RESEARCH OF THE BASIC CHARACTERISTICS OF MODERN NETWORK SWITCHS

Abstract

The basic structures and principles of work of the modern switchs used in computing systems with telecommunication access and networks, and principles of construction of their models are considered. By means of imitating models the analysis of the most important characteristics of these devices is made and effective modes of their work are defined.

Full Text

Введение Одним из основных устройств современных компьютерных сетей и систем с телекоммуникационным доступом является коммутатор [1]. Он обеспечивает передачу данных по заданному адресу. При этом используется специальная таблица соответствия (content-addressable memory - САМ), которую коммутатор формирует в процессе «самообучения». Стоит порту получить ответ от устройства с физическим адресом Х, как в CAM таблице появляется соответствующая строчка. Пакеты или кадры данных с адресом назначения (source address - SA) направляются на порт, связанный с ним. В настоящее время существует широкое разнообразие типов коммутаторов: от простейших, первого уровня, до управляемых, второго и третьего уровня, которые реализуют такие функции, как контроль и измерение трафика и др. В сети, построенной с использованием коммутаторов, «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 Воронцов И.В., Ефимушкина Н.В. 43 коллизии отсутствуют, нет понятия максимальной длины линии и максимального количества подключенных устройств. Объект исследования Объектом исследования является типовой коммутатор, реализующий наиболее важные функции передачи данных в компьютерных сетях и системах с телекоммуникационным доступом. Основным элементом информации, передаваемой в указанных системах, является кадр или пакет, структура которого приведена на рис. 1 [1]. В заголовке содержится адрес пункта назначения. В концевике находится полезная информация. Прототипом для такой структуры кадров стала ячейка ATM (Asymmetric Transfer Mode) коммутации. Размер этих ячеек фиксирован. Полезная информация Приоритет Заголовок 4 байта 1 байт 1байт Рис. 1. Структура кадра Коммутатор обеспечивает управление трафиком. Он может рассматриваться как узел, в который прибывают потоки пакетов, демультиплексируются, коммутируются на выходной канал адресата, снова мультиплексируются и передаются на выход. Коммутаторы содержат буферную память для хранения пакетов. Всодящая очередь для ПЭСеТСЕ: овыоомм приоритетом Вводящая очередь для ПЭСеТД: О №№М приоритетом Рис. 2. Общая схема работы коммутатора Любой реальный коммутатор имеет определенное количество портов [1-2]. Каждый порт содержит буфер фиксированной длины, в котором содержится необработанная информация. В модели коммутатор имеет три очереди, как показано на рис. 2. Обычно коммутатор работает в дуплексном режиме, поэтому входящее и исходящее направления представлены разными очередями [3-4]. Две входящие очереди отличаются приоритета Исходящая очередь ми. В реальных коммутаторах количество очередей варьируется и зависит от конкретной марки устройства. В них могут быть реализованы различные дисциплины обслуживания, например, FIFO и приоритетные [2-3]. При большой интенсивности поступления пакетов в любую очередь может возникнуть перегрузка. Она приводит к потере части пакетов. Одним из возможных способов решения проблемы перегрузки является алгоритм RED (Random Early Detection). Он позволяет маршрутизатору отбрасывать пакеты, даже когда в очереди еще имеется место. Выбор удаляемых пакетов осуществляется случайным образом. Благодаря этому достигается равномерное обслуживание разных абонентов. При определенных настройках удается полностью избежать снижения пропускной способности сети, но количество потерянных пакетов при этом может возрасти. Использование приоритетов позволяет реализовать дисциплину, учитывающую различные требования к качеству обслуживания отдельных пакетов. Например, пакет, который требует малого времени задержки, может иметь высокий приоритет, а пакет, который не требует срочной передачи, - низкий. Размеры буферной памяти могут быть различными для каждого класса приоритета. Пакет из низкоприоритетной очереди передается в канал только в случае, если буферная память высокого приоритета пуста. При этом заявки высокого приоритета могут блокировать длинную очередь низкого. Метод исследования Экспериментальное исследование коммутаторов реализовать довольно сложно. Для этого используются специальные дорогостоящие стенды. Альтернативой является имитационное моделирование. В статье описывается имитационная модель типового коммутатора, которая разработана под руководством одного из авторов [5]. Она позволяет исследовать структуру и важнейшие особенности работы устройства, в том числе приоритетные и бесприоритетные дисциплины обслуживания. Для обеспечения большей адекватности модель обеспечивает имитацию дополнительных сервисов: RED и CLP [1-2]. Исходными данными для моделирования являются количество портов коммутатора, размеры всех буферов, дисциплина обслуживания, а также наличие или отсутствие сервисов RED и CLP. Результатами моделирования служит количество обработанных и потерянных пакетов. «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 44 Воронцов И.В., Ефимушкина Н.В. Результаты исследования типового коммутатора С помощью модели были исследованы следующие режимы работы коммутатора: - стационарного без сервисов (эксперимент №1); - в условиях пиковой нагрузки (эксперимент №2); - стационарного с сервисом RED (эксперимент №3). Эксперимент №1 выполнялся при следующих исходных данных: - дисциплина обслуживания FIFO; - сервисы выключены; - длины очередей одинаковы и максимальны для всех портов; - период пакетов с низким приоритетом 1000 мс; - период пакетов с высоким приоритетом 10000 мс; - время коммутации 1000 мс; - время задержки в коммутаторе 1000 мс График изменения числа переданных и потерянных пакетов в зависимости от времени работы коммутатора (времени моделирования) приведен на рис. 3. Время моделирования - 2 мин. Потерянных пакетов - 14, успешно переданных - 1306. По результатам видно, что система работает стабильно. Потери связаны с неравномерностью генерации пакетов, которая выполнялась с помощью датчика случайных чисел. Система довольно успешно справляется с нагрузкой и успевает восстановиться при перегрузках. Рис. 3. Результаты исследования стационарного режима работы коммутатора без сервисов (эксперимент №1) Эксперимент №2 (исследование работы коммутатора в условиях пиковой нагрузки) выполнялся при удвоенном времени задержки в коммутаторе, то есть при следующих исходных данных: - дисциплина обслуживания FIFO; - сервисы выключены; - длины очередей одинаковы и максимальны для всех портов; - период пакетов с низким приоритетом 1000 мс; - период пакетов с высоким приоритетом 10000 мс; - время коммутации 1000 мс; - время задержки в коммутаторе 2000 мс. По результатам видно, что исходящие очереди начинают переполняться. Через минуту возникают потери. После 1,5 мин. моделирования почти все вновь прибывшие пакеты теряются. Коммутатор полностью теряет работоспособность. Графики числа переданных и потерянных пакетов представлены на рис. 4. Аналогичный результат получается при увеличении времени задержки во время коммутации. Рис. 4. Результаты исследования работы коммутатора в условиях пиковой нагрузки (эксперимент №2) Эксперимент №3 (исследование влияния сервиса RED на работу коммутатора в стационарном режиме) выполнялся при следующих исходных данных: - дисциплина обслуживания FIFO; - сервисы RED; - длины очередей одинаковы и максимальны для всех портов; - период пакетов с обычным приоритетом 1000 мс; - период пакетов с высоким приоритетом 10000 мс; - время коммутации 1000 мс; - время задержки в коммутаторе 1000 мс. В процессе моделирования наблюдаются большие потери пакетов, чем в первом эксперименте, но переполнения очередей не возникает. Считается, что потери пакетов менее важны, чем перегрузка сети. Графики основных характеристик коммутатора представлены на рис. 5. «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 45 винообразно и коммутатор практически теряет работоспособность. Достоинством предлагаемого авторами подхода является возможность анализа наиболее важных факторов функционирования устройства и исключения влияния второстепенных.