Аппаратные средства структуризации

Аппаратные средства структуризации. Для логической сегментации на логическом уровне используют мосты(bridge) и коммутаторы(switch). Оба устройства продвигают кадры на основе одних и тех же алгоритмов.

Используются 2 типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста(transparent bridging) и алгоритм моста с маршрутизацией от источника(source routing bridging). Когда на свет появилась первая промышленная модель коммутатора для технологии Ethernet, то она вы¬полняла тот же алгоритм продвижения кадров IEEE 802.ID, который был с деся¬ток лет отработан мостами локальных и глобальных сетей. Точно так же поступают и все современные коммутаторы.

Коммутаторы, которые продвигают кадры прото¬кола Token Ring, работают по алгоритму Source Routing, характерному для мостов IBM. Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабаты¬вает кадры последовательно, а коммутатор — параллельно. Это обстоятельство свя¬зано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим (он подчинялся правилу 80 на 20 %). Сеть чаще всего делили на два сегмента, поэтому и термин был выбран соответствующий — мост. Для обработки потока данных со средне интенсивностью 1 Мбит/с мосту вполне хватало производительности одного процессорного блока.

Позже количество сегментов росло. Обслуживание потоков кадров между несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это дорогое решение. Более эффективным оказалось решение: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставится отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм.

По сути, коммутатор — это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 3 Рис.3 Структура коммутатора Kalpana EtherSwitch Каждый из 8 портов lOBase-T обслуживается одним процессором пакетов Ether¬net — ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммута¬тором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных комму¬таторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов.

Для 8 пор¬тов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полу¬дуплексном режиме работы портов и 16 — при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга. При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения.

После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к сис¬темному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслу¬живая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую буферизует в своем кэше для последующего использования.

После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно даль делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процесс продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты, очищает буфер и ждет поступления нового кадра Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его с портом, через который идет маршрут к адресу назначения.

Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в: момент свободен, то есть, не соединен с другим портом. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выхода порта и образования коммутационной матрицей нужного пути. После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта.

Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 4) При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил назва¬ние коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично со¬вмещаются во времени несколько этапов его передачи. 1. Прием первых байт кадра, процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения. 1. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля). 2. Коммутация матрицы. 3. Прием остальных байт кадра процессором входного порта. 1. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через ком¬мутационную матрицу 2. Получение доступа к среде процессором выходного порта. 3. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть. Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходно¬го порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

По сравнению с режимом полной буферизации кадра, экономия от конвейеризации получается ощутимой.

При коммутации с буферизацией кадр поступает в буфер входного процессора, где по контрольной сумме проверяется на наличие ошибок.

Если ошибки не обнаружены, пакет передается на выходной порт. Этот способ коммутации гарантирует фильтрацию от ошибочных кадров, но за счет снижения пропускной способности коммутатора по сравнению со сквозной коммутацией. Существуют следующие методы коммутации: - Метод безфрагментной коммутации. Буфер входного порта поступает не весь кадр, а только первые 64 байта. Для кадра минимального размера это соответствует полной буферизации, а для кадров, размер которых больше 64 байтов, это соответствует сквозной коммутации.

Таким образом, при безфрагментной буферизации проверке подлежат только кадры минимального размера. - В зависимости от конкретных условий работы предпочтителен тот или иной способ коммутации. При адаптивной коммутации коммутатор сам выбирает для каждого порта оптимальный режим работы. Вначале все порты устанавливаются в режим сквозной коммутации, потом те порты, на которых возникает много ошибок, переводятся в режим безфрагментной коммутации. Если и при этом количество ошибок остается неприемлемо большим, то порт переводится в режим коммутации с буферизацией, что гарантирует полную фильтрацию от ошибочных кадров. 1.2.1