Доклад: Коммутаторы Ethernet
Работа маршрутизаторов зависит от сетевых протоколов и определяется связанной с протоколом информацией, передаваемой в пакете. Подобно мостам, маршрутизаторы не передают адресату фрагменты пакетов при возникновении коллизий. Маршрутизаторы сохраняют пакет целиком в своей памяти прежде, чем передать его адресату, следовательно, при использовании маршрутизаторов пакеты передаются с задержкой. Маршрутизаторы могут обеспечивать полосу, равную пропускной способности канала, однако для них характерно наличие внутренней блокировки. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов маршрутизаторы изменяют все передаваемые пакеты.
Резюме
Основные различия между сетевыми устройствами показаны в таблице 2.
Таблица 2.
| Характеристика | Повторитель Ethernet | Коммутатор Ethernet | Мост | Маршрутизатор |
| Стоимость порта | $75 - $200 | $250 - $2000 | $1000 - $3000 | $1000 - $5000 |
| Скорость передачи между портами | Скорость среды во всех случаях | До скорости передачи среды | До скорости передачи среды | До скорости передачи среды |
| Суммарная полоса | 10 Мбит/сек | Высокая | Высокая | Высокая |
| Задержка при передаче между портами Ethernet | < 3 мксек (коммутация на лету) | < 40 мксек (для устройств с буферизацией зависит от размера пакета) | 50 - 1500 мксек | 50 - 1500 мксек (в зависимости от протокола задержка может возрастать) |
| Решение о передаче на основе аппаратных адресов | - | + | + | - |
| Независимость от протокола | + | + | + | - |
| Изменение пакетов Ethernet | - | - | - | + |
| Стандарт IEEE | 802.3 | 802.1 |
Классы коммутаторов Ethernet
Хотя все коммутаторы имеют много общего, целесообразно разделить их на два класса, предназначенных для решения разных задач.
Коммутаторы для рабочих групп
Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединении любой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. Если порты имеют одинаковую скорость, получатель пакета должен быть свободен, чтобы не возникло блокировки.
Поддерживая на каждый порт по крайней мере то число адресов, которые могут присутствовать в сегменте, коммутатор обеспечивает для каждого порта выделенную полосу 10 Mbps. Каждый порт коммутатора связан с уникальным адресом подключенного к данному порту устройства Ethernet.
Рисунок 7
Физическое соединение "точка-точка" между коммутаторами рабочих групп и узлами 10Base-T обычно выполняется неэкранированным кабелем на основе скрученных пар, а в узлах сети устанавливается оборудование, соответствующее стандарту 10Base-T.
Коммутаторы рабочих групп могут работать со скоростью 10 или 100 Mbps для различных портов. Такая возможность снижает уровень блокировки при попытке организации нескольких соединений клиентов 10 Mbps с одним скоростным портом. В рабочих группах с архитектурой клиент-сервер несколько клиентов 10 Mbps могут обращаться к серверу, подключенному к порту 100 Mbps. В показанном на рисунке 8 примере три узла 10 Mbps одновременно обращаются к серверу через порт 100 Mbps. Из полосы 100 Mbps, доступной для доступа к серверу, используется 30 Mbps, а 70 Mbps доступно для одновременного подключения к серверу еще семи устройств 10 Mbps через виртуальные каналы.
Рисунок 8
Поддержка различных скоростей полезна также для объединения групповых коммутаторов Ethernet с использованием концентраторов 100 Mbps Fast Ethernet (100Base-T) в качестве локальных магистралей (local backbone). В показанной на рисунке 9 конфигурации коммутаторы, поддерживающие скорости 10 Mbps и 100 Mbps подключены к концентратору 100 Mbps. Локальный трафик остается в пределах рабочей группы, а остальной трафик передается в сеть через концентратор 100 Mbps Ethernet.
Рисунок 9
Для подключения к повторителю 10 или 100 Mbps коммутатор должен иметь порт, способный работать с большим числом адресов Ethernet.
Основным преимуществом коммутаторов для рабочих групп является высокая производительность сети на уровне рабочей группы за счет предоставления каждому пользователю выделенной полосы канала (10 Mbps). Кроме того, коммутаторы снижают (в пределе до нуля) количество коллизий - в отличие от магистральных коммутаторов, описанных ниже, коммутаторы рабочих групп, не будут передавать коллизионные фрагменты адресатам. Коммутаторы для рабочих групп позволяют полностью сохранить сетевую инфраструктуру со стороны клиентов, включая программы, сетевые адаптеры, кабели. Стоимость коммутаторов для рабочих групп в расчете на один порт сегодня сравнима с ценами портов управляемых концентраторов.
Магистральные коммутаторы
Магистральные коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачи среды между парой незанятых сегментов Ethernet. Если скорость портов для отправителя и получателя совпадают, сегмент получателя должен быть свободен во избежание блокировки.
Рисунок 10
На уровне рабочей группы каждый узел разделяет полосу 10 Mbps с другими узлами в том же сегменте. Пакет, адресованный за пределы данной группы, будет передан магистральным коммутатором как показано на рисунке 10. Магистральный коммутатор обеспечивает одновременную передачу пакетов со скоростью среды между любыми парами своих портов. Подобно коммутаторам для рабочих групп, магистральные коммутаторы могут поддерживать различную скорость для своих портов. Магистральные коммутаторы могут работать с сегментами 10Base-T и сегментами на основе коаксиального кабеля. В большинстве случаев использование магистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способ повышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами.
Рисунок 11
Основным недостатком при работе с магистральными коммутаторами является то, что на уровне рабочих групп пользователи работают с разделяемой средой, если они подключены к сегментам, организованным на основе повторителей или коаксиального кабеля. Более того, время отклика на уровне рабочей группы может быть достаточно большим. В отличие от узлов, подключенных к портам коммутатора, для узлов, находящихся в сегментах 10Base-T или сегментах на основе коаксиального кабеля полоса 10 Mbps не гарантируется и они зачастую вынуждены ждать, пока другие узлы не закончат передачу своих пакетов. На уровне рабочей группы по прежнему сохраняются коллизии, а фрагменты пакетов с ошибками будут пересылаться во все сети, подключенные к магистрали. Перечисленных недостатков можно избежать, если на уровне рабочих групп использовать коммутаторы взамен хабов 10Base-T. В большинстве ресурсоемких приложений коммутатор 100 Mbps может выполнять роль скоростной магистрали для коммутаторов рабочих групп с портами 10 и 100 Mbps, концентраторами 100 Mbps и серверами, в которых установлены адаптеры Ethernet 100 Mbps.
Сравнение возможностей
Основные свойства коммутаторов Ethernet приведены в таблице 3:
Таблица 3
| Характеристика | Коммутатор для рабочей группы | Магистральный коммутатор |
| Число узлов на порт | 1 | > 1 |
| Выделенная полоса для отдельного узла | + | - |
| Установка и конфигурирование | Простое | Средней сложности |
| Совместимость с существующими адаптерами, кабелями и программами | + | + |
| Соединение сегментов на основе коаксиального кабеля и витой пары | - | + |
| Отсутствие коллизий на уровне рабочей группы | + | - |
| При коммутации с буферизацией коллизии не передаются в другие сегменты | + | - |
| Безопасность | Высокий уровень | Средний уровень |
| Поддержка различных скоростей | Доступна | Доступна |
| Основные применения | Повышение производительности рабочих групп 10Base-T | Альтернатива мостам и маршрутизаторам для сегментирования сетей. Соединение коммутаторов рабочих групп. |
Преимущества коммутаторов Ethernet
Ниже перечислены основные преимущества использования коммутаторов Ethernet:
- Повышение производительности за счет высокоскоростных соединений между сегментами Ethernet (магистральные коммутаторы) или узлами сети (коммутаторы для рабочих групп). В отличие от разделяемой среды Ethernet коммутаторы позволяют обеспечить рост интегральной производительности при добавлении в сеть пользователей или сегментов.
- Снижение числа коллизий, особенно в тех случаях, когда каждый пользователь подключен к отдельному порту коммутатора.
- Незначительные расходы при переходе от разделяемой среды к коммутируемой за счет сохранения существующей инфраструктуры 10 Mbps Ethernet (кабели, адаптеры, программы).
- Повышение безопасности за счет передачи пакетов только в тот порт, к которому подключен адресат.
- Малое и предсказуемое время задержки за счет того, что полосу разделяет небольшое число пользователей (в идеале - один)
Применение коммутаторов
Объединение концентраторов 10Base-T с помощью магистрального коммутатора
Магистральные коммутаторы прежде всего используются в качестве недорогой альтернативы многопротокольным маршрутизаторам для сегментирования сети. Например, при добавление в сеть, уже содержащую 100 узлов, некоторого количества производительных станций, работа этих станций в сети будет казаться замедленной. Выходом из положения может быть деление сети на несколько сегментов с использование магистрального коммутатора для связи этих сегментов.
Рисунок 12
В приведенном на рисунке 12 примере интегральная пропускная способность составляет 40 Mbps (четыре сегмента 10 Mbps Ethernet). В такой ситуации можно использовать для сегментирования и мультипротокольный маршрутизатор, однако это будет дороже и сложнее. Если основной задачей является повышение производительности сети, установка коммутатора обеспечит наиболее простое и эффективное решение.
Выделенная полоса для каждого пользователя
Магистральные коммутаторы обеспечивают эффективное сегментирование сети, а коммутаторы для рабочих групп способны предоставить каждому пользователю всю полосу среды. Следовательно, коммутаторы для рабочих групп позволяют значительно повысить производительность работы каждого пользователя в группе и избавить от коллизий. Повышение производительности и снижение времени отклика обеспечивают гигантские преимущества по сравнению с использованием разделяемой среды.
Рисунок 13
Рабочие группы с несколькими серверами
Если все узлы подключены к концентратору 10Base-T производительность будет невысокой за счет частых случаев одновременного обращения нескольких пользователей к одному серверу. Замена хаба 10Base-T коммутатором для рабочей группы может существенно повысить производительность работы группы.
Рабочие группы с архитектурой клиент-сервер
Для рабочих групп, где большая часть трафика связана с одним узлом (сервер) существенно повысить производительность можно за счет использования коммутатора, имеющего порты, работающие с более высокой скоростью, нежели скорость клиентов В таком случае сервер подключается к порту 100 Mbps, что позволяет избавиться от пробок при одновременном обращении к серверу нескольких пользователей (см. рисунок 8). Используя порт 100 Mbps для подключения сервера, можно обеспечить десять одновременных подключений со скоростью 10 Mbps. Порт 100 Mbps можно также использовать для подключения к магистральному коммутатору или концентратору 100 Mbps.
Объединение коммутаторов рабочих групп и корпоративных серверов
Создание больших сетей Ethernet на базе коммутаторов для рабочих групп требует организации скоростного соединения коммутаторов между собой. Кроме того, целесообразно организовать скоростную магистраль для доступа к серверам, используемым всеми рабочими группами сети. Для организации такой магистрали можно использовать коммутаторы или хабы 100 Mbps Ethernet, к портам которых подключаются коммутаторы рабочих групп как это показано на рисунке 14.
Рисунок 14
В нашем примере рабочие станции имеют выделенную полосу 10 Mbps для доступа к серверам через коммутатор рабочей группы и концентратор 100 Mbps Ethernet. Концентратор 100Base-T и корпоративные серверы обычно располагаются в одном помещении, а коммутаторы рабочих групп устанавливаются вблизи этих групп и соединяются с хабом стандартными кабелями.
Заключение
Коммутация Ethernet является недорогой высокопроизводительной технологией модернизации существующих сетей 10 Mbps Ethernet. Коммутатор является достойной альтернативой многопротокольным маршрутизаторам для деление больших сетей на несколько сегментов. Коммутаторы для рабочих групп предоставляют выделенную полосу каждому пользователю и, по сути, являются единственным эффективным способом модернизации сетей 10Base-T. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт сегодня сравнима с ценой порта в сегментируемом наращиваемом концентраторе. При использовании вместе с магистралями 100 Mbps коммутаторы для рабочих групп позволяют организовать большие высокопроизводительные сети. Для организации эффективных магистралей 100 Mbps следует использовать коммутаторы 100 Mbps Ethernet, известные также как Fast Ethernet и 100Base-T. Коммутаторы можно использовать без внесения каких-либо изменений в существующие кабельные системы 10Base-T, оборудование рабочих станций и т.п., что позволяет значительно снизить расходы на модернизацию сетей.