calcule de trafic. Parametrii tehnici ai comutatoarelor lățimea de bandă a comutatorului

Deși toate comutatoarele au multe în comun, este logic să le împărțim în două clase concepute pentru a rezolva probleme diferite.

Comutatoare pentru grupuri de lucru

Switch-urile pentru grupuri de lucru oferă lățime de bandă dedicată atunci când se conectează orice pereche de noduri conectate la porturile switch-ului. Dacă porturile au aceeași viteză, destinatarul pachetului trebuie să fie liber pentru a evita blocarea.

Suportând cel puțin atâtea adrese pe port câte pot fi prezente într-un segment, comutatorul oferă o lățime de bandă dedicată de 10 Mbps per port. Fiecare port de comutare este asociat cu o adresă unică a dispozitivului Ethernet conectat la acel port.

Conexiunea fizică punct la punct dintre comutatoarele grupului de lucru și nodurile 10Base-T se realizează de obicei cu un cablu cu perechi răsucite neecranat, iar echipamentele compatibile 10Base-T sunt instalate la nodurile rețelei.

Switch-urile pentru grupuri de lucru pot funcționa la 10 sau 100 Mbps pentru diferite porturi. Această caracteristică reduce nivelul de blocare atunci când încercați să stabiliți mai multe conexiuni client de 10 Mbps pe același port de mare viteză. În grupurile de lucru client-server, mai mulți clienți de 10 Mbps pot accesa un server conectat la un port de 100 Mbps. În exemplul prezentat în Figura 8, trei noduri de 10 Mbps accesează serverul în același timp pe un port de 100 Mbps. Din lățimea de bandă de 100 Mbps disponibilă pentru acces la server, se utilizează 30 Mbps și 70 Mbps sunt disponibile pentru conexiune simultană pe serverul a încă șapte dispozitive de 10 Mbps prin canale virtuale.

Suportul multi-rate este util și pentru gruparea comutatoarelor Ethernet folosind hub-uri Fast Ethernet de 100 Mbps (100Base-T) ca backbone locale. În configurația prezentată în Figura 9, comutatoarele de 10 Mbps și 100 Mbps sunt conectate la un hub de 100 Mbps. Traficul local rămâne în interior grup de lucru, iar restul traficului este trimis în rețea printr-un hub Ethernet de 100 Mbps.

Pentru a se conecta la un repetor de 10 sau 100 Mbps, comutatorul trebuie să aibă un port capabil să gestioneze un număr mare de adrese Ethernet.

Principalul avantaj al comutatoarelor pentru grupuri de lucru este performanța ridicată a rețelei la nivel de grup de lucru, oferind fiecărui utilizator o lățime de bandă dedicată (10 Mbps). În plus, comutatoarele reduc (până la zero) numărul de coliziuni - spre deosebire de comutatoarele de coloană vertebrală descrise mai jos, comutatoarele de grup de lucru nu vor transmite fragmente de coliziuni către destinatari. Comutatoarele de grup de lucru vă permit să salvați complet infrastructura de rețea din partea clientului, inclusiv programele, adaptoare de rețea, cabluri. Costul comutatoarelor pentru grupuri de lucru pe port este în prezent comparabil cu porturile hub administrate.

Comutatoare pentru coloana vertebrală

Comutatoarele backbone oferă o conexiune de viteză medie între o pereche de segmente Ethernet inactive. Dacă vitezele portului pentru expeditor și destinatar sunt aceleași, segmentul de destinație trebuie să fie liber pentru a evita blocarea.

La nivel de grup de lucru, fiecare nod partajează o lățime de bandă de 10 Mbps cu alte noduri de pe același segment. Un pachet destinat în afara acestui grup va fi redirecționat de către comutatorul backbone, așa cum se arată în Figura 10. Comutatorul backbone asigură transmiterea simultană a pachetelor la rata media între orice pereche de porturi ale sale. La fel ca comutatoarele pentru grupuri de lucru, comutatoarele backbone pot suporta viteze diferite pentru porturile lor. Comutatoarele backbone pot funcționa cu segmente 10Base-T și segmente bazate pe cablu coaxial. În cele mai multe cazuri, utilizarea comutatoarelor backbone oferă o mai simplă și metoda eficientaîmbunătăți performanța rețelei în comparație cu routerele și podurile.

Principalul dezavantaj atunci când se lucrează cu comutatoare backbone este că la nivel de grup de lucru, utilizatorii lucrează cu un mediu partajat dacă sunt conectați la segmente organizate pe bază de repetoare sau cablu coaxial. Mai mult, timpul de răspuns la nivel de grup de lucru poate fi destul de lung. Spre deosebire de gazdele conectate la porturile de comutare, gazdele de pe segmentele 10Base-T sau coaxiale nu au o lățime de bandă garantată de 10 Mbps și de multe ori trebuie să aștepte până când alte gazde au terminat de transmis pachetele. La nivel de grup de lucru, coliziunile sunt încă păstrate, iar fragmentele de pachete cu erori vor fi redirecționate către toate rețelele conectate la coloana vertebrală. Aceste neajunsuri pot fi evitate dacă comutatoarele sunt utilizate la nivel de grup de lucru în loc de hub-uri 10Base-T. În majoritatea aplicațiilor care necesită mult resurse, un comutator de 100 Mbps poate acționa ca o coloană vertebrală de mare viteză pentru comutatoarele de grup de lucru cu porturi de 10 și 100 Mbps, hub-uri de 100 Mbps și servere care au adaptoare Ethernet de 100 Mbps instalate.

Comparație de caracteristici

Principalele proprietăți ale comutatoarelor Ethernet sunt prezentate în tabel:

Beneficiile comutatoarelor Ethernet

Principalele avantaje ale utilizării comutatoarelor Ethernet sunt enumerate mai jos:
Creșteți productivitatea cu conexiuni de mare viteză între segmentele Ethernet (comutatoare backbone) sau noduri de rețea (comutatoare pentru grupuri de lucru). Spre deosebire de un mediu Ethernet partajat, comutatoarele permit creșterea performanței integrate pe măsură ce utilizatorii sau segmentele sunt adăugate în rețea.
Coliziuni reduse, mai ales când fiecare utilizator este conectat la un alt port de comutare.
Minimizați costul migrării de la un mediu partajat la unul comutat prin păstrarea infrastructurii Ethernet de 10 Mbps existente (cabluri, adaptoare, software).
Creșteți securitatea prin redirecționarea pachetelor numai către portul la care este conectată destinația.
Latență scăzută și previzibilă datorită faptului că banda este partajată de un număr mic de utilizatori (ideal unul).

Comparația dispozitivelor de rețea

Repetoare

Repetoarele Ethernet, în contextul rețelelor 10Base-T denumite adesea hub-uri sau hub-uri, funcționează în conformitate cu standardul IEEE 802.3. Repeatorul pur și simplu redirecționează pachetele primite către toate porturile sale, indiferent de destinație.

Deși toate dispozitivele conectate la repetorul Ethernet (inclusiv alte repetoare) „văd” tot traficul de rețea, numai nodul căruia îi este adresat ar trebui să primească pachetul. Toate celelalte noduri ar trebui să ignore acest pachet. unele dispozitive de rețea (de exemplu, analizoare de protocol) funcționează pe baza faptului că mediul de rețea (cum ar fi Ethernet) este public și analizează tot traficul de rețea. Pentru unele medii, totuși, capacitatea fiecărui nod de a vedea toate pachetele este inacceptabilă din motive de securitate.

Din punct de vedere al performanței, repetoarele pur și simplu transmit pachete folosind întreaga lățime de bandă a conexiunii. Întârzierea introdusă de repetor este foarte mică (în conformitate cu IEEE 802.3 - mai puțin de 3 microsecunde). Rețelele care conțin repetitoare au o lățime de bandă de 10 Mbps similară cu un segment de cablu coaxial și sunt transparente pentru majoritatea protocoale de rețea cum ar fi TCP/IP și IPX.

Poduri

Podurile funcționează în conformitate cu standardul IEEE 802.1d. La fel ca comutatoarele Ethernet, podurile sunt independente de protocol și transmit pachetele către portul la care este conectată destinația. Totuși, spre deosebire de majoritatea switch-urilor Ethernet, podurile nu transmit fragmente de pachete în cazul coliziunilor sau pachetelor de eroare, deoarece toate pachetele sunt stocate în tampon înainte de a fi redirecționate către portul de destinație. Buffering-ul de pachete (stocare-and-forward) introduce latență în comparație cu comutarea din mers. Podurile pot oferi performanțe egale cu debitul mediu, dar blocarea internă le încetinește oarecum.

Routere

Funcționarea routerelor depinde de protocoalele de rețea și este determinată de informațiile legate de protocol transportate în pachet. La fel ca podurile, ruterele nu transmit fragmente de pachete către destinație atunci când apar coliziuni. Routerele stochează întregul pachet în memoria lor înainte de a-l redirecționa către destinație, prin urmare, atunci când folosesc routere, pachetele sunt transmise cu întârziere. Routerele pot oferi o lățime de bandă egală cu lățimea de bandă a conexiunii, dar se caracterizează prin prezența blocării interne. Spre deosebire de repetoare, poduri și comutatoare, routerele modifică toate pachetele transmise.

rezumat

Principalele diferențe dintre dispozitivele de rețea sunt prezentate în Tabelul 2.

Această rețea LAN este construită pe comutatoare, astfel încât acest capitol acoperă caracteristicile cheie de performanță ale comutatoarelor.

Principalele caracteristici ale unui comutator care măsoară performanța acestuia sunt:

- viteza de filtrare (filtrare);
- viteza de rutare (redirecționare);
- lățime de bandă (debit);
- întârzierea transmisiei cadrului.

În plus, există mai multe caracteristici ale comutatorului care au cel mai mare impact asupra acestor caracteristici de performanță. Acestea includ:

- dimensiunea buffer-urilor de cadru;
- performanta magistralei interne;
- performanta procesorului sau procesoarelor;
- dimensiunea tabelului intern de adrese.

Rata de filtrare și avansarea cadrului sunt cele două caracteristici principale de performanță ale comutatorului. Aceste caracteristici sunt indicatori integranți, nu depind de modul în care este implementat tehnic comutatorul.

Rata de filtrare determină rata la care comutatorul efectuează următorii pași de procesare a cadrelor:

- primirea unui cadru în buffer-ul său;
- Distrugerea cadrului, deoarece portul de destinație este același cu portul sursă.

Rata forward determină rata la care comutatorul efectuează următorii pași de procesare a cadrelor:

- primirea unui cadru în buffer-ul său;
- vizualizarea tabelului de adrese pentru a găsi portul pentru adresa de destinație a cadrului;
- transmiterea cadrelor către rețea prin portul de destinație găsit în tabelul de adrese.

Utilizarea cadrelor de lungime minimă ca principal indicator al vitezei comutatorului se explică prin faptul că astfel de cadre creează întotdeauna cel mai dificil mod de operare pentru comutator în comparație cu cadrele dintr-un alt format cu un debit egal al datelor de utilizator transferate. Prin urmare, atunci când se testează un comutator, modul de lungime minimă a cadrului este utilizat ca cel mai dificil test, care ar trebui să verifice capacitatea comutatorului de a funcționa cu cea mai proastă combinație de parametri de trafic pentru acesta. În plus, pentru pachetele cu o lungime minimă, vitezele de filtrare și de redirecționare au o valoare maximă, ceea ce nu are o importanță mică atunci când se face publicitate unui comutator.

Lățimea de bandă comutatorul este măsurat prin numărul de date utilizator transmise pe unitatea de timp prin porturile sale. Deoarece comutatorul operează la nivelul de legătură de date, pentru acesta datele utilizatorului sunt datele care sunt transportate în câmpul de date al cadrelor de protocol. strat de legătură- Ethernet, Token Ring, FDDI etc. Valoare maximă lățimea de bandă a comutatorului este întotdeauna atinsă pe cadre lungime maxima, deoarece în acest caz ponderea costurilor generale pentru informațiile de supraîncărcare a cadrului este mult mai mică decât pentru cadrele de lungime minimă, iar timpul pentru comutare pentru a efectua operațiuni de procesare a cadrelor pe un octet de informații despre utilizator este semnificativ mai mic.

Dependența debitului comutatorului de dimensiunea cadrelor transmise este bine ilustrată de exemplul protocolului Ethernet, pentru care, la transmiterea cadrelor de lungime minimă, se realizează o rată de transmisie de 14880 de cadre pe secundă și un debit de 5,48 Mbps. , iar la transmiterea cadrelor de lungime maximă, o rată de transmisie de 812 cadre pe secundă și o lățime de bandă de 9,74 Mbps. Debitul scade cu aproape jumătate atunci când treceți la cadre de lungime minimă, și acest lucru fără a lua în considerare timpul pierdut la procesarea cadrelor de către comutator.

Întârzierea transmisiei cadrului este măsurată ca timpul scurs din momentul în care primul octet al cadrului ajunge la portul de intrare al comutatorului până în momentul în care acest octet ajunge la portul de ieșire al comutatorului. Latența este suma timpului petrecut în memorie tampon pentru octeții cadrului, precum și a timpului petrecut procesând cadrul de către comutator - căutând tabelul de adrese, decidend dacă să filtreze sau să redirecționeze și accesând media portului de ieșire.

Cantitatea de întârziere introdusă de comutator depinde de modul de funcționare a acestuia. Dacă comutarea se efectuează „din zbor”, atunci întârzierile sunt de obicei mici și variază de la 10 μs la 40 μs, iar cu tamponarea cadru complet - de la 50 μs la 200 μs (pentru cadre de lungime minimă).

Comutatorul este un dispozitiv multiport, prin urmare, este obișnuit ca acesta să ofere toate caracteristicile de mai sus (cu excepția întârzierii transmisiei cadrului) în două versiuni. Prima opțiune este performanța totală a comutatorului cu transmiterea simultană a traficului prin toate porturile sale, a doua opțiune este performanța pe un port.

Estimarea necesarului performanța generală intrerupator.

În mod ideal, un switch instalat într-o rețea transmite cadre între nodurile conectate la porturile sale la rata la care nodurile generează aceste cadre, fără a introduce întârzieri suplimentare și fără a pierde un singur cadru. În practică reală, comutatorul introduce întotdeauna unele întârzieri în transmiterea cadrelor și poate pierde și unele cadre, adică să nu le livreze la destinații. Datorită diferenţelor de organizare internă diferite modele comutatoare, este dificil de prezis cum va transmite un anumit comutator cadre ale unui anumit tipar de trafic. Cel mai bun criteriu este încă practica atunci când comutatorul este plasat într-o rețea reală, iar întârzierile introduse de acesta și numărul de cadre pierdute sunt măsurate.

Pe lângă lățimea de bandă elemente individuale comutator, cum ar fi procesoarele de porturi sau o magistrală partajată, performanța comutatorului este afectată de parametrii comutatorului, cum ar fi dimensiunea tabelului de adrese și dimensiunea bufferului partajat sau a bufferelor de porturi individuale.

Dimensiunea tabelului de adrese.

Capacitatea maximă a tabelului de adrese determină numărul maxim de adrese MAC pe care comutatorul le poate gestiona în același timp. Deoarece comutatoarele folosesc cel mai adesea o unitate de procesor dedicată cu propria sa memorie pentru a stoca o instanță a tabelului de adrese pentru a efectua operațiunile fiecărui port, dimensiunea tabelului de adrese pentru comutatoare este de obicei dată pe port. Instanțele tabelului de adrese ale diferitelor module de procesor nu conțin neapărat aceleași informații despre adresă - cel mai probabil nu vor fi atât de multe adrese duplicate, cu excepția cazului în care distribuția traficului fiecărui port este complet la fel de probabilă între celelalte porturi. Fiecare port stochează doar seturile de adrese pe care le-a folosit recent.

Valoarea numărului maxim de adrese MAC pe care procesorul de porturi le poate aminti depinde de aplicația comutatorului. Switch-urile pentru grupuri de lucru acceptă de obicei doar câteva adrese pe port, deoarece sunt concepute pentru a forma microsegmente. Switch-urile departamentale trebuie să accepte câteva sute de adrese, iar comutatoarele backbone de rețea până la câteva mii, de obicei adrese de la 4K la 8K.

Capacitatea insuficientă a tabelului de adrese poate încetini comutatorul și poate inunda rețeaua cu trafic în exces. Dacă tabelul de adrese al procesorului de port este plin și întâlnește o nouă adresă sursă într-un pachet de intrare, trebuie să scoată orice adresă veche din tabel și să plaseze una nouă în locul ei. Această operațiune în sine va dura ceva timp de la procesor, dar principala pierdere de performanță va fi observată atunci când sosește un cadru cu o adresă de destinație care trebuia eliminată din tabelul de adrese. Deoarece adresa de destinație a cadrului este necunoscută, comutatorul trebuie să redirecționeze cadrul către toate celelalte porturi. Această operațiune va crea muncă inutilă pentru multe procesoare de porturi, în plus, copiile acestui cadru vor cădea și pe acele segmente de rețea în care sunt complet opționale.

Unii producători de comutatoare rezolvă această problemă schimbând algoritmul de gestionare a cadrelor cu o adresă de destinație necunoscută. Unul dintre porturile de comutare este configurat ca port trunk, către care sunt trimise implicit toate cadrele cu o adresă necunoscută. La routere, această tehnică este folosită de mult timp, permițându-vă să reduceți dimensiunea tabelelor de adrese în rețelele organizate după un principiu ierarhic.

Transmiterea unui cadru către portul trunk se bazează pe faptul că acest port este conectat la comutatorul din amonte, care are o capacitate suficientă a tabelului de adrese și știe unde să trimită orice cadru. Un exemplu de transmisie de cadru cu succes folosind un port trunk este prezentat în Figura 4.1. Intrerupator nivel superior are informații despre toate nodurile de rețea, deci cadrul cu adresa MAC3 de destinație, transmisă acestuia prin portul trunk, transmite prin portul 2 către comutatorul la care este conectat nodul cu adresa MAC3.

Figura 4.1 - Utilizarea unui port trunk pentru a livra cadre cu o destinație necunoscută

Deși metoda portului trunchiului va funcționa eficient în multe cazuri, este posibil să ne imaginăm situații în care cadrele vor fi pur și simplu pierdute. O astfel de situație este prezentată în Figura 4.2. Comutatorul de nivel inferior a eliminat adresa MAC8 care este conectată la portul său 4 din tabelul de adrese pentru a face loc pentru noua adresă MAC3. Când sosește un cadru cu o adresă de destinație MAC8, comutatorul îl redirecționează către portul trunk 5, prin care cadrul intră în comutatorul de nivel superior. Acest comutator vede din tabelul de adrese că adresa MAC8 aparține portului său 1, prin care a intrat în comutator. Prin urmare, cadrul nu este procesat în continuare și este pur și simplu filtrat și, prin urmare, nu ajunge la destinație. Prin urmare, este mai fiabil să folosiți comutatoare cu un număr suficient de tabele de adrese pentru fiecare port, precum și suport pentru un tabel de adrese comun de către modulul de gestionare a comutatorului.

Figura 4.2 - Pierderea cadrului la utilizarea unui port trunk

Dimensiunea memoriei tampon.

Memoria tampon internă a comutatorului este necesară pentru a stoca temporar cadre de date în cazurile în care acestea nu pot fi transferate imediat în portul de ieșire. Tamponul este conceput pentru a netezi ondulațiile de trafic pe termen scurt. La urma urmei, chiar dacă traficul este bine echilibrat și performanța procesoarelor de porturi, precum și a altor elemente de procesare ale comutatorului, este suficientă pentru a transfera valori medii de trafic, acest lucru nu garantează că performanța lor va fi suficientă pentru un vârf foarte mare. valorile de încărcare. De exemplu, traficul poate ajunge simultan la toate intrările comutatorului timp de câteva zeci de milisecunde, împiedicându-l să transmită cadrele primite către porturile de ieșire.

Pentru a preveni pierderile de cadre în cazul depășirii multiple pe termen scurt a valorii medii a intensității traficului (și pentru rețele locale adesea există valori ale factorului de ondulare a traficului în intervalul 50 - 100) singurul remediu este un tampon mare. Ca și în cazul tabelelor de adrese, fiecare modul de procesor de port are de obicei propriul său memorie tampon pentru depozitarea ramelor. Cu cât cantitatea de memorie este mai mare, cu atât este mai puțin probabil să piardă cadre în timpul aglomerației, deși dacă mediile de trafic sunt dezechilibrate, tamponul se va încărca mai devreme sau mai târziu.

În mod obișnuit, comutatoarele concepute să funcționeze în părți critice ale rețelei au o memorie tampon de câteva zeci sau sute de kiloocteți per port. Este bine că această memorie tampon poate fi realocată între mai multe porturi, deoarece supraîncărcările simultane pe mai multe porturi sunt puțin probabile. Instrument suplimentar protecția poate fi un buffer comun pentru toate porturile din modulul de gestionare a comutatorului. Un astfel de buffer are de obicei o dimensiune de câțiva megaocteți.

Principalele caracteristici ale unui comutator care măsoară performanța acestuia sunt:

Viteza de filtrare (filtrare);

Viteza de rutare (redirecționare);

Lățimea de bandă (debit);

Întârzierea transmisiei cadrului.

În plus, există mai multe caracteristici ale comutatorului care au cel mai mare impact asupra acestor caracteristici de performanță. Acestea includ:

Dimensiunea buffer-urilor de cadru;

Performanța internă a anvelopei;

Performanța procesorului sau procesoarelor;

Dimensiunea tabelului de adrese interne.

Viteza de filtrare și viteza de promovare

Rata de filtrare determină rata la care comutatorul efectuează următorii pași de procesare a cadrelor:

Primirea unui cadru în memoria tampon;

Distrugerea unui cadru deoarece portul său de destinație este același cu portul sursă.

Viteza de promovare determină rata la care comutatorul efectuează următorii pași de procesare a cadrelor:

Primirea unui cadru în memoria tampon;

Căutați tabelul de adrese pentru a găsi portul pentru adresa de destinație a cadrului;

Trimiterea unui cadru în rețea prin portul de destinație găsit în tabelul de adrese.

Atât rata de filtrare, cât și rata de avans sunt de obicei măsurate în cadre pe secundă. Dacă caracteristicile comutatorului nu specifică pentru ce protocol și pentru ce dimensiune a cadrului sunt date valorile ratelor de filtrare și redirecționare, atunci în mod implicit se consideră că acești indicatori sunt dați pentru protocolul Ethernet și cadrele dimensiune minimă, adică cadre cu lungimea de 64 de octeți (fără preambul), cu un câmp de date de 46 de octeți. Dacă ratele sunt date pentru un anumit protocol, cum ar fi Token Ring sau FDDI, atunci acestea sunt date și pentru cadrele de lungime minimă ale protocolului respectiv (de exemplu, cadre de 29 de octeți pentru protocolul FDDI). Utilizarea cadrelor de lungime minimă ca principal indicator al vitezei comutatorului se explică prin faptul că astfel de cadre creează întotdeauna cel mai dificil mod de operare pentru comutator în comparație cu cadrele dintr-un alt format cu un debit egal al datelor de utilizator transferate. Prin urmare, atunci când se testează un comutator, modul de lungime minimă a cadrului este utilizat ca cel mai dificil test, care ar trebui să verifice capacitatea comutatorului de a funcționa cu cea mai proastă combinație de parametri de trafic pentru acesta. În plus, pentru pachetele cu o lungime minimă, vitezele de filtrare și de redirecționare au o valoare maximă, ceea ce nu are o importanță mică atunci când se face publicitate unui comutator.

Lățimea de bandă

Comutați debitul este măsurată prin numărul de date utilizator transmise pe unitatea de timp prin porturile sale. Deoarece comutatorul funcționează la nivelul de legătură, datele utilizatorului pentru acesta sunt datele care sunt transportate în câmpul de date al cadrelor protocoalelor stratului de legătură - Ethernet, Token Ring, FDDI etc. Valoarea maximă a debitului comutatorului este întotdeauna atinsă pe cadrele cu lungimea maximă, deoarece în acest caz ponderea costurilor generale pentru informațiile generale ale cadrului este mult mai mică decât pentru cadrele cu lungimea minimă și timpul necesar comutatorului pentru a efectua cadrul. operațiunile de procesare pe un octet de informații despre utilizator sunt semnificative.mai puțin.

Dependența debitului comutatorului de dimensiunea cadrelor transmise este bine ilustrată de exemplul protocolului Ethernet, pentru care, la transmiterea cadrelor de lungime minimă, o rată de transmisie de 14880 de cadre pe secundă și un debit de 5,48 Mb/s. se realizează, iar la transmiterea cadrelor de lungime maximă, o rată de transmisie de 812 cadre pe secundă și o lățime de bandă de 9,74 Mb/s. Debitul scade cu aproape jumătate atunci când treceți la cadre de lungime minimă, și acest lucru fără a lua în considerare timpul pierdut la procesarea cadrelor de către comutator.

Întârziere de transmisie

Întârziere de cadru se măsoară ca timpul scurs din momentul în care primul octet al cadrului ajunge la portul de intrare al comutatorului până când acest octet apare la portul de ieșire al comutatorului. Latența este suma timpului petrecut în memorie tampon pentru octeții cadrului, precum și a timpului petrecut procesând cadrul de către comutator - căutând tabelul de adrese, decidend dacă să filtreze sau să redirecționeze și accesând media portului de ieșire.

Deoarece odată cu transmiterea simultană a traficului prin mai multe porturi, există un număr mare de opțiuni de trafic care diferă prin dimensiunea cadrelor din flux, distribuția intensității medii a fluxurilor de cadre între porturile de destinație, coeficienții de variație a intensității fluxuri de cadre etc. etc., apoi la compararea comutatoarelor din punct de vedere al performantei este necesar sa se tina cont pentru ce varianta de trafic au fost obtinute datele de performanta publicate. Din păcate, pentru switch-uri (precum și pentru routere) nu există modele de testare a traficului general acceptate care ar putea fi utilizate pentru a obține caracteristici de performanță comparabile, așa cum se face pentru a obține astfel de caracteristici de performanță ale sistemelor de calcul precum TPC-A sau SPECint92. Unele laboratoare care testează constant echipamentele de comunicație au elaborat descrieri detaliate ale condițiilor de testare pentru comutatoare și le folosesc în practica lor, dar aceste teste nu au devenit încă industriale generale.

performanţă sunt:

viteza de filtrare a cadrelor;
viteza de promovare a cadrelor;
lățime de bandă;
întârziere de transmisie cadru.

În plus, există mai multe caracteristici ale comutatorului care au cel mai mare impact asupra acestor caracteristici de performanță. Acestea includ:

tip de comutare;
dimensiunea buffer-urilor de cadru;
performanța matricei de comutare;
performanța procesorului sau procesoarelor;
marimea mese de comutare.

Rata de filtrare și rata de avans a cadrelor

Rata de filtrare și avansarea cadrului sunt cele două caracteristici principale de performanță ale comutatorului. Aceste caracteristici sunt indicatori integrali și nu depind de modul în care este implementat tehnic comutatorul.

Viteza de filtrare

primirea unui cadru în tamponul său;
eliminarea unui cadru dacă este detectată o eroare în el (nu se potrivește verifica suma, sau cadru mai mic de 64 de octeți sau mai mare de 1518 de octeți);
eliminarea unui cadru pentru a evita buclele în rețea;
eliminarea unui cadru în conformitate cu filtrele configurate pe port;
vedere mese de comutare pentru a căuta portul de destinație pe baza adresei MAC de destinație a cadrului și renunțați la cadrul dacă sursa și destinația cadrului sunt conectate la același port.

Viteza de filtrare a aproape tuturor comutatoarelor este neblocantă - comutatorul reușește să scadă cadre la rata de sosire a acestora.

Viteza de redirecționare determină rata la care comutatorul efectuează următorii pași de procesare a cadrelor:

primirea unui cadru în tamponul său;
vedere mese de comutare pentru a găsi portul de destinație pe baza adresei MAC a destinatarului cadrului;
transmiterea cadrelor în rețea prin intermediul software-ului găsit masa de comutare portul de destinație.

Comutați lățimea de bandă (debit) este măsurată prin cantitatea de date utilizator (în megabiți sau gigabiți pe secundă) transmisă pe unitatea de timp prin porturile sale. Deoarece comutatorul funcționează la nivelul de legătură, pentru acesta datele utilizatorului sunt datele care sunt transportate în câmpul de date al cadrelor protocoalelor stratului de legătură - Ethernet, Fast Ethernet etc. Valoarea maximă a debitului comutatorului este întotdeauna atinsă pe cadre de lungime maximă, deoarece atunci când În acest caz, ponderea costurilor generale pentru supraîncărcarea cadrului este mult mai mică decât pentru cadrele de lungime minimă, iar timpul pentru comutare pentru a efectua operațiuni de procesare a cadrelor pe un octet de informații despre utilizator este semnificativ mai puțin. Prin urmare, un comutator poate fi blocant pentru lungimea minimă a cadrului, dar are totuși performanțe de debit foarte bune.

Întârziere de transmisie a cadrelor (întârziere înainte) se măsoară ca timpul scurs din momentul în care primul octet al cadrului ajunge la portul de intrare al comutatorului până în momentul în care acest octet apare la portul său de ieșire. Întârzierea este suma timpului petrecut în tamponarea octeților cadrului, precum și a timpului petrecut procesând cadrul de către comutator, și anume, vizionarea mese de comutare, luând o decizie de expediere și obțineți acces la mediul portului de ieșire.

Cantitatea de întârziere introdusă de comutator depinde de metoda de comutare utilizată în acesta. Dacă comutarea se efectuează fără tamponare, atunci întârzierile sunt de obicei mici și variază de la 5 la 40 µs, iar cu tamponarea cadru complet - de la 50 la 200 µs (pentru cadre de lungime minimă).

Schimbarea dimensiunii mesei

Capacitate maximă mese de comutare defineste cantitate limită Adrese MAC pe care comutatorul le poate opera în același timp. V masa de comutare pentru fiecare port, pot fi stocate atât adresele MAC învățate dinamic, cât și adresele MAC statice care au fost create de administratorul de rețea.

Valoarea numărului maxim de adrese MAC care pot fi stocate masa de comutare, depinde de aplicarea comutatorului. Switch-urile D-Link pentru grupuri de lucru și birouri mici acceptă de obicei un tabel de adrese MAC de la 1K la 8K. Switch-urile pentru grupuri mari de lucru acceptă tabele de adrese MAC de la 8K la 16K, iar comutatoarele backbone de rețea acceptă de obicei adrese de la 16K la 64K sau mai mult.

Capacitate insuficientă mese de comutare poate face ca comutatorul să încetinească și să înfunde rețeaua cu trafic în exces. Dacă tabelul de comutare este plin și portul întâlnește o nouă adresă MAC sursă într-un cadru de intrare, comutatorul nu o va putea pune în tabel. În acest caz, cadrul de răspuns la această adresă MAC va fi trimis prin toate porturile (cu excepția portului sursă), adică. va provoca inundații.

Dimensiunea cadru tampon

Pentru a asigura stocarea temporară a cadrelor în cazurile în care acestea nu pot fi transferate imediat în portul de ieșire, comutatoarele, în funcție de arhitectura implementată, sunt echipate cu buffere pe porturile de intrare, ieșire sau un buffer comun pentru toate porturile. Dimensiunea tamponului afectează atât întârzierea cadrelor, cât și rata de pierdere a pachetelor. Prin urmare, cu cât este mai mare cantitatea de memorie tampon, cu atât este mai puțin probabil să piardă cadre.

În mod obișnuit, comutatoarele concepute să funcționeze în părți critice ale rețelei au o memorie tampon de câteva zeci sau sute de kiloocteți per port. Bufferul comun pentru toate porturile este de obicei de câțiva megaocteți.

Principalii parametri tehnici care pot fi utilizați pentru a evalua un comutator construit folosind orice arhitectură sunt viteza de filtrare și viteza de redirecționare.

Rata de filtrare determină numărul de cadre pe secundă cu care comutatorul are timp să facă următoarele operații:

primirea unui cadru în tamponul său;
găsirea portului pentru adresa de destinație a cadrului în tabelul de adrese;
distrugerea cadrelor (portul de destinație este același cu portul sursă).

Rata de avans, prin analogie cu paragraful anterior, determină numărul de cadre pe secundă care pot fi procesate folosind următorul algoritm:

primirea unui cadru în buffer-ul tău,
găsirea unui port pentru adresa de destinație a cadrului;
transmiterea cadrelor către rețea prin portul de destinație găsit (conform tabelului de mapare a adreselor).

În mod implicit, acești indicatori sunt considerați a fi măsurați prin protocol Ethernet pentru cadre de dimensiune minimă (lungime 64 octeți). Deoarece timpul principal este ocupat de analiza antetului, cu cât cadrele transmise sunt mai scurte, cu atât sarcina pe care acestea o creează pe procesor și pe magistrala de comutare este mai serioasă.

Următorii parametri tehnici cei mai importanți ai comutatorului vor fi:

lățime de bandă (debit);
întârzierea transmisiei cadrului.
dimensiunea tabelului intern de adrese.
dimensiunea buffer-urilor de cadru;
performanța comutatorului;

Debitul este măsurat prin cantitatea de date transferate prin porturi pe unitatea de timp. Desigur, cu cât lungimea cadrului este mai mare (mai multe date atașate la un antet), cu atât ar trebui să fie mai mare debitul. Deci, cu o rată tipică de avans „pașaport” de 14880 de cadre pe secundă pentru astfel de dispozitive, debitul va fi de 5,48 Mb/s pe pachete de 64 de octeți, iar limita debitului de date va fi impusă de comutator.

În același timp, la transmiterea cadrelor de lungime maximă (1500 de octeți), viteza de redirecționare va fi de 812 cadre pe secundă, iar debitul va fi de 9,74 Mb/s. De fapt, limita de transfer de date va fi determinată de viteza protocolului Ethernet.

Întârzierea transmisiei cadrului înseamnă timpul scurs din momentul în care cadrul a fost scris în tamponul portului de intrare al comutatorului până când apare în portul său de ieșire. Putem spune că acesta este timpul de avans al unui singur cadru (buffering, căutare în tabel, decizie de filtrare sau redirecționare și obținerea accesului la media portului de ieșire).

Cantitatea de întârziere depinde foarte mult de modul în care sunt avansate cadrele. Dacă se utilizează metoda de comutare din mers, atunci întârzierile sunt mici și variază de la 10 µs la 40 µs, în timp ce cu tamponare completă - de la 50 µs la 200 µs (în funcție de lungimea cadrului).

Dacă comutatorul (sau chiar unul dintre porturile sale) este încărcat puternic, se dovedește că, chiar și cu comutarea din mers, majoritatea cadrelor primite sunt forțate să fie tamponate. Prin urmare, cele mai complexe și costisitoare modele au capacitatea de a schimba automat mecanismul comutatorului (adaptare) în funcție de sarcină și de natura traficului.

Dimensiunea tabelului de adrese (tabel CAM). Specifică numărul maxim de adrese MAC care sunt conținute în tabelul de mapare a porturilor și adreselor MAC. În documentația tehnică, de obicei este dat pentru un port ca număr de adrese, dar uneori se întâmplă ca dimensiunea memoriei pentru tabel să fie indicată în kiloocteți (o intrare durează cel puțin 8 kb, iar „înlocuirea” numărului este foarte benefic pentru un producator fara scrupule).

Pentru fiecare port, tabelul de căutare CAM poate fi diferit, iar atunci când depășește, cel mai mult vechi record este șters și unul nou este introdus în tabel. Prin urmare, dacă numărul de adrese este depășit, rețeaua poate continua să funcționeze, dar funcționarea comutatorului în sine va încetini foarte mult, iar segmentele conectate la acesta vor fi încărcate cu trafic în exces.

Anterior, existau modele (de exemplu, 3com SuperStack II 1000 Desktop) în care dimensiunea tabelului permitea stocarea uneia sau mai multor adrese, din cauza cărora trebuia să fii foarte atent la designul rețelei. Cu toate acestea, acum chiar și cele mai ieftine switch-uri desktop au un tabel de 2-3K adrese (și backbone chiar mai mult), iar acest parametru a încetat să mai fie un blocaj tehnologic.

Dimensiunea memoriei tampon. Este necesar ca comutatorul să stocheze temporar cadre de date în cazurile în care nu este posibil să le transfere imediat în portul de destinație. Este clar că traficul este neuniform, există întotdeauna ondulații care trebuie netezite. Și cu cât tamponul este mai mare, cu atât poate „prelua” mai multă sarcină.

Modelele de comutare simple au o memorie tampon de câteva sute de kilobytes per port, mai mult modele scumpe această valoare ajunge la câțiva megaocteți.

Comutați performanța. În primul rând, trebuie remarcat faptul că comutatorul este un dispozitiv multiport complex și, la fel, pentru fiecare parametru separat, este imposibil să-i evaluăm adecvarea pentru rezolvarea sarcinii. Există un număr mare de opțiuni de trafic, cu rate diferite, dimensiuni ale cadrelor, distribuție de porturi și așa mai departe. Încă nu există o metodologie comună de evaluare (trafic de referință) și sunt folosite diverse „teste corporative”. Sunt destul de complexe, iar în această carte va trebui să ne limităm la recomandări generale.

Un comutator ideal ar trebui să transmită cadre între porturi la aceeași rată cu care nodurile conectate le generează, fără pierderi și fără a introduce întârzieri suplimentare. Pentru a face acest lucru, elementele interne ale comutatorului (procesoare de port, magistrală intermodule, CPU etc.) trebuie să poată face față traficului de intrare.

În același timp, în practică există multe restricții destul de obiective asupra posibilităților comutatoarelor. Cazul clasic, când mai multe noduri de rețea interacționează intens cu un server, va provoca inevitabil o scădere a performanței reale din cauza vitezei fixe a protocolului.

Astăzi, producătorii au stăpânit pe deplin producția de comutatoare (10/100baseT), chiar și modelele foarte ieftine au lățime de bandă suficientă și procesoare destul de rapide. Problemele încep atunci când trebuie aplicate metode mai complexe de limitare a vitezei nodurilor conectate (contrapresiune), filtrare și alte protocoale, discutate mai jos.

În concluzie, trebuie spus că cel mai bun criteriu există încă o practică când comutatorul își arată capabilitățile într-o rețea reală.

Caracteristici suplimentare ale comutatoarelor.

După cum am menționat mai sus, comutatoarele de astăzi au atât de multe caracteristici încât comutarea convențională (care părea un miracol tehnologic în urmă cu zece ani) se estompează în fundal. Într-adevăr, modelele care costă între 50 USD și 5000 USD pot schimba cadrele rapid și cu o calitate relativ înaltă. Diferența constă în caracteristicile suplimentare.

Este clar că cel mai mare număr comutatoarele gestionate au caracteristici suplimentare. În continuare, în descriere, vor fi evidențiate în mod specific opțiunile care de obicei nu pot fi implementate corect pe comutatoarele personalizate.

Conectarea comutatoarelor într-o stivă. Această opțiune suplimentară este una dintre cele mai simple și mai utilizate pe scară largă în rețele mari. Sensul său este de a conecta mai multe dispozitive cu o magistrală comună de mare viteză pentru a crește performanța nodului de comunicație. În acest caz, uneori pot fi utilizate opțiuni pentru management unificat, monitorizare și diagnosticare.

Trebuie remarcat faptul că nu toți vânzătorii folosesc tehnologia de conectare a comutatoarelor folosind porturi speciale (stivuire). În acest domeniu, liniile Gigabit Ethernet devin din ce în ce mai frecvente sau prin gruparea mai multor porturi (până la 8) într-un singur canal de comunicație.

Protocolul Spanning Tree (STP). Pentru rețele LAN simple, menținerea topologiei Ethernet corecte (stea ierarhică) în timpul funcționării nu este dificilă. Dar cu o infrastructură mare, aceasta devine o problemă serioasă - crossover-ul incorect (închiderea unui segment într-un inel) poate duce la oprirea funcționării întregii rețele sau a unei părți a acesteia. Mai mult, găsirea locului accidentului poate să nu fie deloc ușoară.

Pe de altă parte, astfel de conexiuni redundante sunt adesea convenabile (multe rețele de transport de date sunt construite exact conform arhitecturii inelului) și pot crește foarte mult fiabilitatea - dacă există un mecanism corect de procesare a buclei.

Pentru a rezolva această problemă, se folosește protocolul Spanning Tree (STP), în care comutatoarele creează automat o configurație activă de legătură asemănătoare arborelui, găsind-o folosind schimbul de pachete de servicii (Bridge Protocol Data Unit, BPDU), care sunt plasate în câmpul de date al unui cadru Ethernet. Ca urmare, porturile în buclă sunt blocate, dar pot fi pornite automat dacă legătura principală se întrerupe.

Astfel, tehnologia STA oferă suport pentru legăturile redundante într-o rețea de topologie complexă și posibilitatea modificări automate fără intervenția administratorului. Această caracteristică este mai mult decât utilă în rețelele mari (sau distribuite), dar datorită complexității sale, este rar folosită în comutatoarele personalizate.

Modalități de a controla fluxul de intrare. După cum sa menționat mai sus, dacă comutatorul este încărcat neuniform, pur și simplu nu poate trece fizic fluxul de date prin el însuși la viteză maximă. Dar pur și simplu eliminarea cadrelor suplimentare din motive evidente (de exemplu, întreruperea sesiunilor TCP) este extrem de nedorită. Prin urmare, este necesar să se utilizeze un mecanism de limitare a intensității traficului transmis de nod.

Sunt posibile două moduri - capturarea agresivă a mediului de transmisie (de exemplu, comutatorul poate să nu respecte intervalele de timp standard). Dar această metodă este potrivită doar pentru mediul de transmisie „general” rar folosit în Ethernet comutată. Metoda contrapresiunii are același dezavantaj, în care cadrele fictive sunt transmise la nod.

Prin urmare, în practică, este solicitată tehnologia Advanced Flow Control (descrisă în standardul IEEE 802.3x), a cărei semnificație este în transmiterea cadrelor speciale de „pauză” prin comutarea către nod.

Filtrarea traficului. Este adesea foarte util să setați condiții suplimentare de filtru de cadre pe porturile de comutare pentru cadrele de intrare sau de ieșire. În acest fel, puteți restricționa accesul. anumite grupuri utilizatorii către anumite servicii de rețea folosind adresa MAC sau eticheta de rețea virtuală.

De regulă, condițiile de filtrare sunt scrise ca expresii booleene formate folosind operatii logiceȘI și SAU.

Filtrarea complexă necesită putere de procesare suplimentară de la comutator și, dacă nu este suficientă, poate reduce semnificativ performanța dispozitivului.

Capacitatea de filtrare este foarte importantă pentru rețelele în care utilizatorii finali sunt abonați „comerciali”, al căror comportament nu poate fi reglementat prin măsuri administrative. Deoarece pot întreprinde acțiuni distructive neautorizate (de exemplu, falsificarea IP sau Adresa mac computerul dvs.), este de dorit să se ofere un minim de oportunități pentru aceasta.

Comutarea celui de-al treilea nivel (Layer 3). Datorită creșterii rapide a vitezei și a utilizării pe scară largă a comutatoarelor, astăzi există un decalaj vizibil între capacitățile de comutare și rutarea clasică folosind calculatoare mainframe. În această situație, cel mai logic este să se ofere comutatorului gestionat capacitatea de a analiza cadre la al treilea nivel (conform modelului OSI cu 7 straturi). O astfel de rutare simplificată face posibilă creșterea semnificativă a vitezei, gestionarea mai flexibilă a traficului unei rețele LAN mari.

Cu toate acestea, în rețelele de transport de date de transmisie, utilizarea switch-urilor este încă foarte limitată, deși tendința de a șterge diferențele acestora de la routere în ceea ce privește capabilitățile poate fi urmărită destul de clar.

Capabilitati de management si monitorizare. Extensiv caracteristici suplimentare implică controale avansate și convenabile. Anterior dispozitive simple putea fi controlat de mai multe butoane printr-un mic indicator digital, sau prin portul consolei. Dar acest lucru este deja în trecut - recent, au fost lansate comutatoare care sunt gestionate printr-un port obișnuit 10 / 100baseT folosind Telnet, un browser Web sau prin protocolul SNMP. Dacă primele două metode sunt în general, doar o continuare convenabilă din setările obișnuite de pornire, apoi SNMP vă permite să utilizați comutatorul ca un instrument cu adevărat versatil.

Pentru Etherenet, doar extensiile sale sunt de interes - RMON și SMON. RMON-I este descris mai jos, pe lângă acesta, există și RMON-II (care afectează mai mult niveluri înalte OSI). Mai mult, în comutatoarele „de nivel mediu”, de regulă, sunt implementate doar grupurile RMON 1-4 și 9.

Principiul de funcționare este următorul: agenții RMON de pe comutatoare trimit informații către un server central, unde un special software(de exemplu, HP OpenView) procesează informațiile, prezentându-le într-o formă convenabilă pentru administrare.

Mai mult, procesul poate fi controlat - prin schimbarea de la distanță a setărilor, readuceți rețeaua la normal. Pe lângă monitorizare și management, folosind SNMP, puteți construi un sistem de facturare. Până acum pare oarecum exotic, dar există deja exemple de utilizare reală a acestui mecanism.

Standardul RMON-I MIB descrie 9 grupuri de obiecte:

Statistici - statistici curente acumulate despre caracteristicile cadrelor, numărul de coliziuni, cadre eronate (detaliate pe tipuri de erori), etc.
Istoric - date statistice salvate la anumite intervale pentru analiza ulterioară a tendințelor modificărilor acestora.
Alarme - praguri statistice peste care agentul RMON generează un anumit eveniment. Implementarea acestui grup necesită implementarea grupului Evenimente - evenimente.
Gazdă - date despre gazdele rețelei găsite ca urmare a analizei adreselor MAC ale cadrelor care circulă în rețea.
Host TopN - un tabel de N gazde de rețea cu cele mai mari valori ale parametrilor statistici dați.
Traffic Matrix - statistici despre intensitatea traficului dintre fiecare pereche de gazde de rețea, ordonate sub forma unei matrice.
Filtru - condiții de filtrare a pachetelor; pachetele care îndeplinesc condiția dată pot fi fie capturate, fie pot genera evenimente.
Captură de pachete - un grup de pachete capturate în condițiile de filtrare specificate.
Eveniment - condiții pentru înregistrarea evenimentului și notificarea evenimentului.

O discuție mai detaliată a capabilităților SNMP ar necesita nu mai puțin spațiu decât această carte, deci ar fi potrivit să ne oprim asupra acestui lucru, foarte descriere generala acest instrument complex, dar puternic.

Rețele virtuale (Virtual Local-Area Network, VLAN). Poate că aceasta este cea mai importantă caracteristică (în special pentru rețelele de acasă) și utilizată pe scară largă a comutatoarelor moderne. Trebuie remarcat faptul că există mai multe moduri fundamental diferite de a construi rețele virtuale folosind comutatoare. Datorită importanței sale mari pentru furnizarea Ethernet, descrierea sa detaliată a tehnologiei va fi făcută într-unul din capitolele următoare.

Sensul pe scurt este de a face mai multe virtuale (rețele independente una de cealaltă) pe o singură rețea Ethernet fizică prin intermediul comutatoarelor (2 nivele ale modelului OSI), permițând routerului central să gestioneze porturile (sau grupurile de porturi) pe comutatoare la distanță. Ceea ce face de fapt VLAN un mijloc foarte convenabil pentru furnizarea de servicii de transfer de date (furnizor).