Функционирование коммутаторов локальной сети

Коммутаторы локальных сетей обрабатывают кадры на основе алгоритма прозрачного моста (transparent bridge), который определен стандартом IEEE 802.1 D. Процесс работы алгоритма прозрачного моста начинается с построения таблицы коммутации (Forwarding DataBase, FDB ).

Изначально таблица коммутации пуста. При включении питания, одновременно с передачей данных, коммутатор начинает изучать расположение подключенных к нему сетевых устройств , путем анализа МАС -адресов источников получаемых кадров. Например, если на порт 1 коммутатора, показанного на рис. 1.3, поступает кадр от узла А, то он создает в таблице коммутации запись , ассоциирующую МАС - адрес узла А с номером входного порта. Записи в таблице коммутации создаются динамически . Это означает, что, как только коммутатором будет прочитан новый МАС-адрес, то он сразу будет занесен в таблицу коммутации. Дополнительно к МАС-адресу и ассоциированному с ним порту в таблицу коммутации для каждой записи заносится время старения (aging time ). Время старения позволяет коммутатору автоматически реагировать на перемещение, добавление или удаление сетевых устройств. Каждый раз, когда идет обращение по какому-либо МАС-адресу, соответствующая запись получает новое время старения. Записи, по которым не обращались долгое время , из таблицы удаляются. Это позволяет хранить в таблице коммутации только актуальные МАС- адреса, что уменьшает время поиска соответствующей записи в ней и гарантирует, что она не будет использовать слишком много системной памяти.

Рисунок 1.3 – Построение таблицы коммутации

Помимо динамического создания записей в таблице коммутации в процессе самообучения коммутатора, существует возможность создания статических записей таблицы коммутации вручную. Статическим записям, в отличие от динамических, не присваивается время старения , поэтому время их жизни не ограничено.

Статическую таблицу коммутации удобно использовать с целью повышения сетевой безопасности , когда необходимо гарантировать, что только устройства с определенными МАС-адресами могут подключаться к сети. В этом случае необходимо отключить автоизучение МАС-адресов на портах коммутатора.

Как только в таблице коммутации появляется хотя бы одна запись, коммутатор начинает использовать ее для пересылки кадров . Рассмотрим пример, показанный на рис. 1.4, описывающий процесс пересылки кадров между портами коммутатора.

Рисунок 1.4 – Передача кадра с порта на порт коммутатора

Когда коммутатор получает кадр, отправленный компьютером А компьютеру В, он извлекает из него МАС-адрес приемника и ищет этот МАС-адрес в своей таблице коммутации. Как только в таблице коммутации будет найдена запись, ассоциирующая МАС-адрес приемника (компьютера В) с одним из портов коммутатора, за исключением порта-источника, кадр будет передан через соответствующий выходной порт (в приведенном примере – порт 2). Этот процесс называется продвижением (forwarding) кадра.

Если бы оказалось, что выходной порт и порт-источник совпадают, то передаваемый кадр был бы отброшен коммутатором. Этот процесс называется фильтрацией (filtering) .

В том случае, если МАС-адрес приемника в поступившем кадре неизвестен (в таблице коммутации отсутствует соответствующая запись), коммутатор создает множество копий этого кадра и передает их через все свои порты, за исключением того , на который он поступил. Этот процесс называется лавинной передачей (flooding). Несмотря на то, что процесс лавинной передачи занимает полосу пропускания, он позволяет коммутатору избежать потери кадров, когда МАС-адрес приемника неизвестен, и осуществлять процесс самообучения.

Помимо лавинной передачи одноадресных кадров, коммутаторы также выполняют лавинную передачу многоадресных и широковещательных кадров, которые генерируются сетевыми мультимедийными приложениями.

Методы коммутации

Первым шагом, который выполняет коммутатор, прежде чем принять решение о передаче кадра, является его получение и анализ содержимого. В коммутаторе может быть реализован один из трех режимов работы, определяющих его поведение при получении кадра:

• коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward);

• коммутация без буферизации (cut-through) ;

• коммутация с исключением фрагментов (fragment-free).

При коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward) коммутатор, прежде чем передать кадр, полностью копирует его в буфер и производит проверку на наличие ошибок. Если кадр содержит ошибки (не совпадает контрольная сумма, или кадр меньше 64 байт или больше 1518 байт), то он отбрасывается. Если кадр не содержит ошибок, то коммутатор находит МАС-адрес приемника в своей таблице коммутации и определяет выходной порт . Затем, если не определены никакие фильтры, коммутатор передает кадр через соответствующий порт устройству назначения.

Несмотря на то, что этот способ передачи связан с задержками (чем больше размер кадра, тем больше времени требуется на его прием и проверку на наличие ошибок), он обладает двумя существенными преимуществами:

- коммутатор может быть оснащен портами, поддерживающими разные технологии и скорости передачи, например, 10/100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и 10 Гбит/с;

- коммутатор может проверять целостность кадра, благодаря чему поврежденные кадры не будут передаваться в соответствующие сегменты.

Коммутация без буферизации (cut-through) была реализована в первом коммутаторе Ethernet, разработанном фирмой Kalpana в 1990 г. При работе в этом режиме коммутатор копирует в буфер только МАС-адрес назначения (первые 6 байт после префикса) и сразу начинает передавать кадр, не дожидаясь его полного приема. Коммутация без буферизации уменьшает задержку, но проверку на ошибки не выполняет. Данный метод коммутации может использоваться только в том случае, когда порты коммутатора поддерживают одинаковую скорость.

Коммутация с исключением фрагментов (fragment -free ) является компромиссным решением между методами store-and-forward и cut-through. При этом методе коммутации коммутатор принимает в буфер первые 64 байта кадра, что позволяет ему отфильтровывать коллизионные кадры перед их передачей. В соответствии со спецификацией Ethernet, коллизия может произойти во время передачи первых 64 байт. Поэтому, все кадры, с длиной больше 64 байт считаются правильными. Этот метод коммутации ожидает, пока полученный кадр не будет проверен на предмет коллизии, и только после этого, начинает его передачу.

Рисунок 1.5 – Методы коммутации