Коммутаторы: особенности и характеристики

Министерство  образования и науки РФ

ФГОУ  СПО «Саранский государственный  промышленно-экономический  колледж» 
 

                                                                                                                        230106

                                                                                                          (шифр специальности)

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

по дисциплине Компьютерные сети и телекоммуникации

Тема: Коммутаторы: особенности и характеристики 
 
 

СГПЭК 230106.11.15. 
 
 
 

Студент группы: ТО3А08, Корчагин А. Г.

Преподаватель: Чирочкин Е.И.

Дата защиты: _______________________                              Оценка__________ 
 
 
 

Саранск

2011

Министерство  образования и науки РФ

ФГОУ  СПО «Саранский государственный промышленно-экономический колледж» 
 

                                                                                                                       230106

                                                                                                          (шифр специальности) 
 
 
 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 

по дисциплине Компьютерные сети и телекоммуникации

студенту группы ТО3А08, Корчагин А. Г.

Тема: Коммутаторы: особенности и характеристики

Курсовая работа выполнена  на 28 листах и включает следующие разделы:

Введение

1 Особенности сетевого коммутатора

2 Классификация современных коммутаторов

3 Характеристики коммутаторов

Заключение

Список использованных источников 
 
 
 

Дата выдачи: ________________                  Зав. отделением: ______________

Срок выполнения: ____________                  Преподаватель: _______________ 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………...5

1. Особенности сетевого коммутатора…………………………………………………10
1. Коммутатор и его роль в структуризации сети…………………………………10
2. Принцип работы…………………………………………………………………..11
2. Классификация современных коммутаторов………………………………………..14
1. По способу продвижения кадров………………………………………………...14

1. На лету……………………………………………………………………....14
2. С промежуточным хранением……………………………………………..14

2. По алгоритму принципа работы………………………………………………….15

1. Прозрачные коммутаторы…………………………………………………15

2. Коммутаторы,  реализующие алгоритм маршрутизации от источника…………………………………………………………………………….15

3. Коммутаторы, реализующие алгоритм покрывающего дерева…………16

3. По внутренней логической архитектуре………………………………………...16

1. Коммутаторы с коммутационной матрицей……………………………...16
2. Коммутаторы с общей шиной……………………………………………..17
3. Коммутаторы с разделяемой памятью……………………………………18
4. Комбинированные коммутаторы………………………………………….19

4. По области применения…………………………………………………………..20

1. Коммутаторы с фиксированным числом портов…………………………20
2. Модульные коммутаторы………………………………………………….20
3. Стековые коммутаторы…………………………………………………….21

5. Технологии коммутаторов………………………………………………………..21

1. Коммутаторы Ethernet……………………………………………………...21
2. Коммутаторы Token Ring………………………………………………….22
3. Коммутаторы FDDI………………………………………………………...23

3. Характеристики коммутаторов………………………………………………………24
1. Пропускная способность…………………………………………………………24
2. Задержка при передаче кадра…………………………………………………….24
3. Скорость продвижения кадров по сети………………………………………….25
4. Скорость фильтрации……………………………………………………………..25

Заключение……………………………………………………………………………….26

Список использованных источников…………………………………………………...27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Введение 

       При изменении ситуации в конце 80-х — начале 90-х годов — появлении быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации, разделении сети на большое количество сегментов — классические мосты перестали справляться с работой. Обслуживание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение. Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы (Рис. 1): для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставились отдельные специализированные процессоры на каждый из портов, которые реализовывали алгоритм моста.

       Рисунок 1 Коммутатор

         По сути, коммутатор — это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Но если при добавлении процессорных блоков компьютер не перестали называть компьютером, а добавили только прилагательное «мультипроцессорный», то с мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза — они превратились в коммутаторы. Этому способствовал способ связи между отдельными процессорами коммутатора — они связывались коммутационной матрицей, похожей на матрицы мультипроцессорных компьютеров, связывающие процессоры с блоками памяти. Постепенно коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого — очень высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, когда их производительность оказывалась меньше интенсивности межсегментного потока кадров, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, которые могут передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Добавление к этому параллельной передачи кадров между портами сделало производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов — коммутаторы могут передавать до нескольких миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 тысяч кадров в. секунду. Это и предопределило судьбу мостов и коммутаторов. Коллективное использование многими компьютерами общей кабельной системы приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Общая среда перестает справляться с потоком передаваемых кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Эта проблема может быть решена путем логической структуризации сети с помощью коммутатора (Рис. 2). Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, с целью локализации трафика каждого отдельного сегмента сети. При этом отдельные сегменты сети соединяют такими устройствами, как коммутаторы. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает более высокой производительностью и надежностью. Преимущества разбиения общей разделяемой среды на логические сегменты:

       - Простота топологии сети, допускающая легкое наращивания числа узлов;

       - Отсутствие потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как новый кадр не передается в сеть, пока не принят предыдущий - сама система разделения среды регулирует поток кадров и приостанавливает станции, слишком часто генерирующие кадры, заставляя их ждать доступа;

       - Простота протоколов, обеспечивающая низкую стоимость коммутационного оборудования.

       Рисунок 2 Логическая структуризация сети с помощью коммутатора

       Так как в сети имеются группы компьютеров, преимущественно обменивающиеся информацией между собой, деление сети на логические сегменты улучшает производительность сети - трафик локализуется в пределах групп, и нагрузка на их разделяемые кабельные системы существенно уменьшается.

       Актуальность выбранной темы исследования определяется, во-первых, быстрым вхождением  локальных сетей практически во все аспекты информационной деятельности. И сетевые устройства, которые повышают производительность сети, являются неотъемлемой частью локальных сетей. Организация  локальных сетей с использованием сетевого оборудования стала нормой при проектировании крупных сетей. Эта норма вытеснила сети, построенные исключительно на основе сегментов кабеля, которыми пользуются для передачи информации компьютеры сети.

       Во-вторых, за последние несколько лет (начиная с 2006 года) именно коммутаторы стали заметно теснить маршрутизаторы с прочно завоеванных позиций. Центральное место в сети здания занимали маршрутизаторы, а коммутаторам отводилось место на уровне сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного - их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подключения сверхпроизводительных серверов. Коммутаторы стали вытеснять маршрутизаторы из центра сети на периферию где они использовались для соединения локальной сети с глобальной. Центральное место в сети здания занял модульный корпоративный коммутатор, который объединял на своей внутренней, очень производительной магистрали все сети этажей и отделов. Коммутаторы потеснили маршрутизаторы потому, что их показатель "цена/производительность", оказался гораздо ниже данного показателя относительно маршрутизатора. Естественно, тенденция повышения роли коммутаторов в локальных сетях не имеет абсолютного характера. И у маршрутизаторов по-прежнему имеются свои области применения, где их применение более рационально, чем коммутаторов. Маршрутизаторы остаются незаменимыми при подключении локальной сети к глобальной.

       Цель  работы – раскрыть сущность принципа работы коммутатора, его особенности и характеристики, а также рассмотреть область его применения.

       Задачи исследовательской работы:

       - раскрыть  понятие коммутатора,  сущность принципа работы, цель  и роль его применения в  работе локальных сетей;

       - рассмотреть различные классификации  и характеристики данного устройства;

       - проанализировать актуальность и перспективы использования коммутаторов при организации локальных сетей.

       Объектом исследования является коммутатор, как одно из наиболее перспективных сетевых устройств, используемых при организации локальных сетей.

       Предметом исследования являются особенности и характеристики коммутаторов.

       Структура работы.

       В первой главе описаны особенности сетевого коммутатора, его понятие, роль в структуризации сети и принцип работы.

       Во  второй главе описана классификация  современных коммутаторов:

       - По способу продвижения кадров;

       - По алгоритму принципа работы;

       - По внутренней логической архитектуре;

       - По области применения;

       - Технологии коммутаторов.

       В третьей главе описаны характеристики коммутаторов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Особенности сетевого коммутатора 

       В данной главе мы рассмотрим понятие  коммутатора, цель его использования и принцип работы. 

1. Коммутатор  и его роль в структуризации сети

       Коммутатор или свитч — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. Коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Коммутатор может объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутатор делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля). Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту коммутатора (Рис. 3). При поступлении кадра на какой-либо из портов коммутатор повторяет этот кадр, только на том порту, к которому подключен сегмент. Коммутатор передает кадры параллельно.

       Рисунок 3 Разделение сети на логические сегменты

       При работе коммутатора среда передачи данных каждого логического сегмента остается общей только для тех компьютеров, которые подключены к этому сегменту непосредственно. Коммутатор осуществляет связь сред передачи данных различных логических сегментов. Удобство использования коммутатора состоит еще и в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети. 

2. Принцип работы

       Рассмотрим  принцип действия, по которому осуществляет свою работу коммутатор. Коммутатор хранит в памяти таблицу, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя ещё не известен, то кадр будет продублирован на все интерфейсы. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Коммутаторы принимают решение о том, на какой порт нужно передать кадр, анализируя адрес назначения, помещенный в пакете (Рис. 4), а также на основании информации о принадлежности того или иного компьютера определенному сегменту, подключенному к одному из портов коммутатора, то есть на основании информации о конфигурации сети. Для того, чтобы собрать и обработать информацию о конфигурации подключенных к нему сегментов, коммутатор должен пройти стадию "обучения", то есть самостоятельно проделать некоторую предварительную работу по изучению проходящего через него трафика. Определение принадлежности компьютеров сегментам возможно за счет наличия в кадре не только адреса назначения, но и адреса источника, сгенерировавшего пакет. Используя информацию об адресе источника, коммутатор устанавливает соответствие между номерами портов и адресами компьютеров. В процессе изучения сети коммутатор просто передает появляющиеся на входах его портов кадры на все остальные порты, работая некоторое время повторителем. После того, как коммутатор узнает о принадлежности адресов сегментам, он начинает передавать кадры между портами только в случае межсегментной передачи. Если, уже после завершения обучения, на входе коммутатора вдруг появится кадр с неизвестным адресом назначения, то этот кадр будет повторен на всех портах.

       Рисунок 4 Принцип работы коммутатора 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Классификация современных коммутаторов

       В данной главе мы рассмотрим классификацию  коммутаторов, в которой выделим особенности внутренней структуры данного устройства, их видовые особенности в зависимости от технологий сетей, в которых они работают, рассмотрим особенности, связанные со способами продвижения кадров по сети.  

1. По  способу продвижения  кадра

       По  способу продвижения кадра по сети различают коммутаторы с  коммутацией на лету и с промежуточным хранением. 

1.   На лету

       Коммутация  «на лету»  выполняется без промежуточного хранения кадра. Порт принимает кадр, одновременно анализируя его поле заголовка. Как только будут приняты биты адреса назначения коммутатор уже может пересылать кадр в порт или порты назначения, если они не заняты. В случае, если порт назначения занят, промежуточное хранение неизбежно. Однако проверка CRC не производится, и коммутатор распространяет все кадры, в том числе и короткие (что является недостатком коммутации «на лету»). Коммутация «на лету» обеспечивает минимальную задержку (для максимально длинного кадра при 10 Мбит/с — 11,2 мкс). 

2.   С промежуточным хранением

       Технология  с промежуточным хранением предполагает, что каждый кадр, пришедший в порт, вначале сохраняется в буферной памяти. Далее процессор анализирует его заголовок, адрес источника использует для построения своих таблиц, а по адресу назначения определяет порт, в который кадр должен быть передан. В случае многоадресной или широковещательной передачи это будет группа из всех остальных портов. Передача в порт производится по мере его освобождения. После успешной передачи (во все требуемые порты) кадр из памяти удаляется, освобождая место. Эта технология позволяет анализировать кадр (проверять CRC-код) и игнорировать ошибочные кадры. Недостатком такого подхода является значительная задержка передачи кадров, по крайней мере, на время приема кадра (для максимально длинного кадра при 10 Мбит/с — 1,22 мс). 

2. По  алгоритму принципа работы

       По  алгоритму принципа работы различают прозрачные коммутаторы, коммутаторы, реализующие алгоритм маршрутизации от источника и коммутаторы, реализующие алгоритм покрывающего дерева. 

1. Прозрачные коммутаторы

       Прозрачные  коммутаторы - коммутаторы, появление которых в сети совершенно не заметно для ее конечных узлов. Это позволяет не изменять их программное обеспечение при переходе от простых конфигураций к более сложным. За простоту принципа работы прозрачного коммутатора приходится расплачиваться ограничениями на топологию сети, построенной с использованием устройств данного типа - такие сети не могут иметь замкнутых маршрутов – петель. Коммутатор не может правильно работать в сети с петлями, при этом сеть засоряется зацикливающимися пакетами и ее производительность снижается. 

2.   Коммутаторы, реализующие алгоритм маршрутизации от источника

       Существует и другой класс коммутаторов, передающих кадры между сегментами на основе полной информации о межсегментном маршруте. Эту информацию записывает в кадр станцию-источник кадра, поэтому говорят, что такие устройства реализуют алгоритм маршрутизации от источника. При использовании коммутаторов с маршрутизацией от источника конечные узлы должны быть в курсе деления сети на сегменты и сетевые адаптеры, в этом случае должны в своем программном обеспечении иметь компонент, занимающийся выбором маршрута кадров. 

3. Коммутаторы, реализующие алгоритм покрывающего дерева

       Для автоматического распознавания  петель в конфигурации сети разработан алгоритм покрывающего дерева. Этот алгоритм позволяет коммутаторам адаптивно строить дерево связей, когда они изучают топологию связей сегментов с помощью специальных тестовых кадров. При обнаружении замкнутых контуров некоторые связи объявляются резервными. Коммутатор может использовать резервную связь только при отказе какой-либо основной. В результате сети, построенные на основе коммутаторов, поддерживающих алгоритм покрывающего дерева, обладают некоторым запасом надежности, но повысить производительность за счет использования нескольких параллельных связей в таких сетях нельзя. 

3. По  внутренней логической архитектуре

       По  внутренней логической архитектуре  выделяют коммутаторы с коммутационной матрицей, с общей шиной, с разделяемой памятью и комбинированные коммутаторы. 

1.   Коммутаторы с коммутационной матрицей

       Коммутатор  с коммутационной матрицей - это электронный коммутатор, который позволяет организовать цепь передачи логического сигнала между любой парой портов. Процессор каждого порта принимает кадр сначала в свой буфер. Как только процессор порта определяет адрес назначения очередного кадра, он запрашивает у матрицы требуемое соединение. Если выходной порт свободен, устанавливается логическая связь, и кадр через матрицу поступает на вход передатчика выходного порта. Если выходной порт занят, кадр сохраняется в буферной памяти входного порта на время, требуемое для освобождения нужного выходного порта назначения.

       Рисунок 5 Топология связей коммутационной матрицы

       Число портов ограничено, так как сложность реализации коммутатора возрастает пропорционально квадрату числа портов. На рисунке 5 показана топология связей коммутационной матрицы. Основным недостатком является невозможность буферизации данных внутри самой матрицы. 

2.   Коммутаторы с общей шиной

       В коммутаторах с общей шиной (Рис. 6) процессоры портов связываются высокоскоростной шиной. Кадры по ней пересылаются мелкими фрагментами (ячейками) на скорости, существенно большей битовой скорости портов. В результате каждая передача занимает малую часть времени шины, и несколько пар процессоров могут обмениваться кадрами псевдопараллельно. Производительность шины в идеале должна быть не меньше суммы пропускной способности половины портов. До тех пор, пока это условие соблюдается, увеличение количества портов не вызывает особых технических проблем. Скорость передачи по шине не зависит от скорости работы конкретных портов.

       Рисунок 6 Коммутаторы с общей шиной

       Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тэг, в котором  указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта  содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту. Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, то задержек с ожиданием доступности выходного порта нет. 

3.   Коммутаторы с разделяемой памятью

       Разделяемая память — это единая буферная память, доступная процессорам всех портов коммутатора (Рис. 7). Все входящие кадры помещаются в эту память, а процессорам выходных портов передаются лишь указатели на блоки памяти, содержащие предназначенные им кадры. Процессоры выходных портов после успешной передачи данных отмечают эти блоки как свободные для дальнейшего использования. Общая память позволяет не делать больших запасов памяти для каждого порта (на случай перегрузок).

       Рисунок 7 Коммутатор с разделяемой памятью

       Применение  общей буферной памяти, распределяемой менеджером между отдельными портами, снижает требования к размеру  буферной памяти процессора порта. 

4.   Комбинированные коммутаторы

       У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и недостатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются в комбинации друг с другом. На рисунке 8 показан пример комбинированной архитектуры, сочетающей в себе архитектуру с общей шиной и коммутационной матрицей. 

       Рисунок 8 Комбинирование архитектур коммутационной матрицы и общей шины 

4. По  области применения

       В зависимости от области применения различают коммутаторы с фиксированным количеством портов, модульные и стековые коммутаторы. 

1.   Коммутаторы с фиксированным количеством портов

       Коммутаторы с фиксированным числом портов —  самые дешевые устройства, применяемые для числа портов до 24-30. Часто 1-2 порта имеют скорость, на порядок большую скорости основной массы портов. Эти порты предназначаются для подключения приоритетных узлов (серверов) и связи с другими коммутаторами. 

2.   Модульные коммутаторы

       Модульные коммутаторы могут иметь до сотни  портов. Эти коммутаторы применяют  в качестве магистральных на уровне распределителей здания, а иногда и в этажных.