Коммутаторы пакетов

Технологии локальных сетей
Ethernet
Token Ring, FDDI
Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN
Gigabit Ethernet
–

Технологии локальных сетей
Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN, 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 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
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
SFD – ограничитель длины кадра
L – двухбайтовое поле (длина поля данных)
T – двухбайтовое поле (тип кадра)

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
λ = 1/t - интенсивность поступления заявок-пакетов в обслуживающий прибор,
скорость поступления данных λ x C
μ = 1/b - интенсивность выхода заявок-пакетов из обслуживающего прибора,
b - среднее время продвижения пакета
ρ = λ/μ - 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-λt и экспоненциальном распределении времени обслуживания
B(x)=1-e-μx
среднее время ожидания W равно
W = ρb/(1 − ρ)

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

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) - центральными 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, IPX)
Только древовидная топология сети

Мосты
(transparent bridge)

Структура моста

Таблица 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

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

Реализация коммутаторов
2. Общая шина

Реализация коммутаторов
3. Разделяемая память

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

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