Лекція Комутатори пакетів Технології локальних мереж Ethernet Token

Лекція Комутатори пакетів

Технології локальних мереж Ethernet Token Ring, FDDI Fast Ethernet Gigabit Ethernet

Технології локальних мереж Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet – много общего: Расстояния между узлами сети: 100 м – 2000 м Единый формат адреса – 6 байт, уникальность обеспечивается производителем сетевого адаптера Разделяемая среда для конечных узлов (компьютеров) – использование методов доступа Media Access Control (MAC) Качественные кабели для связи компьютеров: Высокая скорость протоколов – 10, 16, 100, 1000 Мбит/с Простая логика протоколов – без восстановления потерянных и искаженных кадров, так как эти события крайне редки

Метод доступа CSMA/CD В сетях Ethernet используется метод доступа к среде CSMA/CD (Carrier SenseMultiply Access with Collision Detection - метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий). Этот метод применяется в сетях с логической общей шиной, включая и радиосети. Все узлы сети имеют непосредственный доступ к общей среде передачи данных и имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала в среде) получать данные, передаваемые любым узлом сети. Простота схемы подключения - один из факторов, определивших успех технологии Ethernet. Все данные, передаваемые по сети помещаются в кадры определенной структуры, заголовки которых содержат адреса узла отправителя и получателя кадра. Перед передачей кадра передается преамбула (Preamble), состоящая из 7-ми байт 10101010 и 8-ого байта 10101011. Преамбула необходима для побитовой и покадровой синхронизации приемника и передатчика.

Метод доступа CSMA/CD Чтобы получить возможность передавать кадр станция должна убедиться что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием несущей частоты (Carrier Sense). Если несущая не обнаружена, узел имеет право начать передачу кадра (на рис. Узел1 обнаружил, что среда свободна и начал передавать кадр). Узел2 также пытался начать передачу, однако обнаружил, что среда занята и должен ожидать ее освобождения. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу-межкадровый интервал (Inter Packet Gap, IPG) в 9,6мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние и предотвращения монопольного захвата среды одним узлом. По окончании IPG узлы могут начать передачу своих кадров (на рис-узел 2).

Метод доступа CSMA/CD При описанном подходе возможна ситуация, когда несколько узлов одновременно решили, что среда свободна и начали передавать кадры, хотя чаще один из узлов начинает передачу раньше другого (узлы 1 и 3), но из-за задержки распространения сигналов в среде они просто не успевают дойти до второго узла, который решив, что среда свободна также начинает передачу. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision) - сигналы разных узлов сети сталкиваются и взаимно искажаются. Коллизия-это нормальная ситуация в сетях Ethernet; можно сказать, что коллизия-следствие распределенного характера сети.

Метод доступа CSMA/CD Чтобы корректно обработать коллизию все узлы сети наблюдают за сигналами в кабеле; обычно коллизия распознается по превышению уровня пост. составляющей сигнала. Для скорейшего обнаружения коллизии всеми узлами сети узел, обнаруживший коллизию первым прерывает передачу своего кадра и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности в 32 бита - т.н. jam-последовательности. После этого узлы, обнаружившие коллизию прерывают передачу кадров и выдерживают случайную паузу T=L*I, где I-интервал отсрочки (512 битовых интервалов - bt), L - случайное целое число из диапазона [0,2N], где N-номер повторной попытки передачи кадра (1,2,...,10). После 10-той попытки диапазон не увеличивается; если 16 последовательных попыток передать кадр вызвали коллизию, узел должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Таким образом, случайная пауза L может составить от 0 до 524000bt (0-52,4мс).

Метод доступа CSMA/CD Четкое распознавание коллизий всеми узлами сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если передающий узел не распознает коллизию, то кадр будет искажен и отброшен принимающей стороной (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы). Потерянный кадр будет впоследствии передан каким-либо протоколом верхнего уровня, однако это произойдет через значительно больший промежуток времени (иногда через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами Ethernet. Таким образом, если коллизии не будут надежно распознаваться, это приведет к значительному снижению производительности сети.

Метод доступа CSMA/CD Для надежного распознавания коллизий минимальное время передачи кадра (для самых коротких кадров) Tmin должно превышать время распространения сигнала коллизии до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между двумя самыми удаленными друг от друга узлами сети (в одну сторону - неискаженный сигнал, в другую-искаженный коллизией),то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value,PDV),т.е. Tmin>PDV. При выполнении этого условия узел успеет обнаружить коллизию до окончания передачи кадра и сможет ее корректно обработать.

Метод доступа CSMA/CD Очевидно, что выполнение данного условия зависит с одной стороны от времени передачи самого короткого кадра, а с другой – от макс.расстояния между узлами в сети (диаметра сети). Для получения приемлемого диаметра сети (2500м) в технологии Ethernet минимальный размер кадра данных составляет 46 байт (вместе со служебными полями и преамбулой-64 и 72 байта соответственно). Из описания метода доступа CSMA/CD видно, что он носит вероятностный характер и при большой загруженности сети вообще не гарантирует узлу доступ к среде. Однако при небольшой загруженности сети (менее 50%) и интенсивности возникновения коллизий сеть Ethernet работает корректно. Этот недостаток метода случайного доступа-плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа, например маркерный метод доступа в сетях Token Ring и FDDI свободны от этого недостатка, но существеннее сложнее и дороже.

Параметры MAC-уровня Ethernet:

Метод случайного доступа Ethernet Ориентирован на среду типа “общая шина” Пауза = L  Интервал отсрочки L  [0, 2N], N - номер попытки, N  10 Пауза = [0, 1024  Tотсрочки] = [0, 524288] = [0мкс, 0.52с]

Возникновение коллизии tp - задержка распространения сигнала между станциями A и B

Особенности случайного метода доступа Ethernet (CSMA/CD – Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection) Преимущества: простой алгоритм  дешевая и надежная аппаратура ¨ возможность широковещательной передачи пакетов Недостатки: большие потери из-за коллизий и ожиданий при нагрузке сети > 50 % ограниченная длина сети: 2  (время распространения сигнала между узлами)  время передачи кадра – иначе коллизия может быть не связана с передачей своего кадра!

Форматы кадров Ethernet В соответствии со стандартом IEEEE 802.2 канальный уровень (Data Link Layer) модели OSI делится в локальных сетях на два подуровня: -логической передачи данных (Logical Link Control) -управления доступом к среде (Media Access Control) Уровень LLC отвечает за передачу кадров между узлами сети с различным качеством транспортных услуг, а также реализует функции интерфейса с сетевым уровнем. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием процедуры восстановления кадров, наличием или отсутствием предварительного установления соединения и др. Протокол LLC помещает пакет протокола верхнего уровня (например IP,IPX или NetBEUI) в свой кадр, который дополняется некоторыми служебными полями.

Форматы кадров Ethernet Все типы кадров LLC-уровня имеют единый формат: Кадр LLC оформляется двумя однобайтными полями-флагами 01111110. На уровне MAC флаги используются для определения границ кадра. Поле данных кадра LLC предназначено для передачи пакетов протоколов вышележащих уровней (IP,IPX и др.). Адресные поля DSAP и SSAP занимают по одному байту и указывают, какой протокол верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. При получении кадра данные передаются протоколу, указанному в SSAP. Значения адресов SAP (Service Access Point - точка входа службы) присваиваются протоколам в соответствии со стандартом 802.2, например для IP SAP=0x6, для NetBeOS-0xF0.

Форматы кадров Ethernet LLC — управление логической связью (Logical Link Control); DSAP = 0xAA (Destination Service Access Point) — поле адреса доступа к службе получателя; SSAP = 0xAA (Source Service Access Point) — поле адреса доступа к службе отправителя. В общем случае форматы полей DSAP и SSAP имеют вид, показанный на рисунке, где: I/G = 0 — индивидуальный адрес, I/G = 1 — групповой адрес; D — бит адреса службы места назначения, S — бит адреса службы отправителя; C/R = 0 — команда, C/R = 1 — подтверждение.

Форматы кадров Ethernet Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды. Именно он обеспечивает корректное использование разделяемой среды,предоставляя ее по определенному алгоритму (в Ethernet -это CSMA/CD) в распоряжении того или иного узла сети. Уровень MAC полностью определяет специфику технологии,например отличия Ethernet и Token Ring. Кадр LLC вкладывается в кадр уровня MAC; флаги при этом отсекаются. Стандарт технологии Ethernet IEEE 802.3 описывает только один формат кадра уровня MAC. Так как формат LLC кадра также один, в соответствии со стандартом 802.3 в сетях Ethernet может использоваться только один формат кадра, являющийся комбинацией кадров LLC и MAC уровня; тем не менее на практике в сетях Ethernet используются кадры 4-х форматов: -кадр 802.3/LLC -кадр Raw802.3 -кадр EthernetDIX -кадр Ethernet SNAP Такое многообразие связано с длительной историей технологии Ethernet.

Кадр 802.3/LLC Заголовок кадра является результатом объединения заголовков кадров уровня LLC и MAC (стандарты 802.2 и 802.3 соответственно). Определены 8 полей заголовка: -поле преамбулы (Preamble)-семь синхронизирующих байт 10101010 начальный ограничитель кадра (Start-of-frame delimiter,SFD)-один байт 10101011 -адрес назначения (Destination Address,DA) - 6 байт. Первый бит старшего байта -признак того, является ли адрес индивидуальным (unicast,0) или групповым (multicast,1). Групповой адрес предназначен всем узлам сети или группе узлов, которые сконфигурированы как члены группы.

Кадр 802.3/LLC В случае, если адрес состоит из всех единиц, то он предназначен всем узлам сети и называется широковещательным (broadcast). Второй бит первого байта определяет способ назначения адреса 0-централизованно,1-локально; на практике адреса почти всегда назначаются централизованно - комитет IEEE распределяет между производителями оборудования т.н. организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier,OUI). Этот идентификатор помещается в 3 старших байта адреса; три младших байта назначаютсся производителями оборудования. -адрес источника (Source Address,SA) - 6 байт, первый бит всегда равен 0. -длина (Lenght, L)-2 байта, определяет длину поля данных в кадре -поле данных (Data) может содержать до 1500 байт, но т.к. по стандарту Ethernet минимальная длина кадра установлена в 46 байт, то при размере поля данных менее 46 байт используется следующее поле-поле заполнения -поле заполнения (Padding)-дополняет поле данных до 46 байт, при L>46 в кадре отсутствует. -поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, FCS)- состоит из 4-х байт, содержащих контрольную сумму кадра, вычисленную по алгоритму CRC-32.

Форматы кадров Ethernet 6 6 2 46-1500 4 DA SA T Data FCS Кадр Ethernet DIX (II) 6 6 2 46-1500 4 DA SA L Data FCS Кадр Novell 802.3/ Raw 802.3 6 6 2 1 1 1(2) 46-1497 4 DA SA L DSAP SSAP Cont. Data FCS Заголовок LLC Кадр 802.3/ LLC – стандарт IEEE Адрес назначения Адрес источника Тип протокола, которому предназначены данные Контрольная сумма Данные Длина кадра Тип протокола, которому предназначены данные

6 6 2 1 1 1(2) 3 2 46-1492 4 DA SA L DSAP SSAP Cont. OUI T Data FCS Кадр Ethernet SNAP – универсальный Тип протокола, которому предназначены данные Код организации, стандартизующей значения поля T, Код IEEE – 00 00 00

Типы адресов Ethernet ¨ индивидуальный - unicast (0 в старшем разряде) ¨ широковещательный - broadcast (11....1111) ¨ групповой - multicast (10.........) Разница между групповой рассылкой и широковещанием весьма существенна: кадр, предназначенный для групповой рассылки, посылается некоторой группе станций Ethernet; широковещательный же кадр получают абсолютно все станции сети.

Использование кадров Ethernet различными стеками протоколов

Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

Узлы в сети Ethernet на концентраторах

Формат кадра Fast Ethernet Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке 17 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с. Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

Формат кадра Fast Ethernet SFD – ограничитель длины кадра L – двухбайтовое поле (длина поля данных) T – двухбайтовое поле (тип кадра) Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке 17 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с.

Gigabit Ethernet Формат кадра – прежний Существуют полудуплексная (применяется редко) и полнодуплексные версии Минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт -> 200 м домен коллизий Введен Burst Mode – несколько кадров можно передавать подряд, без межкадрового интервала – до 8192 байта, кадры м.б. меньше 512 байт Физическая среда: 1000Base-SX (Short Wavelength, 850 нм): многомодовое волокно - 220/500 м 1000Base-LX (Long Wavelength, 1300 нм): многомодовое волокно – 550 м, одномодовое – до 5000 м Твинаксиал – пара проводников в одном направлении, пара в другом

Gigabit Ethernet на витой паре Параллельная передача по 4 парам категории 5 -> 250 Мбит/c по одной паре Код PAM5: -2, -1, , +1, +2 5 состояний, 2,322 бита за такт -> тактовую частоту снизили до 125 Гц Код PAM5 на тактовой частоте 125 Гц имеет спектр уже, чем 100 МГц – параметр кабеля категории 5 Полнодуплексный режим достигается за счет одновременной встречной передачи – принимаемый сигнал определяется DSP как разность между суммарным сигналом и собственным

Семейство Ethernet Метод доступа CDMA/CD или Full Duplex 10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-FL 10Base-FB Физический уровень - 100Base-TX E t h e r n e t F a s t E t h e r n e t 100Base-T4 100Base-FX 1000Base-SX 1000Base-LX 1000Base-TX G i g a b i t E t h e r n e t 10GB – стандарт активно разрабатывается, область применения – магистрали глобальных сетей Конкурент SDH

Алгоритмы управления очередями Применение методов теории массового обслуживания (Queuing Theory) для анализа очередей в сетях Модель M|M|1 Очередь заявок-пакетов Обслуживающий прибор - процессор маршрутизатора t b - среднее время обслуживания l = 1/t - интенсивность поступления заявок-пакетов в обслуживающий прибор, скорость поступления данных l x C m = 1/b - интенсивность выхода заявок-пакетов из обслуживающего прибора, b - среднее время продвижения пакета r = l/m - коэффициент загрузки обсл. прибора C бит

Алгоритмы управления очередями Применение методов теории массового обслуживания (Queuing Theory) для анализа очередей в сетях t b - среднее время обслуживания При экспоненциальном распределении времен поступления пакетов A(t)=1-e-t и экспоненциальном распределении времени обслуживания B(x)=1-e-x среднее время ожидания W равно W = rb/(1 - r)

Среднее время ожидания r 1 W 0.5 При r < 0.5 задержки близки к 0 - низкая загрузка сети гарантирует качество обслуживания!

Приоритизация Приоритизация имеет смысл, когда маршрутизаторы или коммутаторы способны различать разные типы трафика. Для указания приоритета пакета может использоваться специаль­ный байт «тип сервиса» (Type of Service - ToS). В IPv4 три первых бита (0-2) поля ToS позволяют устанавливать восемь уровней приоритета [4]: 111 - управление сетью (Network Control); 110 - межсетевое управление (Internetwork Control); 101 - C RITIC/ECP; 100 - сверхсрочный (Flash Overrider); 011 - срочный (Flash); 010 - неотложный (Immediate); 001 - приоритетный (Priority); 000 - обычный (Routine).

Активное оборудование физического и канального уровней локальных сетей ¨ Сетевые адаптеры - обеспечивают сопряжение узлов сети (компьютеров) с линиями связи. ¨ Повторители (repeaters) - работают на физическом уровне, улучшают физические характеристики сигналов, удлиняют связи в сети ¨ Концентраторы (hubs) - центральные узлы обмена информацией между несколькими конечными станциями сети сегмента сети. Выполняют функции повторителя. ¨ Мосты (bridges) - локализуют трафик внутри сегментов сетей. Передают пакет с порта на порт только тогда, когда МАС-адрес принадлежит этому порту Коммутаторы (switching) мосты - осуществляют одновременную передачу пакетов между всеми парами портов по алгоритму моста

Повторители (repeaters) и концентраторы (hubs) - Устройства, которые на физическом уровне повторяет (и, как правило, улучшает их электрические характеристики: форму, мощность) сигналы, пришедшие на вход одного из портов: ¨ на всех остальных портах (Ethernet) ¨ Концентратор: повторитель + дополнительные функции

Дополнительные функции концентраторов Автосегментация (partitioning) - отключение порта при повреждении кабеля данного сегмента или других ошибочных ситуациях Поддержка резервных связей:

Конструктивы коммуникационных устройств Шасси С фиксированным набором портов (Standalone) Стек устройств

Стековые концентраторы

Логическая структуризация локальных сетей Преимущества деления сетей на подсети и сегменты: Сегментация уменьшает общий сетевой трафик. Подсети увеличивают гибкость сети. Подсети повышают безопасность данных. Подсети упрощают управление сетью .

Мосты и коммутаторы 2-го уровня Позволяют логически структурировать сеть на сегменты с локализацией трафика Работают на канальном уровне – поддержка любых протоколов сетевого уровня (IP) Только древовидная топология сети

Мосты (transparent bridge)

Структура моста

Влияние замкнутых маршрутов на работу моста

Характеристики моста Главные характеристики моста типа Transparent: ¨ Количество портов и типы интерфейсов ¨ Размер внутренней адресной таблицы (обычно 500 - 8000) ¨ Скорость фильтрации пакетов (filtering) ¨ Скорость передачи пакетов на другой порт (forwarding) ¨ Размер буфера кадров Для быстродействующих мостов Ethernet - Ethernet эти скорости приближаются к максимально возможной - 14880 кадров/с Для моста Fast Ethernet - Fast Ethernet максимальная скорость ~148800 к/с Дополнительные функции моста ¨ Поддержка алгоритма Spanning Tree (STA) - резервные связи ¨ Соединение сетей с различными протоколами канального уровня (например Ethernet - Token Ring) ¨ Поддержка алгоритма маршрутизации от источника (Source Routing Bridge) ¨ Управляемость ¨ Установка пользовательских фильтров

Принцип работы коммутатора Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Коммутаторы Коммутатор — многопортовый мост. Коммутатор работает на втором канальном уровне OSI модели. Главное назначение коммутатора — обеспечение разгрузки сети посредством локализации трафика в пределах отдельных сегментов. Ключевым звеном коммутатора является архитектура без блокирования (non-blocking), которая позволяет установить множественные связи Ethernet между разными парами портов одновременно, причем кадры не теряются в процессе коммутации. Сам трафик между взаимодействующими сетевыми устройствами остается локализованным. Локализация осуществляется с помощью адресных таблиц, устанавливающих связь каждого порта с адресами сетевых устройств, относящихся к сегменту этого порта, рис.

Архитектура Ethernet коммутатора

Коммутаторы Таблица заполняется в процессе анализа коммутатором адресов станций-отправителей в передаваемых ими кадрах. Кадр передается через коммутатор локально в соответствующий порт только тогда, когда адрес станции назначения, указанный в поле кадра, уже содержится в адресной таблице этого порта. В случае отсутствия адреса станции назначения в таблице, кадр рассылается во все остальные сегменты. Если коммутатор обнаруживает, что МАС-адрес станции назначения у приходящего кадра находится в таблице МАС-адресов, припи­санной за портом, по которому пришел данный кадр, то этот кадр сбрасывается -его непосредственно получит станция назначения, находящаяся в том же сегменте. И наконец, если приходящий кадр является широковещательным (broadcast), т.е. если все биты поля МАС-адреса получателя в кадре задаются равными 1, то такой кадр будет размножаться коммутатором (подобно концентратору), т.е. направляться во все остальные порты.

Коммутаторы Различают две альтернативные технологии коммутации: 1. без буферизации (cut-through, также используется термин on-the-fly — на лету); 2. с буферизацией SAF (store-and-forward, также используется термин buffered switching -буферная коммутация). Коммутатор, работающий без буферизации, практически сразу же после чтения заголовка, а именно МАС-адреса станции получения и выполнения идентификации, перенаправляет получаемый кадр в нужный порт, не дожидаясь его полного поступления. Главное преимущество такой технологии -малая задержка пакета при переадресации, которая составляет у наиболее быстрых коммутаторов 140-150 ВТ (1,4-1,5 мкс). Главный недостаток — в том, что такой коммутатор будет пропускать из одной сети в другую дефектные кадры (укороченные — меньше 64 байт, или имеющие ошибки), так как выявление ошибок может происходить только после чтения всего кадра и сравнения рассчитанной контрольной суммы с той, которая занесена в поле контрольной последовательности кадра.

Коммутаторы Современные коммутаторы cut-through используют более продвинутый метод коммутации, который носит название ICS (interim cut-through switching -промежуточная коммутация на лету). Суть этого улучшения заключается в отфильтровывании укороченных кадров, т.е. кадров с длиной меньше 64 байт (512 бит). До тех пор, пока коммутатор не принял первые 512 бит кадра, он не начинает ретранслировать кадр в соответствующий порт. Если кадр заканчивается раньше, то содержимое буфера очищается, кадр отфильтровывается. Несмотря на увеличение задержки до 512 ВТ и более (> 5,12 мкс), метод ICS значительно лучше традиционного cat-through, поскольку не пропускает укороченные кадры. К главному недостатку ICS относится возможность пропускания дефектных пакетов длиной, больше 64 байт. Поэтому коммутаторы ICS не годятся на роль магистральных коммутаторов.

Коммутаторы Напротив, коммутатор, работающий с буферизацией, прежде чем начать передачу кадра в порт назначения, полностью принимает его, буферизует. Кадр сохраняется в буфере до тех пор, пока анализируется адрес назначения (destination address, DA) и сравнивается контрольная последовательность кадра FCS, после чего коммутатором принимается решение о том, в какой порт перенаправить кадр или вообще его не передавать (отфильтро­вать). Главное преимущество коммутации с буферизацией в том, что в этом методе гарантируется передача только «хороших» кадров. Коммутаторы с портами, работающими на разных скоростях, например Ethernet и Fast Ethernet, равно как и коммутаторы-мосты Ethernet-FDDI могут работать только на основе технологии коммутации с буферизацией. Максимальную задержку имеет кадр наибольшей длины 1512 байт (1512х64= 96768 ВТ, =1 мс). Однако недостаток, связанный с задержкой кадра на время буферизации, не считается критичным, по­скольку идет непрерывный поток кадров. Более того, основная причина задержки связана с пакетными очередями при буферизации на входных и выходных портах коммутатора. Поэтому в настоящее время большее предпочтение со стороны фирм-производителей отдается этой технологии коммутации.

Коммутаторы локальных сетей Разделяемая среда: на станцию приходится 10 / N Мбит/с Коммутатор: параллельная обработка потоков от портов на станцию приходится 10 Мбит/с

Структура коммутатора Kalpana

Передача кадров через коммутационную матрицу

Полудуплексный режим работы порта коммутатора – half duplex

Полнодуплексный режим работы порта коммутатора – full duplex Одновременная передача кадров в двух направлениях

100 Мб/с 400 Мб/с Транк

Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика

Управление потоком в коммутаторах А. В полудуплексном режиме Обратное давление (backpressure) – искусственное создание коллизий Коммутатор использует jam-последовательность, отправляемую на выход порта, к которому подключен сегмент (или узел), чтобы приостановить его активность Метод торможения конечного узла - агрессивное поведение коммутатора В. В полнодуплексном режиме Команды XON - XOFF XON/XOFF = X-ON/X-OFF (Transmitter On/Transmitter Off) протокол XON/XOFF простейший протокол передачи данных между устройствами по асинхронному соединению. Символ XON (Ctrl-Q, код ASCII 17) сообщает устройству о начале (возобновлении) передачи данных, XOFF (Ctrl-S, код ASCII 19) приостанавливает её software handshaking

Реализация коммутаторов 1. Коммутационная матрица

Комутатори на основі комутаційної матриці Комутаційна матриця забезпечує основний і найшвидший й спосіб взаємодії процесорів портів, саме він був реалізований у першому промисловому комутаторі локальних мереж. Однак реалізація матриці можлива тільки для певного числа портів, причому складність схеми зростає пропорційно квадрату кількості портів комутатора. Більше детальне подання одного з можливих варіантів реалізації комутаційної матриці для 8 портів дане на рисунку. Вхідні блоки процесорів портів на підставі перегляду адресної таблиці комутатора визначають за адресою призначення номер вихідного порту. Цю інформацію вони додають до байтів вихідного кадру у вигляді спеціального ярлика - тега (tag). Для даного приклада тег являє собою просто 3-розрядне двійкове число, що відповідає номеру вихідного порту.

Комутатори на основі комутаційної матриці Матриця складається із трьох рівнів двійкових перемикачів, які з'єднують свій вхід з одним із двох виходів залежно від знання біта тега. Перемикачі першого рівня управляються першим битому тега, другого - другим, а третього - третім Матриця може бути реалізована й по-іншому, на основі комбінаційних схем іншого типу, але її особливістю однаково залишається технологія комутації фізичних каналів. Відомим недоліком цієї технології є відсутність буферизації даних усередині комутаційної матриці - якщо складений канал неможливо побудувати через зайнятість вихідного порту або проміжного комутаційного елемента, то дані повинні накопичуватися в їхньому джерелі, у цьому випадку - у вхідному блоці порту, що прийняв кадр. Основні достоїнства таких матриць - висока швидкість комутації й регулярна структура, що зручно реалізувати в інтегральних мікросхемах. Зате після реалізації матриці N*N у складі БІС проявляється ще один її недолік - складність нарощування числа портів, що комутирують.

Реализация коммутаторов 2. Общая шина

Комутатори із загальною шиною У комутаторах із загальною шиною процесори портів зв'язують високошвидкісною шиною, використовуваної в режимі поділу часу. Приклад такої архітектури наведений на рисунку. Щоб шина не блокувала роботу комутатора, її продуктивність повинна рівнятися принаймні сумі продуктивності всіх портів комутатора. Для модульних комутаторів деякі сполучення модулів з низько швидкісними портами можуть приводити до роботи, що не блокує, а установка модулів з високошвидкісними портами може приводити до того, що елементом, що блокує, стане, на приклад, загальна шина. Кадр повинен передаватися по шині невеликими частинами, щоб передача кадрів між декількома портами відбувалася в псевдопаралельному режимі, не вносячись затримок у передачу кадру в цілому. Розмір такої порції даних визначається виробником комутатора. Деякі виробники, наприклад LANNET або Centillion, вибрали як порцію даних, стерпних за одну операцію по шині, осередок АТМ із її полем даних в 48 байт. Такий підхід полегшує трансляцію протоколів локальних мереж до протоколу АТМ , якщо комутатор підтримує ці технології.

Комутатори із загальною шиною Вхідний блок процесора поміщає в комірку тег, у якому вказує номер порту призначення. Кожен вхідний блок процесора порту містить фільтр тегів, що вибирає теги, призначені даному порту. Шина , також як і комутаційна матриця , не може здійснювати проміжну буферизацію, але тому що дані кадру розбиваються на невеликі осередки , то затримок з початковим очікуванням доступності вхідного порту в такій схемі немає - тут працює принцип комутації пакетів , а ні каналів.

Реализация коммутаторов 3. Разделяемая память

Третя базова архітектура взаємодія портів - двухвходова поділювана пам'ять. Перемиканням входу й виходу поділюваної пам'яті управляє менеджер черг портів. У поділюваній пам'яті менеджер організує кілька черг даних, по однієї для кожного вихідного порту. Вхідні блоки процесорів передаються менеджерові портів запити на запис даних у чергу того порту, що відповідає адресі призначення пакета. Менеджер по черзі підключає вхід пам'яті до одного із вхідних блоків процесорів і той переписує частину даних кадру в чергу певного вихідного порту. У міру заповнення черг менеджер робить також почергове підключення виходу поділюваної пам'яті до вихідних блоків процесорів портів, і дані із черги переписуються у вихідний буфер процесора. Пам'ять повинна бути достатньо швидкодіючою для підтримки швидкості перепису даних між N портами комутатора. Застосування загальної буферної пам'яті, гнучко розподілююмої менеджером між окремими портами, знижує вимоги до розміру буферної пам'яті процесора порту.

Реализация коммутаторов 4. Комбинированный подход

Применение коммутаторов в рабочих группах 10 100

Сеть здания на коммутаторах

Характеристики производительности коммутаторов · скорость фильтрации кадров; [кадри/с] Скорость фильтрации (filtering) 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; -уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту · скорость продвижения кадров; [кадри/с] Скорость продвижения (forwarding) 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. · пропускная способность; [Мбит/с] Пропускная способность коммутатора измеряется количеством пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Обычно производители коммутаторов указывают общую максимальную пропускную способность устройства по всем портам. · задержка передачи кадра. [мкс] 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. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором, — просмотра адресной таблицы, принятия решения о фильтрации или продвижении и получения доступа к среде выходного порта.

Алгоритм Spanning Tree Коммутатор 3 Активная конфигурация

Spanning Tree Algorithm Алгоритм покрывающего дерева - Spanning Tree Algorithm (STA) позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединения портов между собой. Как уже отмечалось, для нормальной работы коммутатора требуется отсутствие замкнутых маршрутов в сети. Эти маршруты могут создаваться администратором специально для образования резервных связей или же возникать случайным образом, что вполне возможно, если сеть имеет многочисленные связи, а кабельная система плохо структурирована или документирована. Поддерживающие алгоритм STA коммутаторы автоматически создают активную древовидную конфигурацию связей (то есть связную конфигурацию без петель) на множестве всех связей сети. Такая конфигурация называется покрывающим деревом - Spanning Tree (иногда ее называют основным деревом), и ее название дало имя всему алгоритму. Алгоритм Spanning Tree описан в стандарте IEEE 802.1D, том же стандарте, который определяет принципы работы прозрачных мостов.

Spanning Tree Algorithm Коммутаторы находят покрывающее дерево адаптивно, с помощью обмена служебными пакетами. Реализация в коммутаторе алгоритма STA очень важна для работы в больших сетях - если коммутатор не поддерживает этот алгоритм, то администратор должен самостоятельно определить, какие порты нужно перевести в заблокированное состояние, чтобы исключить петли. К тому же при отказе какого-либо кабеля, порта или коммутатора администратор должен, во-первых, обнаружить факт отказа, а во-вторых, ликвидировать последствия отказа, переведя резервную связь в рабочий режим путем активизации некоторых портов. При поддержке коммутаторами сети протокола Spanning Tree отказы обнаруживаются автоматически, за счет постоянного тестирования связности сети служебными пакетами. После обнаружения потери связности протокол строит новое покрывающее дерево, если это возможно, и сеть автоматически восстанавливает работоспособность.

Spanning Tree Algorithm Алгоритм Spanning Tree определяет активную конфигурацию сети за три этапа. Сначала в сети определяется корневой коммутатор (root switch), от которого строится дерево. Корневой коммутатор может быть выбран автоматически или назначен администратором. При автоматическом выборе корневым становится коммутатор с меньшим значением МАС - адреса его блока управления. Затем, на втором этапе, для каждого коммутатора определяется корневой порт (root port) - это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до корневого коммутатора (точнее, до любого из портов корневого коммутатора). И наконец, на третьем этапе для каждого сегмента сети выбирается так называемый назначенный порт (designated port) - это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. После определения корневых и назначенных портов каждый коммутатор блокирует остальные порты, которые не попали в эти два класса портов. Можно математически доказать, что при таком выборе активных портов в сети исключаются петли и оставшиеся связи образуют покрывающее дерево (если оно может быть построено при существующих связях в сети).

Spanning Tree Algorithm Понятие расстояния играет важную роль в построении покрывающего дерева. Именно по этому критерию выбирается единственный порт, соединяющий каждый коммутатор с корневым коммутатором, и единственный порт, соединяющий каждый сегмент сети с корневым коммутатором. Расстояние до корня определяется как суммарное условное время на передачу одного бита данных от порта данного коммутатора до порта корневого коммутатора. При этом считается, что время внутренних передач данных (с порта на порт) коммутатором пренебрежимо мало, а учитывается только время на передачу данных по сегментам сети, соединяющим коммутаторы. Условное время сегмента рассчитывается как время, затрачиваемое на передачу одного бита информации в 10 наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам, а для сегмента Token Ring 16 Мбит/с - 6,25. (Алгоритм STA не связан с каким-либо определенным стандартом канального уровня, он может применяться к коммутаторам, соединяющим сети различных технологий.)

Виртуальные локальные сети Virtual LAN, VLAN Цель: построение полностью изолированных подсетей логическими средствами VLAN – домен распространения бродкастов

VLAN на одном коммутаторе Задание VLAN – группировка портов

VLAN на нескольких коммутаторах Проблема задания VLAN на нескольких коммутаторах с помощью группировки портов: сколько VLAN – столько портов для межсоединений

VLAN на нескольких коммутаторах Способы решения проблемы: Группировка MAC-адресов – большой объем ручной работы в крупных сетях Использование меток: Фирменные решения Стандарт IEEE 802.1 Q/p Заголовок Ethernet Priority N VLAN Data поля 802.1 Q/p 3 бита 12 бит

Концентраторы Рабочие группы – 10 Мбит/с, standalone, $8-10 за порт Рабочие группы – 100 Мбит/с, standalone, $15-20 за порт Стековые – 10 Мбит/с, Сетевые адаптеры Gigabit Ethernet TP - $200 Gigabit Ethernet FO - $450 10/100 TP – $20-30

Коммутаторы 3 уровня Порты 10/100 TP с поддержкой QoS – $250 – 300 Порты GE TP - $1000 Порты GE SX - $2000 Коммутаторы 2 уровня 10 Мбит/с Standalone – $20-30 10/100 TP Standalone – $30 – 50 Стековые 10/100 - $50 -100

Побудова мережі з комутацією пакетів Мережа комутації пакетів складається з вузлів комутації пакетів, зв'язаних між собою каналами зв'язку. Структура мережі з комутацією пакетів зображена на рис. 1. ВК Рисунок 1 - Структура мережі з комутацією пакетів

Задача аналізу і оптимізації мережі з пакетною комутацією Розглянемо коротко задачу аналізу й оптимізації мережі з пакетною комутацією. При цьому будемо виходити з моделі КП, зображеної на рис. 2. Рисунок 2 – Модель КП

Постановка задачі Будемо вважати, що черга перед кожним з каналів мережі не залежить від інших черг. Система описується моделлю типу М/М/1/∞ або М/D/1/∞, де символ D позначає детерміновану тривалість обслуговування, а ∞ - нескінченну чергу. Інтенсивність вхідного потоку викликів на кожний з каналів дорівнює Вважається, що часом обробки в процесорі можна зневажити як й імовірністю втрат через обмежену довжину черги. У цьому випадку єдиною причиною затримки є обмежена пропускна здатність каналів.

Середній час очікування пакета Для моделі М/M/1/L cредній час очікування пакета у вузлі перед першим каналом відповідно до теореми Полячека-Хінчіна визначається виразом де - завантаженість i-го каналу (інтенсивність навантаження, що обслуговується). - інтенсивність обслуговування. , Для моделі типу М/D/1/W

Середній час очікування пакета Середній час затримки пакету в i-й лінії складається з очікування в черзі й передачі пакету по каналу. Так для моделі першого типу Середній час проходження пакета по мережі де – інтенсивність обслуговування; ; NL – загальне число каналів у мережі; – загальна інтенсивність пакетів у мережі; α – середня довжина пакета в бітах; ci – пропускна здатність i-го каналу біт/с.

Задача оптимізації мережі Як інший показник мережі використається показник витрат на побудову мережі: де αi – вартість одиниці пропускної здатності i-го каналу. У загальному випадку задача оптимізації мережі полягає в знаходженні рішення наступної оптимізаційної задачі Цю задачу можна вирішити за допомогою невизначених множників Лагранджа. ,

Затримка пакетів В IP-телефонії затримка пакетів приводить до незручностей при діалозі: 1) Затримка пакетів; 2) Gitter (розкид часу доставки пакетів). 3) втрати пакетів. Джиттер прослуховуються як різкі скрипи. Сумарні затримки повинні перебувають у межах 150 - 250 мс; Рисунок 3 - Втрати пакетів через “джиттер”

Втрата пакетів При пікових навантаженнях можлива втрата пакетів. Втрата 5% пакетів не позначається на якості мови, 10 - 15% - істотно позначається. Тому в IP-телефонії важливе значення має компресія сигналів.

MAC-адрес MAC-адрес (от англ. Media Access Control — управление доступом к среде, также Hardware Address) — это уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей. Большинство сетевых протоколов канального уровня используют одно из трёх пространств MAC-адресов, управляемых IEEE: MAC-48, EUI-48 и EUI-64. Адреса в каждом из пространств теоретически должны быть глобально уникальными. Не все протоколы используют MAC-адреса, и не все протоколы, использующие MAC-адреса, нуждаются в подобной уникальности этих адресов. В широковещательных сетях (таких, как сети на основе Ethernet) MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу. Таким образом, MAC-адреса формируют основу сетей на канальном уровне, которую используют протоколы более высокого (сетевого) уровня. Для преобразования MAC-адресов в адреса сетевого уровня и обратно применяются специальные протоколы (например, ARP и RARP в сетях IPv4 и NDP в сетях на основе IPv6). Адреса вроде MAC-48 наиболее распространены; они используются в таких технологиях, как Ethernet, Token ring, FDDI, WiMAX и др. Они состоят из 48 бит, таким образом, адресное пространство MAC-48 насчитывает 248 (или 281 474 976 710 656) адресов. Согласно подсчётам IEEE, этого запаса адресов хватит по меньшей мере до 2100 года. EUI-48 от MAC-48 отличается лишь семантически: в то время как MAC-48 используется для сетевого оборудования, EUI-48 применяется для других типов аппаратного и программного обеспечения. Идентификаторы EUI-64 состоят из 64 бит и используются в FireWire, а также в IPv6 в качестве младших 64 бит сетевого адреса узла.