2.8.Комутація та маршрутизація в комп’ютерних мережах

Комутація — процес з’єднання абонентів комунікаційної мережі через транзитні вузли.

Комунікаційні мережі повинні забезпечувати зв’язок своїх абонентів між собою. Абонентами можуть виступати комп’ютери, сегменти локальних мереж, факс-апарати або телефонні співбесідники. Як правило, в мережах загального доступу неможливо надати кожній парі абонентів власну фізичну лінію зв’язку, якою вони могли б монопольно «володіти» і використовувати у будь-який час. Тому в мережі завжди застосовується який-небудь спосіб комутації абонентів, що забезпечує розділення наявних фізичних каналів між декількома сеансами зв’язку і між абонентами мережі.

Кожен абонент з’єднаний комутаторами індивідуальною лінією зв’язку, закріпленою за цим абонентом. Лінії зв’язку, що встановлені між комутаторами розділяються на кілька абонентів, тобто використовуються спільно.

Існують три принципово різні схеми комутації абонентів в мережах :

комутація каналів (circuit switching);

комутація IP-пакетів (packet switching);

комутація повідомлень (message switching).

Технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana в 1990 році у відповідь на зростаючі потреби в підвищенні пропускної здатності високопродуктивних серверів із сегментами робочих станцій. Структурна схема комутатора EtherSwitch, запропонованого фірмою Kalpana, описана нижче.

Структура комутатора EtherSwitch компанії Каlраnа. Кожен з 8 портів 10Base-T обслуговується одним процесором пакетів Ethernet — ЕРР (Ethernet Packet Processor). Крім того, комутатор має системний модуль, який координує роботу всіх процесорів ЕРР. Системний модуль веде загальну адресну таблицю комутатора і забезпечує управління комутатором по протоколу SNMP. Для передачі кадрів між портами використовується комутаційна матриця, подібна тим, які працюють в телефонних комутаторах або мультипроцесорних комп’ютерах, з’єднуючи декілька процесорів з декількома модулями пам’яті.

Комутаційна матриця працює за принципом комутації каналів. Для 8 портів матриця може забезпечити 8 одночасних внутрішніх каналів при напівдуплексному режимі роботи портів і 16 — при повнодуплексному, коли передавач і приймач кожного порту працюють незалежно один від одного.

Під час вступу кадру в який-небудь порт процесор ЕРР буферизує декілька перших байт кадру, щоб прочитати адресу призначення. Після отримання адреси призначення процесор відразу ж ухвалює рішення про передачу пакету, не чекаючи приходу останніх байтів кадру. Для цього він проглядає свій власний кеш адресної таблиці, а якщо не знаходить там потрібної адреси, звертається до системного модуля, який працює в багатозадачному режимі, паралельно обслуговуючи запити всіх процесорів ЕРР.

Системний модуль проводить проглядання загальної адресної таблиці і повертає процесору знайдений рядок, який той буферизує в своєму кеші для подальшого використання. Після знаходження адреси призначення процесор ЕРР знає, що потрібно далі робити з кадром, який надходить (під час проглядання адресної таблиці процесор продовжував буферизацію байтів кадру, що надходять в порт).

Якщо кадр потрібно відфільтрувати, процесор просто припиняє записувати в буфер байти кадру, очищає буфер і чекає надходження нового кадру.

Якщо ж кадр потрібно передати на інший порт, то процесор звертається до комутаційної матриці і намагається встановити в ній порт, що зв’язує його із портом, через який йде маршрут до адреси призначення. Комутаційна матриця може це зробити тільки лише у тому випадку, коли порт адреси призначення у цей момент вільний, тобто не з’єднаний з іншим портом. Якщо ж порт зайнятий, то як і в будь-якому пристрої з комутацією каналів, матриця в з’єднанні відмовляє.

В цьому випадку кадр повністю буферизується процесором вхідного порту, після чого процесор чекає звільнення вихідного порту і формування комутаційною матрицею потрібного шляху.

Після того, як потрібний шлях встановлений, в нього направляються буферизовані байти кадру, які приймаються процесором вихідного порту. Як тільки процесор вихідного порту отримує доступ до підключеного до нього сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байти кадру відразу ж починають передаватися в мережу. Процесор вхідного порту постійно зберігає декілька байт кадру, що приймається, в своєму буфері, що дозволяє йому незалежно і асинхронно приймати і передавати байти кадру.

Маршрутизація (англ. Routing) — процес визначення маршруту проходження інформації в мережах зв’язку. У російській мові часто використовується слово «роутинг». Треба відзначити, що правильна вимова цього слова — «рутинг». (У США вимовляється «раутинг», відповідно маршрутизатор — «раутер»).

Маршрути можуть задаватися адміністративно (статичні маршрути), або обчислюватися за допомогою алгоритмів маршрутизації, базуючись на інформації про топологію і стан мережі, отриманої за допомогою протоколів маршрутизації (динамічні маршрути).

Статичні маршрути можуть бути:

маршрути, що не змінюються в часі

маршрути, що змінюються за розкладом

маршрути, що змінюються по ситуації, — адміністративно у момент виникнення стандартної ситуації.

Процес маршрутизації в комп’ютерних мережах виконується спеціальними програмно-апаратними засобами — маршрутизаторами. Назва йде від самого процесу (основної функції) — маршрутизації.

На додаток до маршрутизації, маршрутизатори здійснюють і комутацію каналів/повідомлень/пакетів/осередків, так само, як і комутатор комп’ютерної мережі виконує маршрутизацію (визначення на який порт відправити пакет на підставі таблиці MAC адрес), а називається на честь основної функції — комутації.