Коммутаторы Store-and-Forward
Коммутаторы Store-and-Forward (SAF) представляют собой наиболее дорогие, сложные и совершенные устройства данного типа. Они уже гораздо ближе к мостам и лишены перечисленных недостатков коммутаторов Cut-Trough. Главное их отличие состоит в полном буферировании во внутренней буферной памяти FIFO всех ретранслируемых пакетов. Размер каждого буфера при этом должен быть не меньше максимальной длины пакета. Соответственно значительно возрастает и задержка коммутации, она составляет не менее 12000 битовых интервалов. Карликовые и ошибочные кадры таким коммутатором отфильтровываются. Перегрузки возникают гораздо реже.
Буферная память может размещаться на принимающей стороне всех портов (накопление перед коммутацией), на передающей стороне портов (накопление перед ретрансляцией), а также может быть общей для всех портов, причем эти методы часто комбинируются для достижения наибольшей гибкости и наивысшей производительности. Чем больше объем памяти, тем лучше коммутатор справляется с перегрузкой. Но с ростом объема памяти возрастает и стоимость оборудования. Иногда в состав коммутатора включается и процессор, но чаще коммутаторы выполняются на специализированных быстродействующих микросхемах, жестко специализированных именно на задачах коммутации пакетов.
Коммутаторы SAF, в отличие от других типов коммутаторов, могут поддерживать одновременно разные скорости передачи (10 Мбит/с и 100 Мбит/с). Полное буферирование пакета вполне позволяет передавать его не с той скоростью, с которой он поступил. В результате часть портов коммутатора может работать с сетью Ethernet, другая часть – с Fast Ethernet, причем некоторые коммутаторы автоматически настраивают свои порты на скорость передачи подключенного к порту сегмента. Поэтому коммутаторы SAF значительно облегчают переход с Ethernet на Fast Ethernet. Существуют уже коммутаторы, поддерживающие обмен с Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Но в отличие от мостов коммутаторы, как правило, не меняют формат пакетов, поэтому сети с разными форматами пакетов нельзя объединять с их помощью.
Выпускаются также так называемые гибридные (или адаптивные) коммутаторы, которые могут автоматически переключаться из режима Cut-Through в режим SAF и наоборот. При малой нагрузке и при низком уровне ошибок они работают как более быстрые Cut-Through коммутаторы, а при большой нагрузке и при большом количестве ошибок переходят в более медленный, но более качественный режим SAF.
Наконец, еще одно важное достоинство коммутаторов по сравнению с репитерными концентраторами состоит в том, что они могут поддерживать режим полнодуплексной связи. Как уже отмечалось, при этом режиме резко упрощается обмен в сети, а скорость передачи в идеале удваивается (20 Мбит/с для Ethernet, 200 Мбит/с для Fast Ethernet).
Остановимся чуть подробнее на достоинствах и недостатках полнодуплексного режима.
Сегменты на витой паре и на оптоволоконном кабеле в любом случае используют две линии связи, одна из которых передает информацию в одну сторону, а другая – в другую. (Это не относится к сегментам 100BASE-T4, в которых есть двунаправленные витые пары, передающие в обе стороны по очереди). Но в стандартном полудуплексном режиме информация не передается по этим линиям связи одновременно. Однако если и адаптер, и коммутатор, связанные этими линиями связи, поддерживают полнодуплексный режим, то одновременная передача информации возможна. Естественно, аппаратура адаптера и коммутатора должна при этом обеспечивать прием приходящего из сети пакета и передачу своего пакета одновременно.
Полнодуплексный режим в принципе исключает любую возможность коллизии и делает ненужным сложный алгоритм управления обменом CSMA/CD. Каждый из абонентов (адаптер и коммутатор) может передавать в данном случае в любой момент без ожидания освобождения сети. В результате сеть нормально функционирует даже при нагрузке, приближающейся к 100% (в полудуплексном режиме – не более 30-40%). Особенно этот режим удобен для высокоскоростных серверов и высокопроизводительных рабочих станций.
Кроме того, отказ от метода CSMA/CD автоматически снимает ограничения на размер сети, связанные с ограничениями на двойное время распространения сигнала. Особенно это важно для Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. При полнодуплексном режиме обмена размер любой сети ограничен только затуханием сигнала в среде передачи. Поэтому, например, сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet могут использовать оптоволоконные сегменты длиной 2 км и даже больше. При стандартном полудуплексном режиме, и методе CSMA/CD это было бы в принципе невозможно, так как двойное время распространения сигнала для Fast Ethernet не должно превышать 5.12 мкс, а для Gigabit Ethernet – 0.512 мкс (а при переходе на минимальную длину пакета в 512 байт – 4.096 мкс).
Полнодуплексный режим можно рассматривать как приближение к топологии классической активной звезды. Как и в активной звезде, здесь не может быть конфликтов, но требования к центру (как по надежности, так и по быстродействию) чрезвычайно велики. Как и при активной звезде, строить сети с большим количеством абонентов затруднительно, необходимо использовать много центров (в нашем случае – коммутаторов). Как и при активной звезде, стоимость оборудования оказывается довольно высокой, так как кроме сетевых адаптеров и соединительных кабелей нужны сложные, быстрые и дорогие коммутаторы. Но, видимо, все это неизбежная плата за повышение скорости обмена. Строго говоря, полнодуплексные сети уже трудно назвать классическими Ethernet и Fast Ethernet, так как в них уже ничего не остается ни от топологии "шина", ни от метода CSMA/CD. Сохраняется только формат пакета и (не всегда) метод кодирования.
Таким образом, в настоящее время коммутирующие концентраторы (коммутаторы) выполняют все больше функций, традиционно относившихся к мостам. Поэтому в пределах одной сети или однотипных сетей с одинаковыми форматами пакетов (Ethernet и Fast Ethernet) коммутаторы все больше и больше вытесняют мосты, так как они более быстрые и более дешевые. На долю мостов остается только соединение разнотипных сетей, что встречается не так уж и часто. Эта тенденция прослеживается и в других областях электроники: узко специализированные быстрые устройства вытесняют универсальные медленные. Универсальные устройства (компьютеры, универсальные контроллеры) сохраняются только там, где без них действительно не обойтись, где нужны очень сложные алгоритмы обработки, которые к тому же могут изменяться в соответствии с требованиями конкретной задачи.