Министерство Образования и Науки Российской федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ» 

Кафедра Микро- и наноэлектроники 

РЕФЕРАТ ПО КУРСУ ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ 

Элементная база коммутаторов

Выполнили: студенты группы А09-11

Е.Н. Анцупов

  В.В. Гордеев

Преподаватель: доц. В.А. Лапшинский

Москва 2015

Содержание

Введение.......................................................................................... 3

Определения................................................................................... 4

1 Понятие сетевого коммутатора................................................... 5

2 Принцип работы коммутатора..................................................... 6

3 Режимы коммутации..................................................................... 6

4 Симметричная и асимметричная коммутация............................ 7

5 Буфер памяти............................................................................... 8

6 Возможности и разновидности коммутаторов............................. 9

7 Элементная база коммутатора.................................................. 10

7.1 Микросхемы.............................................................................. 11

7.2 Кварцевые резонаторы............................................................. 13

7.3 Разъемы и соединители........................................................... 13

7.4 Светодиоды............................................................................... 15

7.5 Фильтры и источники питания.................................................. 15

7.6 Пассивные элементы................................................................ 15

8 Характеристики производительности коммутаторов.................. 16

Заключение...................................................................................... 19

Список использованных источников............................................... 20

Введение

        Коммутаторы заметно потеснили некоторые другие виды активного сетевого оборудования с казалось бы прочно завоеванных позиций. Несколько лет назад в типичной сети здания нижний уровень иерархии всегда занимали повторители и концентраторы, верхний строился с использованием маршрутизаторов, а коммутаторам отводилось место где-то посередине, на уровне сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного - их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подключения сверхпроизводительных серверов. Однако с ростом сетей потребность в коммутаторах сильно возросла.

Определения

Ethernet - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

VLAN (англ. Virtual Local Area Network) - логическая («виртуальная») локальная компьютерная сеть.

QoS (англ. Quality of Service) - вероятность того, что сеть связи соответствует заданному соглашению о трафике.

MAC-адрес (англ. Media Access Control) - уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице активного оборудования, или некоторым их интерфейсам в компьютерных сетях Ethernet.

OSI (англ. Open Systems Interconnection) - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Fast Ethernet - набор стандартов передачи данных в компьютерных сетях по технологии Ethernet со скоростью до 100 Мбит/с.

1 Понятие сетевого коммутатора

Сетевой коммутатор (англ. Network Switch) – это устройство, используемое в сетях передачи пакетов, предназначенное для объединения нескольких сегментов. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Коммутатор работает  на канальном (втором) уровне базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем – OSI. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы (3 уровень OSI). На рисунке 1 изображен пример сети с коммутатором.

Рисунок 1. Сеть с коммутатором

Сетевые коммутаторы применяются в нескольких технологиях, но наибольшее распространение нашли в Ethernet (от англ. ether — «эфир», англ. network — «сеть, цепь») — семействе технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей. Главной их задачей в сети Ethernet является разделение сети на сегменты. Это особенно актуально в сетях с большим числом рабочих станций, т.к. чем больше оконечных устройств работают одновременно с единой средой передачи данных, тем выше вероятность возникновения коллизии (одновременной передачи данных несколькими устройствами) и, следовательно, ниже эффективность работы сети. Коммутатор позволяет разбить единую сеть на несколько сегментов и увеличить число одновременно работающих устройств.

2 Принцип работы коммутатора

Коммутатор хранит в памяти (т.н. ассоциативной памяти) таблицу коммутации, 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 фреймы (кадры) 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.

3 Режимы коммутации

Существует три способа коммутации:

• 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.


• 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.


• бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (первые 64 байта кадра анализируются на наличие ошибки и при её отсутствии кадр обрабатывается в сквозном режиме).

Каждый из способов коммутации — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

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.

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.

Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.

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 подсоединён 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.

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, которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передаётся 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 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.

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, интерфейса командной строки (CLI), протокола SNMP, RMON и т. п. На рисунке 2 изображен один из таких сложных коммутаторов.

Рисунок 2. Коммутатор Allied Telesis Layer 3 switch

Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование. На данный момент многие коммутаторы уровня доступа обладают такими расширенными возможностями, как сегментация трафика между портами, контроль трафика на предмет штормов, обнаружение петель, ограничение количества изучаемых MAC-адресов, ограничение входящей/исходящей скорости на портах, функции списков доступа и т.п.

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 портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).

7 Элементная база коммутатора

Элементная база – это составляющие части электронных схем. Рассмотрим некоторые из них на примере коммутатора, выпускаемого АО «ПКК Миландр» — российским разработчиком и производителем микроэлектронной элементной базы, ориентированной на использование в изделиях с повышенными требованиями к надёжности.

Рассматриваемый коммутатор ЛВС (рисунок 3) предназначен для использования в устройствах локальной вычислительной сети на основе протоколов IEEE802.3/Ethernet для обеспечения коммутации оконечных устройств внутри сети на основе MAC адресов. Коммутация пакетов осуществляется с помощью сетевых адресов и выполняется автоматически. Устройство может функционировать в режимах 10 или 100 Мбит, в полном или полудуплексе.