Коммутатор (switch) в принципе выполняет те же функции, что и мост, но для обслуживания потока данных, который поступает на каждый порт, в устройство устанавливается отдельный специализированный процессор, который реализует алгоритм моста. Коммутатор используется в качестве средство сегментации – уменьшение количества узлов в доменах коллизий.
В предельном случае – микросегментации – к каждому порту коммутатора подключается только один узел. При этом коммутатор должен направить в нужный порт каждый кадр, который выдвигает высокие требования к производительности процессора коммутатора. Если к порту коммутатора подключается один узел (станция или другой коммутатор), то появляется возможность работы в полнодуплексном режиме. При этом коллизии как такие отсутствующие.
Существуют два основных подхода к коммутации: с промежуточным сохранением кадров и коммутация «на течению».
Технология с промежуточным хранением (store and forward) допускает, что каждый кадр, который пришел в порт, полностью принимается в буферную память. Дальше процессор анализирует его заглавие, адрес источника использует для построения своих таблиц, а по адресу назначения определяет порт, на какой кадр должен быть передан. В случае многоадресной или широковещательной передачи это будет группа из всех других портов. Передача в порт выполняется в меру его освобождения, в соответствии с процедурой CSMA/CD. После успешной передачи (во всех необходимы 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).
Коммутация на течению (on-the-fly) выполняется по возможности без промежуточного хранения кадра. Порт принимает кадр, одновременно анализируя его поле заглавия. Как только будут приняты биты адреса назначения – первые 6 байт после преамбулы, – коммутатор уже может пересылать кадр в порт или порты назначения, если они не заняты. В случае если порт назначения занят, промежуточное хранение неминуемо. Коммутация на течению вносит минимальную задержку – при свободном порту назначения она составит (8+6)*8 = 112 bt (битовых интервалов), для скорости 10 Мбит/с – 11,2 мкс. Однако проверка CRC не происходит, и коммутатор распространяет все кадры, в том числе и короткие, что отсеченные коллизиями (что является недостатком коммутации на течению).
В отличие от мостов, число портов в которых было небольшим (часто всего два), коммутаторы имеют множество портов, между которыми для каждого пакета повинный устанавливаться виртуальная цепь передачи. В общем случае N-портовый коммутатор с полудуплексными портами должен обеспечивать к N/2 одновременно действующих виртуальных цепей. В случае полного дуплекса количество цепей теоретически может достигать и N.
В зависимости от производительности коммутатор может блокировать и не быть блокирующим.
Блокирующий коммутатора, способного обрабатывать все кадры, которые приходят на все его порты с максимальной скоростью, что обеспечивает среду передачи. Очевидно, что для этого производительность «коммутационной матрицы» должна быть не более малой, чем сумма пропускной способности половины портов. В случае полного дуплекса в этом соотношении пропускную способность порта стоит считать ровный удвоенной битовой скорости (то есть 20, 200 или 2000 Мбит/с). Для скорости 10 Мбит/с и при не очень большом количестве портов, это достигается относительно просто; высокие скорости создают определенные трудности, особенно при большом количестве портов.
Коммутационная матрица — это аппаратная схема (электронный коммутатор), что 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 дежурного кадра, он спрашивает в матрице необходимое соединение. Если исходный порт свободен, устанавливается логические связки и кадр через матрицу поступает на вход передатчика исходного порта. Если исходный порт занят, кадр сохраняется в буферной памяти входного порта на время, необходимое для освобождения нужного исходного порта назначения. Нетрудно заметить, что объем (количество элементов) схемы коммутационной матрицы растет пропорционально квадрату числа портов, потому матрица применяется при ограниченном (и фиксированному) числе портов.
Общая шина высокой производительности связывает процессоры всех портов. Кадры по ней пересылаются мелкими фрагментами (ячейками) на скорости, существенно большей битовой скорости портов. В итоге 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 придерживается, увеличение количества портов не вызывает особые технические проблемы. Объединительная шина широко используется в модульных коммутаторах на основе шасси. Здесь шина реализуется в виде пассивной объединяющей панели (passive back plane), а модули с группами портов могут устанавливаться в относительно произвольному количеству с возможностью «горячей» замены (hot swap).
Конструктивно коммутаторы могут иметь несколько вариантов выполнения в зависимости от их назначения и производительности.
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 (серверы) и связи с другими коммутаторами. Более дорогие модели могут иметь несколько гнезд для подключения разных интерфейсных модулей, в том числе оптических, с резервированием линий и тому подобное В больших сетях такие коммутаторы применяются на уровне поверхностных распределителей, в малых сетях они могут быть и центральными устройствами.
Модульные коммутаторы могут иметь до сотни портов (в зависимости от размера шасси, плотности портов модулей и производительности). Эти коммутаторы применяют в качества магистральные на уровне распределителей дома. Удельная стоимость порта снижается в меру увеличения числа установленных модулей (накладные расходы на шасси большие), но одинаково остается выше, чем при использовании устройств с фиксированной конфигурацией. Производительность, как правило, тоже выше.
Стековые коммутаторы в идеале должны иметь пропускную способность стекового интерфейса не ниже суммы пропускной способности половины портов всех коммутаторов, совмещаемых в стек. На практике этот интерфейс становится узким местом, и количество совмещаемых устройств часто ограничивается четырьмя. Топология соединений устройств стека может быть разной: шина, кольцо, звезда. При связи в шину отказ одного устройства может привести к распаду стеку на две несвязанных части. Этот недостаток устраняется при объединении устройств в кольцо. И в шине, и в кильке пропускная способность стекового интерфейса разделяется всеми устройствами. Этого недостатка позволяет избежать построение стека с помощью специального матричного коммутатора, к которому подключаются совмещаемые коммутаторы. Теоретически, пропускная способность такого стека ограничивается суммой пропускных способностей коммутаторов или суммой пропускных способностей их стековых интерфейсов (более малой из этих сумм). Коммутаторы, объединенные в стек являют собой один узел в правиле 5-4-3.
Дополнительные функции коммутаторов
Кроме обеспечения связи между портами коммутаторы могут иметь ряд дополнительных возможностей:
1. SB – индикация уровня загрузки и коллизий (линейки светодиодов или индикаторы превышения критических уровней).
2. Индикация состояния портов. Для каждого порта индицируется активность, скорость (10/100, если возможно выбор), режим (полудуплексный/дуплексный), состояние (разрешенный, запрещенный вручную или изолированный автоматически по неисправности или нарушении защиты).
3. Управляемость (management) – возможность изъятого наблюдения по состоянию портов и сегментация (отключение) портов по команде оператора, управления защитой.
4. Мониторинг – сбор статистики по портам и пристрою в целом. В самом простом случае коммутатор обеспечивается индикатором уровня загрузки сегмента (network utilization) – линейкой светодиодов и индикатором коллизий. Коммутатор должен отслеживать состояние и загрузка каждого порта. Для мониторинга устройства могут поддерживать все или часть функций RMON, иметь возможность отражения портов (port mirroring).
5. Сегментованость коммутатора (segmented hub) – возможность организации в одном физическом устройстве нескольких изолированных сегментов. Каждый порт при конфигурации подключается к одному из сегментов. При необходимости связь между сегментами обеспечивается или внешними устройствами (мостами, коммутаторами, маршрутизаторами), или внутренними мостами (если такие есть).
6. Поддержка трех скоростей – независимый (возможно, автоматический) выбор скорости работы (10, 100, 1000 Мбит/с) каждого порта. Для коммутаторов это свойство полностью природное.
7. Автоматический выбор скорости (10/100/1000) и режима (полудуплексного/дуплексного) работы каждого порта (autosence). При этом стандартный протокол согласования может дополняться интеллектом (smart auto-sensing) – если по протоколу установлена скорость 100 Мбит/с, а плохая линия (категории 3) приводит к большому количеству ошибок, то выбирается скорость 10 Мбит/с. Автоматическое согласование работает не всегда, и многие администраторы отдают преимущество ручной конфигурации.
8. Автоматическая коррекция полярности пар (для портов RJ-45) позволяет использовать линии с перепутанными проводами в паре. Полезность этого свойства сомнительна – если такое устройство, которое нормально работает с «неправильной» линией, вдруг будет заменено обычным, проблема со связью возникнет врасплох. Лучше все линии привести в соответствие со стандартом к подключению активного оборудования.
9. Возможность объединения в стек. Для коммутаторов (stackable Switch), в зависимости от возможностей управления, объединения портов в единственный сегмент может быть как безусловным, так и управляемым. Если порты совмещаются, то весь стек с точки зрения правил построения сети 5-4-3 выступает в роли единственного коммутатора, который является особенным для 100 Мбит/с.
10. Защита от несанкционированного доступа – разрешение работы портов только с определенными МАС-АДРЕСАМИ узлов. Для коммутаторов при включенной защите трансляция кадров осуществляется только в порт адресата назначения, в другие порты посылает бессмысленный кадр, который помечает занятость среды передачи. Эти возможности больше характерны для коммутаторов, но встречаются и в дорогих моделях интеллектуальных хабов.
