Коммутаторы - раздел Философия, ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ
Коммутатор (Switch) Функционально Представляет Собой Высокоск...
Коммутатор (switch) функционально представляет собой высокоскоростной многопортовый мост, способный одновременно связывать несколько узлов на максимальной скорости, обеспечиваемой средой передачи. Часто коммутаторы используются для сегментации – уменьшения размеров доменов коллизий. Фактически, коллизии преобразуются в очереди кадров внутри коммутатора. Предельный случай сегментации – микросегментация – достигается при подключении к каждому порту коммутатора единственного узла, тогда домен коллизий состоит только из узла и порта коммутатора (дуплексный режим позволяет вообще исключить коллизии при микросегментации).
Коммутаторы работают в одном из трех режимов:
1. Коммутация с буферизацией (store-and-forward): каждый кадр целиком замещается в буферной памяти коммутатора, затем проверяется его контрольная сумма, определяется порт назначения, ожидается освобождение порта, и производится передача кадра. Этот способ гарантирует фильтрацию ошибочных и отсеченных коллизией кадров. Основной недостаток – большая задержка передачи, достигающая нескольких миллисекунд на кадр.
2. Коммутация “на лету” (cut-through): кадр передается в порт назначения сразу после приема адреса получателя (в Ethernet – первые 6 байт заголовка кадра). Если в этот момент порт назначения занят, коммутатор обрабатывает пакет в режиме с буферизацией. Коммутация на лету вносит минимально возможную задержку – 11.2 мкс для Ethernet, однако при этом передаются все кадры – в том числе и ошибочные.
3. Бесфрагментная коммутация (fragment-free): коммутатор буферизует первые 64 байта кадра, и, если кадр не длиннее 64 байт, то коммутатор обрабатывает его в режиме с буферизацией. Если кадр длинный, то он передается в порт назначения, как в режиме “на лету”.
Большинство коммутаторов низшего и среднего уровня реализуют только режим коммутации с буферизацией. Коммутация “на лету” характерна для магистральных высокоскоростных коммутаторов, где минимальная задержка передачи гораздо важнее распространения кадров с ошибками. Коммутаторы верхнего уровня иногда используют технологию адаптивной коммутации: сначала все порты работают в режиме “на лету”, затем порты, через которые приходит много кадров с ошибками переводятся в бесфрагментный режим, а если это не помогает отфильтровать ошибочные кадры (в случае длинных пакетов с ошибками), то такие порты переводятся в режим коммутации с буферизацией.
Для достижения высокой производительности (необходимой для одновременного обслуживания всех портов) каждый порт коммутатора, как правило, снабжается отдельным процессором, обычно представляющим собой специализированную микросхему (ASIC), оптимизированную для выполнения функций коммутации. Центральный узел, связывающий процессоры отдельных портов, строится на основе одной из трех схем (применяются и комбинированные варианты):
- коммутационная матрица,
- разделяемая многовходовая память,
- общая шина.
Коммутационная матрица представляет собой комбинационную схему, состоящую, например, из управляемых переключателей, в зависимости от заданного номера порта назначения, соединяющих свой вход с одним из своих выходов. Таким образом, коммутационная матрица физически коммутирует каналы связи между портами, обеспечивая наиболее быстрый способ связи процессоров портов. Основной недостаток коммутационной матрицы – ограниченное число портов в таких коммутаторах (сложность схемы матрицы возрастает пропорционально квадрату числа портов). Кроме того, при использовании коммутационной матрицы необходимо, чтобы каждый порт мог самостоятельно буферизовать входящие кадры, иначе, за время возможного ожидания освобождения выходного порта, кадры могут быть потеряны.
Разделяемая многовходовая память позволяет увеличивать количество портов коммутатора без усложнения его схемы. Процессоры портов для передачи данных друг другу используют общую память. Переключение входа и выхода памяти осуществляет специальный блок управления, который организует по очереди данных для каждого выходного порта. По запросу входного порта блок управления подключает его к входу требуемой очереди, а процессор порта записывает в нее данные кадра. При появлении полных кадров в очередях, блок управления поочередно подключает выходные порты к своим очередям для считывания кадров для передачи.
Процессоры портов в коммутаторах с общей шиной снабжаются, с одной стороны, модулями арбитража доступа к шине, а с другой стороны – фильтрами, отбирающими передающиеся по шине ячейки, предназначенные данному порту. Кадр в таких коммутаторах передается по шине не целиком, а небольшими частями – ячейками, что позволяет (вместе с высокой скоростью передачи данных по шине) реализовать псевдопараллельный режим передачи кадров между портами. Для работы без блокировок пропускная способность общей шины должна быть не меньше половины суммы пропускных способностей всех портов.
Сложные коммутаторы, как правило, комбинируют приведенные архитектуры. Например, для модульных концентраторов свойственно использование общей шины для соединения модулей, в то время, как внутри каждого модуля (обычно не более 12 портов) реализуется наиболее быстрая архитектура – коммутационная матрица.
В зависимости от варианта конструкции, различают:
- автономные (standalone) коммутаторы,
- стековые коммутаторы,
- модульные коммутаторы на основе шасси.
Первые два варианта имеют фиксированное число (обычно 8,16,24, редко до 30) и тип портов, которые не могут быть изменены. Автономные коммутаторы применяются на уровне рабочих групп. Стековые коммутаторы отличаются от автономных наличием дополнительного (стекового) интерфейса, позволяющего объединять несколько таких коммутаторов в систему, работающую, как единый коммутатор – стек коммутаторов. Как правило, количество коммутаторов в стеке не превышает четырех (пропускная способность стекового интерфейса лежит в пределах 200-400 Мбит/с).
Стековые коммутаторы применяются в сетях, где емкости автономного коммутатора уже недостаточно (количество узлов больше 30), а установка значительно более дорогого модульного коммутатора неоправданна. Модульные коммутаторы на основе шасси позволяют подключать необходимое количество разнотипных модулей, часто с возможностью их замены без выключения коммутатора (hot swap). Количество портов в таких коммутаторах может превышать 100. Как правило, модульные коммутаторы используются в качестве магистральных.
В сетях Ethernet/Fast Ethernet часто используется сетевое устройство промежуточного типа – коммутирующий концентратор (switching hub), представляющий собой двухсегментный концентратор (один сегмент – Ethernet, другой – Fast Ethernet), сегменты которого соединены двухпортовым мостом. В результате все Ethernet-станции, подключенные к нему, образуют один домен коллизий, а все Fast Ethernet-станции – второй домен коллизий. Соединения же между станциями разных сегментов обслуживаются мостом. Такие устройства, как правило, дешевле, чем полноценные коммутаторы. Наиболее эффективно они используются при наличии большинства Ethernet-станций и высокоскоростном (Fast Ethernet) подключении одного-двух серверов. Поскольку все высокоскоростные узлы образуют один домен коллизий, то при увеличении их количества производительность сети будет падать.
Все темы данного раздела:
Функциональные возможности сетей
Польза от использования сетей может относиться к разным категориям.
Во-первых, прямое общение людей (коммуникация). При этом сеть используется как среда, передающая от одно
Сети разного масштаба
Организация сети и ее структура непосредственно зависят от используемых компьютеров и расстояний между ними. Наиболее очевидны различия в организации сетей разных масштабов. Принято различать сети:
Среды передачи данных
Передача данных может происходить по кабелю (в этом случае говорят об ограниченной или кабельной среде передачи) и с помощью электромагнитных волн той или иной природы – инфракрасны
Режимы передачи данных
Сети делятся на два класса, различающиеся способом использования канала передачи данных: сети с селекцией данных и маршрутизацией данных.
В сетях с селекцией данных
Способы коммутации
Коммутация является необходимым элементом связи узлов между собой, позволяющим сократить количество необходимых линий связи и повысить загрузку каналов связи. Практически невозможно
Архитектура СПО
Наиболее существенным отличительным признаком сетевого программного обеспечения (СПО) является его принципиально распределенный характер: различные компоненты должны выполняться на
Основные модели взаимосвязи открытых систем
Международная организация по стандартизации (МОС, International Standardization Organization, ISO) предложила в 1978 г. эталонную модель взаимодействия открытых систем
Эталонная модель ВОС
При разработке модели ВОС выделение уровней базировалось на следующих принципах:
- каждый уровень должен выполнять отдельную функцию,
- поток информации между уров
Аналоговая модуляция
Поскольку сети связывают цифровые компьютеры, по каналу связи необходимо передавать дискретные данные. Соответственно, при использовании аналоговых сигналов необходимо некоторое пре
Протоколы, поддерживаемые модемами
Все модемные протоколы можно разделить на международные и фирменные. Часто фирменный протокол, разработанный той или иной компанией, реализуют и другие производители модемов, он ста
Режимы передачи
Режим передачи определяет способ коммуникации между двумя узлами. При симплексном (simplex) режиме приемник и передатчик связывается линией связи, по которой информ
Асинхронная, синхронная, изохронная и плезиохронная передача
Для последовательной передачи данных достаточно одной линии, по которой могут последовательно передаваться биты данных. Приемник должен уметь распознавать, где начинается и где зака
ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Биты данных могут передаваться в виде аналоговых или цифровых сигналов. Для передачи информации обычно используется одна из характеристик сигнала: амплитуда, частота, фаза. При испо
Витая пара
В настоящее время среди сетевых кабелей наиболее распространена витая пара, представляющая собой пару переплетенных проводов. При этом вряд ли вы получите работающую витую пару, взя
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель состоит из двух концентрических проводников, разделенных слоем диэлектрика. Внешний проводник при этом экранирует внутренний. Такой кабель меньше, чем витая пара
Волоконно-оптический кабель
Помимо металлических проводников, при построении сетей используются также и стеклянные (точнее, кварцевые) – волоконно-оптические кабели, передающие данные посредством световых волн. Сердечник тако
Инфракрасные волны
Инфракрасные каналы работают в диапазоне высоких частот вплоть до 1000 ГГц, где сигналы мало подвержены влиянию электромагнитных помех, следовательно, передача данных может осуществляться на высоко
Радиоволны, широкополосные сигналы
Организация радиоканала, как правило, осуществляется в диапазонах частот около 900 МГц, 2.4 ГГц и 5.7 ГГц. Для работы в этих диапазонах в США не требуется никакого лицензирования (в
Спутниковая связь
В зависимости от высоты орбиты, спутники делятся на геостационарные и низкоорбитальные.
Cпутники, находящиеся на высоте около 36 тыс. км над экватором, согласно третьему за
Сотовая связь
Сотовая связь основана на применении кабельных и беспроводных каналов на тех участках, где они могут проявить свои сильные стороны. Базовая структура сети создается на основе высоко
Количество информация и энтропия
Источник информации, который может в каждый момент времени находиться в одном из возможных состояний, называется дискретным источником информации. Будем называть конечное множество
Свойства энтропии
1. Энтропия является неотрицательной вещественной величиной. Это так, поскольку вероятность лежит в интервале от 0 до 1, ее логарифм отрицателен, а значение –pilog p
Качество обслуживания
Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) сетью потребителя ее услуг определяется, в основном, производительностью и надежностью. Производительность характеризуется следующими
Кодирование информации
При передаче цифровой информации с помощью цифровых сигналов применяется цифровое кодирование, управляющее последовательностью прямоугольных импульсов в соответствии с последователь
Логическое кодирование
Некоторые разновидности цифрового кодирования очень чувствительны к характеру передаваемых данных. Например, при передаче длинных последовательностей логических нулей посредством по
Самовосстанавливающиеся коды
Одним из средств борьбы с помехами являются самовосстанавливающиеся(корректирующие) коды, позволяющие не только обнаружить, но и исправить ошибки при приеме.
Систематические коды
Другой подход к построению кодов – разделение разрядов кода на информационные и контрольные. Такие коды называются систематическими. Пусть всего в коде n разрядов, из них k – информ
Алгоритмы сжатия данных
В общем смысле под сжатием данных понимают такое их преобразование, что его результат занимает меньший объем памяти. При этом (по сравнению с исходным представлением) экономится пам
Алгоритм RLE
Самый простой из словарных методов – RLE (Run Length Encoding, кодирование переменной длины) умеет сжимать данные, в которых есть последовательности повторяющихся байтов. Упакованны
Алгоритм Лемпела-Зива
Наиболее широко используются словарные алгоритмы из семейства LZ, чья идея была описана Лемпелом и Зивом в 1977 году. Существует множество модификаций этого алгоритма, отличающихся
Кодирование Шеннона-Фано
Методы эффективного кодирования сообщений для передачи по дискретному каналу без помех, предложенные Шенноном и Фано, заложили основу статистических методов сжатия данных. Код Шенно
Алгоритм Хаффмана
Алгоритм Хаффмана гарантирует однозначное построение кода с наименьшим для данного распределения вероятностей средним числом символов кода на символ сообщения. На первом шаге подсчи
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Локальные сети расположены на небольшой площади – комната, здание, несколько соседних зданий. Максимальное расстояние между компьютерами – несколько сотен метров. Количество компьют
Маркерные методы доступа
Метод передачи маркера относится к селективным детерминированным одноранговым методам доступа. Сети с шинной топологией, использующие передачу маркера, называются сетями типа “марке
Стандарты группы IEEE 802
Комитет 802 института IEEE был создан в 1980 году с целью выработки стандартов для локальных сетей. Результаты работы этого комитета (группа стандартов IEEE 802.x) легли в основу ме
Протокол управления логическим каналом IEEE 802.2
Стандарт 802.2 описывает работу подуровня LLC – логические процедуры передачи кадров и связь с сетевым уровнем. Стандарт определяет три типа обслуживания:
- LLC1 – без уста
Технология Ethernet
Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в середине 1970-х годов. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox выпустили вторую фирменную версию станда
Форматы кадров Ethernet
В сетях Ethernet могут применяться кадры четырех форматов:
- Ethernet II (Ethernet DIX)
- Ethernet 802.2
- Ethernet 802.3
- Ethernet SNAP.
Технология Token Ring
Технология Token Ring (маркерное кольцо) была разработана фирмой IBM в конце 1970-х годов. Спецификации IEEE 802.5 практически повторяют фирменные спецификации, отличаясь лишь в нек
Маркерный метод доступа
Token Ring – это наиболее распространенная технология локальной сети с передачей маркера. В таких сетях циркулирует (передается станциями друг другу в определенном порядке) специаль
Система приоритетного доступа
Сети Token Ring гарантируют, что каждая станция будет получать право на передачу данных не реже, чем раз в установленный интервал времени. Кроме того, используется система приоритет
Оборудование Token Ring
Концентратор Token Ring (MSAU) представляет собой набор блоков TCU (Trunk Coupling Unit – блок подключения к магистрали), к которым отдельными радиальными кабелями (lobe cabling) по
Технология FDDI
Спецификация FDDI (Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконный интерфейс распределения данных) разработана и стандартизована институтом ANSI (в 1986-1988 гг. – группа X3T9.5, п
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
10.1. Технология Fast Ethernet 100Мбит/с
В 1995 году комитет IEEE 802.3 принял стандарт IEEE 802.3u (дополнительные главы к стандарту IEEE
Технология 100VG-AnyLAN
Комитет IEEE 802.12 в 1995 году принял технологии 100VG-AnyLAN, использующую новый метод доступа Demand Priority (приоритет запросов) и поддерживает кадры двух форматов – Ethernet и
Сетевые адаптеры
Сетевой адаптер (с драйвером) реализуют физический уровень и подуровень MAC канального уровня. Основная функция сетевого адаптера – передача и прием кадров между компьютером и средо
Концентраторы
Основная функция концентратора – повторение каждого полученного сигнала на всех (для Ethernet) или на некоторых портах. Соответственно, наиболее общее название для такого рода устро
Алгоритм покрывающего дерева
Алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA) описан в стандарте IEEE 802.1D и позволяет ликвидировать петли в сети (если в сети есть кольцевые маршруты, это может при
Составные сети
Сеть рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью (internetwork, internet), а ее части – п
Принципы маршрутизации
Маршрутизатор, как и, например, мост, имеет несколько портов и должен для каждого поступающего пакета решить – отфильтровать его или передать на какой-то другой порт.
Как и
Протокол IP
Протокол IP (Internet Protocol, Протокол межсетевого взаимодействия) описан в RFC 791. Основная функция протокола IP – передача пакетов между узлами, принадлежащими к разным подсетя
Фрагментация IP-пакетов
На пути пакета от отправителя к получателю могут встречаться локальные и глобальные сети разных типов с разными допустимыми размерами полей данных кадров канального уровня (Maximum
Протокол ARP
Протокол ARP (Address Resolution Protocol, Протокол Разрешения Адресов) описан в RFC 826.
При передаче пакетов внутри локальных сетей протоколы канального уровня пользуются
Протокол ICMP
Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol, Протокол Управляющих Сообщений Интернет) описан в RFC 792.
Он используется для сообщений об ошибках или нештатных ситуация
Протокол UDP
Протокол UDP (User Datagram Protocol, Протокол пользовательских дейтаграмм) описан в RFC 768. Он предоставляет прикладным процессам простейшие услуги транспортного уровня. Две основ
Протокол TCP
Протокол TCP (Transmission Control Protocol, Протокол управления передачей) описан в RFC 793. Он обеспечивает надежную передачу потока данных, используя сервис передачи дейтаграмм п
Служба DNS
Служба именования доменов (DNS, Domain Name System) описана в RFC и предназначена для установления глобального соответствия между символическими имена узлов и их IP-адресами. На ран
Протокол сетевого управления SNMP
Учитывая важность функции управления, для этих целей создано два протокола SNMP(simple network management protocol, RFC 1157, 1215, 1187, 1089 разработан в 1988 году) и CMOT (common
Технология X.25
Глобальные сети X.25 основаны на коммутации пакетов, и долгое время являлись единственными сетями с коммутацией пакетов, гарантирующими готовность. Структурно сеть X.25 состоит из
Технология Frame Relay
Сети с ретрансляцией кадров(Frame Relay) представляют собой сети с коммутацией пакетов, ориентированные на цифровые линии связи со скоростью до 2 Мбит/с. Frame Rela
Структура кадра Frame Relay
…
…
N-3
N-2
N-1
N
Плезиохронная цифровая иерархия
Плезиохронная цифровая иерархия (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) разработана корпорацией AT&T (Bell Labs) в 1960-х годах для передачи множества потоков оцифрованной голос
Синхронная цифровая иерархия
Синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy) разработана компанией Bellcore в 1980-х годах (под названием “Синхронные оптические сети” – Synchronous Optical NETs, SO
Интерфейсы ISDN
Абонент получает услуги ISDN на терминальном оборудовании (TE, Terminal Equipment): компьютере, телефонном аппарате, факсимильном аппарате, мини-АТС, маршрутизаторе
Основные принципы технологии ATM
Технология Асинхронного режима доставки(АРД, ATM, Asynchronous Transfer Mode) разрабатывалась как единый универсальный транспорт для передачи разнородного трафика п
Стек протоколов ATM
Стек протоколов соответствует нижним уровням модели ВОС и включает три уровня:
- Физический уровень (Physical layer) определяет способы передачи в зависимости от среды. Физ
Уровень адаптации AAL
Уровень адаптации содержит подуровень сборки и сегментации (SAR, Segmentation And Reassembly) и подуровень конвергенции (CS, Convergence Sublayer).
ТЕХНОЛОГИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Программы, работающие в сети и совместно решающие ту или иную задачу, часто бывает удобно считать частями одного приложения. Такое приложение называют распределенным. Распределенным
Удаленный вызов процедур
Удаленный вызов процедур (remote procedure call, RPC) – это технология взаимодействия прикладных программ, выполняющихся на разных узлах, разработанная корпорацией Sun Microsystems
Новости и инфо для студентов