Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
431 процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору. Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут под держивать устройства 100Base-TX/T4 на витых парах: □ 10Base-T; □ дуплексный режим 10Base-T; □ 100Base-TX; □ 100Base-T4; □ дуплексный режим 100Base-TX. Режим 10Base-T имеет самый низкий прйоритет в переговорном процессе, а дуплексный режим 100Base-TX — самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства. Устройство, начав шее процесс автопереговоров, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов FLP (Fast Link Pulse), в которой содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Импульсы FLP имеют длительность 100 не, как и импульсы LIT, используемые для те стирования целостности физического соединения в стандарте 10Base-T, однако вместо передачи одного импульса LIT через каждые 16 мс, здесь через тот же интервал передается пачка импульсов FLP. Если узел-партнер имеет функцию автопереговоров и также способен поддерживать пред ложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает этот режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер не может поддерживать запро шенный режим, то он указывает в своем ответе имеющийся в его распоряжении следующий по степени приоритетности режим, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Характеристики производительности Fast Ethernet определяются аналогично характе ристикам версии со скоростью Ethernet 10 Мбит/с с учетом неизменного формата кадра, умножения на 10 битовой скорости (в 10 раз больше) и межкадрового интервала (в 10 раз меньше). В результате получаем: □ максимальная скорость протокола в кадрах в секунду (для кадров минимальной длины с полем данных 46 байт) составляет 148 800; □ полезная пропускная способность для кадров минимальной длины равна 54,8 Мбит/с; □ полезная пропускная способность для кадров максимальной длины (поле данных 1500 байт) равна 97,6 Мбит/с. Gigabit Ethernet История создания Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграто ры и администраторы при построении корпоративных сетей почувствовали определенные ограничения. Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали магистрали сетей, также работающие на скорости 100 Мбит/с — магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. 432 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet В 1995 году более высокие скорости могли предоставить только коммутаторы ATM, кото рые из-за высокой стоимости, а также значительных отличий от классических технологий применялись в локальных сетях достаточно редко. Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE. Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола, в максимальной степени подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом. Основной причиной энтузиазма была перспектива плавного перевода сетевых магистралей на Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся. В территориальных сетях такую скорость обеспечивала технология SDH, а в локальных — технология Fibre Channel. По следняя используется в основном для подключения высокоскоростной периферии к круп ным компьютерам и передает данные по волоконно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной. (Именно метод кодирования 8В/10В, применяемый в технологии Fiber Channel, был принят в качестве первого варианта физического уровня Gigabit Ethernet) Стандарт 802.3z был окончательно принят в 1998 году. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы проблемной группе 802.3аЬ ввиду слож ности обеспечения гигабитной скорости на этом типе кабеля, рассчитанного на поддержку скорости 100 Мбит/с. Проблемная группа 802.3аЬ успешно справилась со своей задачей, и версия Gigabit Ethernet для витой пары категории 5 была принята. Проблемы совместимости Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состояла в максимальном со хранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с. *радультвт© пртж» л Л & т і щ Of Ш йдерживаютоя все осної Шт Щ * кабелей, в том . числе воло^ннр*огтгим#сіоий.іс^ витад ггара. Несмотря на то что в Gigabit Ethernet не стали встраиваться новые функции, поддержание даже достаточно простых функций классического стандарта Ethernet на скорости 1 Гбит/с потребовало решения нескольких сложных задач. □ Обеспечение приемлемого диаметра сети для работы на разделяемой среде. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 м при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Так как существует большое количество применений, требующих диаметра сети хотя бы 200 м, Скоростные версии Ethernet 433 необходимо было каким-то образом решить эту задачу за счет минимальных изменений в технологии Fast Ethernet. □ Достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на оптическом кабеле. Технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с. □ Использование в качестве кабеля витой пары. Такая задача на первый взгляд кажется неразрешимой — ведь даже для 100-мегабитных протоколов требуются достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля. Для решения этих задач разработчикам технологии Gigabit Ethernet пришлось внести из менения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уро вень MAC. Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet до 200 м в полудуплексном режиме разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, в основе которых лежало известное соотношение времени передачи кадра минимальной длины и времени оборота (PDV). Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт, или до 4096 бит. Соответственно, время оборота также можно было увеличить до 4095 битовых интервалов, что при использовании одного повторителя сделало допустимым диаметр сети около 200 м. Для увеличения длины кадра до величины, требуемой в новой технологии, сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением, пред ставляющим собой поле, заполненное нулями. Формально минимальный размер кадра не изменился, он по-прежнему равняется 64 байт, или 512 бит; но это объясняется тем, что поле расширения помещается после поля контрольной суммы кадра (FCS). Соответствен но, значение этого поля не включается в контрольную сумму и не учитывается при указа нии длины поля данных в поле длины. Поле расширения является просто расширением сигнала несущей частоты, необходимым для корректного обнаружения коллизий. Для сокращения накладных расходов в случае использования слишком длинных кадров при передаче коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название режима пульсаций. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит, или 8192 байт. При передаче нескольких небольших кадров станции можно не дополнять первый кадр до размера в 512 байт за счет поля рас ширения, а передавать несколько кадров подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 819^байт называется длиной пульсации. Если предел длины пульсации достигается в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца. Увеличение «совме щенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна. 434 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet Спецификации физической среды стандарта Gigabit Ethernet В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды: □ одномодовый вблоконно-оптический кабель; □ многомодовый йолоконно-оптический кабель 62,5/125; □ многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125; □ экранированный сбалансированный медный кабель. Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт предписывает применение излучателей, рабо тающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работающие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание много модового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Тем не менее возможность удешевления чрезвычайно важна для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet. Для многомодового оптоволокна стандарт Gigabit Ethernet определяет спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX. В первом случае используется длина волны 850 нм (S озна чает Short Wavelength), а во втором — 1300 нм (L — Long Wavelength). Спецификация 1000Base-SX разрешает использовать только многомодовый кабель, при этом его макси мальная длйна составляет около 500 м. Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер диод с длиной волны 1300 нм. Спецификация 1000Base-LX позволяет работать как с многомодовым (максимальное расстояние до 500 м), так и с одно модовым кабелем (максимальное расстояние зависит от мощности передатчика и качества кабеля и может доходить до нескольких десятков километров). В качестве среды передачи данных в спецификации 1000-СХ определен экранированный сбалансированный медный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом. Максимальная длина сегмента составляет всего 25 м, поэтому это решение подходит только для соедине ния оборудования, расположенного в одной комнате. Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было реше но организовать параллельную передачу одновременно по всем четырем парам кабеля. Это сразу снизило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования со спектром, не превы шающим 100 МГц. Например, код 4В/5В не позволяет решить поставленную задачу, так как основной вклад в спектр сигнала на такой скорости у него вносит частота 155 МГц. Кроме того, не нужно убывать, что каждая новая версия должна поддерживать не только класси ческий полудуплексный режим, но и дуплексный режим. На первый взгляд кажется, что одновременное использование четырех пар лишает сеть возможности работы в дуплексном режиме, так как не остается свободных пар для одновременной передачи данных в двух направлениях — от узла и к узлу Тем не менее проблемная группа 802.3аЬ нашла решения обеих проблем. Скоростные версии Ethernet 435 Для кодирования данных был применен код РАМ5 с пятью уровнями потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. В этом случае за один такт по одной паре передается 2,322 бит информа ции (log25). Следовательно, для достижения скорости 250 Мбит/с тактовую частоту 250 МГц можно уменьшить в 2,322 раза. Разработчики стандарта решили использовать несколько более высокую частоту, а именно 125 МГц. При этой тактовой частоте код РАМ5 имеет спектр уже, чем 100 МГц, то есть он может быть передан без искажений по кабелю категории 5. В каждом такте передается не 2,322 х 4 * 9,288 бит информации, а 8. Это и дает искомую суммарную скорость 1000 Мбит/с. Передача ровно восьми битов в каждом такте достига ется за счет того, что при кодировании информации используются не все 625 (54 - 625) комбинаций кода РАМ5, а только 256 (28 - 256). Оставшиеся комбинации приемник за действует для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Для организации дуплексного режима разработчики спецификации 802.ЗаЬ применили технику выделения принимаемого сигнала из суммарного. Два передатчика работают навстречу друг другу по каждой из четырех пар в одном и том же диапазоне частот (рис. 13.20). Н-образная схема гибридной развязки позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема, и для передачи (так же, как и в трансиверах Ethernet на коаксиале). 250 Мбит/с < 250 Мбит/с 250 Мбит/с < 250 Мбит/с < 250 Мбит/с ► 250 Мбит/с 250 Мбит/с ► 250 Мбит/с ► Рис. 13.20. Двунаправленная передача по четырем парам UTP категории 5 Для отделения принимаемого сигнала от собственного приемник вычитает из результи рующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные процессоры цифровой обработки сигнала (Digital Signal Processor, DSP). Вариант технологии Gigabit Ethernet на витой паре расширил процедуру автопереговоров, введенную стандартом 100Base-T, за счет включения туда дуплексного и полудуплексного режимов работы на скорости 1000 Мбит/с. Поэтому порты многих коммутаторов Ethernet на витой паре являются универсальными в том смысле, что могут работать на любой из трех скоростей (10,100 или 1000 Мбит/с). 436 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet Характеристики производительности Gigabit Ethernet зависят от того, использует ли ком мутатор режим передачи кадров с расширением или же передает их в режиме пульсаций. В режиме пульсаций на периоде пульсации мы получаем характеристики, в 10 раз отли чающиеся от характеристик Fast Etherhet: □ максимальная скорость протокола в кадрах в секунду (для кадров минимальной длины с полем данных 46 байт) составляет 1 488 ООО; □ полезная пропускная способность для кадров минимальной длины равна 548 Мбит/с; □ полезная пропускная способность для кадров максимальной длины (поле данных 1500 байт) равна 976 Мбит/с. 10G Ethernet Формально этот стандарт имеет обозначение IEEE 802.3ае и является поправкой к основ ному тексту стандарта 802.3. Формат кадра остался неизменным, при этом расширение кадра, введенное в стандарте Gigabit Ethernet, не используется, так как нет необходимости обеспечивать распознавание коллизий. Стандарт 802.3ае описывает несколько новых спецификаций физического уровня, которые взаимодействуют с уровнем MAC с помощью нового варианта подуровня согласования. Этот подуровень обеспечивает для всех вариантов физического уровня 10G Ethernet еди ный интерфейс XGMII (extended Gigabit Medium Independent Interface — расширенный интерфейс независимого доступа к гигабитной среде), который предусматривает парал лельный обмен четырьмя байтами, образующими четыре потока данных. На рис. 13.21 показана структура интерфейсов 10G Ethernet для физического уровня, ис пользующего оптическое волокно. Как видно из рисунка, существуют три группы таких физических интерфейсов: 10GBase-X, 10Gbase-R и 10GBase-W. Они отличаются способом кодирования данных: в варианте 10Base-X применяется код 8В/10В, в остальных двух — код 64В/66В. Все они для передачи данных задействуют оптическую среду. Группа 10GBase-X в настоящее время состоит из одного интерфейса подуровня PMD — 10GBase-LX4. Буква L говорит о том, что информация передается с помощью волн второго диапазона прозрачности, то есть 1310 нм. Информация в каждом направлении передается одновременно с помощью четырех волн (что отражает цифра 4 в названии интерфейса), которые мультиплексируются на основе техники WDM (рис. 13.22). Каждый из четырех потоков интерфейса XGMII передается в оптическом волокне со скоростью 2,5 Гбит/с. Максимальное расстояние между передатчиком и приемником стандарта 10GBase-LX4 на многомодовом волокне равно 200-300 м (в зависимости от полосы пропускания волокна), на одномодовом — 10 км. В каждой из групп 10GBase-W и 10GBase-R может быть три варианта подуровня PMD: S, L и Е в зависимости от используемого для передачи информации диапазона волн — 850, 1310 или 1550 нм соответственно. Таким образом, существуют интерфейсы 10GBase-WS, 10GBase-WL, 10GBase-WE и 10GBase-RS, 10GBase-RL и lOGBase-RE. Каждый из них передает информацию с помощью одной волны соответствующего диапазона. Скоростные версии Ethernet 437 Уровни CSMA/CD Верхние уровни Уровни модели OSI Прикладной уровень Уровень представления Сеансовый уровень Транспортный уровень Сетевой уровень Канальный уровень Физический уровень Подуровень LCC Подуровень (необязательный) управления уровня MAC Уровень MAC Применение XGMII- • і і і > / і / » / > I о . XGMII- 64В/65В PCS WIS РМА PMD MDI- XGMII- 64В/65В PCS РМА PMD MDI- 64В/65В PCS РМА PMD MDI- >- ц о . 10GBase-W 10GBase-R 10GBase-X Рис. 13.21. Три группы физических интерфейсов 10G Ethernet Кроссовый кабель со о 2 Ц со Z си X ф S 3 2 CD § % с \ - > Оптический передатчик гг S 3* СО СО s Оптический передатчик -► X о CL X z s О - > Оптический передатчик - > - > Оптический передатчик - > Ш О. 8 Ф с; с і г ф я MDI MDI * Оптический приемник < - гг Оптический Л S ГГ приемник $ s Z а к Оптический приемник S о < - Оптический приемник < - « У . / Интерфейс PMD WD - волновое разделение Оптоволоконный кабель со о 3 § х (О *£ Ф S 3 2 со 2 S X о . с Индикатор сигнала Интерфейс РМО Рис. 13.22. В интерфейсе 10GBase-LX4 используется техника WDM В отличие от 10GBase-R физические интерфейсы группы 10GBase-W обеспечивают жорость передачи и4к>рмат данных, совместимые с интерфейсом SONET STS-192/SDH ГГМ-64. Пропускная способность интерфейсов группы W равна 9,95328 Гбит/с, а эффек- ивная скорость передачи данных — 9,58464 Гбит/с (часть пропускной способности тратит- я на заголовки кадров STS/STM). Из-за того что скорость передачи информации у этой рунпы интерфейсов ниже, чем 10 Гбит/с, они могут взаимодействовать только между обой, то есть соединение, напоимео. интерфейсов 10GBase-RL и 10Base-WL невозможно. 438 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet Интерфейсы группы W не являются полностью совместимыми по электрическим харак теристикам с интерфейсами SONET STS-192/SDH STM-64. Поэтому для соединения сетей 10G Ethernet через первичную сеть SONET/SDH у мультиплексоров первичной сети должны быть специальные 10-гигабитные интерфейсы, совместимые со спецификациями 10GBase-W. Поддержка оборудованием 10GBase-W скорости 9,95328 Гбит/с обеспечивает принципиальную возможность передачи трафика 10G Ethernet через сети SONET/SDH в кадрах STS-192/STM-64. Физические интерфейсы, работающие в окне прозрачности Е, обеспечивают передачу данных на расстояния до 40 км. Это позволяет строить не только локальные сети, но и сети мегаполисов, что нашло отражение в поправках к исходному тексту стандарта 802.3. В 2006 году была принята спецификация 10GBase-T, которая дает возможность исполь зовать знакомые администраторам локальных сетей кабели на витой паре. Правда, обяза тельным требованием является применение кабелей категории 6 или 6а: в первом случае максимальная длина кабеля не должна превышать 55 м, во втором — 100 м, что является традиционным для локальных сетей. Архитектура коммутаторов Для ускорения операций коммутации сегодня во всех коммутаторах используются заказ ные специализированные БИС — ASIC, которые оптимизированы для выполнения основ ных операций коммутации. Часто в одном коммутаторе имеется несколько специализиро ванных БИС, каждая из которых выполняет функционально законченную часть операций. Важную роль в построении коммутаторов играют также программируемые микросхемы FPGA (Field-Programmable Gate Array — программируемый в условиях эксплуатации массив вентилей). Эти микросхемы могут выполнять все функции, которые выполняют микросхемы ASIC, но в отличие от последних эти функции могут программироваться и перепрограммироваться производителями коммутаторов (и даже пользователями). Это свойство позволило резко удешевить процессоры портов коммутаторов, выполняющих сложные операции, например профилирование трафика, так как производитель FPGA выпускает свои микросхемы массово, а не по заказу того или иного производителя оборудо вания. Кроме того, применение микросхем FPGA позволяет производителям коммутаторов оперативно вносить изменения в логику работы порта при появлении новых стандартов или изменении действующих. Помимо процессорных микросхем для успешной неблокирующей работы коммутатору нужно иметь быстродействующий узел обмена, предназначенный для передачи кадров между процессорными микросхемами портов. В настоящее время в коммутаторах узел обмена строится на основе одной из трех схем: □ коммутационная матрица; □ общая шина; □ разделяемая многовходовая память. Часто эти три схемы комбинируются в одном коммутаторе. Коммутационная матрица обеспечивает наиболее простой способ взаимодействия процес соров портов, и именно этот способ был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей. Однако реализация матрицы возможна только для определенного числа Архитектура коммутаторов 439 портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора (рис. 13.23). 4 5 6 Рис. 13.23. Коммутационная матрица Более детальное представление одного из возможных вариантов реализации коммутаци онной матрицы для восьми портов дано на рис. 13.24. Входные блоки процессоров портов на основании просмотра адресной таблицы коммутатора определяют по адресу назначе ния номер выходного порта. Эту информацию они добавляют к байтам исходного кадра в виде специального ярлыка — тега. Для данного примера тег представляет собой просто 3-разрядное двоичное число, соответствующее номеру выходного порта. Входные блоки процессоров портов Выходные блоки процессоров портов Коммутационная матрица Рис. 13.24. Реализация коммутационной матрицы 8 х 8 с помощью двоичных переключателей Матрица состоит из трех уровней двоичных переключателей, которые соединяют свой вход с одним из двух выходов в зависимости от значения бита тега. Переключатели первого уровня управляются первым битом тега, второго — вторым, а третьего — третьим. 440 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet Матрица может быть реализована и иначе, на основании комбинационных схем другого типа, но ее особенностью все равно остается технология коммутации физических каналов. Известным недостатком этой технологии является отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы — если составной канал невозможно построить из-за занятости выходного порта или промежуточного коммутационного элемента, то данные должны накапливаться в их источнике, в данном случае — во входном блоке порта, принявшего кадр. Основные достоинства таких матриц — высокая скорость коммутации и регулярная структура, которую удобно реализовывать в интегральных микросхемах. Зато после реа лизации матрицы N * N в составе БИС проявляется еще один ее недостаток — сложность наращивания числа коммутируемых портов. В коммутаторах с общей шиной процессоры портов связывают высокоскоростной шиной, используемой в режиме разделения времени. Пример такой архитектуры приведен на рис. 13.25. Чтобы шина не блокировала работу коммутатора, ее производительность должна равняться, по крайней мере, сумме произ водительностей всех портов коммутатора. Для модульных коммутаторов характерно то, что путем удачного подбора модулей с низкоскоростными портами можно обеспечить неблокирующий режим работы, но в то же время некоторые сочетания модулей с высоко скоростными портами могут приводить к структурам, у которых узким местом является общая шина. Рис. 13.25. Архитектура коммутатора с общей шиной Кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байтов, чтобы передача кадров между портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется произво дителем коммутатора. Некоторые производители выбирают в качестве порции данных, переносимых по шине за одну операцию, ячейку ATM с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол ATM, если коммута тор поддерживает эти технологии. Кроме того, небольшой размер ячейки (ее формат может быть и фирменным, так как перенос данных между портами является сугубо внутренней операцией) уменьшает задержки доступа порта к общей шине. Архитектура коммутаторов 441 Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тег, в котором указы вает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тегов, который выбирает теги, предназначенные данному порту. Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но поскольку данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет — здесь работает принцип коммутации пакетов, а не каналов. Разделяемая многовходовая память представляет собой третью базовую архитектуру взаимодействия портов. Пример такой архитектуры приведен на рис. 13.26. Адрес назначения очередь Адрес назначения -> очередь Адрес назначения -> очередь Менеджер очередей выходных портов Разделяемая память а Очереди выходных портов Рис. 13.26. Архитектура коммутаторов с разделяемой памятью Входные блоки процессоров портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходные блоки этих же процессоров — с ее переключаемым выходом. Пере ключением входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходнгж портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения кадра. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков про цессоров и тот переписывает часть данных кадра в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит также поочередное подключение вы хода разделяемой памяти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора. Применение общей буферной памяти, гибко распределяемой менеджером между от дельными портами, снижает требования к размеру буферной памяти процессора порта. Однако буферная память должна быть достаточно быстродействующей для поддержания необходимой скорости обмена данными между N портами коммутатора. Комбинированные коммутаторы. У каждой из описанных архитектур есть свои достоин ства и недостатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются в комбинации друг/> другом. Пример такого комбинирования приведен на рис. 13.27. Коммутатор состоит из модулей с фиксированным количеством портов (2-12), выпол ненных на основе специализированной БИС, реализующей архитектуру коммутационной матрицы. Если порты, между которыми нужно передать кадр данных, принадлежат одному модулю, то передача кадра осуществляется процессорами модуля на основе имеющейся в модуле коммутационной матрицы. Если же порты принадлежат разным модулям, то про 442 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet цессоры общаются по общей шине. В такой архитектуре передача кадров внутри модуля будет происходить быстрее, чем при межмодульной передаче, так как коммутационная ма трица — это наиболее быстрое, хотя и наименее масштабируемое средство взаимодействия портов. Скорость внутренней шины коммутаторов может достигать нескольких гигабит в секунду, а у наиболее мощных моделей — до нескольких десятков гигабит в секунду. Рис. 13.27. Комбинирование архитектур коммутационной матрицы и общей шины Конструктивное исполнение коммутаторов На конструктивное исполнение коммутаторов большое влияние оказывает их область при менения. Настольные коммутаторы и коммутаторы рабочих групп чаще всего выпускаются как устройства с фиксированным количеством портов, корпоративные коммутаторы — как модульные устройства на основе шасси, а коммутаторы отделов могут иметь стековую кон струкцию. Такое деление не является жестким, и в качестве корпоративного коммутатора может использоваться, например, стековый коммутатор. Коммутатор с фиксированным количеством портов — это наиболее простое конструк тивное исполнение, когда устройство представляет собой отдельный корпус со всеми не обходимыми элементами (портами, органами индикации и управления, блоком питания), и эти элементы заменять нельзя. Настольные коммутаторы представляют собой наиболее простой тип устройств с фикси рованным количеством портов (рис. 13.28). Обычно все порты такого коммутатора под держивают одну среду передачи, общее количество портов изменяется от 4 до 48. Порты такого коммутатора являются чаще всего интерфейсами 10/100 или 10/100/1000 Мбит/с на витой паре, поддерживающими автопереговоры. Как правило, такой коммутатор не поддерживает удаленное управление по протоколу SNMP. Коммутатор рабочей группы с фиксированным количеством портов (рис. 13.29) имеет, как правило, множество портов для подключения пользовательских компьютеров — как и у настольного коммутатора, эти порты обычно являются интерфейсами 10/100 или 10/100/1000 Мбит/с витой паре, поддерживающими автопереговоры. В нашем примере коммутатор оснащен 24 портами 10/100 Мбит/с Кроме того, такой коммутатор имеет не сколько магистральных портов для соединения с коммутаторами верхних уровней. В нашем примере коммутатор имеет 4 магистральных порта, но они выполнены в особом конструктивном исполнении как слоты для установки модулей портов стандарта SFP. Конструктивное исполнение коммутаторов 443 Дело в том, что начиная со стандарта Gigabit Ethernet, порты для работы на оптическом волокне начали выпускаться в виде отдельных модулей, устанавливаемых в специальные слоты коммуникационных устройств.. Такая конструкция позволяет легко переходить от одного типа оптического волокна к другому, например от многомодового к одномодовому, путем замены модуля порта. Существует два популярных стандарта на конструктивное исполнение модулей портов Gigabit Ethernet и их интерфейс с самим устройством: GBIC h SFP (рис. 13.30). Рис. 13.28. Настольный коммутатор 4 слота для модулей 24 порта 10/100 Мбит/с SPF 1000 Мбит/с (RJ-45) Рис. 13.29. Коммутатор рабочей группы с магистральными портами Рис. 13.30. Модули QBIC (слева) и SFP (справа) Оба эти стандарта приняты комитетом SFF (Small Form Factor committee — Комитет произ водителей компактного оборудования), который был образован в 1990 году как консорциум производителей периферийного оборудования для компьютеров, а затем расширил свои функции. Стандарты ^ F p являются результатом взаимной договоренности между произво дителями оборудования. Модули GBIC (Gigabit Ethernet Interface Converter — конвертор интерфейса Gigabit Ethernet) появились раньше, они обладают большими размерами, чем модули SFP (Small Factor Pluggable module — устанавливаемый модуль небольшого раз мера), которые были стандартизованы позднее. Модули SFP называют также моделями мини-GBIC. Несмотря на то что изначально и модули GBIC, и модули SFP были задуманы 444 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet как сменная часть портов Gigabit Ethernet для оптического волокна, выпускаются модули SFP и для витой пары, так как это делает слоты SFP коммутаторов (и маршрутизаторов) универсальными. В том случае, если коммутатор рабочей группы поддерживает интерфейсы 10G Ethertnet (их нет у коммутатора на рис. 13.29), они также выполняются как слоты с устанавливае мыми модулями. Существует несколько стандартов таких модулей: XENPAK, XSP и SFP+ (последний вариант самый компактный). Все эти стандарты представляют собой результат взаимной договоренности между производителями оборудования. Модульный коммутатор выполняется в виде отдельных модулей с фиксированным количеством портов, эти модули устанавливаются на общее шасси (рис. 13.31). Шасси имеет внутреннюю шину для объединения отдельных модулей в единое устройство. Для модульного коммутатора могут существовать различные типы модулей, отличающиеся количеством портов и типом поддерживаемой физической среды. Модульные коммутаторы позволяют более точно подобрать необходимую для конкретного применения конфигура цию коммутатора, а также гибко и с минимальными затратами реагировать на изменения конфигурации сети. Рис. 13.31. Модульные коммутаторы на основе шасси Ввиду ответственной работы, которую выполняют модульные коммутаторы, они снабжа ются модулем управления, системой терморегулирования, избыточными источниками питания и возможностью замены модулей «на лету». Недостатком коммутатора на основе шасси является высокая начальная стоимость такого устройства для случая, когда предприятию на первом этапе создания сети нужно устано вить всего 1-2 модуля. Высокая стоимость шасси вызвана тем, что оно поставляется вместе со всеми общими устройствами, такими как избыточные источники питания и т. п. Выводы 445 Стековый коммутатор, как и коммутатор с фиксированным числом портов, выполнен в виде отдельного корпуса без возможности замены отдельных его модулей. Несколько типичных стековых коммутаторов Ethernet показаны на рис. 13.32. Рис. 13.32. Стековые коммутаторы Ethernet Стековые коммутаторы имеют специальные порты и кабели для объединения нескольких корпусов в единый коммутатор с общим блоком управления. Стековые коммутаторы мо гут поддерживать различные физические среды передачи, что делает их почти такими же гибкими, как модульные концентраторы, но при этом стоимость этих устройств в расчете на один порт получается обычно ниже, так как сначала предприятие может купить одно устройство без избыточного шасси, а потом нарастить стек еще несколькими аналогичными устройствами. Приведенная классификация конструктивного исполнения справедлива не только для коммутаторов, но и для коммуникационных устройств всех типов — маршрутизаторов, коммутаторов глобальных сетей, мультиплексоров SDH/OTN/DWDM. Выводы Для логической структуризации сети применяются мосты и их современные преемники — коммута торы локальных сетей. Устройства обоих типов работают на основе одного и того же стандарта IEEE 802.1D, но коммутаторы обладают гораздо более высоким быстродействием за счет параллельной обработки потоков данных. Коммутаторы являются самообучающимися устройствами, так как строят таблицы продвижения автоматически на основе слежения за передаваемыми кадрами. Недостатком коммутаторов является невозможность работы в сетях с петлевидными связями. Другим недостатком сетей, построенных на коммутаторах, является отсутствие защиты от широко вещательного шторма. Применение коммутаторов позволяет сетевым адаптерам использовать дуплексный режим работы. В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных удваивается. В дуплексном режиме для борьбы с перегрузками коммутаторов используется метод обратной связи, описанный в стандарте 802.3х. Он позволяет приостановить на некоторое время поступление кадров от непосредственныхчюседей перегруженного коммутатора. Основными характеристиками производительности коммутатора являются: скорость фильтрации кадров, скорость продвижения кадров, общая пропускная способность по всем портам в мегабитах в секунду, задержка передачи кадра. Потребности в высокоскоростной и в то же время недорогой технологии для подключения к сети мощных рабочих станций привели к созданию нескольких скоростных версий Ethernet: Fast Ethernet 446 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и 10G Ethernet со скоростью 10 Гбит/с. Существует несколько основных вариантов внутренней архитектуры коммутатора, в основе которых лежит: □ коммутационная матрица; □ разделяемая память; □ общая шина. Кроме того, применяется комбинирование основных вариантов в одном устройстве. По конструктивному исполнению коммутаторы разделяются на: □ устройства с фиксированным количеством портов; □ модульные устройства на основе шасси; □ стековые коммутаторы. Вопросы и задания 1. Что из перечисленного можно отнести к недостаткам сетей на разделяемой среде: а) неопределенная доля пропускной способности, приходящаяся на один узел сети; б) сложность подключения нового узла к сети; в) плохая масштабируемость; г) сложность организации широковещания. 2. Почему мост, работающий в соответствии со стандартом IEEE 802.ID, называют «про зрачным»? Варианты ответов: а) потому что он передает кадры Ethernet без изменения; б) потому что конечные узлы «не замечают» его присутствия в сети; в) потому что мост строит таблицу продвижения автоматически. 3. На основе изучения каких адресов автоматически строится таблица продвижения моста? Варианты ответов: а) МАС-адресов назначения; б) МАС-адресов источника. 4. К каким негативным последствиям приводит наличие петель в сети, построенной на коммутаторах, работающих в соответствии с алгоритмом прозрачного моста? Варианты ответов: а) кадры могут дублироваться; б) кадры могут зацикливаться; в) таблица продвижения может постоянно перестраиваться. 5. Для какой цели записи таблицы продвижения имеют ограниченный срок жизни? 6. Может ли скорость продвижения превосходить скорость фильтрации? 7. Чем коммутатор отличается от моста? Варианты ответов: а) количеством портов; б) способом построения таблицы продвижения; в) дополнительными функциями; Вопросы и задания 447 г) производительностью. 8. При каком распределении трафика неблокирующий коммутатор с 12-ю портами Fast Ethernet и одним портом Gigabit Ethernet оправдывает свое название? Варианты от ветов: а) входной трафик всех портов Fast Ethernet, которые работают с близкой к 100 % на грузкой, направлен в порт Gigabit Ethernet; б) входной трафик порта Gigabit Ethernet, который работает с близкой к 100 % нагруз кой, равномерно распределен между 12-ю портами Fast Ethernet; в) входной трафик всех портов Fast Ethernet, которые работают с 50-процентной на грузкой, направлен в порт Gigabit Ethernet. 9. Какие механизмы коммутаторы используют для борьбы с перегрузками в дуплексном режиме работы? Варианты ответов: а) обратное давление; б) сообщение PAUSE; в) динамическое увеличение скорости порта. 10. К каким последствиям может привести недостаточный объем памяти, выделенной под таблицу продвижения коммутатора? Варианты ответов: а) постоянная перестройка таблицы продвижения; б) затопление сети кадрами с неизученным адресом назначения; в) потеря кадров. 11. Совпадают ли форматы кадров 10 Мбит/с Ethernet и Fast Ethernet? 12. Для какой цели в формат кадра Gigabit Ethernet было введено поле расширения? Варианты ответов: а) для повышения производительности сети; б) для передачи дополнительных адресов назначения; в) для увеличения максимального диаметра сегмента разделяемой среды. 13. Может ли в технологии 10G Ethernet использоваться разделяемая среда? 14. Поддерживается ли режим автопереговоров для волоконно-оптических портов? 15. Какой особенности физического интерфейса соответствует цифра 4 в спецификации 10GBase-LX4? 16. Можно ли коммутатор локальной сети с интерфейсом 10GBase-WL непосредственно присоединить к порту STM-64 мультиплексора SDH? |