Ethernet-коммутация

Если сеть Ethernet начинает демонстрировать симптомы перегруженности: низкую пропускную способность, большое время ответа, высокую вероятность коллизий - рефлекторно возникает желание запланировать инсталляцию проникающих сегодня всюду высокоскоростных соединений. Однако необязательно делать огромные инвестиции в технологии Fiber Distributed Data Interface (FDDI) или Asynchronous Transfer Mode (ATM).

Сегодня имеется несколько подходов, которые позволяют сохранить большую часть имеющегося сетевого кабельного хозяйства и интерфейсных карт, но при этом во много раз увеличивают пропускную способность, даже если компания собирается использовать такие приложения, как мультимедиа и видеоконференции. Самые многообещающие методы, позволяющие получить наилучшую отдачу от капиталовложений, состоят в инсталляции правильной комбинации Ethernet-коммутаторов.

Ethernet-коммутатор - это, по сути, многопортовый мост. Он имеет дело со вторым уровнем в модели ISO, содержащим информацию об управлении доступом к среде (MAC - media access control). Он узнает MAC-адреса источника, соответствующие каждому из портов; "ручное" администрирование либо крайне ограничено, либо исключено полностью.

Когда кадр поступает в порт, коммутатор исследует его MAC-адрес назначения. Если адрес находится в том же сегменте, что и источник, коммутатор отфильтровывает кадр - другими словами, игнорирует его и никуда не передает. Если поддерживаемая коммутатором база данных адресов ассоциирует назначение с другим портом, кадр продвигается (или передается) в этот порт. Если назначение кадра неизвестно, коммутатор передает его на каждый порт за исключением того, на который он поступил.

Подобно мостам, коммутаторы отделяют трафик одного порта от трафиков других. Кроме того, те, кто производят особенно значительный трафик, например, программисты, пользователи систем САПР, производители мультимедиа и им подобные могут быть изолированы вместе с их серверами от более непритязательных пользователей. Последним больше не придется ожидать первых, а первым, если это потребуется, может быть предоставлена выделенная полоса 10 Мб/сек или даже больше.

Не следует думать, однако, что коммутатор - этот тот же мост, который добивается коммерческих успехов под новым именем; нынешнее поколение коммутаторов обладает над вчерашними мостами и техническими преимуществами.

В коммутаторах часто имеется высокопроизводительная объединительная панель, которая может обеспечивать очень большую пропускную способность - равную числу путей через маршрутизатор, помноженному на пропускную способность каждого пути - от 60 Мб/сек для 12-портового 10BaseT-коммутатора до многих гигабайт в секунду для крупных коммутаторов со 100 Мб/сек портами. В отличие от традиционных мостов оптимальная расстановка коммутаторов может обеспечить суммирование общей пропускной способности; когда все работает, как следует, каждый дополнительный коммутатор может увеличивать общую производительность системы.

Кроме того, коммутаторы могут использовать всякие хитрости, чтобы преодолеть некоторые из недостатков, присущих мостам. Некоторые коммутаторы прочитывают заголовки кадров и определяют протокол сетевого уровня. Пользуясь этой информацией, коммутатор может выборочно фильтровать определенные протоколы из соображений безопасности или производительности.

Другие коммутаторы творчески подходят к определению размеров буферов, стараясь бороться с явлением, известным как блокировка, когда одни пути сталкиваются с невозможностью завершить начатую работу или с задержками, несмотря на то, что доступны альтернативные пути. Успехи технологии Application Specific Integrated Circuit (ASIC) должны поддержать производительность коммутирующих устройств.

РАЗДЕЛЯЕМЫЕ 10 МБ/СЕК ПОРТЫ

Самые первые Ethernet-коммутаторы, представленные компанией Kalpana (Sunnyvale, CA, в настоящее время является подразделением Cisco Systems) в 1990 году, обладали допускающими разделение 10 Мб/сек портами. Коммутаторы Kalpana использовали методы коммутации "на лету" ("cut-through"); в отличие от традиционных мостов, которые можно было классифицировать как устройства с промежуточной буферизацией ("store-and-forward"), коммутаторы Kalpana начинали передавать кадр, как только они прочитывали и распознавали адрес назначения.

Коммутация на лету уменьшает время задержки при выполнении операции продвижения кадра до (приблизительно) 40 микросекунд по сравнению с 1200 микросекундами при промежуточной буферизации (см. рисунок). Задержка - это основной фактор для таких протоколов, как NetWare IPX, в которых велика доля покадрового подтверждения получения, но менее существенна для таких протоколов, как IP, где подтверждения организованы более эффективно. Коммутация на лету выглядит наилучшим решением для популярных сетей NetWare.

Однако метод продвижения на лету может сохранять и усугублять некоторые проблемы. Устройства с промежуточной буферизацией используют поле CRC (cyclic redundancy check) для уточнения, что кадры имеют корректный формат; они отбрасывают коротышек (короткие кадры обычно образуются в результате коллизий) и слишком больших (очень длинные кадры иногда возникают из-за дефектных сетевых карт). При коммутации на лету плохие кадры пропускаются. Для коммутаторов этого типа длинные кадры часто напоминают кадры широковещания и могут размножаться в сети лавинообразно - если ничего не сделать, чтобы с ними справиться. Некоторые производители коммутаторов позволяют администраторам сетей самим выбрать между обработкой пакетов на лету и промежуточной буферизацией.

Разделяемые 10 Мб/сек коммутаторы не требуют никаких изменений в сети. Имеющиеся концентраторы, сетевые интерфейсные карты и кабели используются прозрачным образом.

Интересные варианты этого класса коммутаторов производятся компаниями Matrox (Dorval, Qubec) и XNet Technology (Milpitas, CA). Эти коммутаторы - просто карты, которые подключаются к шине ISA или EISA персонального компьютера и предоставляют до 16 портов с очень низкой ценой за порт по сравнению с автономным портом.

ВЫДЕЛЕННЫЕ 10 МБ/СЕК ПОРТЫ

Рабочие группы с большим числом пользователей, имеющих высокие требования к пропускной способности, могут заинтересоваться классом Ethernet-коммутаторов, пионером которого была Grand Junction Networks (Fremont, CA). Данные коммутаторы так сегментируют сеть, чтобы каждому узлу достался собственный порт. Каждый пользователь или устройство в таком коммутаторе имеет выделенное, свободное от коллизий 10 Мб/сек соединение с любым другим узлом. Благодаря упрощениям, вытекающим из того, что сегменты становятся неразделяемыми, подобные коммутаторы рабочих групп стоят намного меньше, чем коммутаторы, поддерживающие много MAC-адресов на каждый порт.

Подобно коммутаторам с разделяемыми 10 Мб/сек портами, коммутаторы с выделенными портами используют уже имеющиеся сетевые интерфейсные карты, кабели и концентраторы. Однако ни один из портов не может разделяться несколькими пользователями.

ПОЛНОДУПЛЕКСНЫЕ ПОРТЫ И 10 МБ/СЕК ПОРТЫ

Выделенное Ethernet-соединение не нуждается в том, чтобы заботиться о коллизиях, поскольку отсутствует иной источник трафика, который мог бы с ним конфликтовать. Поэтому такое соединение свободно может в одно и то же время получать и передавать; другими словами, оно может функционировать в полнодуплексном режиме, а не в обычном полудуплексном. Если входящий или выходящий трафики полностью сбалансированы, пропускная способность может достигать 20 Мб/сек.

На первый взгляд, преимущество работы в полнодуплексном режиме выглядит незначительным, поскольку большинство приложений рабочих станций, как кажется, получают намного больший трафик, чем отправляют; "дополнительный" канал будет почти все время простаивать. Но в большинстве сетей имеется еще и значительный невидимый трафик, связанный с подтверждением приема и вспомогательными действиями; поэтому, если дополнительная стоимость полнодуплексных карт и коммутаторов невелика, такое приобретение может оказаться полезным.

Во всяком случае, трафик между сервером и коммутатором выглядит более сбалансированным между приемом и передачей, и дополнительная стоимость карты для сервера и одного-двух полнодуплексных портов в коммутаторе выглядит более разумной, чем дооборудование рабочих станций средствами поддержки полнодуплексного режима. Полнодуплексные же подключения рабочих станций могут быть эффективными по цене для видеоконференций, которые в нормальной ситуации производят симметричный трафик в обоих направлениях.

Дополнительная опция для серверов в сетях NetWare состоит в соединении с коммутатором сразу нескольких интерфейсных карт сервера, полнодуплексных или полудуплексных. Для такого решения в сервере требуется специальный модуль NLM, балансирующий трафик между сетевыми картами и пересиливающий нежелание NetWare разрешить несколько соединений с сервером для одного и того же сегмента сети. Первыми компаниями, которые представили такие дополнения к NetWare, были Network Specialists (Lyndhurst, NY) и Kalpana.

КОММУТАТОРЫ С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ ПОРТАМИ

Если полнодуплексные или комбинированные 10 Мб/сек соединения с сервером (или магистралью) не устраняют узких мест, следующим шагом может быть добавление к коммутатору по крайней мере одного 100 Мб/сек порта. FDDI - зрелая, стандартизованная, широко распространенная технология. Одними из лидеров в комбинировании в коммутаторах технологий FDDI и Ethernet являются компании NetWorth (Irving, TX) и 3Com (Santa Clara, CA).

Для высокоскоростного соединения с сервером или магистралью альтернативой FDDI может быть 100BaseT Fast Ethernet. Grand Junction представила продукт с 24 выделенными 10 Мб/сек портами и двумя портами 100BaseT. Теоретически 100BaseT-коммутатор может превзойти коммутатор на базе FDDI, поскольку ему не потребуется выполнять функции транслирующего моста между FDDI и Ethernet.

Коммутаторы, включающие высокоскоростные порты, не требуют замены сетевых интерфейсных карт и проводки, с помощью которых присоединены рабочие станции и принтеры. Модернизация необходима только для серверов, маршрутизаторов, других коммутаторов, а также рабочих станций, требующих пропускной способности 100 Мб/сек.