Embora todos os switches tenham muito em comum, faz sentido dividi-los em duas classes projetadas para resolver problemas diferentes.

Interruptores de grupo de trabalho

Os switches de grupo de trabalho fornecem largura de banda dedicada ao conectar qualquer par de nós conectados às portas do switch. Se as portas tiverem a mesma velocidade, o destinatário do pacote deve estar livre para evitar o bloqueio.

Ao suportar pelo menos tantos endereços por porta quantos podem estar presentes em um segmento, o switch fornece uma largura de banda dedicada de 10 Mbps por porta. Cada porta do switch está associada a um endereço exclusivo do dispositivo Ethernet conectado a essa porta.

A conexão física ponto a ponto entre os switches do grupo de trabalho e os nós 10Base-T é normalmente feita com cabo de par trançado não blindado, e equipamentos compatíveis com 10Base-T são instalados nos nós da rede.

Os switches de grupo de trabalho podem operar a 10 ou 100 Mbps para diferentes portas. Esse recurso reduz o nível de bloqueio ao tentar estabelecer várias conexões de cliente de 10 Mbps na mesma porta de alta velocidade. Em grupos de trabalho cliente-servidor, vários clientes de 10 Mbps podem acessar um servidor conectado a uma porta de 100 Mbps. No exemplo mostrado na Figura 8, três nós de 10 Mbps acessam o servidor ao mesmo tempo em uma porta de 100 Mbps. Da largura de banda de 100 Mbps disponível para acesso ao servidor, 30 Mbps são usados ​​e 70 Mbps estão disponíveis para conexão simultânea ao servidor de mais sete dispositivos de 10 Mbps via canais virtuais.

O suporte multivelocidade também é útil para agrupar switches Ethernet usando hubs Fast Ethernet de 100 Mbps (100Base-T) como backbones locais. Na configuração mostrada na Figura 9, switches de 10 Mbps e 100 Mbps são conectados a um hub de 100 Mbps. O tráfego local permanece dentro grupo de trabalho, e o restante do tráfego é enviado para a rede por meio de um hub Ethernet de 100 Mbps.

Para se conectar a um repetidor de 10 ou 100 Mbps, o switch deve ter uma porta capaz de lidar com um grande número de endereços Ethernet.

A principal vantagem dos switches de grupo de trabalho é o alto desempenho da rede no nível do grupo de trabalho, fornecendo a cada usuário uma largura de banda de canal dedicada (10 Mbps). Além disso, os switches reduzem (até zero) o número de colisões - ao contrário dos switches de backbone descritos abaixo, os switches de grupo de trabalho não transmitirão fragmentos de colisão aos destinatários. Os switches de grupo de trabalho permitem que você salve completamente a infraestrutura de rede do lado do cliente, incluindo programas, adaptadores de rede, cabos. Os switches de grupo de trabalho custam por porta hoje comparável às portas de hub gerenciadas.

Switches de backbone

Os switches de backbone fornecem uma conexão de velocidade média entre um par de segmentos Ethernet ociosos. Se as velocidades de porta do remetente e do destinatário forem as mesmas, o segmento de destino deve estar livre para evitar bloqueio.

No nível do grupo de trabalho, cada nó compartilha uma largura de banda de 10 Mbps com outros nós no mesmo segmento. Um pacote destinado fora deste grupo será encaminhado pelo switch backbone conforme mostrado na Figura 10. O switch backbone fornece transmissão simultânea de pacotes na taxa de mídia entre qualquer par de suas portas. Assim como os switches de grupo de trabalho, os switches de backbone podem suportar velocidades diferentes para suas portas. Os switches de backbone podem trabalhar com segmentos 10Base-T e segmentos baseados em cabo coaxial. Na maioria dos casos, o uso de switches de backbone fornece uma solução mais simples e método eficaz melhorar o desempenho da rede em comparação com roteadores e pontes.

A principal desvantagem ao trabalhar com switches de backbone é que, no nível do grupo de trabalho, os usuários trabalham com um ambiente compartilhado se estiverem conectados a segmentos organizados com base em repetidores ou cabo coaxial. Além disso, o tempo de resposta no nível do grupo de trabalho pode ser bastante longo. Ao contrário de hosts conectados a portas de switch, hosts em segmentos 10Base-T ou coaxiais não têm largura de banda garantida de 10 Mbps e geralmente precisam esperar até que outros hosts terminem de transmitir seus pacotes. No nível do grupo de trabalho, as colisões ainda são preservadas e os fragmentos de pacotes com erros serão encaminhados para todas as redes conectadas ao backbone. Essas deficiências podem ser evitadas se os switches forem usados ​​no nível do grupo de trabalho em vez de hubs 10Base-T. Na maioria dos aplicativos com uso intensivo de recursos, um switch de 100 Mbps pode atuar como um backbone de alta velocidade para switches de grupo de trabalho com portas de 10 e 100 Mbps, hubs de 100 Mbps e servidores que possuem adaptadores Ethernet de 100 Mbps instalados.

Comparação de recursos

As principais propriedades dos switches Ethernet são mostradas na tabela:

Benefícios dos Switches Ethernet

As principais vantagens do uso de switches Ethernet estão listadas abaixo:
Aumente a produtividade com conexões de alta velocidade entre segmentos Ethernet (switches de backbone) ou nós de rede (switches de grupo de trabalho). Em contraste com um ambiente Ethernet compartilhado, os switches permitem que o desempenho integrado cresça à medida que usuários ou segmentos são adicionados à rede.
Colisões reduzidas, especialmente quando cada usuário está conectado a uma porta de switch diferente.
Minimize o custo de migração de um ambiente compartilhado para um ambiente comutado mantendo a infraestrutura Ethernet de 10 Mbps existente (cabos, adaptadores, software).
Aumente a segurança encaminhando pacotes apenas para a porta à qual o destino está conectado.
Latência baixa e previsível devido ao fato de a banda ser compartilhada por um pequeno número de usuários (idealmente um).

Comparação de dispositivos de rede

Repetidores

Os repetidores Ethernet, no contexto das redes 10Base-T, muitas vezes chamados de hubs ou hubs, operam de acordo com o padrão IEEE 802.3. O repetidor simplesmente encaminha os pacotes recebidos para todas as suas portas, independentemente do destino.

Embora todos os dispositivos conectados ao repetidor Ethernet (incluindo outros repetidores) "vejam" todo o tráfego da rede, somente o nó ao qual ele está endereçado deve receber o pacote. Todos os outros nós devem ignorar este pacote. alguns dispositivos de rede (por exemplo, analisadores de protocolo) operam com base em que o meio de rede (como Ethernet) é público e analisam todo o tráfego de rede. Para alguns ambientes, no entanto, a capacidade de cada nó de ver todos os pacotes é inaceitável por motivos de segurança.

Do ponto de vista do desempenho, os repetidores simplesmente transmitem pacotes usando toda a largura de banda do link. O atraso introduzido pelo repetidor é muito pequeno (de acordo com IEEE 802.3 - menos de 3 microssegundos). As redes que contêm repetidores têm uma largura de banda de 10 Mbps semelhante a um segmento de cabo coaxial e são transparentes para a maioria protocolos de rede como TCP/IP e IPX.

Pontes

As pontes operam de acordo com o padrão IEEE 802.1d. Como os switches Ethernet, as pontes são independentes de protocolo e encaminham pacotes para a porta à qual o destino está conectado. No entanto, ao contrário da maioria dos switches Ethernet, as bridges não encaminham fragmentos de pacotes em colisões ou pacotes de erro porque todos os pacotes são armazenados em buffer antes de serem encaminhados para a porta de destino. O buffer de pacotes (armazenar e encaminhar) introduz latência em comparação com a comutação em tempo real. As pontes podem fornecer desempenho igual à taxa de transferência do meio, mas o bloqueio interno as torna um pouco mais lentas.

Roteadores

A operação dos roteadores depende dos protocolos de rede e é determinada pelas informações relacionadas ao protocolo transportadas no pacote. Assim como as pontes, os roteadores não encaminham fragmentos de pacotes para o destino quando ocorrem colisões. Os roteadores armazenam todo o pacote em sua memória antes de encaminhá-lo ao destino, portanto, ao usar roteadores, os pacotes são transmitidos com atraso. Os roteadores podem fornecer largura de banda igual à largura de banda do link, mas são caracterizados pela presença de bloqueio interno. Ao contrário de repetidores, pontes e switches, os roteadores modificam todos os pacotes transmitidos.

Resumo

As principais diferenças entre os dispositivos de rede são mostradas na Tabela 2.

Esta LAN é construída em switches, portanto, este capítulo aborda as principais características de desempenho dos switches.

As principais características de um switch que medem seu desempenho são:

• - velocidade de filtração (filtragem);
• - velocidade de roteamento (encaminhamento);
• - largura de banda (taxa de transferência);
• - atraso na transmissão do quadro.

Além disso, existem várias características de switch que têm o maior impacto sobre essas características de desempenho. Esses incluem:

• - tamanho do(s) buffer(s) de quadro;
• - desempenho do barramento interno;
• - desempenho do processador ou processadores;
• - tamanho da tabela de endereços interna.

A taxa de filtragem e o avanço do quadro são as duas principais características de desempenho do switch. Essas características são indicadores integrais, não dependem de como o switch é implementado tecnicamente.

A taxa de filtro determina a taxa na qual o switch executa as seguintes etapas de processamento de quadros:

• - receber um quadro em seu buffer;
• - Destruição do quadro, pois sua porta de destino é a mesma da porta de origem.

A taxa de encaminhamento determina a taxa na qual o switch executa as seguintes etapas de processamento de quadros:

• - receber um quadro em seu buffer;
• - visualização da tabela de endereços para encontrar a porta para o endereço de destino do quadro;
• - transmissão de quadros para a rede através da porta de destino encontrada na tabela de endereços.

Tanto a taxa de filtragem quanto a taxa de avanço são geralmente medidas em quadros por segundo. Se as características do switch não especificarem para qual protocolo e para qual tamanho de frame são dados os valores das taxas de filtragem e encaminhamento, então por padrão considera-se que esses indicadores são dados para o protocolo Ethernet e frames do tamanho mínimo, ou seja, quadros com comprimento de 64 bytes (sem preâmbulo), com campo de dados de 46 bytes. Se as taxas forem fornecidas para um protocolo específico, como Token Ring ou FDDI, elas também serão fornecidas para os quadros de comprimento mínimo desse protocolo (por exemplo, quadros de 29 bytes para o protocolo FDDI).

O uso de frames de comprimento mínimo como principal indicador da velocidade do switch é explicado pelo fato de que tais frames sempre criam o modo de operação mais difícil para o switch em comparação com frames de formato diferente com taxa de transferência igual dos dados do usuário transferidos . Portanto, ao testar um switch, o modo de comprimento mínimo de quadro é usado como o teste mais difícil, que deve verificar a capacidade do switch de trabalhar com a pior combinação de parâmetros de tráfego para ele. Além disso, para pacotes de comprimento mínimo, as velocidades de filtragem e encaminhamento têm um valor máximo, o que não é de pouca importância ao anunciar um switch.

Largura de banda switch é medido pelo número de dados do usuário transmitidos por unidade de tempo através de suas portas. Como o switch opera na camada de enlace de dados, para ele os dados do usuário são os dados que são transportados no campo de dados dos quadros de protocolo. camada de link- Ethernet, Token Ring, FDDI, etc. Valor máximo a largura de banda do switch é sempre alcançada em quadros comprimento máximo, já que neste caso a parcela dos custos de overhead para informações de overhead de frame é muito menor do que para frames de comprimento mínimo, e o tempo para o switch realizar operações de processamento de frame por um byte de informação de usuário é significativamente menor.

A dependência da taxa de transferência do switch no tamanho dos quadros transmitidos é bem ilustrada pelo exemplo do protocolo Ethernet, para o qual, ao transmitir quadros de comprimento mínimo, é alcançada uma taxa de transmissão de 14880 quadros por segundo e uma taxa de transferência de 5,48 Mbps , e ao transmitir quadros de comprimento máximo, uma taxa de transmissão de 812 quadros por segundo e uma largura de banda de 9,74 Mbps. A taxa de transferência cai quase pela metade ao alternar para quadros de comprimento mínimo, e isso sem levar em consideração o tempo perdido no processamento de quadros pelo switch.

O atraso de transmissão do quadro é medido como o tempo decorrido desde o momento em que o primeiro byte do quadro chega à porta de entrada do switch até o momento em que esse byte chega à porta de saída do switch. A latência é a soma do tempo gasto no buffer dos bytes do quadro, bem como o tempo gasto processando o quadro pelo switch - procurando a tabela de endereços, decidindo se filtrar ou encaminhar e obtendo acesso à mídia da porta de saída .

A quantidade de atraso introduzida pelo switch depende do modo de sua operação. Se a comutação for realizada "on the fly", os atrasos geralmente são pequenos e variam de 10 µs a 40 µs, e com buffer de quadro completo - de 50 µs a 200 µs (para quadros de comprimento mínimo).

O switch é um dispositivo multiportas, portanto, costuma-se fornecer todas as características acima (exceto o atraso de transmissão do quadro) em duas versões. A primeira opção é o desempenho total do switch com transmissão simultânea de tráfego por todas as suas portas, a segunda opção é o desempenho por uma porta.

Uma vez que com a transmissão simultânea de tráfego por várias portas, há um grande número de opções de tráfego que diferem no tamanho dos quadros no fluxo, na distribuição da intensidade média dos fluxos de quadros entre as portas de destino, nos coeficientes de variação na intensidade de fluxos de quadros, etc. etc., então, ao comparar os switches em termos de desempenho, é necessário levar em consideração para qual variante de tráfego os dados de desempenho publicados foram obtidos.

Estimativa do necessário desempenho geral trocar.

Idealmente, um switch instalado em uma rede transmite quadros entre os nós conectados às suas portas na taxa em que os nós geram esses quadros, sem introduzir atrasos adicionais e sem perder um único quadro. Na prática real, o switch sempre apresenta alguns atrasos na transmissão dos quadros, podendo também perder alguns quadros, ou seja, não entregá-los aos seus destinos. Devido a diferenças na organização interna modelos diferentes comutadores, é difícil prever como um determinado comutador transmitirá quadros de um determinado padrão de tráfego. O melhor critério ainda é a prática quando o switch é colocado em uma rede real, e os atrasos introduzidos por ele e o número de quadros perdidos são medidos.

Além da largura de banda elementos individuais switch, como processadores de porta ou um barramento compartilhado, o desempenho do switch é afetado por parâmetros do switch, como o tamanho da tabela de endereços e o tamanho do buffer compartilhado ou buffers de porta individuais.

Tamanho da tabela de endereços.

A capacidade máxima da tabela de endereços determina o número máximo de endereços MAC que o switch pode manipular ao mesmo tempo. Como os switches geralmente usam uma unidade de processador dedicada com sua própria memória para armazenar uma instância da tabela de endereços para executar as operações de cada porta, o tamanho da tabela de endereços para switches geralmente é fornecido por porta. As instâncias da tabela de endereços de diferentes módulos de processador não contêm necessariamente as mesmas informações de endereço - provavelmente não haverá tantos endereços duplicados, a menos que a distribuição de tráfego de cada porta seja completamente igual entre as outras portas. Cada porta armazena apenas os conjuntos de endereços usados ​​recentemente.

O valor do número máximo de endereços MAC que o processador da porta pode lembrar depende da aplicação do switch. Os comutadores de grupo de trabalho normalmente suportam apenas alguns endereços por porta, pois são projetados para formar microsegmentos. Os comutadores departamentais devem suportar várias centenas de endereços e os comutadores de backbone de rede até vários milhares, normalmente de 4K a 8K de endereços.

A capacidade insuficiente da tabela de endereços pode desacelerar o switch e inundar a rede com excesso de tráfego. Se a tabela de endereços do processador de porta estiver cheia e encontrar um novo endereço de origem em um pacote de entrada, ele deverá remover qualquer endereço antigo da tabela e colocar um novo em seu lugar. Esta operação em si levará algum tempo do processador, mas a principal perda de desempenho será observada quando um quadro chegar com um endereço de destino que teve que ser removido da tabela de endereços. Como o endereço de destino do quadro é desconhecido, o switch deve encaminhar o quadro para todas as outras portas. Essa operação criará trabalho desnecessário para muitos processadores de porta, além disso, cópias desse quadro também cairão nos segmentos de rede em que são totalmente opcionais.

Alguns fabricantes de switches resolvem esse problema alterando o algoritmo para manipulação de quadros com endereço de destino desconhecido. Uma das portas do switch é configurada como porta de tronco, para a qual todos os quadros com endereço desconhecido são enviados por padrão. Nos roteadores, essa técnica é usada há muito tempo, permitindo reduzir o tamanho das tabelas de endereços em redes organizadas de acordo com um princípio hierárquico.

A transmissão de um quadro para a porta de tronco é baseada no fato de que esta porta está conectada ao switch upstream, que possui capacidade suficiente de tabela de endereços e sabe para onde enviar qualquer quadro. Um exemplo de transmissão de quadro bem-sucedida usando uma porta de tronco é mostrado na Figura 4.1. Trocar nível superior possui informações sobre todos os nós da rede, então o quadro com o endereço MAC3 de destino, transmitido para ele pela porta trunk, ele transmite pela porta 2 para o switch ao qual o nó com o endereço MAC3 está conectado.

Figura 4.1 - Usando uma porta de tronco para entregar quadros com destino desconhecido

Embora o método de porta de tronco funcione efetivamente em muitos casos, é possível imaginar situações em que os quadros simplesmente serão perdidos. Uma dessas situações está representada na Figura 4.2. O switch da camada inferior removeu o endereço MAC8 que está conectado à sua porta 4 de sua tabela de endereços para liberar espaço para o novo endereço MAC3. Quando um quadro chega com um endereço de destino MAC8, o switch o encaminha para a porta de tronco 5, através da qual o quadro entra no switch de nível superior. Este switch vê em sua tabela de endereços que o endereço MAC8 pertence à sua porta 1, através da qual ele entrou no switch. Portanto, o quadro não é processado mais e é simplesmente filtrado e, portanto, não chega ao destino. Portanto, é mais confiável utilizar switches com número suficiente de tabelas de endereços para cada porta, bem como suporte para uma tabela de endereços comum pelo módulo de gerenciamento do switch.

Figura 4.2 - Perda de quadro ao usar uma porta de tronco

Tamanho do buffer.

A memória do buffer interno do switch é necessária para armazenar temporariamente quadros de dados nos casos em que eles não podem ser transferidos imediatamente para a porta de saída. O buffer é projetado para suavizar ondulações de tráfego de curto prazo. Afinal, mesmo que o tráfego esteja bem balanceado e o desempenho dos processadores de portas, assim como de outros elementos de processamento do switch, seja suficiente para transferir valores médios de tráfego, isso não garante que seu desempenho seja suficiente para picos muito altos. valores de carga. Por exemplo, o tráfego pode chegar simultaneamente em todas as entradas do switch por várias dezenas de milissegundos, impedindo que ele transmita os quadros recebidos para as portas de saída.

Para evitar perdas de quadros em caso de excesso múltiplo de curto prazo do valor médio de intensidade de tráfego (e para redes locais muitas vezes existem valores do fator de ondulação de tráfego na faixa de 50 - 100) o único remédio é um buffer grande. Como no caso das tabelas de endereços, cada módulo do processador de porta geralmente tem seu próprio memória de buffer para armazenamento de quadros. Quanto maior a quantidade dessa memória, menor a probabilidade de perder quadros durante o congestionamento, embora, se as médias de tráfego estiverem desequilibradas, o buffer ainda transbordará mais cedo ou mais tarde.

Normalmente, os switches projetados para operar em partes críticas da rede têm uma memória de buffer de várias dezenas ou centenas de kilobytes por porta. É bom que essa memória de buffer possa ser realocada entre várias portas, pois sobrecargas simultâneas em várias portas são improváveis. Ferramenta adicional proteção pode ser um buffer comum para todas as portas no módulo de gerenciamento do switch. Esse buffer geralmente tem vários megabytes de tamanho.

As principais características de um switch que medem seu desempenho são:

Velocidade de filtração (filtragem);

Velocidade de roteamento (encaminhamento);

Largura de banda (taxa de transferência);

Atraso de transmissão do quadro.

Além disso, existem várias características de switch que têm o maior impacto sobre essas características de desempenho. Esses incluem:

O tamanho do(s) buffer(s) de quadro;

Desempenho interno dos pneus;

O desempenho do processador ou processadores;

O tamanho da tabela de endereços interna.

Velocidade de filtragem e velocidade de promoção

A taxa de filtragem e o avanço do quadro são as duas principais características de desempenho do switch. Essas características são indicadores integrais, não dependem de como o switch é implementado tecnicamente.

A taxa de filtro determina a taxa na qual o switch executa as seguintes etapas de processamento de quadros:

Recebendo um quadro em seu buffer;

Destruindo um quadro porque sua porta de destino é a mesma que sua porta de origem.

Velocidade da promoção determina a taxa na qual o switch executa as seguintes etapas de processamento de quadros:

Recebendo um quadro em seu buffer;

Pesquise a tabela de endereços para encontrar a porta do endereço de destino do quadro;

Enviando um quadro para a rede através da porta de destino encontrada na tabela de endereços.

Tanto a taxa de filtragem quanto a taxa de avanço são geralmente medidas em quadros por segundo. Se as características do switch não especificarem para qual protocolo e para qual tamanho de frame são dados os valores das taxas de filtragem e encaminhamento, então por padrão considera-se que esses indicadores são dados para o protocolo Ethernet e frames do tamanho mínimo, ou seja, quadros com comprimento de 64 bytes (sem preâmbulo), com campo de dados de 46 bytes. Se as taxas forem fornecidas para um protocolo específico, como Token Ring ou FDDI, elas também serão fornecidas para os quadros de comprimento mínimo desse protocolo (por exemplo, quadros de 29 bytes para o protocolo FDDI). O uso de frames de comprimento mínimo como principal indicador da velocidade do switch é explicado pelo fato de que tais frames sempre criam o modo de operação mais difícil para o switch em comparação com frames de formato diferente com taxa de transferência igual dos dados do usuário transferidos . Portanto, ao testar um switch, o modo de comprimento mínimo de quadro é usado como o teste mais difícil, que deve verificar a capacidade do switch de trabalhar com a pior combinação de parâmetros de tráfego para ele. Além disso, para pacotes de comprimento mínimo, as velocidades de filtragem e encaminhamento têm um valor máximo, o que não é de pouca importância ao anunciar um switch.

Largura de banda

Taxa de transferência é medido pelo número de dados do usuário transmitidos por unidade de tempo através de suas portas. Como o switch opera na camada de enlace, os dados do usuário para ele são os dados que são transportados no campo de dados dos quadros dos protocolos da camada de enlace - Ethernet, Token Ring, FDDI, etc. O valor máximo da taxa de transferência do switch é sempre alcançado em quadros de comprimento máximo, pois neste caso a parcela dos custos de overhead para as informações de overhead do quadro é muito menor do que para quadros de comprimento mínimo, e o tempo para o switch para realizar operações de processamento de quadros por um byte de informação do usuário é significativamente menor.

A dependência da taxa de transferência do switch no tamanho dos quadros transmitidos é bem ilustrada pelo exemplo do protocolo Ethernet, para o qual, ao transmitir quadros de comprimento mínimo, uma taxa de transmissão de 14880 quadros por segundo e uma taxa de transferência de 5,48 Mb/s é alcançado e, ao transmitir quadros de comprimento máximo, uma taxa de transmissão de 812 quadros por segundo e uma largura de banda de 9,74 Mb / s. A taxa de transferência cai quase pela metade ao alternar para quadros de comprimento mínimo, e isso sem levar em consideração o tempo perdido no processamento de quadros pelo switch.

Atraso de transmissão

Atraso de quadro é medido como o tempo decorrido desde o momento em que o primeiro byte do quadro chega à porta de entrada do switch até que esse byte apareça na porta de saída do switch. A latência é a soma do tempo gasto no buffer dos bytes do quadro, bem como o tempo gasto processando o quadro pelo switch - procurando a tabela de endereços, decidindo se filtrar ou encaminhar e obtendo acesso à mídia da porta de saída .

A quantidade de atraso introduzida pelo switch depende do modo de sua operação. Se a comutação for realizada "on the fly", os atrasos geralmente são pequenos e variam de 10 µs a 40 µs, e com buffer de quadro completo - de 50 µs a 200 µs (para quadros de comprimento mínimo).

O switch é um dispositivo multiportas, portanto, costuma-se fornecer todas as características acima (exceto o atraso de transmissão do quadro) em duas versões. A primeira opção é o desempenho total do switch com transmissão simultânea de tráfego por todas as suas portas, a segunda opção é o desempenho por uma porta.

Uma vez que com a transmissão simultânea de tráfego por várias portas, há um grande número de opções de tráfego que diferem no tamanho dos quadros no fluxo, na distribuição da intensidade média dos fluxos de quadros entre as portas de destino, nos coeficientes de variação na intensidade de fluxos de quadros, etc. etc., então, ao comparar os switches em termos de desempenho, é necessário levar em consideração para qual variante de tráfego os dados de desempenho publicados foram obtidos. Infelizmente, para switches (assim como para roteadores), não há padrões de teste de tráfego geralmente aceitos que possam ser usados ​​para obter características de desempenho comparáveis, como é feito para obter características de desempenho de sistemas de computação como TPC-A ou SPECint92. Alguns laboratórios que testam constantemente equipamentos de comunicação desenvolveram descrições detalhadas das condições de teste para chaves e as utilizam em sua prática, mas esses testes ainda não se tornaram industriais gerais.

atuação, está:

• velocidade de filtragem de quadros;
• a velocidade de promoção de quadros;
• Taxa de transferência;
• atraso de transmissão quadro, Armação.

Além disso, existem várias características de switch que têm o maior impacto sobre essas características de desempenho. Esses incluem:

• tipo de comutação;
• o tamanho do(s) buffer(s) de quadro;
• desempenho da matriz de comutação;
• o desempenho do processador ou processadores;
• Tamanho troca de mesas.

Taxa de filtragem e taxa de avanço de quadros

A taxa de filtragem e o avanço do quadro são as duas principais características de desempenho do switch. Essas características são indicadores integrais e não dependem de como o switch é tecnicamente implementado.

Velocidade de filtragem

• receber um quadro em seu buffer;
• descartar um quadro se for detectado um erro nele (não corresponde soma de verificação, ou frame menor que 64 bytes ou maior que 1518 bytes);
• descartar um quadro para evitar loops na rede;
• soltar um quadro de acordo com os filtros configurados na porta;
• vendo troca de mesas para procurar a porta de destino com base no endereço MAC de destino do quadro e descartar o quadro se a origem e o destino do quadro estiverem conectados à mesma porta.

A velocidade de filtragem de quase todos os switches é sem bloqueio - o switch consegue descartar quadros na taxa de sua chegada.

Velocidade de encaminhamento determina a taxa na qual o switch executa as seguintes etapas de processamento de quadros:

• receber um quadro em seu buffer;
• vendo troca de mesas para encontrar a porta de destino com base no endereço MAC do destinatário do quadro;
• transmissão de quadros para a rede através do software encontrado mesa de comutação Porto de destino.

Tanto a taxa de filtragem quanto a taxa de avanço são geralmente medidas em quadros por segundo. Se as características do switch não especificarem para qual protocolo e para qual tamanho de frame são dados os valores das taxas de filtragem e encaminhamento, então por padrão considera-se que esses indicadores são dados para o protocolo Ethernet e frames do tamanho mínimo, ou seja, quadros de 64 bytes de comprimento (sem preâmbulo) com campo de dados de 46 bytes. O uso de frames de comprimento mínimo como principal indicador da velocidade de processamento pelo switch é explicado pelo fato de que tais frames sempre criam o modo de operação mais difícil para o switch em comparação com frames de formato diferente com taxa de transferência igual de dados do usuário transmitidos . Portanto, ao testar um switch, o modo de comprimento mínimo de quadro é usado como o teste mais difícil, que deve verificar a capacidade do switch de trabalhar com a pior combinação de parâmetros de tráfego.

Mudar largura de banda (taxa de transferência)é medido pela quantidade de dados do usuário (em megabits ou gigabits por segundo) transmitidos por unidade de tempo através de suas portas. Como o switch opera na camada de enlace, para ele os dados do usuário são os dados que são transportados no campo de dados dos quadros dos protocolos da camada de enlace - Ethernet, Fast Ethernet, etc. O valor máximo do throughput do switch é sempre alcançado em quadros de comprimento máximo, pois nesse caso, a parcela dos custos de overhead para o overhead de quadro é muito menor do que para quadros de comprimento mínimo, e o tempo para o switch realizar operações de processamento de quadro por um byte de informação do usuário é significativamente menos. Portanto, um switch pode estar bloqueando pelo comprimento mínimo do quadro, mas ainda assim ter um desempenho de taxa de transferência muito bom.

Atraso de transmissão de quadro (atraso de encaminhamento)é medido como o tempo decorrido desde o momento em que o primeiro byte do quadro chega à porta de entrada do switch até o momento em que esse byte aparece em sua porta de saída. O atraso é a soma do tempo gasto no buffer dos bytes do quadro, bem como o tempo gasto processando o quadro pelo switch, ou seja, visualizando troca de mesas, tomando uma decisão de encaminhamento e obtendo acesso ao ambiente da porta de saída.

A quantidade de atraso introduzida pelo switch depende do método de comutação usado nele. Se a comutação for realizada sem buffer, os atrasos geralmente são pequenos e variam de 5 a 40 µs, e com buffer de quadro completo - de 50 a 200 µs (para quadros de comprimento mínimo).

Mudar o tamanho da mesa

Capacidade máxima troca de mesas define quantidade limite Endereços MAC que o switch pode operar ao mesmo tempo. DENTRO mesa de comutação para cada porta, tanto os endereços MAC aprendidos dinamicamente quanto os endereços MAC estáticos que foram criados pelo administrador da rede podem ser armazenados.

O valor do número máximo de endereços MAC que podem ser armazenados em mesa de comutação, depende da aplicação do comutador. Os switches D-Link para grupos de trabalho e pequenos escritórios normalmente suportam uma tabela de endereços MAC de 1K a 8K. Grandes switches de grupo de trabalho suportam tabelas de endereços MAC de 8K a 16K, enquanto switches de backbone de rede normalmente suportam endereços de 16K a 64K ou mais.

Capacidade insuficiente troca de mesas pode fazer com que o switch fique lento e obstrua a rede com excesso de tráfego. Se a tabela de comutação estiver cheia e a porta encontrar um novo endereço MAC de origem em um quadro de entrada, o comutador não poderá classificá-lo. Nesse caso, o quadro de resposta para este endereço MAC será enviado por todas as portas (exceto a porta de origem), ou seja, causará inundações.

Tamanho do buffer de quadro

Para fornecer armazenamento temporário de quadros nos casos em que eles não podem ser transferidos imediatamente para a porta de saída, os switches, dependendo da arquitetura implementada, são equipados com buffers nas portas de entrada, saída ou um buffer comum para todas as portas. O tamanho do buffer afeta o atraso de quadros e a taxa de perda de pacotes. Portanto, quanto maior a quantidade de memória buffer, menor a probabilidade de perder quadros.

Normalmente, os switches projetados para operar em partes críticas da rede têm uma memória de buffer de várias dezenas ou centenas de kilobytes por porta. O buffer comum a todas as portas geralmente tem vários megabytes de tamanho.

Os principais parâmetros técnicos que podem ser usados ​​para avaliar um switch construído em qualquer arquitetura são a velocidade de filtragem e a velocidade de encaminhamento.

A taxa de filtragem determina o número de quadros por segundo com que o switch tem tempo para realizar as seguintes operações:

• receber um quadro em seu buffer;
• encontrar a porta para o endereço de destino do quadro na tabela de endereços;
• destruição do quadro (a porta de destino é a mesma que a porta de origem).

A taxa de avanço, por analogia com o parágrafo anterior, determina o número de quadros por segundo que podem ser processados ​​usando o seguinte algoritmo:

• recebendo um quadro em seu buffer,
• encontrar uma porta para o endereço de destino do quadro;
• transmissão de quadros para a rede através da porta de destino encontrada (de acordo com a tabela de mapeamento de endereços).

Por padrão, esses indicadores são considerados medidos por Protocolo Ethernet para quadros de tamanho mínimo (comprimento 64 bytes). Como o tempo principal é ocupado pela análise do cabeçalho, quanto mais curtos forem os quadros transmitidos, mais séria será a carga que eles criam no processador e no barramento do switch.

Os próximos parâmetros técnicos mais importantes do switch serão:

• largura de banda (taxa de transferência);
• atraso de transmissão do quadro.
• o tamanho da tabela de endereços interna.
• o tamanho do(s) buffer(s) de quadro;
• mudar o desempenho;

A taxa de transferência é medida pela quantidade de dados transferidos pelas portas por unidade de tempo. Naturalmente, quanto maior o comprimento do quadro (mais dados anexados a um cabeçalho), maior deve ser a taxa de transferência. Portanto, com uma taxa de avanço de "passaporte" típica de 14.880 quadros por segundo para esses dispositivos, a taxa de transferência será de 5,48 Mb/s em pacotes de 64 bytes, e o limite de taxa de dados será imposto pelo switch.

Ao mesmo tempo, ao transmitir quadros de comprimento máximo (1500 bytes), a taxa de avanço será de 812 quadros por segundo e a taxa de transferência será de 9,74 Mb / s. Na verdade, o limite de transferência de dados será determinado pela velocidade do protocolo Ethernet.

Atraso de transmissão do quadro significa o tempo decorrido desde o momento em que o quadro foi gravado no buffer da porta de entrada do switch até que ele apareça em sua porta de saída. Podemos dizer que este é o tempo de avanço de um único quadro (buffering, pesquisa de tabela, decisão de filtragem ou encaminhamento e acesso à mídia da porta de saída).

A quantidade de atraso depende muito de como os quadros são avançados. Se o método de comutação em tempo real for usado, os atrasos são pequenos e variam de 10 µs a 40 µs, enquanto com buffer completo - de 50 µs a 200 µs (dependendo do comprimento do quadro).

Se o switch (ou mesmo uma de suas portas) estiver muito carregado, verifica-se que, mesmo com comutação em tempo real, a maioria dos quadros recebidos é forçada a ser armazenada em buffer. Portanto, os modelos mais complexos e caros têm a capacidade de alterar automaticamente o mecanismo do switch (adaptação) dependendo da carga e da natureza do tráfego.

Tamanho da tabela de endereços (tabela CAM). Especifica o número máximo de endereços MAC contidos na tabela de mapeamento de portas e endereços MAC. Na documentação técnica, geralmente é dado para uma porta como o número de endereços, mas às vezes acontece que o tamanho da memória para a tabela é indicado em kilobytes (uma entrada leva pelo menos 8 kb, e "substituir" o número é muito benéfico para um fabricante sem escrúpulos).

Para cada porta, a tabela de pesquisa CAM pode ser diferente e, quando transborda, a registro antigoé apagado e um novo é inserido na tabela. Portanto, se o número de endereços for excedido, a rede poderá continuar funcionando, mas a operação do próprio switch ficará muito lenta e os segmentos conectados a ele serão carregados com excesso de tráfego.

Anteriormente, existiam modelos (por exemplo, 3com SuperStack II 1000 Desktop) em que o tamanho da tabela permitia armazenar um ou mais endereços, por isso era necessário ter muito cuidado com o design da rede. No entanto, agora mesmo os switches de desktop mais baratos têm uma tabela de 2-3K endereços (e backbone ainda mais), e esse parâmetro deixou de ser um gargalo de tecnologia.

Tamanho do buffer. É necessário que o switch armazene temporariamente quadros de dados nos casos em que não seja possível transferi-los imediatamente para a porta de destino. É claro que o trânsito é irregular, sempre há ondulações que precisam ser suavizadas. E quanto maior o buffer, mais carga ele pode "assumir".

Modelos de switch simples têm uma memória buffer de várias centenas de kilobytes por porta, mais modelos caros esse valor atinge vários megabytes.

Mudar o desempenho. Em primeiro lugar, deve-se notar que o switch é um dispositivo multiportas complexo e, assim, para cada parâmetro separadamente, é impossível avaliar sua adequação para resolver a tarefa. Há um grande número de opções de tráfego, com diferentes taxas, tamanhos de quadros, distribuição de portas e assim por diante. Ainda não existe uma metodologia comum de avaliação (tráfego de referência) e são utilizados vários "testes corporativos". Eles são bastante complexos, e neste livro teremos que nos limitar a recomendações gerais.

Um switch ideal deve transmitir quadros entre portas na mesma taxa que os nós conectados os geram, sem perdas e sem introduzir atrasos adicionais. Para fazer isso, os elementos internos do switch (processadores de porta, barramento intermódulo, CPU etc.) deve ser capaz de lidar com o tráfego de entrada.

Ao mesmo tempo, na prática, existem muitas restrições bastante objetivas sobre as possibilidades de comutadores. O caso clássico, quando vários nós da rede interagem intensamente com um servidor, inevitavelmente causará uma diminuição no desempenho real devido à velocidade fixa do protocolo.

Hoje, os fabricantes dominam totalmente a produção de switches (10/100baseT), mesmo modelos muito baratos têm largura de banda suficiente e processadores bastante rápidos. Os problemas começam quando métodos mais complexos de limitar a velocidade dos nós conectados (pressão de retorno), filtragem e outros protocolos, discutidos abaixo, devem ser aplicados.

Concluindo, deve-se dizer que o melhor critério ainda existe uma prática quando o switch mostra suas capacidades em uma rede real.

Recursos adicionais de interruptores.

Como mencionado acima, os switches de hoje têm tantos recursos que a comutação convencional (que parecia um milagre tecnológico dez anos atrás) desaparece em segundo plano. De fato, modelos que custam de US$ 50 a US$ 5.000 podem trocar de quadro rapidamente e com qualidade relativamente alta. A diferença está nos recursos adicionais.

É claro que o maior número switches gerenciados têm recursos adicionais. Mais adiante na descrição, as opções serão especificamente destacadas que geralmente não podem ser implementadas corretamente em switches personalizados.

Conectando switches em uma pilha. Esta opção adicional é uma das mais simples e mais utilizadas em grandes redes. Seu significado é conectar vários dispositivos com um barramento comum de alta velocidade para aumentar o desempenho do nó de comunicação. Nesse caso, às vezes podem ser usadas opções para gerenciamento, monitoramento e diagnóstico unificados.

Deve-se notar que nem todos os fornecedores usam a tecnologia de conectar switches usando portas especiais (empilhamento). Nesta área, as linhas Gigabit Ethernet estão se tornando mais comuns, ou agrupando várias (até 8) portas em um canal de comunicação.

Spanning Tree Protocol (STP). Para LANs simples, não é difícil manter a topologia Ethernet correta (estrela hierárquica) durante a operação. Mas com uma grande infraestrutura, isso se torna um problema sério - o cruzamento incorreto (fechar um segmento em um anel) pode levar à interrupção da operação de toda a rede ou de parte dela. Além disso, encontrar o local do acidente pode não ser nada fácil.

Por outro lado, essas conexões redundantes geralmente são convenientes (muitas redes de transporte de dados são construídas exatamente de acordo com a arquitetura do anel) e podem aumentar muito a confiabilidade - se houver um mecanismo de processamento de loop correto.

Para resolver este problema, é utilizado o Spanning Tree Protocol (STP), no qual os switches criam automaticamente uma configuração de link ativo em árvore, encontrando-a através da troca de pacotes de serviço (Bridge Protocol Data Unit, BPDU), que são colocados no campo de dados de um quadro Ethernet. Como resultado, as portas em loop são bloqueadas, mas podem ser ativadas automaticamente se o link principal for interrompido.

Assim, a tecnologia STA oferece suporte para links redundantes em uma rede de topologia complexa, e a possibilidade de sua alterações automáticas sem envolvimento do administrador. Esse recurso é mais do que útil em redes grandes (ou distribuídas), mas devido à sua complexidade, raramente é usado em switches personalizados.

Maneiras de controlar o fluxo de entrada. Conforme observado acima, se o switch estiver carregado de forma desigual, ele simplesmente não poderá passar fisicamente o fluxo de dados por ele mesmo em velocidade máxima. Mas simplesmente descartar quadros extras por motivos óbvios (por exemplo, interromper sessões TCP) é altamente indesejável. Portanto, é necessário utilizar um mecanismo para limitar a intensidade do tráfego transmitido pelo nó.

Duas maneiras são possíveis - captura agressiva do meio de transmissão (por exemplo, o switch pode não respeitar os intervalos de tempo padrão). Mas este método é adequado apenas para o meio de transmissão "geral" raramente usado em Ethernet comutada. O método de contrapressão tem a mesma desvantagem, em que quadros fictícios são transmitidos para o nó.

Portanto, na prática, a tecnologia Advanced Flow Control (descrita no padrão IEEE 802.3x) está em demanda, cujo significado está na transmissão de quadros especiais de "pausa" pelo switch para o nó.

Filtragem de tráfego. Muitas vezes, é muito útil definir condições de filtro de quadro adicionais nas portas do switch para quadros de entrada ou saída. Dessa forma, você pode restringir o acesso. certos grupos usuários a determinados serviços de rede usando endereço MAC ou marca de rede virtual.

Como regra, as condições de filtragem são escritas como expressões booleanas formadas usando operações lógicas E e OU.

A filtragem complexa requer poder de processamento adicional do switch e, se não for suficiente, pode reduzir significativamente o desempenho do dispositivo.

A capacidade de filtragem é muito importante para redes onde os usuários finais são assinantes "comerciais", cujo comportamento não pode ser regulado por medidas administrativas. Como eles podem realizar ações destrutivas não autorizadas (por exemplo, spoofing IP ou Endereço MAC seu computador), é desejável fornecer um mínimo de oportunidades para isso.

Comutação do terceiro nível (Camada 3). Devido ao rápido crescimento das velocidades e ao uso generalizado de switches, hoje existe uma lacuna visível entre as capacidades de switching e roteamento clássico usando computadores mainframe. Nessa situação, é mais lógico dar ao switch gerenciado a capacidade de analisar quadros no terceiro nível (de acordo com o modelo OSI de 7 camadas). Esse roteamento simplificado permite aumentar significativamente a velocidade e gerenciar com mais flexibilidade o tráfego de uma grande LAN.

No entanto, em redes de transmissão de dados de transporte, o uso de switches ainda é muito limitado, embora a tendência de apagar suas diferenças dos roteadores em termos de capacidades possa ser rastreada com bastante clareza.

Capacidades de gerenciamento e monitoramento. Extenso características adicionais implicam controles avançados e convenientes. Anteriormente dispositivos simples poderia ser controlado por vários botões através de um pequeno indicador digital, ou através da porta do console. Mas isso já é passado - recentemente, foram lançados switches que são gerenciados por meio de uma porta 10/100baseT normal usando Telnet, um navegador da Web ou por meio do protocolo SNMP. Se os dois primeiros métodos são, em geral, apenas uma continuação conveniente das configurações usuais de inicialização, o SNMP permite que você use o switch como uma ferramenta verdadeiramente versátil.

Para Etherenet, apenas suas extensões são de interesse - RMON e SMON. O RMON-I está descrito abaixo, além dele, existe o RMON-II (afetando mais níveis altos OSI). Além disso, em switches de "nível médio", via de regra, apenas os grupos RMON 1-4 e 9 são implementados.

O princípio de operação é o seguinte: os agentes RMON nos switches enviam informações para um servidor central, onde um Programas(por exemplo, HP OpenView) processa informações, apresentando-as em um formato conveniente para administração.

Além disso, o processo pode ser controlado - alterando remotamente as configurações, traga a rede de volta ao normal. Além do monitoramento e gerenciamento, usando o SNMP, você pode construir um sistema de cobrança. Até agora parece um pouco exótico, mas já existem exemplos do uso real desse mecanismo.

O padrão RMON-I MIB descreve 9 grupos de objetos:

1. Estatísticas - estatísticas acumuladas atuais sobre as características dos quadros, o número de colisões, quadros errôneos (detalhados por tipos de erros), etc.
2. Histórico - dados estatísticos salvos em determinados intervalos para posterior análise de tendências em suas alterações.
3. Alarmes - limites estatísticos acima dos quais o agente RMON gera um evento específico. A implementação deste grupo requer a implementação do grupo Eventos - eventos.
4. Host - dados sobre os hosts da rede encontrados como resultado da análise dos endereços MAC dos quadros que circulam na rede.
5. Host TopN - uma tabela de N hosts de rede com os valores mais altos dos parâmetros estatísticos fornecidos.
6. Matriz de Tráfego - estatísticas sobre a intensidade do tráfego entre cada par de hosts de rede, ordenados na forma de uma matriz.
7. Filtro - condições de filtragem de pacotes; pacotes que atendem a determinada condição podem ser capturados ou podem gerar eventos.
8. Captura de Pacotes - um grupo de pacotes capturados por condições de filtragem especificadas.
9. Evento - condições para inscrição e notificação de eventos.

Uma discussão mais detalhada dos recursos do SNMP não exigiria menos espaço do que este livro, por isso seria apropriado insistir nisso, muito descrição geral esta ferramenta complexa, mas poderosa.

Redes virtuais (rede local virtual, VLAN). Talvez este seja o recurso mais importante (especialmente para redes domésticas) e amplamente utilizado dos switches modernos. Deve-se notar que existem várias maneiras fundamentalmente diferentes de construir redes virtuais usando interruptores. Devido à sua grande importância para o fornecimento de Ethernet, sua descrição detalhada da tecnologia será feita em um dos capítulos seguintes.

O significado resumido é fazer várias redes virtuais (independentes umas das outras) em uma LAN Ethernet física por meio de switches (2 níveis do modelo OSI), permitindo que o roteador central gerencie portas (ou grupos de portas) em switches remotos. O que realmente torna a VLAN um meio muito conveniente para fornecer serviços de transferência de dados (provedor).