Производительность процессоров портов, производительность внутренней шины коммутатора.

Размер адресной таблицы.

Тип коммутации — "на лету" или с полной буферизацией.

Скорость фильтрации/продвижения кадров (кадров в секунду), пропускная способность (мегабит в секунду), задержка передачи кадра.

Характеристики, влияющие на производительность коммутаторов

При выборе коммутатора следует в первую очередь обращать внимание на характеристики, обеспечивающие его производительность, т.к. именно это свойство послужило причиной вытеснения мостов коммутаторами. Ниже приведены некоторые характеристики:

Коммутатор является неблокирующим, если он может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с какой они на них поступают. Необходимо учитывать для кадров какого протокола и какой длины указана пропускная способность. Максимальная пропускная способность всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, а время обработки кадра (в расчете на один байт полезной информации), существенно меньше. Поэтому коммутатор может быть блокирующим для кадров минимальной длины, но при этом иметь очень хорошие показатели пропускной способности. Коммутатор – это многопортовое устройство, поэтому для него все приведенные выше характеристики (кроме задержки передачи кадра) можно давать в общей сумме, или в расчете на один порт. Обычно производители коммутаторов указывают общую максимальную пропускную способность устройства.

При коммутации на лету передача кадра начинается сразу после приема первых нескольких байт заголовка. При коммутации с полной буферизацией кадр должен быть полностью принят в буферную память до начала передачи. Разницу между этими характеристиками коммутаторов иллюстрирует следующая таблица:

Таблица Возможности коммутаторов при коммутации "на лету" и с полной буферизацией.

Так как каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, в тех моделях коммутаторов, которым не нужно транслировать протоколы, иногда применяется механизм адаптивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора — коммутация "на лету", но коммутатор постоянно контролирует трафик и при превышении интенсивности появления плохих кадров некоторого порога переходит на режим полной буферизации. Затем коммутатор может вернуться к коммутации "на лету".

Максимальная емкость адресной таблицы определяет предельное количество МАС-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт. Каждый порт хранит только те наборы адресов, с которыми он работал в последнее время.

Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, процессор должен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем не обязательны. Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет того, что один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом. Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору, который имеет большую емкость адресной таблицы и знает, куда нужно передать любой кадр.

4) Объем буфера кадров.

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций нагрузки на сеть. Каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках. Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Хорошо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.

Необходимо следить, чтобы производительность общей шины (при архитектуре с общей шиной) или производительность процессоров портов не стала "узким местом" в коммутаторе.

Маршрутизатор (router)

Маршрутизаторы необходимы в крупных сетях, для объединения сегментов, построенных на концентраторах, мостах и коммутаторах. Маршрутизатор может быть реализован в виде отдельного высокопроизводительного устройства (например, маршрутизаторы компании Cisco Systems), или функцию маршрутизации может выполнять сетевая операционная система обычного компьютера, подключенного одновременно к нескольким сетям, при помощи нескольких сетевых карт (шлюз). Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI и не накладывают ограничений на топологию сети. Если для мостов и коммутаторов обязательно отсутствие петлевых маршрутов в сети (древовидная структура), то маршрутизатор работает в сетях с произвольной топологией и обеспечивает выбор оптимального маршрута для доставки пакетов. Использование древовидной структуры для крупных сетей нерационально, т.к. в таком случае на корневой коммутатор (мост) приходится слишком большая нагрузка, а его отказ приводит к распадению сети на отдельные фрагменты и потере пользователями доступа к большому количеству ресурсов сети. Поэтому рационально строить сети по децентрализованному принципу, когда между любыми двумя компьютерами может существовать множество маршрутов. Именно нахождением и ведением таблицы таких маршрутов (таблицы маршрутизации) и доставкой пакетов по оптимальному маршруту занимается маршрутизатор.

Другой функцией маршрутизаторов является объединение в единую сеть сегментов, работающих на различных протоколах канального уровня. Например, объединение сегментов Fast Ethernet и FDDI. Маршрутизатор работает на сетевом уровне модели OSI (например, по протоколу IP), и для него не существенно какие протоколы канального уровня используются в сегментах. Трансляция протоколов (кадры Fast Ethernet в кадры FDDI) может осуществляться и некоторыми моделями коммутаторов, однако такая возможность появилась сравнительно недавно, и исторически для объединения разнородных сетей используют маршрутизаторы. Кроме того, коммутаторы в некоторых случаях не могут корректно выполнить трансляцию кадров. Например, коммутаторами не поддерживается функция фрагментации кадров и, если в объединяемых сетях не совпадают максимально допустимые размеры кадров, то коммутатор не сможет транслировать очень большие кадры.

Сегодня считается, что любая крупная сеть должна включать изолированные сегменты, соединенные маршрутизаторами, иначе потоки ошибочных кадров, например широковещательных, будут периодически затапливать всю сеть через прозрачные для них коммутаторы (мосты), приводя ее в неработоспособное состояние. Кроме того, использование маршрутизаторов позволяет структурировать сеть (подсеть отдела кадров, подсеть бухгалтерии и т.п.) и легче реализовывать политику безопасности, за счет использования межсетевых экранов. Межсетевой экран (firewall, брандмауэр) – это специальное программное обеспечение, которое установлено на маршрутизаторе, или компьютере-шлюзе, выполняющем функции маршрутизатора, и позволяющее контролировать доступ пользователей к тем или иным ресурсам сети. Для межсетевого экрана задаются правила фильтрации вида: "через межсетевой экран допускается прохождение пакетов с IP-адресом отправителя 172.18.10.1 (порт 80) и IP-адресом получателя 192.168.1.1 (порт 21), в четверг с 15.00 до 19.00". Пакеты, не удовлетворяющие правилам фильтрации отбрасываются, а факт их наличия регистрируется в специальном журнале.

В крупных сетях выбор наилучшего маршрута часто является достаточно сложной задачей, с математической точки зрения. Особенно интенсивных вычислений требуют протоколы OSPF, NLSP, IS-IS, вычисляющие оптимальный путь на графе. Кроме того маршрутизатор вынужден выполнять буферизацию, фильтрацию, фрагментацию пакетов и другие задачи. При этом очень важна производительность маршрутизатора, поэтому типичный маршрутизатор крупных сетей является мощным вычислительным устройством с одним или даже несколькими процессорами (часто специализированными или построенными на RISC-архитектуре) и сложным программным обеспечением, работающим под управлением специализированной операционной системы реального времени. Многие разработчики маршрутизаторов построили в свое время такие операционные системы на базе ОС Unix, естественно, значительно ее переработав.