Пропускная способность коммутатора. Основы коммутации

- 42.52 Кб

230106

(шифр специальности)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

Тема:

СГПЭК 230106.11.15.

Студент группы: ТО3А08, Корчагин А. Г.

Преподаватель: Чирочкин Е.И.

Дата защиты: _______________________ Оценка__________

Саранск

2011

Министерство образования и науки РФ

ФГОУ СПО «Саранский государственный промышленно-экономический колледж»

230106

(шифр специальности)

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

по дисциплине Компьютерные сети и телекоммуникации

студенту группы ТО3А08, Корчагин А. Г.

Тема: Коммутаторы: особенности и характеристики

Курсовая работа выполнена на 28 листах и включает следующие разделы:

Введение

1 Особенности сетевого коммутатора

2 Классификация современных коммутаторов

3 Характеристики коммутаторов

Заключение

Список использованных источников

Дата выдачи: ________________ Зав. отделением: ______________

Срок выполнения: ____________ Преподаватель: _______________

Введение………………………………………………………… ………………………...5

Особенности сетевого коммутатора………………………………………………… 10

Коммутатор и его роль в структуризации сети…………………………………10
Принцип работы……………………………………………………………… …..11

Классификация современных коммутаторов……………………………………….. 14

По способу продвижения кадров………………………………………………...14

На лету…………………………………………………………………… ....14
С промежуточным хранением……………………………………………..14

По алгоритму принципа работы………………………………………………….15

Прозрачные коммутаторы………………………………………………… 15

Коммутаторы, реализующие алгоритм маршрутизации от источника……………………………………………………… …………………….15

Коммутаторы, реализующие алгоритм покрывающего дерева…………16

По внутренней логической архитектуре………………………………………... 16

Коммутаторы с коммутационной матрицей……………………………...16
Коммутаторы с общей шиной……………………………………………..17
Коммутаторы с разделяемой памятью……………………………………18
Комбинированные коммутаторы………………………………………….19

По области применения…………………………………………………… ……..20

Коммутаторы с фиксированным числом портов…………………………20
Модульные коммутаторы………………………………………………… .20
Стековые коммутаторы………………………………………………… ….21

Технологии коммутаторов……………………………………………… ………..21

Коммутаторы Ethernet…………………………………………………….. .21
Коммутаторы Token Ring………………………………………………….22
Коммутаторы FDDI………………………………………………………...23

Характеристики коммутаторов……………………………………………… ………24

Пропускная способность………………………………………………… ………24
Задержка при передаче кадра…………………………………………………….24
Скорость продвижения кадров по сети………………………………………….25
Скорость фильтрации…………………………………………………… ………..25

Заключение…………………………………………………… ………………………….26

Список использованных источников…………………………………………………. ..27

Введение

При изменении ситуации в конце 80-х - начале 90-х годов - появлении быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации, разделении сети на большое количество сегментов - классические мосты перестали справляться с работой. Обслуживание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение. Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы (Рис. 1): для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставились отдельные специализированные процессоры на каждый из портов, которые реализовывали алгоритм моста.

Рисунок 1 Коммутатор

По сути, коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Но если при добавлении процессорных блоков компьютер не перестали называть компьютером, а добавили только прилагательное «мультипроцессорный», то с мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза - они превратились в коммутаторы. Этому способствовал способ связи между отдельными процессорами коммутатора - они связывались коммутационной матрицей, похожей на матрицы мультипроцессорных компьютеров, связывающие процессоры с блоками памяти. Постепенно коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого - очень высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, когда их производительность оказывалась меньше интенсивности межсегментного потока кадров, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, которые могут передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Добавление к этому параллельной передачи кадров между портами сделало производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов - коммутаторы могут передавать до нескольких миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 тысяч кадров в. секунду. Это и предопределило судьбу мостов и коммутаторов. Коллективное использование многими компьютерами общей кабельной системы приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Общая среда перестает справляться с потоком передаваемых кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Эта проблема может быть решена путем логической структуризации сети с помощью коммутатора (Рис. 2). Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, с целью локализации трафика каждого отдельного сегмента сети. При этом отдельные сегменты сети соединяют такими устройствами, как коммутаторы. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает более высокой производительностью и надежностью. Преимущества разбиения общей разделяемой среды на логические сегменты:

Простота топологии сети, допускающая легкое наращивания числа узлов;

Отсутствие потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как новый кадр не передается в сеть, пока не принят предыдущий - сама система разделения среды регулирует поток кадров и приостанавливает станции, слишком часто генерирующие кадры, заставляя их ждать доступа;

Простота протоколов, обеспечивающая низкую стоимость коммутационного оборудования.

Рисунок 2 Логическая структуризация сети с помощью коммутатора

Так как в сети имеются группы компьютеров, преимущественно обменивающиеся информацией между собой, деление сети на логические сегменты улучшает производительность сети - трафик локализуется в пределах групп, и нагрузка на их разделяемые кабельные системы существенно уменьшается.

Актуальность выбранной темы исследования определяется, во-первых, быстрым вхождением локальных сетей практически во все аспекты информационной деятельности. И сетевые устройства, которые повышают производительность сети, являются неотъемлемой частью локальных сетей. Организация локальных сетей с использованием сетевого оборудования стала нормой при проектировании крупных сетей. Эта норма вытеснила сети, построенные исключительно на основе сегментов кабеля, которыми пользуются для передачи информации компьютеры сети.

Во-вторых, за последние несколько лет (начиная с 2006 года) именно коммутаторы стали заметно теснить маршрутизаторы с прочно завоеванных позиций. Центральное место в сети здания занимали маршрутизаторы, а коммутаторам отводилось место на уровне сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного - их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подключения сверхпроизводительных серверов. Коммутаторы стали вытеснять маршрутизаторы из центра сети на периферию где они использовались для соединения локальной сети с глобальной. Центральное место в сети здания занял модульный корпоративный коммутатор, который объединял на своей внутренней, очень производительной магистрали все сети этажей и отделов. Коммутаторы потеснили маршрутизаторы потому, что их показатель "цена/производительность", оказался гораздо ниже данного показателя относительно маршрутизатора. Естественно, тенденция повышения роли коммутаторов в локальных сетях не имеет абсолютного характера. И у маршрутизаторов по-прежнему имеются свои области применения, где их применение более рационально, чем коммутаторов. Маршрутизаторы остаются незаменимыми при подключении локальной сети к глобальной.

Цель работы – раскрыть сущность принципа работы коммутатора, его особенности и характеристики, а также рассмотреть область его применения.

Задачи исследовательской работы:

Раскрыть понятие коммутатора, сущность принципа работы, цель и роль его применения в работе локальных сетей;

Рассмотреть различные классификации и характеристики данного устройства;

Проанализировать актуальность и перспективы использования коммутаторов при организации локальных сетей.

Объектом исследования является коммутатор, как одно из наиболее перспективных сетевых устройств, используемых при организации локальных сетей.

Предметом исследования являются особенности и характеристики коммутаторов.

Структура работы .

В первой главе описаны особенности сетевого коммутатора, его понятие, роль в структуризации сети и принцип работы.

Во второй главе описана классификация современных коммутаторов:

По способу продвижения кадров;

По алгоритму принципа работы;

По внутренней логической архитектуре;

По области применения;

Технологии коммутаторов.

В третьей главе описаны характеристики коммутаторов.

1 Особенности сетевого коммутатора

В данной главе мы рассмотрим понятие коммутатора, цель его использования и принцип работы.

Коммутатор и его роль в структуризации сети

Коммутатор или свитч - устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. Коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Коммутатор может объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутатор делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля). Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту коммутатора (Рис. 3). При поступлении кадра на какой-либо из портов коммутатор повторяет этот кадр, только на том порту, к которому подключен сегмент. Коммутатор передает кадры параллельно. Содержание

Введение…………………………………………………………………………………...5
Особенности сетевого коммутатора…………………………………………………10
Коммутатор и его роль в структуризации сети…………………………………10
Принцип работы…………………………………………………………………..11
Классификация современных коммутаторов………………………………………..14
По способу продвижения кадров………………………………………………...14
На лету……………………………………………………………………....14
С промежуточным хранением……………………………………………..14
По алгоритму принципа работы………………………………………………….15
Прозрачные коммутаторы…………………………………………………15
Коммутаторы, реализующие алгоритм маршрутизации от источника…………………………………………………………………………….15
Коммутаторы, реализующие алгоритм покрывающего дерева…………16
По внутренней логической архитектуре………………………………………...16
Коммутаторы с коммутационной матрицей……………………………...16
Коммутаторы с общей шиной……………………………………………..17
Коммутаторы с разделяемой памятью……………………………………18
Комбинированные коммутаторы………………………………………….19
По области применения…………………………………………………………..20
Коммутаторы с фиксированным числом портов…………………………20
Модульные коммутаторы………………………………………………….20
Стековые коммутаторы…………………………………………………….21
Технологии коммутаторов………………………………………………………..21
Коммутаторы Ethernet……………………………………………………...21
Коммутаторы Token Ring………………………………………………….22
Коммутаторы FDDI………………………………………………………...23
Характеристики коммутаторов………………………………………………………24
Пропускная способность…………………………………………………………24
Задержка при передаче кадра…………………………………………………….24
Скорость продвижения кадров по сети………………………………………….25
Скорость фильтрации……………………………………………………………..25
Заключение……………………………………………………………………………….26
Список использованных источников…………………………………………………...27

производительность , являются:

скорость фильтрации кадров;
скорость продвижения кадров;
пропускная способность;
задержка передачи кадра.

Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:

тип коммутации;
размер буфера (буферов) кадров;
производительность коммутирующей матрицы;
производительность процессора или процессоров;
размер таблицы коммутации .

Скорость фильтрации и скорость продвижения кадров

Скорость фильтрации и продвижения кадров - это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями и не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.

Скорость фильтрации (filtering)

прием кадра в свой буфер;
отбрасывание кадра, в случае обнаружения в нем ошибки (не совпадает контрольная сумма, или кадр меньше 64 байт или больше 1518 байт);
отбрасывание кадра для исключения петель в сети;
отбрасывание кадра в соответствии с настроенными на порте фильтрами;
просмотр таблицы коммутации с целью поиска порта назначения на основе МАС-адреса приемника кадра и отбрасывание кадра, если узел-отправитель и получатель кадра подключены к одному порту.

Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов является неблокирующей - коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.

Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

прием кадра в свой буфер;
просмотр таблицы коммутации с целью нахождения порта назначения на основе МАС-адреса получателя кадра;
передача кадра в сеть через найденный по таблице коммутации порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряется обычно в кадрах в секунду. 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 минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт (без преамбулы) с полем данных в 46 байт. Применение в качестве основного показателя скорости обработки коммутатором кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности передаваемых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании параметров трафика.

Пропускная способность коммутатора (throughput) измеряется количеством пользовательских данных (в мегабитах или гигабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня - Ethernet, Fast Ethernet и т. д. Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, а время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше. Поэтому коммутатор может быть блокирующим для кадров минимальной длины, но при этом иметь очень хорошие показатели пропускной способности.

Задержка передачи кадра (forward delay) измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором, а именно на просмотр таблицы коммутации , принятие решения о продвижении и получение доступа к среде выходного порта.

Величина вносимой коммутатором задержки зависит от используемого в нем метода коммутации. Если коммутация осуществляется без буферизации, то задержки обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс , а при полной буферизации кадров - от 50 до 200 мкс (для кадров минимальной длины).

Размер таблицы коммутации

Максимальная емкость таблицы коммутации определяет предельное количество MAC-адресов, которыми может одновременно оперировать коммутатор. В таблице коммутации для каждого порта могут храниться как динамически изученные МАС-адреса, так и статические МАС-адреса, которые были созданы администратором сети.

Значение максимального числа МАС-адресов, которое может храниться в таблице коммутации , зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы D-Link для рабочих групп и малых офисов обычно поддерживают таблицу МАС-адресов емкостью от 1К до 8К . Коммутаторы крупных рабочих групп поддерживают таблицу МАС-адресов емкостью от 8К до 16К , а коммутаторы магистралей сетей - как правило, от 16К до 64К адресов и более.

Недостаточная емкость таблицы коммутации может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если таблица коммутации полностью заполнена, и порт встречает новый МАС-адрес источника в поступившем кадре, коммутатор не сможет занести его в таблицу. В этом случае ответный кадр на этот МАС-адрес будет разослан через все порты (за исключением порта-источника), т.е. вызовет лавинную передачу.

Объем буфера кадров

Для обеспечения временного хранения кадров в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт, коммутаторы, в зависимости от реализованной архитектуры, оснащаются буферами на входных, выходных портах или общим буфером для всех портов. Размер буфера влияет как на задержку передачи кадра, так и на скорость потери пакетов. Поэтому чем больше объем буферной памяти, тем менее вероятны потери кадров.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, обладают буферной памятью в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Общий для всех портов буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.

Данная локальная сеть строится на коммутаторах, поэтому в этой главе рассматриваются основные характеристики производительности коммутаторов.

Основными характеристиками коммутатора, измеряющими его производительность, являются:

- скорость фильтрации (filtering);
- скорость маршрутизации (forwarding);
- пропускная способность (throughput);
- задержка передачи кадра.

- размер буфера (буферов) кадров;
- производительность внутренней шины;
- производительность процессора или процессоров;
- размер внутренней адресной таблицы.

Скорость фильтрации и продвижения кадров - это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.

Скорость фильтрации определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

- прием кадра в свой буфер;
- уничтожение кадра, так как его порт назначения совпадает с портом-источником.

Скорость продвижения определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

- прием кадра в свой буфер;
- просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;
- передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Применение в качестве основного показателя скорости работы коммутатора кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности переносимых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании для него параметров трафика. Кроме того, для пакетов минимальной длины скорость фильтрации и продвижения имеют максимальное значение, что имеет немаловажное значение при рекламе коммутатора.

Пропускная способность коммутатора измеряется количеством переданных в единицу времени через его порты пользовательских данных. Так как коммутатор работает на канальном уровне, то для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня - Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом и доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, и время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше.

Зависимость пропускной способности коммутатора от размера передаваемых кадров хорошо иллюстрирует пример протокола Ethernet, для которого при передаче кадров минимальной длины достигается скорость передачи в 14880 кадров в секунду и пропускная способность 5,48 Мбит/с, а при передаче кадров максимальной длины - скорость передачи в 812 кадров в секунду и пропускная способность 9,74 Мбит/c. Пропускная способность падает почти в два раза при переходе на кадры минимальной длины, и это еще без учета потерь времени на обработку кадров коммутатором.

Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на выходном порту коммутатора. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором - просмотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продвижении и получения доступа к среде выходного порта.

Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется "на лету", то задержки обычно невелики и составляют от 10 мкс до 40 мкс, а при полной буферизации кадров - от 50 мкс до 200 мкс (для кадров минимальной длины).

Коммутатор - это многопортовое устройство, поэтому для него принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки передачи кадра) давать в двух вариантах. Первый вариант - суммарная производительность коммутатора при одновременной передаче трафика по всем его портам, второй вариант - производительность, приведенная в расчете на один порт.

Оценка необходимой общей производительности коммутатора.

В идеальном случае коммутатор, установленный в сети, передает кадры между узлами, подключенными к его портам, с той скоростью, с которой узлы генерируют эти кадры, не внося дополнительных задержек и не теряя ни одного кадра. В реальной практике коммутатор всегда вносит некоторые задержки при передаче кадров, а также может некоторые кадры терять, то есть не доставлять их адресатам. Из-за различий во внутренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкретного образца трафика. Лучшим критерием по-прежнему остается практика, когда коммутатор ставится в реальную сеть, и измеряются вносимые им задержки и количество потерянных кадров.

Кроме пропускных способностей отдельных элементов коммутатора, таких как процессоры портов или общая шина, на производительность коммутатора влияют такие его параметры как размер адресной таблицы и объем общего буфера или отдельных буферов портов.

Размер адресной таблицы.

Максимальная емкость адресной таблицы определяет максимальное количество MAC-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт. Экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей не обязательно содержат одну и ту же адресную информацию - скорее всего повторяющихся адресов будет не так много, если только распределение трафика каждого порта не полностью равновероятное между остальными портами. Каждый порт хранит только те наборы адресов, которыми он пользуется в последнее время.

Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей - до нескольких тысяч, обычно 4К - 8К адресов.

Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, то он должен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем необязательны.

Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом. В маршрутизаторах такой прием применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц в сетях, организованных по иерархическому принципу.

Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору, который имеет достаточную емкость адресной таблицы и знает, куда нужно передать любой кадр. Пример успешной передачи кадра при использовании магистрального порта приведен на рисунке 4.1. Коммутатор верхнего уровня имеет информацию о всех узлах сети, поэтому кадр с адресом назначения МАС3, переданный ему через магистральный порт, он передает через порт 2 коммутатору, к которому подключен узел с адресом МАС3.

Рисунок 4.1 - Использование магистрального порта для доставки кадров с неизвестным адресом назначения

Хотя метод магистрального порта и будет работать эффективно во многих случаях, но можно представить такие ситуации, когда кадры будут просто теряться. Одна из таких ситуаций изображена на рисунке 4.2. Коммутатор нижнего уровня удалил из своей адресной таблицы адрес МАС8, который подключен к его порту 4, для того, чтобы освободить место для нового адреса МАС3. При поступлении кадра с адресом назначения МАС8, коммутатор передает его на магистральный порт 5, через который кадр попадает в коммутатор верхнего уровня. Этот коммутатор видит по своей адресной таблице, что адрес МАС8 принадлежит его порту 1, через который он и поступил в коммутатор. Поэтому кадр далее не обрабатывается и просто отфильтровывается, а, следовательно, не доходит до адресата. Поэтому более надежным является использование коммутаторов с достаточным количеством адресной таблицы для каждого порта, а также с поддержкой общей адресной таблицы модулем управления коммутатором.

Рисунок 4.2 - Потеря кадра при использовании магистрального порта

Объем буфера.

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика. Ведь даже если трафик хорошо сбалансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений трафика, то это не гарантирует, что их производительности хватит при очень больших пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты.

Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50 - 100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполниться.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Хорошо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.

Основные характеристики коммутаторов

Производительность коммутатора – то свойство, которое сетевые интеграторы и администраторы ждут от этого устройства в первую очередь.

Основными показателями коммутатора, характеризующими его производительность, являются:

скорость фильтрации кадров;
скорость продвижения кадров;
общая пропускная способность;
задержка передачи кадра.

Скорость фильтрации (filtering)

· прием кадра в свой буфер;

· просмотр адресной таблицы с целью выбора для кадра порта назначения;

· уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту.

Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов является неблокирующей – коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.

· прием кадра в свой буфер;

· просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;

· передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в секунду. По умолчанию считается, что это кадры протокола Ethernet минимальной длины (64 байта без преамбулы). Такие кадры создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы.

Пропускная способность коммутатора изменяется количеством пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты.

Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длинны. Поэтому коммутатор может быть блокирующим для кадров минимальной длинны, но при этом иметь очень хорошие показатели пропускной способности.

Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту.

Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров – от 50 до 200 мкс (для кадров минимальной длинны).

Коммутация «на лету» и с полной буферизацией

При коммутации «на лету» во входной буфер принимается часть кадра, содержащая адрес получателя, принимается решение о фильтрации или ретрансляции кадра в другой порт и, если выходной порт свободен, то сразу же начинается пересылка кадра, пока его остальная часть продолжает поступать во входной буфер. Если выходной порт занят, то кадр полностью буферизуется во входном буфере принимающего порта. К недостаткам этого метода относится то, что коммутатор пропускает на передачу ошибочные кадры, т.к., когда возможно проанализировать конец кадра, его начало уже будет передано в другую подсеть. А это ведет к потере полезного времени работы сети.

Полная буферизация принимаемых пакетов, естественно, вносит большую задержку в передачу данных, зато коммутатор имеет возможность полностью проанализировать и при необходимости преобразовать полученный пакет.

В таблице 6.1 перечислены возможности коммутаторов при работе в двух режимах.

Таблица.6.1 Сравнительная характеристика коммутаторов при работе в разных режимах

Основными характеристиками коммутатора, измеряющими его производительность, являются:

Скорость фильтрации (filtering);

Скорость маршрутизации (forwarding);

Пропускная способность (throughput);

Задержка передачи кадра.

Размер буфера (буферов) кадров;

Производительность внутренней шины;

Производительность процессора или процессоров;

Размер внутренней адресной таблицы.

Скорость фильтрации и скорость продвижения

Скорость фильтрации определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

Прием кадра в свой буфер;

Уничтожение кадра, так как его порт назначения совпадает с портом-источником.

Скорость продвижения определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

Прием кадра в свой буфер;

Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;

Передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в секунду. 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 минимального размера, то есть кадров длиной 64 байта (без преамбулы), с полем данных в 46 байт. Если скорости указаны для какого-либо определенного протокола, например, Token Ring или FDDI, то они также даны для кадров минимальной длины этого протокола (например, кадров длины 29 байт для протокола FDDI). Применение в качестве основного показателя скорости работы коммутатора кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности переносимых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании для него параметров трафика. Кроме того, для пакетов минимальной длины скорость фильтрации и продвижения имеют максимальное значение, что имеет немаловажное значение при рекламе коммутатора.

Пропускная способность

Зависимость пропускной способности коммутатора от размера передаваемых кадров хорошо иллюстрирует пример протокола Ethernet, для которого при передаче кадров минимальной длины достигается скорость передачи в 14880 кадров в секунду и пропускная способность 5,48 Мб/с, а при передаче кадров максимальной длины - скорость передачи в 812 кадров в секунду и пропускная способность 9,74 Мб/c. Пропускная способность падает почти в два раза при переходе на кадры минимальной длины, и это еще без учета потерь времени на обработку кадров коммутатором.

Задержка передачи

Так как при одновременной передаче трафика несколькими портами существует огромное количество вариантов трафика, отличающегося размерами кадров в потоке, распределением средней интенсивности потоков кадров между портами назначения, коэффициентами вариации интенсивности потоков кадров и т.д. и т.п., то при сравнении коммутаторов по производительности необходимо принимать во внимание, для какого варианта трафика получены публикуемые данные производительности. К сожалению, для коммутаторов (как, впрочем, и для маршрутизаторов) не существует общепринятых тестовых образцов трафика, которые можно было бы применять для получения сравнимых характеристик производительности, как это делается для получения таких характеристик производительности вычислительных систем, как TPC-А или SPECint92. Некоторые лаборатории, постоянно проводящие тестирование коммуникационного оборудования, разработали детальные описания условий тестирования коммутаторов и используют их в своей практике, однако общепромышленными эти тесты пока не стали.