М. М. Мусаев компьютер тизимлари ва тармоқлари

5.13. Коммутаторларнинг қурилиши ва ишлашининг ўзига хос хусусиятлари

Юқори унумдор, тезкор компьютерлар, мультимедиали ишлов бериш технологияларининг пайдо бўлиши, тармоқнинг кўп сонли сегментларга бўлиниши билан классик кўприклар, уларга ўхшаш бўлган коммутаторлар ишлай олмай қолди. Энди бир неча портлар орасидаги кадрлар оқимига бир процессорли блок қўшилиши ёрдамида хизмат кўрсатиш процессорининг тез ишлашини сезиларли орттириш талаб қилинди. Ҳар бир портга келадиган оқимга хизмат кўрсатиш учун қурилмага кўприк алгоритмини ишлатадиган алоҳида махсуслаштирилган процессор қўйилишига мувофиқ ечим самарали бўлди. Замонавий коммутатор бу ўзининг барча портлар жуфтликлари орасида бирданига параллел равишда кадрларни ҳаракатлантиришга қодир бўлган мультипроцессорли кўприкдир. Коммутаторнинг процессорлари процессорларни хотира блоклари билан боғлайдиган мультипроцессорли компьютерлар матрицаларига ўхшаш бўлган коммутацион матрица орқали боғланади.

Вақт ўтиши билан коммутаторлар маҳаллий тармоқлардан классик бир процессорли кўприкларни чиқариб ташлади. Бунинг асосий сабаби тармоқ сегментлари орасида коммутаторлар узатадиган кадрларнинг сезиларли юқори унумдорлиги бўлди. Агар кўприклар баъзан тармоқнинг ишлашини секинлаштирса, унда коммутаторлар доимо протоколлар ҳисобланган даражадаги максимал тезликларда кадрларни узатиши мумкин бўлган портлар процессорлар билан ишлаб чиқарилди. Бунга параллел равишда портлар орасида кадрларни узатиш имккониятлари коммутаторлар архитектурасининг қувватли ривожланишини таъминлади. Натижада замонавий коммутаторларнинг унумдорлиги юқорида кўриб чиқилган кўприк/коммутаторлардан бир неча тартибларга юқори бўлди. Агар улар секундига 5 мингтагача кадрларни қайта ишласа, унда замонавий коммутаторлар секундига бир неча миллионларгача кадрларни узатиши мумкин.
Ethernet сегментларини коммутациялаш технологияси ишчи станциялар сегментлари билан юқори унумдор серверлар алоқаларининг ўтказиш хусусиятларини оширишга бўлган талабларнинг ўсишига жавобан 1990 йилда ишлаб чиқилди. Бундай турдаги коммутаторда бўш бўлганда, кадрни қабул қилиш моментида чиқиш портининг ҳолатида кадрнинг биринчи байтининг олиниши ва мана шу байтни жўнатиш манзили порт чиқишида пайдо бўлиши орасидаги кечикиш (задержка) 40 мксни ташкил этди, бу кўприк орқали кадрни узатишдаги кечикишдан анча кичик бўлди.
Бундай турдаги коммутаторнинг тузилиш схемаси 5.30-расмда келтирилган.
10Base-T технологиясининг ҳар бир 8 та портига Ethernet пакетларининг алоҳида порти (ПП) орқали хизмат кўрсатилади. Бундан ташқари, коммутатор ПП нинг барча процессорларининг ишлашини бошқарадиган, хусусан коммутаторнинг умумий манзилли жадвалини олиб борадиган тизимли модулга эга.
Портлар орасида кадрларни узатиш учун коммутацион матрицадан фойдаланилади. У коммутаторнинг портларини боғлаш билан каналларни коммутациялаш принципи бўйича ишлайди. Матрица 8 та портлар учун бир вақтда портларнинг ярим дуплекс иш тартибида 8 та канални ва ҳар бир портнинг узатувчи ва қабул қилувчи бир-бирларидан мустақил равишда ишлайдиган дуплекс иш тартибида 16 та канални таъминлаши мумкин.
Қандайдир портга кадр келганида ПП нинг мос процессори жўнатиш манзилини ўқиш учун кадрнинг бир неча биринчи байтларини буферга жойлаштиради. Жўнатиш манзили олинганидан кейиноқ процессор кадрнинг қолган байтларини келишини кутмасдан унга ишлов беришга тушади.
1. ПП процессори манзилли жадвалда ўз кешини кўриб чиқади, агар у ерда у керакли манзилни топмаса, тизимли модулга мурожаат қилади. Тизимли модул ПП нинг барча процессориларнинг сўровларига хизмат қилиш билан параллел равишда кўпдастурий иш тартибида ишлайди. У умумий манзилли жадвални кўриб чиқишни амалга оширади ва процессорни топилган сатрга қайтаради. Процессор кейинги ишлатиш учун керакли манзилни ўзининг кешига буферга жойлаштиради.
2. Агар жўнатиш манзили умумий манзил манзилли жадвалда топилган бўлса ва кадрни фильтрлаш керак бўлса, процессор буферлаб байтларни ёзишни тўхтатади, буферни тозалайди ва янги кадрнинг келишини кутади.
3. Агар манзил топилган ва кадрни бошқа портга узатиш керак бўлса, процессор буферга кадрларни қабул қилишни давом эттириб коммутацион матрицага мурожаат қилади. Поцессор юбориш манзилига у орқали маршрут борадиган порт билан унинг портини боғлайдиган йўлни ўрнатишга уринади.
4. Коммутацион матрица буни бу моментга келиб жўнатиш манзили, порти бўш бўлганда, яъни бу коммутаторнинг бошқа порти билан боғланмаган бўлганда амалга ошириши мумкин.
5. Агар порт банд бўлса, у ҳолда барча каналлар коммутацияланадиган қурилмалардаги каби матрица боғланишга рухсат этмайди. Бу ҳолда кадр тўлиғича кириш порти процессори орқали буферга жойлаштиради, бундан кейин процессор чиқиш портининг бўшашини ва коммутацион матрицада керакли йўлнинг ҳосил бўлишини кутади.
6. Керакли йўл ўрнатилганидан кейин, унга чиқиш порти қабул қиладиган кадрнинг буферга жойлаштирилган байтлари йўналтирилади. Чиқиш порти процессори унга CSMA/CD алгоритми бўйича уланган Ethernet сегментига рухсатни олиши билан кадрнинг байтлари тармоққа узатила бошланади. Кириш порт процессори доимо ўз буферида қабул қилинадиган кадрнинг бир неча байтларини сақлайди, бу унга мустақил ва асинхрон равишда кадр байтларини қабул қилиш ва узатиш имкониятини беради. Коммутацион матрица орқали портларнинг ўзаро таъсирига мисоллардан бири 5.31-расмда келтирилган. Коммутацион матрицанинг бундай усулда қурилиши маҳаллий тармоқларнинг биринчи ишлаб чиқарилган коммутаторларида ишлатилган. У процессорларнинг оддий ўзаро ишлаш усулини таъминлайди, лекин матрицанинг ишлатилиши чекланган сонли портлар учун мумкин бўлади.

Юқорида баён этилган кадрга ишлов бериш усули, кадрни тўла буферга жойлаштиришсиз, маъносига кўра, кадрга конвейерли ишлов беришдир. Бунда кадрни узатиш босқичлари вақт бўйича қисман бирлаштирилади: кириш порти процессори орқали кадрнинг биринчи байтларини, шунингдек, жўнатиш манзиллари байтларини қабул қилиш, коммутаторнинг манзилли жадвалидан жўнатиш манзилини қидириш, матрицани коммутациялаш, чиқиш порти процессори орқали кадрнинг қолган байтларини қабул қилиш, чиқиш порти процессори билан коммутацион матрица орқали кадрнинг байтларини (биринчиларини қўшганда) қабул қилиш, чиқиш порти процессорли муҳитга рухсат этишни олиш, чиқиш порти процессори орқали кадр байтларини тармоққа узатиш.

Коммутатордан фойдаланилганда тармоқнинг унумдорлигини оширишнинг бош усулларидан бири бир неча кадрларга параллел ишлов бериш ҳисобланади. Бу самарани унумдорликнинг идеал ҳолати тасвирланган 5.32-расм ифодалайди. Бунда 8 портлардан 4 таси Ethernet протоколи учун максимал бўлган 10 Мбит/с тезликда маълумотларни узатади. Бинобарин, улар бу маълумотларни қолган тўртта портларга баҳсларсиз узатади. Тармоқнинг боғламалари орасидаги маълумотлар оқимлари шундай тақсимланганки, кадрларнинг ҳар бир қабул қилувчи порти учун ўз чиқиш порти мавжуд (компьютерлар орасидаги кадрлар оқимлари 1,2,3,4 тарзда белгиланган).
Агар коммутатор кириш портларига кадрларнинг келишини максимал интенсивликда кириш трафигига ишлов беришга улгурса, у ҳолда келтирилган мисолдаги коммутаторнинг умумий унумдорлиги 4x10 = 40 Мбит/с ни, N портлар учун умумлаштирилганда эса (N/2)x10 Мбит/с ни ташкил этади. Бундай ҳолатда коммутатор унинг портларига уланган ҳар бир станцияга ва сегментга протоколнинг ажратилган ўтказиш хусусиятини тақдим этади, дейилади.
Табиийки, тармоқда ҳамма вақт юқорида баён этилган ҳолат бўлавермайди. Агар икки станциядан, масалан, 3 ва 4-портларга уланган станциялардан бир вақтда 8-портга уланган ўша бир серверга ёзиш керак бўлса, у ҳолда коммутатор ҳар бир станцияга 10 Мбит/с дан ажрата олмайди, чунки 8-порт 20 Мбит/с тезликда маълумотларни узата олмайди. Станцияларнинг кадрлари кириш 3 ва 4-портларининг ички навбатларида 8-портни навбатдаги кадрнинг узатилиши учун бўшашини кутади. Кўриниб турибдики, маълумотлар оқимларини бундай тақсимланиши учун яхши ечим сифатида серверни юқорироқ тезликли портга, масалан, Fast Ethernet га уласа бўлади.

Агар коммутатор портларига келадиган кадрлар тезлигида ўзининг портларида кадрларни узата олса, у блокировкаланмайдиган дейилади.

Агар коммутатор блокировкаланмайдиган барқарор иш тартибини қўллаб-қувватлай олса, бу шуни билдирадики, коммутатор ихтиёрий вақт оралиғи мобайнида кадрларни келиш тезлигида уларни узатади. Бундай иш тартибини таъминлаш учун чиқиш портлари орасида кадрлар оқимини шундай тақсимлаш керакки, биринчидан, портлар юклама билан улгурсин, иккинчидан, коммутатор доимо ўртача ҳисобда қанча кадр келган бўлса, чиқишларга шунча кадр узатадиган бўлсин.
Маҳаллий тармоқлар учун биринчи коммутаторлар Ethernet технология учун тасодифан пайдо бўлгани йўқ. Ethernet тармоқларни оммавийлигига боғлиқ бўлган сабаблардан ташқари, бошқа сабаб ҳам мавжуд эди. Бу технология бошқалардан кўра кўпроқ сегментнинг юкланиши ошганда муҳитдан фойдаланишни кутиш вақтини ортишидан жабр кўрди. Шунинг учун йирик тармоқларда Ethernet сегментлари биринчи навбатда тор жойларда юксизланиш воситасига муҳтож бўлди ва бу восита тузилиши 5.30-расмда келтирилган коммутаторлар бўлди. Баъзи компаниялар маҳаллий тармоқларнинг Token Ring и FDDI каби бошқа технологияларнинг унумдорлигини ошириш учун коммутациялаш технологияларини ривожлантира бошладилар. Турли ишлаб чиқарувчилар коммутаторларининг ички ташкил этилиши баъзан биринчи Ethernet коммутатори тузилишидан жуда фарқ қилди, лекин барча портлар бўйича кадрларни параллел ишлов бериш принципи ўзгармай қолди.
Коммутаторларнинг кенг қўлланилишига шу сабаб бўлдики, коммутациялаш технологиясининг жорий этилиши тармоқларда ўрнатилган қурилмалар тармоқ адаптерлари, концентраторлар, кабель тизимларининг алмаштирилишини талаб қилмади. Коммутаторлар портлари одатдаги ярим дуплекс иш тартибида ишлади, шунинг учун уларга кўринадиган тарзда ҳам охирга боғлама, ҳам бутун мантиқий сегментни ташкил этадиган концентраторни улаш мумкин бўлди. Коммутаторлар ва кўприклар тармоқ поғонасидаги протоколлар учун кўринадиган бўлганлиги сабабли, уларнинг тармоқда пайдо бўлиши маршрутизаторларга, агар улар тармоқда бўлса, ҳеч қандай таъсир этмади.
Каналли поғонали протоколлар коммутаторлари билан трансляция масалаларини кўриб чиқамиз.
IEEE рўйхатларига мос коммутаторлар каналли поғонали бир протоколдан бошқасига, масалан, Ethernet дан FDDI га, Fast Ethernet дан Token Ring га трансляцияни бажариши мумкин. Маҳаллий тармоқлар протоколлари трансляциясини шу факт енгиллаштирадики, мураккаброқ ишнинг айнан манзилларини трансляциялаш бўйича ишнинг бир жинсли бўлмаган тармоқларни бирлаштиришда маршрутизаторлар ва шлюзлар бажарадиган ишни бу ҳолда бажариш керак бўлмайди.
Маҳаллий тармоқларнинг барча охирги боғламалари ўша бир форматдаги улкан (уникал) манзилга, яъни қўллаб-қувватлайдиган протоколдан мустақил бўлган МАС-манзилга эга бўлади. Шунинг учун Ethernet тармоқ адаптери FDD1 тармоқ адаптерига тушунарли бўлади ва уларнинг иккаласи ҳам улар ўзаро алоқа қилаётган боғлама бошқа технология бўйича ишлайдиган тармоққа тегишлилиги ҳақида ўйламасдан бу манзиллардан ўз кадрлар майдонларида фойдаланишлари мумкин.
Маҳаллий тармоқлар протоколларини мослаштиришда коммутаторларни бир протокол кадридан бошқа протокол кадрига узатувчи ва қабул қилувчи манзиллари оддий ўтказилади.