Так как коммутатор представляет собой сложное вычислительное устройство, имеющее несколько процессорных модулей, то естественно нагрузить его помимо выполнения основной функции передачи кадров с порта на порт по алгоритму моста и некоторыми дополнительными функциями, полезными при построении надежных и гибких сетей. Ниже описываются наиболее распространенные дополнительные функции коммутаторов, которые поддерживаются большинством производителей коммуникационного оборудования.
Коммутаторы могут выполнять трансляцию одного протокола канального уровня в другой, например, Ethernet в FDDI, Fast Ethernet в Token Ring и т.п. При этом они работают по тем же алгоритмам, что и транслирующие мосты, то есть в соответствии со спецификациями RFC 1042 и 802.1H, определяющими правила преобразования полей кадров разных протоколов.
Трансляцию протоколов локальных сетей облегчает тот факт, что наиболее сложную работу, которую часто выполняют маршрутизаторы и шлюзы при объединении гетерогенных сетей, а именно работу по трансляции адресной информации, в данном случае выполнять не нужно. Все конечные узлы локальных сетей имеют уникальные адреса одного и того же формата, независимо от поддерживаемого протокола. Поэтому адрес сетевого адаптера Ethernet понятен сетевому адаптеру FDDI, и они могут использовать эти адреса в полях своих кадров не задумываясь о том, что узел, с которым они взаимодействуют, принадлежит сети, работающей по другой технологии.
Поэтому при согласовании протоколов локальных сетей коммутаторы не строят таблиц соответствия адресов узлов, а переносят адреса назначения и источника из кадра одного протокола в кадр другого протокола. Единственным преобразованием, которое, возможно, придется при этом выполнить, является преобразование порядка бит в байте, если согласуется сеть Ethernet с сетью Token Ring или FDDI. Это связано с тем, что в сетях Ethernet принята так называемая каноническая форма передачи адреса по сети, когда сначала передается самый младший бит самого старшего байта адреса. В сетях FDDI и Token Ring всегда передается сначала самый старший бит самого старшего байта адреса. Так как технология 100VG-AnyLAN использует кадры или Ethernet или Token Ring, то ее трансляция в другие технологии зависит от того, кадры каких протоколов используются в данном сегменте сети 100VG-AnyLAN.
Кроме изменения порядка бит при передаче байт адреса, трансляция протокола Ethernet (и Fast Ethernet, который использует формат кадров Ethernet) в протоколы FDDI и Token Ring включает выполнение следующих (возможно не всех) операций:
Алгоритм Spanning Tree (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 остовным или основным деревом), и ее название дало имя всему алгоритму. 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 какой-либо связи, 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.
Основные определения
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.
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). Затем для каждого сегмента сети выбирается так называемый назначенный порт (designated port) - это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора.
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. Все остальные порты переводятся в резервное состояние, то есть такое, при котором они не передают обычные кадры данных. Можно доказать, что при таком выборе активных портов в сети исключаются петли и оставшиеся связи образуют покрывающее дерево.
На рисунке 4.12 показан пример построения конфигурации покрывающего дерева для сети, состоящей из 6 сегментов (N1 - N6) и 6 коммутаторов (S1 - S6). Корневые порты закрашены черным цветом, назначенные не закрашены, а заблокированные порты перечеркнуты. В активной конфигурации коммутаторы S2 и S6 не имеют портов, передающих кадры данных, поэтому они закрашены как резервные.
Рис. 4.12. Построение покрывающего дерева сети по алгоритму STA
Расстояние до корня определяется как суммарное условное время на передачу 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 Мб/с - 6.25. (Алгоритм STA не связан с каким-либо определенным стандартом канального уровня, он может применяться к коммутаторам, соединяющим сети различных технологий.)
В приведенном примере предполагается, что все сегменты имеют одинаковое условное расстояние, поэтому оно не показано на рисунке.
Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева все коммутаторы сети после их инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста - BPDU (Bridge Protocol Data Unit), что отражает факт первоначальной разработки алгоритма STA для мостов.
Пакеты BPDU помещаются в поле данных кадров канального уровня, например, кадров Ethernet или FDDI. Желательно, чтобы все коммутаторы поддерживали общий групповой адрес, с помощью которого кадры, содержащие пакеты BPDU, могли одновременно передаваться всем коммутаторам сети. Иначе пакеты BPDU рассылаются широковещательно.
Пакет BPDU имеет следующие поля:
У пакета BPDU уведомления о реконфигурации отсутствуют все поля, кроме двух первых.
После инициализации каждый коммутатор сначала считает себя корневым. Поэтому он начинает через интервал hello генерировать через все свои порты сообщения BPDU конфигурационного типа. В них он указывает свой идентификатор в качестве идентификатора корневого коммутатора (и в качестве данного коммутатора также), расстояние до корня устанавливается в 0, а в качестве идентификатора порта указывается идентификатор того порта, через который передается BPDU. Как только коммутатор получает BPDU, в котором имеется идентификатор корневого коммутатора, меньше его собственного, он перестает генерировать свои собственные кадры BPDU, а начинает ретранслировать только кадры нового претендента на звание корневого коммутатора. При ретрансляции кадров он наращивает расстояние до корня, указанное в пришедшем BPDU, на условное время сегмента, по которому принят данный кадр.
При ретрансляции кадров каждый коммутатор для каждого своего порта запоминает минимальное расстояние до корня, встретившееся во всех принятых этим портом кадрах BPDU. При завершении процедуры установления конфигурации покрывающего дерева (по времени) каждый коммутатор находит свой корневой порт - это порт, который ближе других портов находится по отношению к корню дерева. Кроме этого, коммутаторы распределенным образом выбирают для каждого сегмента сети назначенный порт. Для этого они исключают из рассмотрения свой корневой порт, а для всех своих оставшихся портов сравнивают принятые по ним минимальные расстояния до корня с расстоянием до корня своего корневого порта. Если у своего порта это расстояние меньше принятых, то это значит, что он является назначенным портом. Все порты, кроме назначенных переводятся в заблокированное состояние и на этом построение покрывающего дерева заканчивается.
В процессе нормальной работы корневой коммутатор продолжает генерировать служебные кадры, а остальные коммутаторы продолжают их принимать своими корневыми портами и ретранслировать назначенными. Если у коммутатора нет назначенных портов, то он все равно принимает служебные кадры корневым портом. Если по истечении тайм-аута корневой порт не получает служебный кадр, то он инициализирует новую процедуру построения покрывающего дерева.
Некоторые производители применяют в своих коммутаторах приемы управления потоком кадров, отсутствующие в стандартах протоколов локальных сетей, для предотвращения потерь кадров при перегрузках.
Рис. 4.13. Чередование передач кадров при обмене данными через коммутатор
На рисунке 4.13 приведен пример обмена кадрами между коммутатором и портом сетевого адаптера компьютера в режиме пиковой загрузки коммутатора. Коммутатор не успевает передавать кадры из буфера передатчика Tx, так как при нормальном полудуплексном режиме работы передатчик должен часть времени простаивать, ожидая, пока приемник не примет очередной кадр от компьютера.
Так как потери, даже небольшой доли кадров, обычно намного снижают полезную производительность сети, то при перегрузке коммутатора рационально было бы замедлить интенсивность поступления кадров от конечных узлов в приемники коммутатора, чтобы дать возможность передатчикам разгрузить свои буфера с более высокой скоростью. Алгоритм чередования передаваемых и принимаемых кадров (frame interleave) должен быть гибким и позволять компьютеру в критических ситуациях на каждый принимаемый кадр передавать несколько своих, причем не обязательно снижая при этом интенсивность приема до нуля, а просто уменьшая ее до необходимого уровня.
Для реализации такого алгоритма в распоряжении коммутатора должен быть механизм снижения интенсивности трафика подключенных к его портам узлов. У некоторых протоколов локальных сетей, таких как FDDI, Token Ring или 100VG-AnyLAN имеется возможность изменять приоритет порта и тем самым давать порту коммутатора преимущество перед портом компьютера. У протоколов Ethernet и Fast Ethernet такой возможности нет, поэтому производители коммутаторов для этих очень популярных технологий используют два приема воздействия на конечные узлы.
Эти приемы основаны на том, что конечные узлы строго соблюдают все параметры алгоритма доступа к среде, а порты коммутатора - нет.
Первый способ "торможения" конечного узла основан на так называемом агрессивном поведении порта коммутатора при захвате среды после окончания передачи очередного пакета или после коллизии. Эти два случая иллюстрируются рисунком 4.14.
Рис. 4.14. Агрессивное поведение коммутатора при перегрузках буферов
В первом случае коммутатор окончил передачу очередного кадра и вместо технологической паузы в 9.6 мкс сделал паузу в 9.1 мкс и начал передачу нового кадра. Компьютер не смог захватить среду, так как он выдержал стандартную паузу в 9.6 мкс и обнаружил после этого, что среда уже занята.
Во втором случае кадры коммутатора и компьютера столкнулись и была зафиксирована коллизия. Так как компьютер сделал паузу после коллизии в 51.2 мкс, как это положено по стандарту (интервал отсрочки равен 512 битовых интервалов), а коммутатор - 50 мкс, то и в этом случае компьютеру не удалось передать свой кадр.
Коммутатор может пользоваться этим механизмом адаптивно, увеличивая степень своей агрессивности по мере необходимости.
Второй прием, которым пользуются разработчики коммутаторов - это передача фиктивных кадров компьютеру в том случае, когда у коммутатора нет в буфере кадров для передачи по данному порту. В этом случае коммутатор может и не нарушать параметры алгоритма доступа, честно соревнуясь с конечным узлом за право передать свой кадр. Так как среда при этом равновероятно будет доставаться в распоряжение то коммутатору, то конечному узлу, то интенсивность передачи кадров в коммутатор в среднем уменьшится вдвое. Такой метод называется методом обратного давления (backpressure). Он может комбинироваться с методом агрессивного захвата среды для большего подавления активности конечного узла.
Метод обратного давления используется не для того, чтобы разгрузить буфер процессора порта, непосредственно связанного с подавляемым узлом, а разгрузить либо общий буфер коммутатора (если используется архитектура с разделяемой общей памятью), либо разгрузить буфер процессора другого порта, в который передает свои кадры данный порт. Кроме того, метод обратного давления может применяться в тех случаях, когда процессор порта не рассчитан на поддержку максимально возможного для протокола трафика. Один из первых примеров применения метода обратного давления как раз связан с таким случаем - метод был применен компанией LANNET в модулях LSE-1 и LSE-2, рассчитанных на коммутацию трафика Ethernet с максимальной интенсивностью соответственно 1 Мб/с и 2 Мб/с.
Многие коммутаторы позволяют администраторам задавать дополнительные условия фильтрации кадров наряду со стандартными условиями их фильтрации в соответствии с информацией адресной таблицы. Пользовательские фильтры предназначены для создания дополнительных барьеров на пути кадров, которые ограничивают доступ определенных групп пользователей к определенным сервисам сети.
Если коммутатор не поддерживает протоколы сетевого и транспортного уровней, в которых имеются поля, указывающие к какому сервису относятся передаваемые пакеты, то администратору приходится для задания условий интеллектуальной фильтрации определять поле, по значению которого нужно осуществлять фильтрацию, в виде пары "смещение-размер" относительно начала поля данных кадра канального уровня. Поэтому, например, для того, чтобы запретить некоторому пользователю печатать свои документы на определенном принт-сервере NetWare, администратору нужно знать положение поля "номер сокета" в пакете IPX и значение этого поля для принт-сервиса, а также знать МАС-адреса компьютера пользователя и принт-сервера.
Обычно условия фильтрации записываются в виде булевских выражений, формируемых с помощью логических операций AND и OR.
Наложение дополнительных условий фильтрации может снизить производительность коммутатора, так как вычисление булевских выражений требует проведения дополнительных вычислений процессорами портов.
Кроме условий общего вида коммутаторы могут поддерживать специальные условия фильтрации. Одним из очень популярных видов специальных фильтров являются фильтры, создающие виртуальные сегменты. Они рассматриваются в разделе 4.3.7 отдельно в виду их особого значения.
Специальным является и фильтр, используемый многими производителями для защиты сети, построенной на основе коммутаторов.
На возможности реализации дополнительных функций существенно сказывается способ передачи пакетов - "на лету" или с буферизацией. Как показывает следующая таблица, большая часть дополнительных функций коммутатора требует полной буферизации кадров перед их выдачей через порт назначения в сеть.
| Функция | На лету | С буферизацией | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Защита от плохих кадров | Нет | Да | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Поддержка разнородных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM) | Нет | Да | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Задержка передачи пакетов | Низкая (10 - 40 мкс) при низкой нагрузке, средняя при высокой нагрузке | Средняя при любой нагрузке |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Поддержка резервных связей | Нет | Да | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Функция анализа трафика | Нет | Да | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Средняя величина задержки коммутаторов работающих "на лету" при высокой нагрузке объясняется тем, что в этом случае выходной порт часто бывает занят приемом другого пакета, поэтому вновь поступивший пакет для данного порта все равно приходится буферизовать.
Коммутатор, работающий "на лету", может выполнять проверку некорректности передаваемых кадров, но не может изъять плохой кадр из сети, так как часть его байт (и, как правило, большая часть) уже переданы в сеть. В то же время при небольшой загрузке коммутатор, работающий "на лету", существенно уменьшает задержку передачи кадра, а это может быть важным для чувствительного к задержкам трафика. Поэтому некоторые производители, например Cisco, применяют механизм адаптивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора - коммутация "на лету", но коммутатор постоянно контролирует трафик и при превышении интенсивности появления плохих кадров некоторого порога переходит на режим полной буферизации.
Эта функция позволяет администратору назначить различным типам кадров различные приоритеты их обработки. При этом коммутатор поддерживает несколько очередей необработанных кадров и может быть сконфигурирован, например, так, что он передает один низкоприоритетный пакет на каждые 10 высокоприоритетных пакетов. Это свойство может особенно пригодиться на низкоскоростных линиях и при наличии приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам.
Так как не все протоколы канального уровня поддерживают поле приоритета кадра, например, у кадров Ethernet оно отсутствует, то коммутатор должен использовать какой-либо дополнительный механизм для связывания кадра с его приоритетом. Наиболее распространенный способ - приписывание приоритета портам коммутатора. При этом способе коммутатор помещает кадр в очередь кадров соответствующего приоритета в зависимости от того, через какой порт поступил кадр в коммутатор. Способ несложный, но недостаточно гибкий - если к порту коммутатора подключен не отдельный узел, а сегмент, то все узлы сегмента получают одинаковый приоритет. Примером подхода к назначению классов обслуживания на основе портов является технология PACE компании 3Com.
Более гибким является назначение приоритетов МАС-адресам узлов, но этот способ требует выполнения большого объема ручной работы администратором.
|
|
 |
