Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Следует отметить, что теоретическому анализу производительности сетей Ethernet (и других сетей) было посвящено много работ. Большинство результатов следует воспринимать с долей (или, лучше, с тонной) скептицизма по двум причинам. Во-первых, практически во всех этих теоретических исследованиях предполагается, что трафик подчиняется пуассоновскому распределению. Когда же исследователи рассмотрели реальные потоки данных, то обнаружилось, что сетевой трафик редко распределен по Пуассону, а чаще включает множество пиков (Paxson and Floyd, 1994; Leland и др., 1994). Это означает, что при увеличении периода усреднения трафик не сглаживается.

Помимо использования сомнительных моделей, многие из этих работ фокусируются на «интересных» случаях, то есть считают, что канал всегда очень сильно загружен. Боггс и др. (1988 год) на практике доказали, что Ethernet хорошо работает в реальных условиях, даже когда загрузка относительно высока.

Число станций, пытающихся передавать

Рис. 4.16.Эффективность сетей стандарта 802.3 на скорости 10 Мбит/с с 512-битовыми интервалами времени

4.3.4. Коммутируемые сети Ethernet

Очень скоро Ethernet стал отходить от архитектуры с одним длинным кабелем, которая использовалась в классическом варианте. Проблема поиска обрывов или ведущих в пустоту соединений привела к новому способу подключения, в котором каждая станция соединяется с центральным концентратором( hub) отдельным кабелем. Концентратор просто соединяет все провода в электрическую схему, как если бы они были спаяны вместе. Такая конфигурация показана на рис. 4.17, а.

Рис. 4.17.Конфигурация Ethernet: а — концентратор; б — коммутатор

Для соединения использовалась витая пара, проложенная телефонной компанией, так как большинство офисных зданий и так было хорошо охвачено кабелем, а пустых пар было достаточно. Такой вариант использования был весьма выгодным, но он ограничивал максимальную длину кабеля между компьютером и концентратором до 100 м (или 200 при условии качественной витой пары категории 5). В подобной конфигурации было легко удалять и добавлять станции, также несложно было находить разрывы кабеля. Благодаря преимуществам использования существующей кабельной разводки и простоте обслуживания концентраторы на витой паре вскоре стали ведущей формой реализации сетей Ethernet.

Однако концентраторы не увеличивают емкость, так как логически они эквивалентны одному длинному кабелю классической сети Ethernet. При добавлении станций доля каждой из них в общей фиксированной емкости канала уменьшается. Наконец, локальная сеть насытится. Одним из решений в данном случае является увеличение скорости передачи данных — например, переход с 10 на 100 Мбит/с, 1 Гбит/с или даже больше. Однако доля мультимедийных данных мощных серверов в общем потоке становится все заметнее, и даже гигабитные версии Ethernet могут перестать справляться со своей задачей.

К счастью, возможно не столь радикальное решение, а именно коммутируемая локальная сеть Ethernet. Сердцем системы является коммутатор (switch), содержащий высокоскоростную плату, объединяющие все порты (см. рис. 4.17, б). Снаружи коммутатор ничем не отличается от концентратора. Это обычные коробки, оборудованные несколькими (от 4 до 48) стандартными разъемами RJ-45 для подключения витой пары. Каждый кабель соединяет коммутатор или концентратор с одним компьютером, как показано на рис. 4.18. У коммутатора есть все преимущества концентратора. Новую станцию легко добавить или удалить, подключив или отключив один провод. Большинство сбоев кабеля или портов легко обнаруживаются по неправильной работе всего лишь одной станции. Общий компонент все же может подвести систему — речь идет о самом коммутаторе, — но если сеть пропадет на всех станциях, инженеры сразу поймут, в чем дело, и заменят устройство.

Рис. 4.18. Коммутатор Ethernet

Внутри же коммутатора происходит нечто совсем иное. Коммутаторы отдают кадры только на те порты, для которых эти кадры предназначены. Когда на порт коммутатора приходит кадр Ethernet со станции, коммутатор проверяет адреса Ethernet и узнает, на какой порт этот кадр нужно отдать. Для данного шага требуется, чтобы коммутатор умел сопоставлять номера портов и адреса; этот процесс мы обсудим далее, когда будем рассматривать подключение нескольких коммутаторов друг к другу. Пока что предположим, что коммутатор знает порт получателя кадра. Он пересылает кадр по своей высокоскоростной плате на порт получателя. Скорость платы составляет несколько гигабит в секунду; а используемый протокол стандартизировать не требуется, так как никуда за пределы коммутатора он не выходит. Порт получателя затем отправляет кадр станции назначения по соединяющему их проводу. Другие порты об этом кадре даже не подразумевают.

Что произойдет, если две машины или два порта одновременно станут передавать кадры? И снова поведение коммутаторов отличается от концентраторов. Внутри концентратора все станции находятся в одном и том же пространстве столкновений ( collision domain). Для планирования пересылки кадров им необходимо применять алгоритм CSMA/CD. У коммутатора каждый порт находится в своем пространстве столкновений. В распространенном случае, когда передача по кабелю осуществляется в дуплексном режиме, и станция, и порт могут одновременно посылать кадры, не беспокоясь о других станциях и портах. Столкновения невозможны, и CSMA/CD не требуется. Однако если кабель полудуплексный, то станция и порт должны договариваться о передачи, применяя CSMA/CD обычным способом.

Что касается производительности, у коммутатора два преимущества перед концентратором. Во-первых, поскольку коллизии отсутствуют, емкость расходуется более эффективно. Во-вторых, и это очень важно, благодаря коммутатору разные станции могут посылать свои кадры одновременно. Эти кадры достигнут портов коммутатора и перейдут по внутренней плате устройства на правильные выходные порты. Однако так как на один выходной порт может быть одновременно отправлено два кадра, внутри коммутатора должен быть реализован буфер для временного хранения входных кадров, если моментальная доставка на выходной порт невозможна. В целом, эти усовершенствования дают большой выигрыш в производительности, который с концентратором невозможен. Общую производительность системы можно увеличить на порядок, в зависимости от числа портов и схем пересылки трафика.