Вместо инвестиций в высокоскоростные технологии наподобие FAST Ethernet или FDDI, компании могут воспользоваться коммутаторами - это позволит им вернуть скорость своим сетям.
Встреча начинается через пять минут. Напряжение возрастает, капельки пота выступают на вашем лбу. "Я обязательно должен пробраться, - шепчете вы.- Лишь бы не было так тесно. Лишь бы нашелся свободный путь."
Если вы думаете, что эти реплики звучат на улицах большого города в те часы, когда все стремятся побыстрее попасть на работу, то вы ошибаетесь. Это описание ситуации, характерной сегодня для многих локальных сетей, в которых пользователи соперничают между собой за полосу пропускания. В сети с пятьюдесятью или большим числом пользователей могут возникать заторы, ничем не уступающие тем, в которые можно угодить на автострадах Лос-Анджелеса.
В отличие от перемещения масс людей, локальные сети в состоянии предложить новое решение проблемы пробок. Это решение - коммутация. В своих действиях коммутаторы для сетей Ethernet и Token Ring исходят из предположения, что каждый пользователь имеет доступ к выделенной локальной сети. Логически, каждая рабочая станция выступает как пользователь, монопольно владеющий суммарной полосой пропускания всего сегмента.
Большинство локальных сетей опирается на модель коммутации пакетов. В центре этой модели лежит концепция совместно используемого носителя, который различные пользователи должны разделять и, вследствие этого, конкурировать между собой за время, в течение которого они могут, занимая провод, передавать данные или исполнять приложения. По мере роста сети новые пользователи сокращают долю ресурсов, приходящуюся на каждого из своих предшественников. И как результат - все замедляющаяся реакция сети и офис, переполненный разочарованными сотрудниками.
Сетевые администраторы могут бороться с этой проблемой, используя мосты и маршрутизаторы для того, чтобы разделить локальную сеть на меньшие группы пользователей - такая стратегия называется сегментацией. Если пользователи готовы примириться с задержками, вызываемы- ми подобными устройствами, сегментация может оказаться жизнеспособным решением - на какое-то время. Но вместе с увеличением числа пользователей будет расти и трафик, и перегруженность сети, заставляя сетевых администраторов добавлять дополнительные устройства и, одновременно с этим, увеличивать сложность сети.
Необходимость увеличения полосы пропускания и уменьшения времени задержки является той движущей силой, которая заставляет переходить к более высокоскоростным сетям, таким, как FDDI и Fast Ethernet. Однако для того, чтобы эти технологии реализовать, компании обычно вынуждены вкладывать деньги в новую сетевую аппаратуру и кабельное хозяйство. Поэтому и не вызывает удивления растущая популярность коммутаторов, которые, как правило, не требуют никаких дополнительных инвестиций в оборудование - конечно, за исключением стоимости самого коммутатора. По мнению The Yankee Group, расположенной в Бостоне маркетинговой и исследовательской фирмы, количество коммутаторов - в расчете на общее число портов сетевых хабов - увеличится с 10 процентов в 1995 году до 35 процентов в 1997-м.
УСТРАНЕНИЕ УЗКОГО МЕСТА
Коммутаторы, как и мосты, которые работают на уровне контроля доступа к среде (Media Access Control - MAC) модели OSI, передают данные напрямую между двумя сегментами сети, подключенными к ним. Идеальный Ethernet-коммутатор обеспечил бы каждому сегменту сети 10 Мбит/с выделенной полосы пропускания. Они позволяют одновременно устанавливать связь между различными парами пользователей локальной сети, что увеличивает суммарную пропускную способность сети.
Коммутаторы стали предпочтительным методом увеличения полосы пропускания, доступной каждому настольному компьютеру, - и нетрудно объяснить, почему. Инвестиции компании в инфраструктуру и в кабельные системы сохраняются, а рабочие станции и сетевые адаптеры не требуют не только замены, но и какой бы то ни было модификации. Кроме того, сетевым администраторам не надо изучать новую технологию, поскольку используются все те же Ethernet и Token Ring. Имеющиеся утилиты управления сетью и протоколы могут применяться и впредь. Как правило, администратор сети устанавливает коммутатор в общий корпус, например, в стойку хаба. Затем он подсоединяет порт коммутатора к порту хаба, вынимая пользовательскую линию из хаба и включая ее в порт коммутатора. Это изменение остается прозрачным для пользователя, за исключением того, что сеть начинает работать так, будто бы других пользователей в локальной сети больше не осталось. Пользователи должны почувствовать многократное увеличение полосы пропускания, которое оборачивается ростом производительности. И если изменения продуманы как следует и до конца, администраторы не могут не заметить существенного снижения загруженности сети.
По сравнению с использованием маршрутизатора, при котором администраторы сети должны модифицировать сетевые адреса отдельных пользователей и в ряде случаев изучить новые протоколы маршрутизации и управления, установка коммутатора проста. По сравнению же с инвестициями в высокоскоростные сети, требующими от компании покупки нового хаба и адаптеров для каждого пользователя, коммутатор стоит совсем недорого.
РЕЕСТР КОММУТАТОРОВ
У каждого компонента сети имеются свои собственные количественные параметры. При выборе коммутатора надо принимать во внимание следующие характеристики.
Как и в случае с мостами, для коммутатора необходимо определить фактическую скорость продвижения пакетов, особенно для наихудшего случая непрерывного потока 64-битных пакетов. Для протоколов, в которых необходимо подтверждение выполнения различных сетевых операций (например, TCP и NetWare), в возникающей повторной передаче может увязнуть сеть с очень большой пропускной способностью.
Коммутатор может вызывать задержки в выполнении сетевых операций. Поэтому при выборе коммутатора администраторам сети важно измерить величину задержки между получением первого бита в одном порту и передачей этого бита в другой порт. В зависимости от производителя, эта задержка может изменяться от фиксированных временных отрезков менее 40 микросекунд до переменных отрезков длительностью до 2000 микросекунд.
Кроме того, различные архитектуры коммутаторов лучше подходят к определенным типам взаимодействия в локальных сетях: один-к-одному, один-ко-многим, многие-к-одному, многие-к-многим. Для того чтобы определить приемлемые скорости и характеристики, администраторам следует очертить приложения, которые будет поддерживать приобретаемый коммутатор. Поставщикам же надо предоставить информацию о длитель- ности задержек для каждого из четырех сценариев.
Коммутаторы являются ключевым компонентом и в обеспечении надежности локальной сети, поскольку их помещают в самый центр сети. Чтобы увеличить скорость и надежность устройств, многие производители используют в своих коммутаторах заказные кристаллы. Из-за таких возможностей, как "горячая замена" модулей и дублированные источники питания, первоначальная стоимость коммутаторов может возрасти, но они уменьшают вероятность простоя.
Коммутаторы - важный компонент, интегрированный в корпоративную сеть; поэтому они должны поддерживать используемые сегодня функции управления, основанные на стандартах. SNMP может в изобилии предоставить информацию о статусе и функционировании коммутатора, позволяя превратить его в еще один компонент управляющей сетью станции. Специально для тех приложений, в которых критична ширина полосы пропускания, многие производители позволяют выбрать между стандартными возможностями управления по общему каналу и управлением по внешней линии.
Поскольку коммутаторы могут устанавливаться в сетях с последовательным, параллельным или дублированным подключением, сетевые администраторы должны учесть, какие протоколы из числа используемых мостами поддерживаются. Протокол Spanning Tree (IEEE 802.1d) - наиболее популярная опция Ethernet; для локальных сетей Token Ring столь же важны Source Route и Source Route Transparent. Цель этих протоколов - воспрепятствовать возникновению циклов в сетевом трафике.
Наконец, надо учитывать, что постоянно появляются новые стандарты, призванные увеличить скорость сети. Чтобы воспользоваться преимуществами, которые сулят эти возникающие технологии, сетевым администраторам следует выбрать коммутатор, рассчитанный на увеличение пропускной способности, и тем самым предусмотреть использование сегодня и в будущем 100 Мбит/с или еще более быстрых локальных сетей.
Надо предвосхитить и любые будущие потребности в интеграции аудио, видео и данных (например, в рамках технологии ATM). Сеть ATM, основанная на передаче ячеек, потребует размещения коммутаторов на всем своем протяжении для управления движением ячеек от одной конечной точки до другой. Некоторые коммутаторы старшего класса уже сегодня позволяют добиться для сетей Ethernet повышенной производительности, опираясь на технологию следующего поколения. В таких устройствах используется объединительная панель или шина, по которой передаются ячейки. В дальнейшем, когда локальная сеть будет готова к внедрению ATM или когда компания захочет соединить коммутаторы с магистралью ATM, их легко можно будет модернизировать и добиться роста пропускной способности.
АНАЛИЗ АРХИТЕКТУРЫ
В Ethernet-коммутаторах используются два различных метода: коммутация с промежуточной буферизацией (store- and-forward) и коммутация на лету (cut-through). Коммутация с промежуточной буферизацией напоминает действия моста локальной сети, который из входного порта получает кадр целиком, просматривает адресную таблицу и, основываясь на содержащемся в кадре адресе MAC-уровня, передает этот кадр в соответствующий порт. При выборе коммутатора данного типа важно учесть размер таблицы коммутатора. Она должна быть достаточно большой, чтобы вместить необходимое число адресов MAC-уровня всех устройств локальной сети.
Данный метод, реализованный в коммутаторах, которые так и называются - буферизующие коммутаторы, обеспечивает более надежное обнаружение ошибок, чем устройства, коммутирующие "на лету", поскольку они не передают в сегмент назначения искаженные и короткие Ethernet-кадры. Однако следствием используемого метода коммутации является возникновение задержки длительностью приблизительно 1200 микросекунд.
В число поставщиков буферизующих Ethernet-коммутаторов входят Alantec (San Jose, CA), Digital Equipment, UB Networks (Santa Clara, CA) и Bay Networks (Santa Clara).
В отличие от промежуточной буферизации при коммутации "на лету" передача кадра в порт назначения начинается, как только декодирован адрес назначения, содержащийся в заголовке кадра. Устройства ком- мутации "на лету" обладают меньшей латентностью, поскольку пакет одновременно принимается и передается в порт назначения. Однако такие коммутаторы в расчете на порт стоят дороже из-за того, что в них используется более изощренная электроника. Поскольку пропускная способность данного типа коммутаторов также более высока, эта цена может оказаться приемлемой, например, при соединении хабов или в одноранговых приложениях.
ПОДХВАТЫВАЯ НА ЛЕТУ
Архитектура коммутации "на лету" реализуется двояко - как cross-bar или как cell-backplane. (Эти понятия пока достаточно редко используются не только в русскоязычной специальной литературе, но и англоязычной; поэтому мы решили не приводить русских терминов, объяснив в то же время смысл: первое означает "перекрестный", второе - "снабженный шиной, передающей ячейки" - ред. перев.) Коммутаторы первого типа читают адрес назначения и незамедлительно начинают продвижение этой информации и всех оставшихся бит в порт назначения. После того как коммутатор определяет маршрут, его функции больше всего напоминают функции простейшего репитера . В коммутаторе на базе объединительной панели кадр фрагментируется, или дробится, на несколько небольших ячеек фиксированной длины. Каждая ячейка помечается специальным заголовком, который содержит адрес или адреса назначения. Ячейки накапливаются в буфере порта назначения и вновь объединяются в исходный кадр, который передается в сегмент назначения .
В коммутаторах типа cross-bar возможна задержка. После того как такой коммутатор декодирует адрес назначения пакета, он устанавливает конечный порт для пакета и начинает продвигать пакет по маршруту к ожидающему выходному буферу. Если этот маршрут занят, например, если другой кадр уже загружается в выходной буфер, пакет будет ожидать до того момента, пока маршрут не очистится. Кадры, предназначающиеся для других конечных точек, также могут угодить в ловушку этого буфера в ожидании, пока первый кадр очистит его и они смогут начать свое путешествие по коммутатору. Если приложение использует широковещание или относится к типу один-ко-многим, как часто бывает в случае с видео или другими типами мультимедиа, задержка может стать существенной.
Устройства, использующие архитектуру cell-backplane, устраняют это потенциально узкое место, требуя от объединительной панели скорости большей, чем суммарная пропускная способность коммутатора, и работая с ней в режиме синхронного мультиплексирования времени. Например, в восьмипортовом Ethernet-коммутаторе требуется объединительная панель со скоростью по меньшей мере 80 Мбит/с - восемь портов со скоростью 10 Мбит/с на порт.
Каждый кадр, поступивший в коммутатор, разделяется на ячейки, расщепляется общей шиной и может немедленно начать поступать в память порта назначения. Производительность шины достаточна, чтобы гарантировать, что пользователь никогда не заметит задержки в передаче кадров в коммутаторе. Если порт назначения свободен, коммутатор немедленно передает кадр. Если же порт занят, кадр попадает в буфер до тех пор, пока порт не будет готов к передаче. Вследствие этого широковещательные передачи не вызывают большей задержки по сравнению со взаимодействиями "один на один".
В сетях с особо напряженным трафиком коммутация cell-backplane выглядит более предпочтительной, чем коммутация cross-bar. В соответствии с результатами тестов, проведенных в 1994 году исследовательской лабораторией IBM в Цюрихе, Швейцария, коммутаторы cross-bar с входными очередями начинают демонстрировать невыносимые задержки: после того как трафик возрастает до 58 процентов максимальной загрузки коммутатора, поддержка дальнейшего увеличения трафика становится практически невозможной. Коммутаторы cell-backplane, в тестах называемые устройствами с выходными очередями, справлялись с нагрузкой до 95 процентов от максимальной, пока задержка не становилась нестерпимой.
Список производителей Ethernet-коммутаторов "на лету" включает компании Kalpana (подразделение Cisco, Sunnyvale, CA), Hewlett-Packard (Roseville, CA), Onet Data Communications (Cambridge, MA) и PlainTree Systems (Wellesley, MA). Коммутаторы Token Ring только начинают появляться; первые продукты предложены компаниями Madge (San Jose, CA) и Whitetree Network Technologies (Palo Alto, CA).
ПРЕИМУЩЕСТВА КОММУТАТОРА
Любая локальная сеть со средним или большим трафиком от использования коммутатора может только выиграть. Даже в тех случаях, когда трафик становится напряженным всего несколько раз в день, будет заметно различие в производительности, вызванное установкой коммутатора.
Есть несколько типичных ситуаций, в которых приобретение коммутатора наиболее осмысленно. Например, когда число пользователей в сегменте локальной сети превышает 50, он становится хорошим кандидатом для использования коммутатора. С таким количеством пользователей единый сетевой сегмент очень быстро станет безнадежно переполненным.
Графические файлы, изображения и большие наборы данных также могут быстро перегрузить локальную сеть. Можно предположить, что в вычислительных средах, где часто перемещаются файлы размером более 5-6 МБайт, время ожидания сократится после установки в сети коммутатора. Приложения Novell NetWare и сетевая файловая система Network File System (NFS) компании Sun Microsystems (Mountain View, CA) могут быть для сети Ethernet столь же разрушительны, что и графические приложения. Используемые в них протоколы порождают значительное суммарное количество передаваемых между пользователями и серверами мелких кадров, которые загружают сеть. Благодаря коммутатору сети со многими серверами вновь становятся способны поддержать существенно большее число пользователей.
В сетях, составленных из нескольких уровней концентраторов или хабов, необходим быстрый коммутатор. В локальных сетях, использующих маршрутизаторы для внутреннего перемещения кадров, нередко начинает проявляться значительная латентность. В такой конфигурации замена маршрутизаторов на коммутатор способна не только повысить прозрачность локальной сети, но и ускорить доступ между различными сетями.
Видео и другие приложения мультимедиа оказываются не по силам традиционным локальным сетям из-за непредсказуемости времени получения кадров данных. По мере того как трафик в локальной сети растет, видео начинает заедать и дергаться, поскольку поступление отображаемых на дисплее кадров задерживается. Коммутаторы, обладающие более высокой производительностью, дают возможность плавно проигрывать видео в сетевых приложениях.
Когда сеть включает много серверов, в доступе к сети Ethernet часто одновременно нуждаются различные TCP/IP-приложения. Благодаря использованию коммутатора, который намного ускоряет отклик, приложения, распределенные по серверам, работают так, как если бы они были в выделенной сети.
ПОРА КОММУТАТОРОВ?
Если трафик в вашей локальной сети возрастает, вам следует обратить внимание на коммутаторы. Эти устройства эффективны по цене, легко устанавливаются и хорошо вписывается в инфраструктуру сети.
Опросив в октябре 1994 года 200 сетевых администраторов, The Yankee Group обнаружила, что более 50 процентов из них предвидят необходимость увеличения полосы пропускания по крайней мере на порядок в течение ближайших двух-пяти лет. В большинстве случаев рост пропускной способности, который будет получен благодаря установке коммутаторов, позволит конкурировать с высокопроизводительными сетевыми технологиями. Действительно, чтобы не застрять, хорошо хотя бы время от времени задумываться о будущем.
Рас Шеррер отвечает за линию продуктов в компании Xircom (Thousands Oaks, CA). С ним можно связаться через Internet по адресу rsharer@xircom.com.
Суд чисел
Могут ли полнодуплексные Ethernet-коммутаторы соперничать с высокоскоростными локальными сетями?
Как показывают результаты исследования, проведенного фирмой LANQuest (San Jose, CA) в июне 1994 года по заказу Infonetics Research (San Jose), Ethernet-коммутатор, поддерживающий полнодуплексный Ethernet, в состоянии обеспечить скорости, соперничающие с системами Ethernet-FDDI и Ethernet-Fast Ethernet (см. диаграмму).
В исследовании была задействована сеть, состоящая из сервера Novell NetWare на базе 486 процессора и 12 рабочих групп по 24 ПК в каждой. Было выполнено три отдельных теста для компьютеров, подключенных либо к полнодуплексному Ethernet-коммутатору, либо к коммутатору Fast Ethernet, либо для прямого соединения с FDDI-сервером, связывающего Ethernet c FDDI-устройством. При тестировании полнодуплексный Ethernet-коммутатор имел три непосредственных полнодуплексных Ethernet-соединения с сервером. Во время тестов системы выполняли стандартные офисные функции на базе таких приложений, как Word for Windows и dBase IV.
Теоретически, полнодуплексный Ethernet способен обеспечить скорость 20 Мбит/с - вдвое больше, чем обычный Ethernet. Полнодуплексный Ethernet достигает этой скорости, отказавшись от обнаружения коллизий и используя вторую пару в кабеле на витой паре: одна пара работает на передачу, другая - на прием. Если коммутатор поддерживает полнодуплексный Ethernet, в нем имеется параллельный канал данных, позволяющий одновременно посылать и принимать данные.