Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
Дуплексный режим работы Технология коммутации сама по себе не имеет непосредственного отношения к методу доступа к среде, который используется портами коммутатора. При подключении к порту коммутатора сегмента^ представляющего собой разделяемую среду, данный порт, как и все остальные узлы такого сегмента, должен поддерживать полудуплексный режим. Однако когда к каждому порту коммутатора подключен не сегмент, а только один ком пьютер, причем по двум физически раздельным каналам, как это происходит почти во всех стандартах Ethernet, кроме коаксиальных версий Ethernet, ситуация становится не такой однозначной. Порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в дуплексном. 418 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet В полудуплексном режиме работы порт коммутатора по-прежнему распознает коллизии. Доменом коллизий в этом случае является участок сети, включающий передатчик коммута тора, приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера компьютера, приемник сетевого адаптера компьютера и две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками. Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновре менно или почти одновременно начинают передачу своих кадров. В дуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком порта коммутатора и сетевого адаптера коллизией не считается. В принципе, это достаточно естественный режим работы для отдельных дуплексных каналов передачи данных, и он всегда исполь зовался в протоколах глобальных сетей. При дуплексной связи порты Ethernet стандарта 10 Мбит/с могут передавать данные со скоростью 20 Мбит/с — по 10 Мбит/с в каждом направлении. Уже первые коммутаторы Kalpana поддерживали оба режима работы своих портов, по зволяя использовать коммутаторы для объединения сегментов разделяемой среды, как делали их предшественники-мосты, и в то же время позволяя удваивать скорость обмена данными на предназначенных для связи между коммутаторами портах за счет работы этих портов в дуплексном режиме. Долгое время коммутаторы Ethernet сосуществовали в локальных сетях с концентра торами Ethernet: на концентраторах строились нижние уровни сети здания, такие как сети рабочих групп и отделов, а коммутаторы служили для объединения этих сегментов в общую сеть. Постепенно коммутаторы стали применяться и на нижних этажах, вытесняя концентра торы, так как цены коммутаторов постоянно снижались, а их производительность росла (за счет поддержки не только технологии Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, но и всех последующих более скоростных версий этой технологии, то есть Fast Ethernet со скоро стью 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и 10G Ethernet со скоростью 10 Гбит/с). Этот процесс завершился вытеснением концентраторов Ethernet и переходом к полностью коммутируемым сетям, пример такой сети показан на рис. 13.12. MAC Port МАС-А 1 МАС-8 2 МАС-С 6 MAC-D 6 MAC Port МАС-А 6 МАС-Б 6 МАС-С 1 МАС-0 2 MAC-А МАС-Б MAC-C MAC-D Рис. 13.12. Полностью коммутируемая сеть Ethernet Коммутаторы 419 В полностью коммутируемой сети Ethernet все порты работают в дуплексном режиме, а продвижение кадров осуществляется на основе МАС-адресов. При разработке технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet дуплексный режим стал одним из двух полноправных стандартных режимов работы узлов сети. Однако уже практика при менения первых коммутаторов с портами Gigabit Ethernet показала, что они практически всегда применяются в дуплексном режиме для взаимодействия с другими коммутаторами или высокоскоростными сетевыми адаптерами. Поэтому при разработке стандарта 10G Ethernet его разработчики не стали создавать версию для работы в полудуплексном режи ме, окончательно закрепив уход разделяемой среды из технологии Ethernet. Неблокирующие коммутаторы Как уже отмечалось, высокая производительность является одним из главных достоинств коммутаторов. С понятием производительности тесно связано понятие неблокирующего коммутатора. Когда говорят, что коммутатор может поддерживать устойчивый неблокирующий режим работы, то имеют в виду, что коммутатор передает кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для поддержания подобного режима нуж но таким образом распределить потоки кадров по выходным портам, чтобы, во-первых, порты справлялись с нагрузкой, во-вторых, коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора и при переполнении просто отбрасываться. В этом соотношении под производительностью коммутатора в целом понимается его спо собность продвигать определенное количество кадров, принимаемых от приемников всех его портов, на передатчики всех его портов. В суммарной производительности портов каждый проходящий кадр учитывается дважды, как входящий и как выходящий, а так как в устойчивом режиме входной трафик равен вы ходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для поддержки не блокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Если порт, например, стандарта Ethernet со скоростью 10 Мбит/с работает в полудуплексном режиме, то производительность порта Cpi равна 10 Мбит/с, а если в дуплексном — 20 Мбит/с. Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на макси мальной скорости протокола независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого 420 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть неполной — при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Для поддержки мгновенного неблокирующего режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно она должна быть равна суммарной производительности его портов: Ck = Приведенные соотношения справедливы для портов с любыми скоростями, то есть портов стандартов Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Ethernet. Способы, которыми обеспечивается способность коммутатора поддерживать неблоки рующий режим, могут быть разными. Необходимым требованием является умение про цессора порта обрабатывать потоки кадров с максимальной для физического уровня этого порта скоростью. В главе 12 мы подсчитали, что максимальная производительность порта Ethernet стандарта 10 Мбит/с равна 14 880 кадров в секунду. Это означает, что процессоры портов Ethernet стандарта 10 Мбит/с неблокирующего коммутатора должны поддерживать продвижение кадров со скоростью 14 880 кадров в секунду. Однако только адекватной производительности процессоров портов недостаточно для того, чтобы коммутатор был неблокирующим. Необходимо, чтобы достаточной произво дительностью обладали все элементы архитектуры коммутатора, включая центральный процессор, общую память, шины, соединяющие отдельные модули между собой, саму архитектуру коммутатора (наиболее распространенные архитектуры коммутаторов мы рас смотрим позже). В принципе, задача создания неблокирующего коммутатора аналогична задаче создания высокопроизводительного компьютера — в обоих случаях она решается комплексно: за счет соответствующей архитектуры объединения модулей в едином устрой стве и адекватной производительности каждого отдельного модуля устройства. Борьба с перегрузками Даже в том случае, когда коммутатор является неблокирующим, нет гарантии того, что он во всех случаях справится с потоком кадров, направляемых на его порты. Неблокирую щие коммутаторы тоже могут испытывать перегрузки и терять кадры из-за переполнения внутренних буферов. Причина перегрузок обычно кроется не в том, что коммутатору не хватает производитель ности для обслуживания потоков кадров, а в ограниченной пропускной способности от дельного выходного порта, которая определяется параметрами протокола. Другим словами, какой бы производительностью коммутатор не обладал, всегда найдется такое распреде ление потоков кадров, которое приведет к перегрузке коммутатора из-за ограниченной производительности выходного порта коммутатора. Возникновение таких перегрузок является платой за отказ от применения алгоритма до ступа к разделяемой среде, так как в дуплексном режиме работы портов теряется контроль за потоками кадров,''направляемых конечными узлами в сеть. В полудуплексном режиме, свойственном технологиям с разделяемой средой, поток кадров регулировался самим ме тодом доступа к разделяемой среде. При переходе на дуплексный режим узлу разрешается отправлять кадры в коммутатор всегда, когда это ему нужно, поэтому в данном режиме коммутаторы сети могут сталкиваться с перегрузками, не имея при этом никаких средств «притормаживания» потока кадров. Коммутаторы 421 Таким образом, если входной трафик неравномерно распределяется между выходными портами, легко представить ситуацию, когда на какой-либо выходной порт коммутатора будет направляться трафик с суммарной средней интенсивностью большей, чем протоколь ный максимум. На рис. 13.13 показана как раз такая ситуация, когда на порт 3 коммутатора Ethernet направляется от портов 1, 2,4 и 6 поток кадров размером в 64 байт с суммарной интенсивностью в 22 100 кадров в секунду. Вспомним, что максимальная скорость в кадрах в секунду для сегмента Ethernet составляет 14 880. Естественно, что когда кадры поступают в буфер порта со скоростью 22 100 кадров в секунду, а уходят со скоростью 14 880 кадров в секунду, то внутренний буфер выходного порта начинает неуклонно заполняться необ работанными кадрами. Рис. 13.13. Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика В приведенном примере нетрудно подсчитать, что при размере буфера в 100 Кбайт полное заполнение буфера произойдет через 0,22 секунды после начала работы в таком интенсив ном режиме. Увеличение размера буфера до 1 Мбайт даст увеличение времени заполнения буфера до 2,2 секунды, что также неприемлемо. Проблему можно решить с помощью средств контроля перегрузки, которые были рассмотрены в главе 7. Как мы знаем, существуют различные средства контроля перегрузки: управление оче редями в коммутаторах, обратная связь, резервирование пропускной способности. На основе этих средств можно создать эффективную систему поддержки показателей QoS для трафика разных классов. В этом разделе мы рассмотрим механизм обратной связи, который был стандартизован для сетей Ethernet в марте 1997 как спецификация IEEE 802.3х. Механизм обратной связи 802.3х используется только в дуплексном режиме работы портов коммутатора. Этот механизм очень важен для коммутаторов локальных сетей, так как он позволяет сократить потери кадров из-за переполнения буферов независимо от того, обеспечивает сеть дифференцированную поддержку показателей QoS для разных типов трафика или же предоставляет базовый сервис по доставке с максимальными усилиями («по возмож ности»). Другие механизмы поддержания показателей QoS рассматриваются в следующей главе. Спецификация 802JX вводит новый подуровень в стеке протоколов Ethernet — подуровень управления уровня MAC. Он располагается над уровнем MAC и является необязательным (рис. 13.14). Кадры этого подуровня могут использоваться в различных целях, но пока в стандартах Ethernet для них определена только одна задача — приостановка передачи кадров другими узлами на определенное время. 422 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet Уровни модели OSI Прикладной уровень Уровень представления Сеансовый уровень Транспортный уровень Сетевой уровень Канальный уровень Физический уровень Уровни CSMA/CD Верхние уровни Клиент подуровня управления уровня MAC Подуровень (необязательный) управления уровня MAC Уровень MAC Физический уровень Рис. 13.14. Подуровень управления уровня MAC Кадр подуровня управления отличается от кадров пользовательских данных тем, что в поле типа всегда содержится шестнадцатеричное значение 88-08. Формат кадра подуров ня управления рассчитан на универсальное применение, поэтому он достаточно сложен (рис. 13.15). 6 байт 6 байт 2 байта 2 байта (Минимальная длина кадра -160) / 8 байт Адрес назначения Адрес источника Длина/Тип Код операции подуровня управления Параметры подуровня управления Зарезервировано (передаются нули) Байты внутри кадра следуют сверху вниз Младший бит | I Бит 0 I I I I I I Старший бит Бит 8 Биты внутри кадра следуют слева направо Рис. 13.15. Формат кадра подуровня управления 1£оммута^мспольэу0т^ ещ н ужнона время при* остановить поступление кадров от соседней? узл& ч т о б ы о ч е р е д и . В качестве адреса назначения можно указывать зарезервированное для этой цели значение группового адреса 01-80-С2-00-00-01. Это удобно, когда соседний узел также является Коммутаторы 423 коммутатором (так как порты коммутатора не имеют уникальных МАС-адресов). Если сосед — конечный узел, можно также использовать уникальный МАС-адрес. В поле кода операции подуровня управления указывается шестнадцатеричный код 00-01, поскольку, как уже было отмечено, пока определена только одна операция подуровня управления — она называется PAUSE (пауза) и имеет шестнадцатеричный код 00-01. В поле параметров подуровня управления указывается время, на которое узел, получив ший такой код, должен прекратить передачу кадров узлу, отправившему кадр с операцией PAUSE. Время измеряется в 512 битовых интервалах конкретной реализации Ethernet, диапазон возможных вариантов приостановки равен 0-65535. Как видно из описания, этот механизм обратной связи относится к типу 2 в соответ ствии с классификацией, приведенной в главе 7. Специфика его состоит в том, что в нем предусмотрена только одна операция — приостановка на определенное время. Обычно же в механизмах этого типа используются две операции — приостановка и возобновление передачи кадров. Проблема, иллюстрируемая рис. 13.13, может быть решена и другим способом: примене нием так называемого магистрального, или восходящего (uplink), порта. Магистральные порты в коммутаторах Ethernet — это порты следующего уровня иерархии скорости по сравнению с портами, предназначенными для подключения пользователей. Например, если коммутатор имеет 12 портов Ethernet стандарта 10 Мбит/с, то магистральный порт должен быть портом Fast Ethernet, чтобы его скорость была достаточна для передачи до 10 потоков от входных портов. Обычно низкоскоростные порты коммутатора служат для соединения с пользовательскими компьютерами, а магистральные порты — для под ключения либо сервера, к которому обращаются пользователи, либо коммутатора более высокого уровня иерархии. Нарис. 13.16 показан пример коммутатора, имеющего 24 порта стандарта Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, к которым подключены пользовательские компьютеры, и один порт стандарта Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с, к которому подключен сервер. При такой конфигурации коммутатора вероятность перегрузки портов существенно сни жается по сравнению с вариантом, когда все порты поддерживают одинаковую скорость. Хотя возможность перегрузки по-прежнему существует, для этого необходимо, чтобы более чем 10 пользователей одновременно обменивались с сервером данными со средней скоростью, близкой к максимальной скорости их соединений — а такое событие достаточно маловероятно. Пользовательские компьютеры Сервер Рис. 13.16. Коммутатор рабочей группы Из приведенного примера видно, что вероятность перегрузки портов коммутаторов зависит от распределения трафика между его портами, кроме того, понятно, что даже при хорошем 424 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet соответствии скорости портов наиболее вероятному распределению трафика полностью исключить перегрузки невозможно. Поэтому в общем случае для уменьшения потерь кадров из-за перегрузок нужно применять оба средства: подбор скорости портов для наиболее вероятного распределения трафика в сети и протокол 802.3х для снижения скорости источника трафика в тех случаях, когда перегрузки все-таки возникают. Характеристики производительности коммутаторов Скорости фильтрации и продвижения кадров — две основные характеристики произво дительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор. С к о р о с т ь ф и л ь т р а ц и и — это скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров: 1. Прием кадра в свой буфер. 2. Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра. 3. Уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту. Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов блокирующим фактором не яв ляется — коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления. С к о р о с т ь п р о д в и ж е н и я — это скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров. 1. Прием кадра в свой буфер. 2. Просмотр адресной таблицы с цельюнахождения порта для адреса назначения кадра. 3. Передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения. Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в се кунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров мини мального размера, то есть кадров длиной 64 байт. Как мы уже обсуждали, режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен подтвердить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика. |