляторов, благодаря чему он бесшумный. В коммутаторе DGS-3200-16 используется технология автоматической вентиляции.

Рисунок 46 . Коммутаторы серии DGS-3200-хх.

Коммутаторы GigabitEthernet2 уровня серии DGS -34ххпредназначены для использования на уровне распределения сетей крупныхпредприятий иMetro Ethernet.

Коммутаторы обеспечивают высокую плотность портов для подключения рабочих мест, оснащены слотамиSFPдля гибкого подключения по оптике, слотами для установки модулей расширения с портами 10GigabitEthernet, обладают высокопроизводительной внутренней магистралью и поддерживают возможность физического стекирования через порты 10 GE.

Среди функциональных возможностей можно выделить поддержку статической маршрутизации IPv4/IPv6, расширенные функции безопасности, качества обслуживания, виртуальных локальных сетей и управления.

Коммутаторы GigabitEthernet2 уровня серии DGS -3700-хх спроектированы с учетом требований операторов телекоммуникационных услуг при построении сетейMetro Ethernet.Коммутаторы поддерживают широкий набор функций безопасности, качества обслуживания, управления многоадресными пакетами и обеспечивают расширенную поддержкуVLAN.Коммутаторы обладают модульной архитектурой ядра,поддерживают возможность выбора источника питания (постоянного или переменного тока) и расширенный диапазон рабочих температур.

Семейство маршрутизирующих управляемых коммутаторов Gigabit Ethernet3 уровня с поддержкой портов 10 GE DGS-36хх обладает высокой производительностью и предназначено для использования на уровнях распределения и ядра крупных корпоративных сетей,сетей предприятий малого и среднего бизнеса (SMB) и городских сетей MetroEthernet. Благодаря расширенной поддержке функций многоадресной передачи данных, среди которыхIGMPv.3, PIM SM и PIM DM, коммутаторы позволяют значительно повысить эффективность предоставляемых операторами связи таких услуг, как видео по требованию (VoD),IP-телевидение (IPTV) и телевидение высокой четкости (HDTV).Коммутаторы поддерживают протоколы маршрутизацииBGP,OSPF,RIPv .1/2, возможность создания статических и плавающих статических маршрутовIPv 4/ v 6.

Высокопроизводительные коммутаторы Gigabit Ethernet3 уровня с поддержкой портов 10 GE серии DGS-3610-хх обладают расширенным функционалом,включая поддержкуBGP,и могут применяться на магистрали сетейMetro Ethernetи крупных предприятий.

Рисунок 47 . КоммутаторDGS-3610-26.

Коммутаторы 3 уровня на основе шасси серии DES -72хх являются высокопроизводительными устройствами с высокой плотностью портов,предназначенными для уровня ядра сетей крупных предприятий иMetro Ethernet. Устанавливая в шасси модули расширения, пользователи могут получить до 384 гигабитных портов, до 64 портов10GE, до 192 слотовSFP,или их комбинаций.Коммутаторы поддерживают богатый набор функций 2 и 3 уровня,включая поддержку протоколовBGP,MPLS(Multi-protocol Label Switching), функции IPFIX ,позволяющей получать статистику о сетевом трафике.

Более полную информацию о возможностях коммутаторов и методов их применения можно получить, изучивучебный курс компании D - Link посвящённыйэтой теме.

Рисунок 48. Примерная схема применения коммутаторов D-Link