| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Однокристальные коммутаторы
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
КАФЕДРА МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
Отчёт по домашнему заданию №1 по курсу:
Сети
«Однокристальные коммутаторы»
Версия 3
Выполнил студент группы А9-11: Макаров А.С
Проверил: Лапшинский В. А.
Москва 2013
Оглавление
1. Введение
1.1. Сетевой коммутатор
1.2. Принцип работы коммутатора
1.3. Режимы коммутации
1.4. Симметричная и асимметричная коммутация
1.5. Буфер памяти
1.6. Возможности и разновидности коммутаторов
2. Однокристальный коммутаторы
2.1. Введение
2.2. KS8842 — первый взгляд
2.3. Возможности микросхемы
2.4. Приложения для применения
2.5. Функциональный краткий обзор
3. Выводы
4. Литература
«Рассмотрение однокристальных коммутаторов на примере микросхемы KS8842»
Макаров Алексей.
Факультет автоматики и электроники. Курс «Сети». Пятый курс. Гр. А9-11. 2013г.
Аннотация
1. Определение сетевого коммутатора, принципа его работы, режима коммутации (симметричная и не симметричная), буферной памяти коммутатора, а так же и возможности и разновидности сетевых коммутаторов.
2. Описание типовой структуры устройства сопряжения с Ethernet.
3. Рассмотрение двухканального контроллера-коммутатора Ethernet — KS8842.
4. Возможности микросхемы: управление коммутатором, расширенное управление коммутатором, контроль принимаемой информации, доступ ко всем регистрам, поддержка приоритетов QoS/CoS, режимы снижения потребляемой мощности, питание, температура, корпусировка, дополнительные возможности.
5. Приложения для применения.
6. Функциональный краткий обзор: MAC и коммутатор, поиск MAC-адреса, перемещение устройства, старение таблицы, форвардинг пакетов, механизм коммутации, операции МАС.
7. Выводы о микросхеме двухканального контроллера — коммутатора Ethernet KS8842M, являющейся представителем однокристальной системы.
1. Введение
1.1. Сетевой коммутатор
Сетевой коммутатор (жарг. свич от англ. switch— переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.
В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых не известен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.
Рисунок 1. Сетевой коммутатор на 48 портов (с гнездами для четырёх дополнительных портов)
1.2. Принцип работы коммутатора
Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.
1.3. Режимы коммутации
Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.
1) С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр[1].
2) Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
3) Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные — по технологии cut-through)[1].
Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.
1.4. Симметричная и асимметричная коммутация
Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зрения ширины полосы пропускания для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с[2].
Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мб/с и 100 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с[2].
Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединен сервер, с целью предотвращения переполнения на этом порте. Для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.
Асимметричный коммутатор также необходим для обеспечения большей ширины полосы пропускания каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения, или каналов между сегментами магистрали.
1.5. Буфер памяти
Для временного хранения фреймов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.
Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки фреймов: буферизация по портам и буферизация с общей памятью. При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передается на выходной порт только тогда, когда все фреймы, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, когда один фрейм задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка может происходить даже в том случае, когда остальные фреймы могут быть переданы на открытые порты их пунктов назначения.
При буферизации в общей памяти все фреймы хранятся в общем буфере памяти, который используется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого фреймы, находившиеся в буфере, динамически распределяются по выходным портам. Это позволяет получить фрейм на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.
Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить фреймы. Очистка этой карты происходит только после того, как фрейм успешно отправлен.
Поскольку память буфера является общей, размер фрейма ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные фреймы могут быть переданы с меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.
1.6. Возможности и разновидности коммутаторов
Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые).
Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например «Layer 3 Switch» или сокращенно «L3 Switch». Управление коммутатором может осуществляться посредством Web-интерфейса, протокола SNMP, RMON и т. п.
Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование.
Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство — стек — с целью увеличения числа портов. Например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с 90 ((4*24)-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).
2. Однокристальный коммутаторы
2.1. Введение
Типовая структура устройства сопряжения с Ethernet может быть представлена следующей формулой:
PHY + MAC + CPU + RAM[3].
Здесь PHY — узел стыка с физической линией, MAC — контроллер МАС-адресов, CPU — микроконтроллер, RAM — память для накопления и хранения пакетов данных. Есть несколько вариантов выполнения устройств сопряжения. Традиционно контроллер и память выполнялись на отдельных от всего набора микросхемах. Узел стыка с физической линией (PHY, трансиверы) во многих применениях тоже выполнялся в виде отдельных микросхем. МАС-контроллеры обычно встроены как аппаратные узлы в микроконтроллеры, а теперь и в FPGA. Ранее МАС-контроллеры встраивались в FPGA как софт-ядра[3].
Слагаемые в приведенной выше формуле можно также рассмотреть по условию «инженерозависимости». Компоненты PHY, MAC и RAM не сильно зависят от участвующих в разработке инженеров, CPU же можно квалифицировать как «сильно инженерозависимый» компонент.
Опыт работы с определенным типом CPU, наличие библиотек из проверенных программных фрагментов кода, а также отладочных программных и аппаратных средств привязывают разработчиков к тем или иным видам микроконтроллеров. Переход на другой тип микропроцессора всегда связан с определенными трудностями. Именно поэтому получила распространение сокращенная версия приведенной выше формулы:
EthConr + CPU[3]
Здесь EthConr = PHY + MAC + RAM — контроллер Ethernet[3].
Типичным представителем, получившим наиболее широкое применение для встроенных приложений, является микросхема CS8900, называемая «Highly-Integrated ISA Ethernet Controller». Данная микросхема подключается по параллельной шине к микроконтроллеру и снимает с разработчика необходимость решения проблемы Ethernet.
Однако с введением стандарта 100 Мбит/с данная микросхема катастрофически устарела. То же самое можно сказать и о ее параллельной шине. Асинхронная процессорная шина также безнадежно устарела и не может осуществлять обмен данными на высоких частотах. Чем же можно заменить Ethernet-контроллер, чтобы решить проблему Ethernet и плюс к этому иметь множество дополнительных функций, повышающих эксплуатационные характеристики изделия?
Рассмотрим преимущества однокристальных коммутаторов на примере KS8842M — двухканальный контроллер-коммутатор Ethernet фирмы Micrel [1].
2.2. KS8842 — первый взгляд
Блок-схема двухканального контроллера-коммутатора Ethernet приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Блок – схема микросхемы KS8842[3].
На рисунке приведены основные узлы KS8842M[3]:
• два малопотребляющих 10/100 приемопередатчика;
• два блока MAC;
• канал прямого доступа к памяти (DMA);
• высокоскоростной неблокирующий коммутатор;
• внутрикристальная память для таблицы обработки адресов (1 Кбайт);
• внутрикристальная память для буферов кадров данных;
• интерфейс с процессором разрядностью 8/16/32 бит, поддерживающий синхронные и асинхронные операции.
KS8842M может быть сконфигурирован как свитч или как репитер с низким временем ожидания (< 310 нс) для встроенных или индустриальных Ethernet-устройств.
В интерфейсе Ethernet KS8842M имеет полный набор стандартных функций. Кроме того, KS8842M предлагает расширенный набор возможностей, который включает в себя:
• работу в виртуальной сети на основе тега или порта — tag/port-based VLAN;
• качество обслуживания (QoS) с приоритетным управлением;
• счетчики событий, основанные на информации (MIB);
• интерфейс управления и данных для центрального процессора, чтобы эффективно обрабатывать адреса для приложений Fast Ethernet.
2.3. Возможности микросхемы
Управление коммутатором:
• Неблокируемый коммутатор пакетов осуществляет быструю доставку пакетов, используя специальную таблицу переадресации пакетов.
• Полная совместимость со стандартом IEEE 802.3u[3].
• Управление потоком данных в режиме полного дуплекса IEEE 802.3x с возможностью использования режима «force».
• Управление потоком данных в режиме полудуплекс, режим обратного давления.
Расширенное управление коммутатором:
• Виртуальная сеть VLAN (IEEE 802.1Q) — поддерживается до 16 групп (полный диапазон VLAN-идентификаторов).
• VLAN-идентификатор на основе «tag/untag» виртуальной сети, связанной с определенным портом.
• Вставка или удаление тега в данных для виртуальной сети связанной с определенным портом по IEEE 802.1p/Q[3].
• Программируемое ограничение объема принимаемых и передаваемых данных для каждого порта.
• Защита от лавины широковещательных пакетов.
• Поддержка протокола «spanning tree» IEEE 802.1d[3].
• Функция фильтрации MAC, позволяющая отфильтровывать и не отправлять пакеты по неизвестным индивидуальным (unicast) адресам.
• Прямой режим «forward», дающий возможность процессору идентифицировать входной и выходной порты.
• Поддерживается протокол поиска по Internet Group Management Protocol (IGMP) v1/v2 для групповой фильтрации пакета[3].
• Поддерживается протокол поиска IPV6 Multicast Listener Discovery (MLD) [3].
Контроль принимаемой информации:
• Для порта — отзеркаливание, мониторинг, пассивное прослушивание сети: входящий и исходящий трафик для любого порта.
• MIB-счетчики для сбора статистики (34 MIB-счетчика на порт).
• Режимы «Loopback» и диагностики отказа на дальнем конце линии.
Доступ ко всем регистрам:
• Управление оперативной перестройкой конфигурации через регистры (приоритет порта, 802.1p/d/Q).
Поддержка приоритетов QoS/CoS:
• Основанная на порте, на IEEE 802.1p и DiffServ.
• Ремаппинг поля приоритетов по IEEE 802.1p для каждого порта.
Режимы снижения потребляемой мощности, питание, температура, корпусировка:
• Режим снижения мощности для всей микросхемы.
• Режим уменьшения потребляемой мощности на каждый порт PHY (обнаружение состояния линии «idle», конфигурация регистров сохраняется).
• Единственное напряжение 3,3 В[3].
• Коммерческий температурный диапазон 0...+70 °C[3].
• Промышленный температурный диапазон –40...+85 °C[3].
• Корпус PQFP с 128 входами (возможен выпуск в корпусах LQFP с 128 входами)[3].
• Доступны в 16-битной версии для 8/16-битной шины данных и для 32-битной версии для 32-разрядной шины данных.
Дополнительные возможности. Интегрированный коммутатор пакетов для Layer-2 дает следующие возможности:
• Режим репитера.
• Динамическая буферная схема памяти (необходима для приложений типа «Видео по IP», где флуктуация изображения недопустима).
• Коммутатор на 2 Ethernet-порта с переконфигурируемыми шинами для подключения к интерфейсу 8, 16 или 32-разрядного процессора хоста.
• Кабельная диагностика по технологии Micrel LinkMD позволяет диагностировать дефектные кабели и определить расстояние до дефекта.
• Автопереключение входов Tx-Rx по Hewlett Packard (HP) MDI-X с функцией запрета и разрешения позволяет упростить кабельный монтаж.
• Четыре приоритетных очереди для обработки пакетов с разным содержанием, например звука, видео, данных, а также управляющих пакетов.
• Способность передавать и получать кадры данных гигантского размера — до 1916 байт.
2.4. Приложения для применения
• Сетевые видеосистемы.
• Высокопроизводительные кабельные, спутниковые и телевизионные приставки с выходом в Интернет.
• Видео по IP.
• Голос по IP (VoIP) и аналоговые телефонные адаптеры (ATA).
• Промышленные системы управления и контроля, чувствительные ко времени выполнения.
• Управление двигателями.
• Промышленные устройства контроля с датчиками (температура, давление, уровни, клапаны).
• Охранные системы и камеры наблюдения.
2.5. Функциональный краткий обзор
MAC и коммутатор
Наиболее сложная часть микросхемы— МАС и коммутатор. Именно эти узлы и повышают производительность микросхемы по сравнению с обычным вариантом МАС + CPU[3]. Поскольку все перечисленные здесь основные и дополнительные функции выполняются аппаратно, не требуя ресурса от CPU, то это позволяет значительно упростить разработку устройства в целом[3].
Поиск MAC-адреса
Внутренняя поисковая таблица хранит MAC-адреса и связанную с ними информацию. Она состоит из таблицы выделенных одноадресных пакетов и данных для коммутатора.
Изучение поступающих из линии адресов Внутренний механизм поиска дополняет таблицу адресов новым адресом из пакета, если выполнены следующие условия:
1. В полученном пакете адрес отправителя Source Address (SA) не существует в поисковой таблице.
2. Полученный пакет имеет признаки правильного пакета, то есть не были получены ошибки при приеме, размер пакета имеет правильную длину.
Механизм поиска вставляет новый SA в таблицу наряду с номером порта и временной меткой. Если таблица заполнена, последняя запись в таблице удаляется, чтобы создать место для новой записи.
Перемещение устройства
Внутренний механизм поиска также контролирует, изменялось ли местоположение станции. Если абонентов станции перекоммутировали относительно, то необходимо обновить таблицу адресов. Перемещение происходит, когда выполнены следующие условия:
1. SA полученного пакета находится в таблице, но связанная с ним исходная информация о порте отличается от той, что пришла в пакете.
2. Полученный пакет имеет признаки правильного пакета, не были получены ошибки при приеме, и размер пакета имеет правильную длину. Механизм поиска обновляет существующую запись в таблице новой информацией о порте.
Старение таблицы
Механизм поиска обновляет информацию временной метки записи в таблице всякий раз, когда появляется передача SA. Временная метка используется в процессе старения. Если отчет не модифицирован на данный момент, то механизм поиска удаляет запись из таблицы. Механизм поиска постоянно работает, производя обновление записей в таблице и удаляя устаревшие записи. Период старения—приблизительно 200 с. Этот параметр можно разрешить или заблокировать в программно доступных регистрах управления.
Форвардинг пакетов
Пакеты перенаправляются по алгоритму, который изображен на блок-схемах рис. 3,4.
Рисунок 3. Блок-схема алгоритма поиска по таблице адреса для определения адреса[3] назначения пакета (стадия 1)
Рисунок 4. Блок-схема алгоритма поиска по таблице адреса для определения адреса назначения пакета (стадия 2) [3]
На рис. 3 показано, как выполняется первый шаг алгоритма отправки пакета, где поисковый сервер ищет VLAN-идентификатор, статическую таблицу и динамическую таблицу для адреса назначения, приходя к состоянию «порт для отправки 1» (PTF1). Затем адрес назначения PTF1 изменяется в соответствии со «spanning tree», с пассивным прослушиванием сети (IGMP), с зеркальным отражением порта и с VLAN так, чтобы прийти к состоянию «порт для отправки 2» (PTF2), как показано на рис. 5. В результате пакет посылают по адресу PTF2.
KS8842M не будет отправлять следующие пакеты:
1. Пакеты с ошибками. Пакеты имеют ошибки кадровой синхронизации, ошибки в Frame Check Sequence (FCS), ошибки в расположении данных ошибки, а также ошибки, связанные с неправильной длиной пакета.
2. Кадры паузы IEEE 802.3x. KS8842M прерывает эти пакеты и выдает пакеты управления потоком данных[3].
3. «Местные» пакеты. Производится поиск по адресу назначения (DA). Если порт адресата из поисковой таблицы соответствует порту, от которого исходит пакет, пакет будет определен как «местный».
Механизм коммутации
KS8842M показывает высокую эффективность примененного механизма коммутации, который пересылает данные в буфер памяти пакетов MAC (или из него). Он работает в режиме сохранения пакетов и в режиме форвардинга пакетов, что уменьшает полное время ожидания при передаче пакетов.
Механизм коммутации имеет внутренний буфер объемом в 32 Кбайт. Этот ресурс разделен между всеми портами. Всего есть 256 доступных буферов по 128 байт.
Операции МАС
KS8842M полностью соответствует стандарту IEEE 802.3. Кроме того, в МАС есть функция фильтрации одноадресных пакетов. Эта функция полезна в приложениях типа VoIP, где ограничение на обработку некоторых пакетов уменьшает нагрузку и таким образом улучшает работу.
Управление потоком данных
KS8842M поддерживает стандарт 802.3x при управлении потоком данных как на стороне передачи, так и на стороне приема. На приемной стороне, если KS8842M получает управляющий пакет с паузой, то следующий нормальный кадр данных передаваться не будет до истечения времени таймера, указанного в пакете управления длительностью паузы.
Если будет получен другой управляющий пакет с паузой до истечения времени, таймер будет модифицирован с новым значением для второй паузы. В течение этого периода (так как имеет место поток управления), от KS8842M будут передаваться только управляющие пакеты.
На передающей стороне KS8842M может решать, когда вызвать управление потоком данных. Управление потоком данных основано на доступности системных ресурсов, включая буфера, очереди для передачи и очереди для приема.
KS8842M будет управлять потоком данных для того порта, который только что получил пакет, если ресурс порта адресата занят. KS8842M выпускает кадр для управления потоком данных— (Xoff), содержащий максимальное время паузы, определенное в стандарте IEEE 802.3x.
Как только ресурс будет освобожден, KS8842M отсылает другой кадр данных для управления потоком данных (Xon) с нулевым временем паузы, чтобы выключить управление потоком данных (включение передачи к порту). Управление имеет вид гистерезиса для предотвращения постоянного включения и выключения механизма управления потоком данных.
KS8842M производит управление потоком данных для всех портов, если принимаемая очередь заполняется данными.
3. Выводы
Микросхема двухканального контроллера — коммутатора Ethernet KS8842M является шагом вперед на пути, называемом «встроенный Ethernet». Кроме того, что пользователь получает возможность иметь Ethernet 10/100 Мбит/с, дополнительно предоставляется ряд важных преимуществ. К ним относятся расширенные возможности, предоставляемые коммутатором и двумя каналами Ethernet 10/100 Мбит/с. Диапазон применений микросхемы может быть достаточно широк — от контроллера — коммутатора Ethernet до контроллера внутриприборного интерфейса.
4.Литература
1. Дэвид Хьюкаби, Стив Мак-Квери Руководство Cisco по конфигурированию коммутаторов Catalyst = Cisco Field Manual: Catalyst Switch Configuration. — М.: «Вильямс», 2004. — С. 560.
2. Брайан Хилл Глава 9. Основные сведения о коммутаторах // Полный справочник по Cisco = Cisco: The Complete Reference. — М.: «Вильямс». — С. 1088.
3. Каршенбойм Иосиф. Двухканальный контроллер – коммутатор Ethernet KS8842://Компоненты и технологии. 2005. №8. URL:http://www.kit-e.ru/articles/interface/2005_08_70.php
4. KS8842-16/32 MQL/MVL/MQLI. 2-Port Ethernet Switch with Non-PCI Interface. Preliminary Data Sheet Rev 1.0. Micrel.
5. Capacitive Coupling Ethernet Transceivers without Using Transformers. Micrel 10/100 Ethernet Products. Application Note 120. Micrel. |
Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: asmakarov (17.12.2013)
| Автор: Алексей Макаров 
|
| Просмотров: 2387
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
