2.2.2. Потеря кадров - врожденная болезнь коммутаторов

Причины потери коммутаторами кадров можно разделить на две категории - блокирующая производительность коммутатора и перегрузка выходного порта или портов.

Блокирующая производительность - это ситуация, когда выходные порты коммутатора могли бы передать в сеть все поступающие потоки кадров, но производительность внутренних элементов коммутатора недостаточна для обработки этих потоков. Многие модульные модели коммутаторов страдают от этого недостатка. Как правило, он является следствием появления в номенклатуре коммутатора высокоскоростных модулей, например, модулей FastEthernet, ATM и GigabitEthernet, уже после выпуска общих элементов коммутатора, например, коммутационной матрицы, блока общей памяти, пассивной общей шины и т.п. В результате - нехватка производительности для особенно тяжелых режимов работы.

Но, если недостаточную производительность элементов коммутатора можно устранить, заменив их более скоростными, то производительность порта коммутатора ограничена стандартом соответствующего протокола - Ethernet, TokenRing, FastEthernet и АТМ.

Например, порт Ethernet не может передавать больше 14880 кадров в секунду, если он не нарушает временных соотношений, установленных стандартом. Какой бы ни был объем буфера порта, он в какой-то момент времени может переполниться, так как является разделяемым ресурсом для многих потоков кадров.

Потеря кадра может привести к снижению полезной для приложения пропускной способности в несколько раз. Количественно ущерб зависит от того, какой протокол занимается восстановлением потерянных в кадре данных. Если это протокол прикладного или транспортного уровня, то при тайм-аутах в сотни миллисекунд, рассчитанных на работу в больших маршрутизируемых составных сетях, снижение производительности может доходить до десятков раз, например, 20 Кбайт/c вместо 600 Кбайт/c, это наблюдали Б. Алдерсон и Дж. Скотт Хогдал в сети NetWare, теряющей только 3% кадров Ethernet ("Сети", N8, 1995 г.). Исправление потерь кадров на нижних уровнях делает сеть менее чувствительной к этому фактору, но в локальных сетях такая ситуация наблюдается 48

только при использовании протокола NetBIOS или же стека SNA компании IBM в сетях TokenRing, а это не такой уж большой процент сетей. Тенденции таковы, что все чаще в локальных сетях будет использоваться протоколы стека TCP/IP, а протокол TCP, решающий проблему восстановления потерянной информации, вычисляет тайм-аут адаптивно, в зависимости от времени прихода подтверждений от узла-собеседника. При работе через Internet это время может составлять сотни милисекунд, замедляя процесс восстановления кадров так же, как и в сетях NetWare.

Потери кадров при перегрузках выходных портов вообще типичны для полнодуплексных сетей, построенных на основе коммутаторов. Нужно заметить, что такие сети давно используются - это почти все виды глобальных сетей: Х.25, framerelay и АТМ. Индивидуальными в них являются только связи между абонентами сети и первыми коммутаторами, а связи коммутатор - коммутатор всегда разделяются во времени между потоками кадров нескольких абонентов. И если в сетях framerelay и ATM разработаны достаточно тонкие процедуры для поддержания требуемого баланса использования общих каналов между абонентами сети - процедуры управления качеством обслуживания - то в коммутаторах локальных сетей такие процедуры либо не поддерживаются вообще, либо реализуются в самой рудиментарной форме.

Угроза потери кадров - плата за отказ от разделяемой среды на участке сети "компьютер-концентратор". Коммутатор ускоряет работу сети, но при этом пропадает эффект, создаваемый алгоритмом доступа, когда на среду передачи данных разрешалось в каждый момент времени помещение кадра только от одного компьютера. Тем самым регулировался входной поток кадров от компьютеров и гарантировалась невозможность потери кадра при корректной работе оборудования.

Поэтому, локальные сети на основе коммутаторов, как и глобальные, требуют решения задачи управления потоком данных - то есть встраивания в коммутаторы и сетевые адаптеры механизма, который бы притормаживал конечные узлы при перегрузках коммутаторов сети.

При разработке коммутаторов локальных сетей ситуация коренным образом отличалась от ситуации, при которой создавались коммутаторы территориальных сетей. Основной задачей было сохранение конечных узлов в неизменном виде, что исключало корректировку протоколов локальных сетей. Поэтому разработчики коммутаторов были вынуждены пойти на некоторые хитрости - например, использование фиктивных встречных кадров в методе "обратного давления" или же уменьшении паузы после коллизии по сравнению с ее стандартным значением, что давало коммутатору преимущество при захвате Среды по сравнению с сетевым адаптером.

Для полнодуплексных версий протоколов дело обстоит проще. Так как эти версии разрабатываются заново, то можно включить в них механизмы управления потоком. Это и было сделано многими производителями сначала в виде частных решений, а в марте 1997 года комитет 802.3 IEEE принял спецификацию 802.3x, которая определяет простой способ управления потоком кадров в сетях, построенных на коммутаторах Ethernet.

При переполнении внутренних буферов коммутатор просто передает устройствам, подключенным к его входным портам команду X-off, запрещающую передавать кадры, а при разгрузке буферов - команду X-on, разрешающую продолжить передачу кадров. Многие специалисты считают, что такая простая схема может привести не к улучшению, а к ухудшению ситуации с перегрузкой коммутаторов сети, учитывая максимальную скорость GigabitEthernet в 1 480 000 кадров в секунду. "Слишком просто и слишком 49

медленно" - так охарактеризовал механизм управления потоком профессор Леонард Клейнрок, известный специалист в применении теории массового обслуживания к анализу вычислительных систем. Говард Фрэйзер, председатель группы 802.3z и сетевой специалист компании Cisco, считает, что спецификация 802.3х разработана как низкоуровневое и временное решение проблемы переполнения коммутаторов. Некоторые специалисты считают, что на начальной стадии коммутаторы GigabitEthernet будут переживать те же трудности с управлением потоков кадров, что и коммутаторы АТМ на начальной стадии становления АТМ.

Предупреждение потерь кадров - это только самый начальный уровень управления качеством обслуживания. Нужны следующие шаги, и для технологий, не включающих поддержку качества обслуживания на уровне протокола, реализация таких механизмов в коммутаторах - единственный способ конкуренции с технологией АТМ.

Существуют частные решения производителей по управлению качеством обслуживания, например, механизм PACE компании 3Com, приписывающий каждый порт коммутатора к одному из трех уровней приоритетов, а затем поддерживающий внутри коммутатора три очереди для каждого выходного порта. Сравнительно недавно появились проекты стандартов такого механизма у комитета 802.1 IEEE - 802.1q и 802.1p. С помощью стандарта 802.1q коммутаторы смогут помечать кадры метками для образования виртуальных сетей и обозначения приоритета трафика. Стандарт 802.1p описывает способ сигнализации, с помощью которого конечная станция может запросить приоритет обслуживания у коммутатора. Однако, эти стандарты не дают никаких гарантий относительно получаемой конечной станцией полосы пропускания и тем более, величины задержек в сети. Приоритет кадра говорит только о том, что в коммутаторе он будет обслуживаться раньше кадров с более низким уровнем приоритета. Низкоприоритетные кадры больших размеров все равно могут заставить высокоприоритетный кадр ожидать достаточно большое время в очереди, если обслуживание низкоприоритетного кадра уже началось к моменту поступления высокоприоритетного.

У приверженцев технологии АТМ возможность достижения высокого качества обслуживания для разных видов трафика с помощью стандартов 802.1q/p вызывает большие сомнения и они кажутся достаточно обоснованными.

2.2.3. Обзор рынка коммутаторов

Рынок коммутаторов сегодня очень обширен, поэтому в этом кратком обзоре остановимся только на некоторых популярных моделях коммутаторов различного класса. Обычно коммутаторы делят в первую очередь на классы в соответствии с их областями применения - настольные коммутаторы, коммутаторы рабочих групп, коммутаторы отделов и магистральные (корпоративные коммутаторы). У каждого класса коммутаторов есть свои отличительные признаки.

Настольные коммутаторы:

•

фиксированное количество портов;

•

все порты работают на одной скорости;

•

используются для организации одноранговых связей высокоскоростных рабочих станций;

•

режим коммутации - "на лету";

•

чаще всего не содержат модуля SNMP-управления, а также не поддерживают алгоритм SpanningTree.

50

Пример: 3ComLinkSwitch 500

Коммутаторы рабочих групп:

•

имеют по крайней мере 1 высокоскоростной порт (FDDI, FastEthernet, ATM);

•

транслируют протоколы;

•

как правило, управляемы по SNMP, поддерживают алгоритм SpanningTree;

•

режим коммутации - с буферизацией.

Примеры: семейство 3ComLinkSwitch (кроме модели 500), SMCTigerSwitchXE, BayNetworksEthernetWorkgroupSwitch

Коммутаторы отделов и центров обработки данных:

•

модульное исполнение;

•

поддержка нескольких протоколов;

•

встроенные средства обеспечения отказоустойчивости:

•

избыточные источники питания;

•

модули hot-swap.

•

пользовательские фильтры;

•

поддержка виртуальных сегментов.

Примеры: 3ComLANplex 2500, SMCES/1, BayNetworksLattisSwitchSystem 28115

Коммутаторы магистралей зданий/кампусов:

•

те же свойства, что и у коммутаторов отделов;

•

пасси с большим количеством слотов (10 - 14);

•

внутренняя пропускная способность 1 - 10 Гб/с;

•

поддержка 1 - 2 протоколов маршрутизации (локальные интерфейсы) для связи виртуальных сетей. Такие коммутаторы обычно называют коммутаторами 3-го уровня.

Примеры: 3ComLANplex 6000, CabletronMMACPlus, MadgeLANSwitch, CiscoCatalist 5000, BayNetworksSystem 5000

Коммутаторы выпускаются уже достаточно давно, поэтому существует их классификация по поколениям. Приведем точку зрения компании ExtremeNetwork, одного из пионеров коммутации GigabitEthernet:

•

Первое поколение коммутаторов - все порты одинаковые, по 10 Мб/с.

•

Второе поколение - коммутация Ethernet и одной из высокоскоростных технологий (FDDI, FastEthernet, ATM). Коммутаторы предназначены в основном для решения задачи необходимой пропускной способности для серверов.

•

Появление технологии GigabitEthernet создало предпосылки для появления коммутаторов третьего поколения. Это поколение обладает 4-мя ключевыми свойствами:

•

масштабируемая скорость портов (10-100-1000);

•

масштабируемая пропускная способность коммутатора, не блокирующая производительность со значительным запасом;

•

масштабируемость коммутатора по отношению к размеру сети - поддержка высокоскоростной маршрутизации (как правило, на уровне ASIC);

51

•

обеспечение требуемого качества обслуживания для различных типов трафика для любых пар конечных абонентов сети (резервирование пропускной способности по RSVP, приоритеты трафика по 802.1p, 802.1q, DVMRP, IGMP).

Рынок коммутаторов FastEthernet

По данным исследовательской компании SageResearch, на рынке коммутаторов FastEthernet в 1996 году лидировали три компании - CiscoSystems, 3Com и BayNetworks. Эти данные были собраны по результатам продаж коммутаторов только в США и учитывают все типы коммутаторов, имеющих порты FastEthernet - как коммутаторы, поддерживающие только один - два порта FastEthernet, а остальные - 10-Мегабитный Ethernet (некоторые специалисты не относят такие коммутаторы к коммутаторам FastEthernet, а считают их коммутаторами Ethernet с портом FastEthernet), так и коммутаторы, поддерживающие коммутацию между большим количеством портов FastEthernet (6, 8 и более).

При учете количества проданных коммутаторов на первое место вышла компания Cisco, получившая 41% рынка, второе место с 19% занимает 3Com, а третье с 17% - BayNetworks:

Эти данные говорят о том, что у компании Cisco есть крупные покупатели, которые уже сделали свой выбор и не хотят его менять.

Еще один интересный вывод, который дало это исследование рынка - коммутаторы, имеющие в своем составе только порты 100 Мб/c, продаются хуже, чем коммутаторы, имеющие порты 10 Мб/c и 100 Мб/с. Это говорит о том, что пользователи пока не торопятся заменять все сегменты своих сетей на технологию FastEthernet, оставляя 10

52

Мегабитный как более дешевую альтернативу, и ускоряя работу низкоскоростных сегментов за счет применения коммутаторов с портами Ethernet 10 Мб/c.

Рынок гигабитных коммутаторов

Пока не так много компаний рискнуло выпускать коммутаторы GigabitEthernet в условиях отсутствия стандарта. На рынке преобладают новые небольшие компании, которые собираются на волне новой технологии завоевать свое место под солнцем, и быть купленными в случае успеха каким-нибудь монстром типа CiscoSystems или BayNetworks. Коммутаторы делятся на коммутаторы FastEthernet с одним или двумя гигабитными портами, и собственно коммутаторы GigabitEthernet, у которых гигабитных портов 4, 8 или более.

Что ждут пользователи от гигабитных коммутаторов? Опрос 130 сетевых администраторов дает некоторые ответы на этот вопрос. 

Наиболее важным свойством пользователи назвали неблокирующую архитектуру коммутатора, то есть его способность обрабатывать все кадры при максимально возможной интенсивности потока кадров по каждому порту. Таким образом, высокая производительность является по прежнему главным достоинством коммутаторов. Поддержка полнодуплексного режима работы портов также связана с требованиями максимального повышения производительности, так как в этом режиме каждый порт обрабатывает в два раза больше данных, чем в полудуплексном. Качество обслуживания также заметно волнует пользователей, а так как только АТМ-коммутаторы реализуют его в полном объеме, то разработчикам коммутаторов Ethernet и других технологий приходится проявлять изобретательность даже при наличии стандартов 802.1q/p.

2.2.4. Примеры сетей на основе коммутаторов

В качестве первого примера рассмотрим наиболее часто встречающийся вариант сети с коммутируемой магистралью FDDI - проект корпоративной сети АО "ЛУКойл-Когалымнефтегаз" и "Нефтекомбанка", выполненный интеграционной российской компанией IBSNetworkSolutions 

АО "ЛУКойл-Когалымнефтегаз" представляет собой одно из крупнейших в России объединений, действующих на рынке нефтегазодобычи. В структуру объединения входит "Нефтекомбанк". Подавляющее число административных зданий объединения расположены на относительно небольшой территории (диаметром порядка 7 км) города Когалым.

К моменту начала осуществления проекта в некоторых зданиях работали локальные сети с общим числом компьютеров около 700, но соединения между сетями зданий отсутствовали.

В предложенном проекте семь зданий АО на территории города Когалым объединяются на основе оптоволоконного кабеля и технологии FDDI. В каждом здании установлен центральный для сети здания коммутатор LANplex 2500, позволяющий осуществлять коммутацию двух сетей FDDI или коммутацию одной сети FDDI с 8-ю сегментами Ethernet. При подключении к кольцу FDDI используется подключение типа DAС на многомодовом или одномодовом оптоволоконном кабеле.

54

В предложенном проекте используется два магистральных кольца FDDI, объединенные коммутатором LANplex.

К каждому из магистральных колец подключается несколько сетей зданий с помощью своих коммутаторов LANplex. Подключение по схеме DAC обеспечивает надежное функционирование магистральных колец, изоляция сетей зданий на физическом уровне осуществляется с помощью оптических обходных переключателей OpticalBypassSwitch.

Сети этажей и функциональных подразделений зданий используют технологию Ethernet. Сегменты Ethernet подключаются к коммутатору LANplex через порты его коммутирующего модуля Ethernet. Некоторые удаленные небольшие сети подключаются к магистральной сети не по технологии FDDI, а по технологии 10Base-FL, используя оптоволоконные повторители FMSOpticalRepeator.

Все коммуникационное оборудование сети управляется с помощью системы управления TranscendEnterpriseManager компании 3Сом.

Второй пример показывает преимущества использования масштабируемости технологии Ethernet. Этот пример привел Роберт Лейланд в уже упоминавшейся статье о сравнении эффективности коммутации для технологий TokenRing и Ethernet/FastEthernet/GigabitEthernet (DataCommunication, July 1997, стр. 21).

Для объединения в среднем 86 клиентских компьютеров и 2-х серверов отдела использованы коммутаторы для рабочих групп компании Intel, имеющие 24 порта 10 Мб/c и один порт 100 Мб/c. Всего на каждый этаж понадобилось по 4 таких коммутатора стоимостью $3295. Для образования сети этажа нужно кроме того каждый компьютер оснастить сетевым адаптером 10/100, средняя стоимостью которого составляет $81.5. Полная стоимость сетей нижнего уровня составляет $92 260.

Коммутаторы этажей соединяются каналом 100 Мб/c с магистральными коммутаторами компании FoundryNetworks, которые имеют по 16 портов 100 Мб/с и один или два гигабитных порта. Применение для образования магистрали коммутаторов 100 Мб/c может оказаться недальновидным шагом, так как большой межотдельский трафик может привести к перегрузке портов, соединяющих коммутаторы. Для решения проблемы построения магистрали производители 100 Мегабитных коммутаторов использовали различные нестандартные приемы, например, транковые объединения двух и более портов в один логический канал (например, коммутатор 28115 компании BayNetworks).

Центральные серверы предприятия в количестве 9 штук также подключаются к коммутируемым 100Мб/c портам третьего магистрального коммутатора. Этот коммутатор используется также для объединения двух других магистральных коммутаторов с помощью двух своих гигабитных портов. Коммутатор компании FoundryNetworks с одним гигабитным портом стоит $10490, а с двумя - $11950. Это дает общую стоимость аппаратного обеспечения сети в $176 168. Лейланд оценил также и стоимость работ по переходу к коммутируемой сети Ethernet, посчитав ее равной $150 на один компьютер (замена сетевого адаптера на адаптер 10/100). Полная стоимость миграции составила $269 918. 

В заключении раздела об использовании коммутаторов приведем правила, помогающие принять решение в непростой ситуации выбора между разделяемой средой и коммутируемой (Byte, май 1997, стр. 32 ):

10 Мб/c

100 Мб/c

Коммутация

Сети со смесью мощных пользователей (инженеры, дизайнеры, разработчики Intranet) и типичных пользователей; сети с использованием трафика MPEG-1 к некоторым станциям

Приложения, требующие повышенной полосы пропускания (САПР, Web); видеоконференции; приложения MPEG-2; обеспечение магистральных связей для серверов и принтеров

Разделяемая среда

Стандартные приложения групповой работы; e-mail; передача и печать файлов средних размеров

Приложения, требующие повышенной полосы пропускания (САПР, Web) в односерверных сетях