Comutarea pachetelor in retele de calculatoare

Comutarea pachetelor in retele de calculatoare

Switching-ul (comutarea pachetelor) reprezinta o tehnologie ce contribuie la diminuarea congestiei in retelele Ethernet, Token Ring si FDDI prin reducerea traficului si cresterea disponibilitatii latimii de banda. Astazi, switch-urile au ajuns sa inlocuiasca tot mai mult hub-urile, deoarece sunt proiectate sa functioneze in infrastructura existenta deja in retea fara a perturba traficul acesteia.

1 Functiile unui switch

Switch-urile au ajuns astazi sa fie considerate componenta funamentala prin care se realizeaza segmentarea  celor mai multe retele. Ele permit utilizatorilor dintr-o retea sa transmita informatii, prin acelasi mediu, in acelasi timp, fara a incetini traficul. Asa routerele permit diferitelor retele sa comunice unele cu altele, switch-urile permit diferitelor noduri (nod = un punct de conexiune dintr-o retea, de obicei un calculator din retea sa comunice direct unele cu altele, intr-o maniera eficienta.

Prin porturile sale, un switch imparte reteaua in mai multe canale de comuncare. Aceste canale independente cresc randamentul switch-ului in ceea ce priveste latimea de banda folosita. Switch-urile mai simple sint autoconfigurabile, prin urmare, nu e nevoie de personal specializat pentru punerea lor in functiune.

In cuvinte simple, modul de functionare al unui switch e urmatorul ; pentru un segment de retea atasat la un port al switch-ului, CMA/CD va controla accesul la mediul de transmisie pentru respectivul segment. Daca la respectivul port e atasata o singura statie de lucru, nu e nevoie de nici un mecanism prin care sa controleze accesul la mediu. Switch-ul verifica adresele MAC sursa si destinatie a cadrelor pe care le receptioneaza si transmite respectivele cadre catre porturile corespunzatoare.

Prin urmare, comutarea pachetelor la nivelul 2 OSI se bazeaza pe hardware sau, putin spus, foloseste adresele fizice (MAC).

Prin urmare, proiectarea unei retele Fast Eternet porneste de la calcularea vitezei de propagare a semnalului. Pentru aceasta trebuie identificate 2 statii ale viitoarei retele aflate la distanta maxima si unde va fi localizat repetorul intre aceste statii. Daca se respecta toate specificatiile tehnice si intirzierea nu e mai mare de 512 bit time pe un segment, atunci totul e in regula. In caz contrar, reteaua trebuie segmentata (folosim un switch).

Dupa cum se vede din fig. 8.5.1, avem o retea 100 BaseTX intre 2 PC-uri conectate la un hub. Cablurile prin care se conecteaza cele 2 PC-uri au lungimea maxima admisa de standarde.

Pentru cele 2 segmente de cablu intirzierea totala va fi 222,4 bit time (111,2 + 111,2 conform tabelului de mai jos). La aceasta se adauga intirzierea indusa de repetor, care este 92, si cea a placilor de retea ale celor doua PC-uri, care este mai mica decit 512, ceea ce inseamna ca reteaua noastra e buna din acest punct de vedere.

Iata si citeva valori ale intirzierii induse de fiecare tehnologie folosita in cadrul Fast Ethernet :

Asa stau lucrurile in teorie. Sa ne apropiem insa ceva mai mult de realitate (vezi fig. 8.5.2).

De unde pornim? Trebuie sa identificam cea mai lunga cale intre 2 calculatoare. Dupa cum se vede si din schema, e vorba de PC1 si PC3 intre care distanta este de 185 metri. Echipamentele cu care ne intilnim pe acest traseu sint:

doua placi de retea 100 TX (100 bit time);

doua repetoare clasa II (2*92=184 bit time);

80 metri cablu de la PC1 la repetor (80*1,112=88,96 bit time);

5 metri cablu intre repetoare (5*1,112=5,56);

100 metri cablu de la PC3 la repetor (100*1,112=111,2 bit time).

Intirzierea totala va fi 489,72 bit time, ceea ce inseamna ca reteaua e in regula. Daca insa vom fi nevoiti sa mai adaugam un repetor (adica o intirziere suplimentara de 92 bit time), vom depasi valoarea de 512 bit time !

Cum se rezolva o astfel de problema? O solutie o reprezinta repetoarele stackable (modulare). Acestea sint hub-uri conectate intre ele prin porturi speciale (stack). Toate hub-urile dintr-o astfel de stiva formeaza o singura unitate logica.

Cea de-a doua solutie se refera la folosirea switch-urilor sau a fibrei optice, daca trebuie conectate dispozitive aflate la o distanta mai mare de 100 metri.

3. Metode de comutare a pachetelor

Latenta pachetelor intr-un switch depinde, in primul rind, de modul in care se realizeaza comutarea acestora. Exista trei astfel de metode.

Store-and-forward reprezinta cea mai cunoscuta metoda de switching intr-o retea. Inainte de a fi transmis, cadrul este receptionat in totalitate : se citeste adresa sursei sau destinatiei si se aplica anumite filtre, se calculeaza o cifra de verificare a redundantei. In timpul receptionarii cadrului apare si latenta. Cu cit cadrul e mai mare cu atit e mai mare si latenta indusa ca urmare a timpului necesar citirii sale. Detectarea erorilor mai consuma si ea timp, deoarece switch-ul trebuie sa astepte receptionarea intregului cadru. Daca exista erori, cadrul e distrus. Daca e prea mic(mai putin de 64 bytes) sau prea mare (mai mult de 1518 bytes), e de asemenea distrus. Daca totul e bine, switch-ul cauta adresa MAC destinatie si determina portul de iesire.

Cut-through (in timp real) e cea de-a doua metoda de comutare. Inainte de a astepta receptionarea intregului cadru, switch-ul citeste adresa destinatie si lanseaza transmiterea sa. De fapt switch-ul copie doar adresa destinatie (primii 6 bytes de preambul) in memorie si cauta aceasta adresa in tabela sa pentru a determina care portul de iesire. Aceasta tehnica reduc latenta si, in plus, nici nu detecteaza erorile asa cum se intimpla in store-and-forward.

Cut-through are 2 variante :

Fast forward switching. Aceasta varianta induce cea mai mica latenta, deoarec acest pachet e transmis imediat ce a fost identificata adresa destinatie. Dezavantajul consta in faptul ca sint transmise mai departe si pachetele ce contin erori. Chiar daca aceste situatii nu apar in mod constant si NIC-urile renunta la cadre care contin erori, aparitia unui trafic inutil in retea nu e digerata de nici un administrator sirguincios. Switching-ul masoara latenta pornind de la primul pachet receptionat si terminind cu primul transmis (FIFO).

Fragment-free switching. Aceasta varianta presupune filtrarea si transmiterea numai a fragmentelor de pachete ce nu contin erori. In mod obisnuit, un fragmenta ia nastere in urma  unei coliziuni trebuie sa fie mai mic de 64 bytes. Orice pachet mai mare decit aceasta valoare e considerat valid si, prin urmare, e receptionat fara erori. In aceasta situatie, switch-ul asteapta pina cind un pachet receptionat este validat si apoi il transmite catre portul destinatie.

Latenta fiecaruia dintre modurile prezentate depinde de cum se realizeaza transmisia pachetelor. Cu cit e mai rapid modul de transmitere, cu atit e mai redusa latenta. Dar, pentru a se ajunge in aceasta situatie, inseamna ca switch-ul  aloca mai putin timp pentru verificarea erorilor. Si, cu cit verificarea erorilor e mai redusa, cu atit creste numarul retransmisiilor.

Un switch indeplineste doua functii principale :

• Comutarea cadrelor. Aceasta functie are loc atunci cind un cadru ajunge la switch dintr-un anumit mediu sau de pe un anumit port si este transferat catre un alt mediu/port.
• Gestionarea operatiilor de comutare. Switch-ul creeaza si intretine tabele de comutare sau de filtrare folosind ASIC – Application Specific Integrated Circuits.

Fiecare switch folosit intr-o retea Ethernet induce latenta. Un switch interpus intre un server si o statie de lucru creste timpul de transmisie cu 21 microsecunde. Un pachet de 1000 bytes are un timp de transmisie de 800 microsecunde. Un pachet de switch este de tip store-and-forward, latenta insa creste.

Tot la capitolul generalitati mentionam cele doua tipuri de switching : de nivel 2 sau de nivel 3.

Switch-ul nu analizeaza informatiile de nivel 3 continute de un cadru, ci doar adresa MAC a dest9inatarului. Daca adresa este cunoscuta, cardul transmis catre interfata/portul corespunzatoare. Switch-ul construieste tablele cu adresele MAC corespunzatoare fiecarui port in parte. Daca nu se cunoaste adresa destinatarului, casrul este transmis catre toate porturile (broadcast) pentru ca switch-ul sa-i poata ”invata” destinatia corecta. Cind este reprimit cadrul, switch-ul adauga adresa in tabela cu adrese MAC a portului respectiv.

Cu exceptia SNA (Systems Networ Architecture), utilizatorii nu au control asupra adreselor de nivel 2. In majoritatea retelelor, administratorilor le revine sarcina de a atribui doar adresele de nivel 3. in acest caz, putem spune ca administratorii creeaza retele locale ce se comporta ca un singur spatiu de adresare (blocul-strada-orasul-tara).

Un switch Ethernet poate “invata” adresa oricarui dispozitiv din retea prin citirea adresei sursa continuta in fiecare pachet si notarea portului prin care cadrul a “intrat” in switch. Aceste adrese sint memorate intr-o baza de date. Adresele echipamentelor din retea sint memorate in mod dinamic, astfel spus, pe masura ce apare un dispozitiv nou, adresa e citita, invatata si memorata intr-o zona de memorie (CAM – content addressable memory). Cind switch-ul identifica o adresa pe care nu o regaseste in CAM, o memoreaza pentru o utilizare viitoare. Ori de cite ori o adresa e referita sau adaugata in CAM, i se inregistreaza si noua data (inclusiv ora) la care a avut loc operatiunea. Adresele la care nu se face referire o anumita perioada de timp sint sterse din CAM. Prin acest mecanism, baza de dat cu adresele MAC ale dispozitivelor din retea e actualizata in mod constant.

2. Functionarea switch-ului

Pornind de la imaginea de mai sus, vom incerca sa vedem mai in detaliu cum functioneaza un switch. La pornire, tabela cu adrese MAC nu contine nici o inregistrare. Cind un calculator (1) transmite si un port receptioneaza un cadru, switch-ul preia adresa MAC a calculatorului sursa si o plaseaza in tabela de filtrare impreuna cu portul de unde a fost preluat. Avind in vedere ca destinatarul nu e cunoscut, switch-ul nu va avea de ales si va trebui sa “inunde” reteaua cu acest cadru.

Daca un calculator din retea (3) raspunde si trimite inapoi un cadru, switch-ul va prelua adresa sursa din acest cadru si o va inregistra in baza de date cu adrese MAC in asociere cu portul de pe care a fost primit. Din acest moment switch-ul va putea realiza o conexiune punct-la punct, cadrele fiind transmise doar intre cele doua calculatoare.

De fiecare data cind un cadru e receptionat pe un anumit port, adresa MAC destinatie va fi comparata cu inregistrarile din baza de date a switch-ului. Daca aceasta adresa e cunoscuta si apare in baza de date, cadrul va fi transmis catre portul corespunzator. In caz contrar, cadrul e transmis broadcast ( mai putin portul pe care a fost receptionat), adresa calculatorului care raspunde la broadcast urmind a fi inregistrata in baza de date cu adresele MAC.

Daca tot am pomenit de broadcast, trebuie facuta o precizare : cadrele broadcast si multicast nu specifica adrese MAC destinatare. Adresa sursa va fi intotdeauna adresa MAC a dispozitivului care transmite cadrul, in timp ce adresa destinatie poate fi o adresa broadcast (toti bitii 1) sau una multicast (bitii din portiunea host au valoarea 1). Broadcast-ul va fi transmis catre toate retelele si host-urile acestora, in timp ce multicastul va fi transmis tuturor host-urilor unei anumite retele.

4. Spanning Tree Protocol (STP)

Principala menire a  acestui protocol este de a impiedica asa-zisele circuite in bucla. STP monitorizeaza in mod constant reteaua izoland buclele si trecind anumite conxiunui in stand-by. Sa exemplificam:

Figura de mai sus vrea sa arate cum circula un singur cadru trimis de calculatorul lui Florin, daca STP-ul nu ar fi activat.             

Florin trimite un singur cadru unicast catre adresa MAC a lui Marius. Calculatorul lui Marius nu este pornit si, prin urmare, switch-ul nu are de unde sa ii stie adresa MAC. Acest cadru va circula in retea la infinit(sau pina la expirarea timpului de viata) si va fi transmis de catre toate porturile active pina in momentul in care una din legaturi pica.

In lipsa unui astfel de protocol, o retea devine inutilizabila. Algoritmul spanning tree atribuie fiecarui port de pe switch mai multe stari:

Blocking – nu se trasmite nici un cadru

Listening – nu se transmite nici un cadru, se „asculta”

Learning – nu transmite nici un cadru, se invata adrese

Forwarding – se transmit cadre, se invata adrese

Disabled – inactiv

Revenind la exemplul anterior, cind Florin va transmite cadre catre calculatorul lui Marius, acestea nu vor mai circula in bucla. SW1 va trimite o copie a cadrului transmis de Florin catre SW2, dar SW3 nu va putea sa transmita aceasta copie catre portul 0/2 deoarece acesta este blocat. Pe de alta parte, daca Vali doreste sa transmita un cadru catre Marius, va trebui sa o faca prin intermediul SW1, si nu direct. Daca legatura dintre SW1 si SW3 cade, atunci SW va schimba starea portului 0/27 in forwarding.