Логическая структуризация сетей

1 Общая часть

1.1 Причины структуризации LAN

При построении небольших сетей, состоящих из 10-30 узлов, использование стан¬дартных технологий на разделяемых средах передачи данных приводит к эконо¬мичным и эффективным решениям.. Но крупные сети, насчитывающие сотни и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разделяемой среды. И не потому, что практически все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде: все виды семейства Ethernet — 1024 узлами, Token Ring — 260; a FDDI — 500 узлами. На рис. 1 показана зависимость задержек доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet, Token Ring и FDDI от коэффициента использования сети, его также часто называют коэффициентом нагрузки сети. Напомним, что коэффициент использования сети равен отношению трафика, который должна передать сеть, к ee пропускной способности.

Рис.1 График зависимости задержек доступа от коэффициента использования сети

Как видно из рисунка, всем технологиям присущ экспоненциальный рост вели¬чины задержек доступа при увеличении коэффициента использования сети, отли¬чается только порог, при котором наступает резкий перелом в поведении

сети, когда почти прямолинейная зависимость переходит в крутую экспоненту. Для всего се¬мейства технологий Ethernet это 40-50 %, для технологии Token Ring - 60 %, а тех¬нологии FDDI -70%. Влияние задержек и коллизий на полезную пропускную способность сети Ethernet хорошо отражает график, представленный на рис. 2. При загрузке сети до 50 % технология Ethernet на разделяемом сегменте хорошо справляется с передачей трафика, генерируемого конечными узлами. Однако I при повышении интенсивности генерируемого узлами трафика сеть все больше времени начинает проводить неэффективно, повторно передавая кадры, которые вызвали коллизию. При возрастании интенсивности генерируемого трафика такой величины, когда коэффициент использования сети приближается к l, вероятность столкновения кадров настолько увеличивается, что практически любой кадр, который какая-либо станция пытается передать, сталкивается с другими кадрами, вызывая коллизию. Сеть перестает передавать полезную пользовательскую информацию и работает «на себя», обрабатывая коллизии.

Рис.2 Зависимость полезной пропускной способности сети Ethernet от коэффициента использования

В результате даже сеть средних размеров трудно построить на одном разделяемом сегменте так, чтобы она работала эффективно при изменении интенсивно генерируемого станциями трафика. Кроме того, при использовании разделяемой среды проектировщик сети сталкивается с жесткими ограничениями максимальной длины сети, которые для всех технологий лежат в пределах нескольких сотен метров, и только технология FDDI позволяет строить локальные сети, протяженность которых измеряется десятками километров.

При делении сети, межсегментный трафик в созданных сегментах уменьшается. Это не относится к внутрисегментному трафику.

Сегментация увеличивает также гибкость сети. При построении сети как совокупности подсетей каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Например, в одной подсети может пользоваться технология Ethernet, а в другой Token Ring в соответствии с потребностями.

Деление на подсети повышает безопасность данных. При подключении пользователей к различным физическим сегментам сети можно запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других сегментов. Устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах, можно контролировать доступ к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители.

Подсети упрощают управление сетью. Побочным эффектом уменьшения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы часто локализуются внутри сегмента.

1.2 Аппаратные средства структуризации

Для логической сегментации на логическом уровне используют мосты(bridge) и коммутаторы(switch). Оба устройства продвигают кадры на основе одних и тех же алгоритмов. Используются 2 типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста(transparent bridging) и алгоритм моста с маршрутизацией от источника(source routing bridging).

Когда на свет появилась первая промышленная модель коммутатора для технологии Ethernet, то она вы¬полняла тот же алгоритм продвижения кадров IEEE 802.ID, который был с деся¬ток лет отработан мостами локальных и глобальных сетей. Точно так же поступают и все современные коммутаторы. Коммутаторы, которые продвигают кадры прото¬кола Token Ring, работают по алгоритму Source Routing, характерному для мостов IBM. Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабаты¬вает кадры последовательно, а коммутатор — параллельно. Это обстоятельство свя¬зано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим (он подчинялся правилу 80 на 20 %). Сеть чаще всего делили на два сегмента, поэтому и термин был выбран соответствующий — мост. Для обработки потока данных со средне интенсивностью 1 Мбит/с мосту вполне хватало производительности одного процессорного блока. Позже количество сегментов росло. Обслуживание потоков кадров между несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это дорогое решение. Более эффективным оказалось решение: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставится отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм. По сути, коммутатор — это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов.

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 3

Рис.3 Структура коммутатора Kalpana EtherSwitch

Каждый из 8 портов lOBase-T обслуживается одним процессором пакетов Ether¬net — ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммута¬тором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных комму¬таторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 пор¬тов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полу¬дуплексном режиме работы портов и 16 — при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к сис¬темному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслу¬живая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую буферизует в своем кэше для последующего использования. После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно даль делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процесс продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты, очищает буфер и ждет поступления нового кадра

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в: момент свободен, то есть, не соединен с другим портом. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выхода порта и образования коммутационной матрицей нужного пути. После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 4)

При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил назва¬ние коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично со¬вмещаются во времени несколько этапов его передачи.

1.