Какая часть кадра Ethernet используется для проверки ошибок при коммутации с промежуточным хранением

Обновлено: 04.07.2024

В этом руководстве подробно объясняются методы и типы переключения. Узнайте, что такое метод переключения и как коммутатор использует метод переключения во внутренней обработке кадров.

Метод переключения определяет, как коммутатор обрабатывает кадр. Кадр — это часть потока данных, которая передается между двумя устройствами в сети. Он состоит из четырех объектов: аппаратного адреса исходного устройства, аппаратного адреса целевого устройства, параметров управления и данных.

Аппаратные адреса устройств-источников и устройств-получателей соответственно используются для идентификации устройств-отправителей и получателей кадра. Аппаратный адрес также известен как MAC-адрес. Опции управления в основном используются для двух целей: для проверки целостности фрейма и для определения протокола верхнего уровня, который следует использовать для обработки фрейма на целевом устройстве. Кадр также известен как кадр Ethernet.

На следующем изображении показана базовая структура кадра Ethernet.

Для обработки кадра коммутатор использует MAC-адрес источника, MAC-адрес получателя и одну опцию управления (FCS) кадра.

Чтобы узнать больше о кадре Ethernet и его структуре, см. следующий учебник.

Чтобы узнать, как устройства обмениваются данными в сети, изучите следующий учебник.

Коммутатор имеет несколько портов. Эти порты используются для подключения различных устройств. Чтобы узнать, какое устройство к какому порту подключено, коммутатор сохраняет MAC-адреса всех подключенных устройств с соответствующими портами в таблице, которая называется таблицей CAM.

Запись в таблице CAM состоит из номера локального порта и MAC-адреса устройства, подключенного к порту. Если к одному порту подключено несколько устройств, MAC-адреса всех подключенных устройств сопоставляются с одним и тем же портом.

На следующем изображении показаны примеры записей таблицы CAM.

Чтобы узнать, как коммутатор узнает MAC-адреса и как он строит таблицу CAM, вы можете обратиться к следующему руководству.

Внутренняя обработка кадров на коммутаторах

Внутренняя обработка кадров описывает, как коммутатор обрабатывает кадры. Он состоит из трех фаз: получение, обработка и пересылка. На этапе приема коммутатор получает кадр на один из своих портов. На этапе обработки коммутатор считывает MAC-адрес назначения кадра и находит запись для MAC-адреса назначения в таблице CAM. Если в таблице CAM есть запись для MAC-адреса назначения, коммутатор выбирает порт, связанный с MAC-адресом назначения в записи для третьей фазы. Если в таблице CAM нет записи для MAC-адреса назначения, коммутатор выбирает все порты для третьей фазы, кроме порта, на который был получен кадр. После выбора порта или портов для третьей фазы коммутатор может проверить целостность кадра. На третьем этапе коммутатор пересылает кадр из выбранного порта или портов.

На следующем изображении показаны первая и вторая фазы внутренней обработки кадров.

Типы методов переключения

Метод переключения объясняет, как коммутатор начинает фазу пересылки внутренней обработки кадров. Существует три типа методов переключения: метод с промежуточным хранением, метод без фрагментов и метод прямого доступа.

Во всех трех методах первая и вторая фазы одинаковы. На первом этапе коммутатор получает кадр на один из своих портов. Для быстрой обработки коммутатор запускает вторую фазу, как только получает биты кадра, содержащие адрес назначения. Этот механизм позволяет коммутатору выбирать порт или порты пересылки для фрейма еще до того, как фрейм поступает в коммутатор.

После принятия решения о переадресации коммутатор использует другой подход для запуска третьего шага в каждом методе. Давайте разберемся, как переключатель инициирует третью фазу в каждом методе.

Метод переключения с промежуточным хранением

В этом методе коммутатор ожидает получения всех битов кадра. После получения всех битов кадра коммутатор проверяет, не содержит ли полученный кадр ошибок. Если полученный кадр не содержит ошибок, коммутатор пересылает кадр с выбранного порта или портов. Если полученный кадр содержит ошибки, коммутатор отбрасывает кадр.

Чтобы узнать состояние кадра, коммутатор использует поле FCS (последовательность проверки кадров) кадра. Поле FCS содержит значение, известное как значение CRC. Значение CRC позволяет принимающему устройству узнать, находится ли кадр точно в том же состоянии, в котором его упаковал источник, или он был поврежден или изменен в середине.

После создания кадра отправитель или исходное устройство запускает для него алгоритм CRC (циклическая проверка избыточности). Значение, созданное этим алгоритмом, известно как значение CRC. Значение CRC сохраняется в поле FCS кадра. После сохранения значения CRC устройство-отправитель загружает кадр на носитель.

После получения кадра получатель или целевое устройство запускает алгоритм CRC для кадра и сравнивает результат со значением CRC, хранящимся в поле FCS кадра. Если результат и значение CRC совпадают, кадр считается безошибочным. Если они не совпадают, кадр считается поврежденным.

В этом методе коммутатор пересылает только безошибочные кадры. Этот метод обеспечивает высочайший уровень точности, но за счет скорости. Если сравнивать все три метода переключения, то этот метод стоит соответственно на первой и последней позициях по точности и скорости.

Метод сквозного переключения

В этом методе коммутатор запускает третью фазу, как только определяется порт переадресации. Кадр Ethernet сохраняет MAC-адрес назначения в третьем поле. Для пересылки кадра коммутатору нужен только MAC-адрес назначения кадра. Поскольку MAC-адрес назначения появляется в кадре Ethernet очень рано, коммутатор может начать пересылку полученных битов кадра до получения всех битов кадра.

В этом методе коммутатор не проверяет состояние кадра перед его пересылкой. Это уменьшает задержку, но также приводит к распространению ошибок. Из всех трех способов переключения это самый быстрый способ переключения. Но это обеспечивает скорость за счет пересылки некоторых кадров с ошибками.

Метод переключения без фрагментов

В этом методе после определения порта пересылки коммутатор ожидает получения первых 64 байтов кадра. 64 байта — это минимальный допустимый размер кадра Ethernet. Кадр Ethernet, размер которого меньше 64 байт, называется рант-фреймом. Рант-фрейм — это поврежденный фрейм.

Этот метод является модифицированной версией метода сквозного переключения. Этот метод уменьшает количество кадров ранта, которые переключаются. Иногда этот метод также известен как модифицированный сквозной или метод переключения без запуска.

Сравнение методов переключения

В следующей таблице сравниваются все три метода.

< td>После получения первых 8 байт. < /tr>

На этом уроке все. Если вам понравился этот урок, не забудьте поделиться им с друзьями в вашей любимой социальной сети.

Как известно, коммутаторы уровня 2 обычно отвечают за транспортировку данных на канальном уровне (уровень 2 OSI) и проверку ошибок в каждом переданном и полученном кадре. При использовании MAC-адреса кадры или пакеты должны пересылаться коммутаторами уровня 2. Во время этого процесса существует три общих режима коммутации Ethernet: сквозная коммутация, коммутация без фрагментов и коммутация с промежуточным хранением. В этой статье будет рассмотрено сравнение коммутации с промежуточным хранением и сквозной коммутации.

Обзор коммутации с промежуточным хранением и сквозного переключения

Полный фрейм состоит из нескольких частей: преамбулы, MAC-адреса получателя, MAC-адреса источника, данных пользователя и FCS. В другом режиме переключения перед пересылкой распознаются разные части.

Переключение с промежуточным хранением

Как следует из названия, коммутация с промежуточным хранением будет ждать, пока не прибудет весь кадр, прежде чем пересылать его. Затем коммутатор LAN будет сохранять каждый полный кадр в буферах памяти коммутатора и проверять ошибки перед принятием решения о пересылке. CRC (проверка циклическим избыточным кодом), который использует математическую формулу, основанную на количестве битов (1) в кадре, для проверки полученного кадра. Если ошибок нет, кадр будет отправлен на адрес назначения. В противном случае поврежденный кадр будет отброшен. Этот процесс обеспечивает высокий уровень безошибочного сетевого трафика, поскольку поврежденные кадры не влияют на сеть назначения.

Сквозное переключение

По сравнению с коммутацией с промежуточным хранением сквозная коммутация проще. Когда коммутаторы получают кадр, он ищет первые 6 байтов кадра, следующих за преамбулой. Затем коммутатор LAN проверит MAC-адрес назначения в своей таблице коммутации, определит порт исходящего интерфейса и перенаправит кадр в пункт назначения. Отсутствие проверки ошибок CRC в процессе сквозного переключения. Следовательно, кадры с ошибками и без ошибок будут пересылаться на принимающие коммутаторы. И процесс проверки ошибок должен выполняться принимающим устройством, чтобы обеспечить безошибочную передачу. Чтобы исправить эту ситуацию, применяется бесфрагментная коммутация, компенсирующая недостатки сквозной коммутации, которая отбрасывает кадры длиной менее 64 байт и уменьшает поздние коллизии при передаче данных.

Коммутация с промежуточным хранением и коммутация с прямой передачей

Независимо от того, какие коммутаторы уровня 2 используют коммутацию с сохранением и переадресацией или сквозную коммутацию, решение о переадресации принимается на основе MAC-адреса назначения внутри пакетов данных или кадров. Тогда в чем разница между коммутацией с промежуточным хранением и сквозной коммутацией? Вот простое сравнение.

Поддержка проверки ошибок. Благодаря проверке CRC кадры Ethernet будут отброшены, если их длина меньше 64 байт (короткий) или больше 1 518 байт (гигантский).

Время ожидания (задержка переключения) немного велико. Для сохранения всего кадра в коммутаторе требуется время.

Существуют недопустимые кадры. Кадры Ethernet с ошибками или без них будут пересылаться на порт назначения, если его первые 6 байтов распознаны.

Время ожидания (задержка переключения) очень мало. Поскольку коммутатор не будет хранить кадры или пакеты целиком.

Из сравнения можно сделать вывод, что основным преимуществом коммутации с промежуточным хранением является высокое качество передачи трафика. В то время как преимущество сквозной коммутации заключается в низкой задержке. В большинстве корпоративных сетей разница в задержке переключения между промежуточным и промежуточным переключением незначительна, поскольку измеряется десятками миллисекунд. Однако в некоторых приложениях сетевая задержка является важным фактором, часто более важным в приложениях финансовых услуг, таких как высокочастотная торговля, чем общая пропускная способность сети. Вот почему коммутаторы Cisco возвращают сквозную коммутацию Ethernet. Таким образом, при покупке Ethernet-коммутатора следует учитывать не только производительность, плотность портов и стоимость, но и режим коммутации Ethernet.

Как настроить режим коммутации Ethernet?

Сводка

В этой статье объясняется сравнение коммутации с промежуточным хранением и сквозной коммутации, а также пример конфигурации. Эти два режима являются двумя важными режимами переключения в коммутаторах уровня 2. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки в передаче трафика данных. Во множестве приложений для центров обработки данных выбор типа Ethernet-коммутаторов зависит от различных факторов, таких как производительность и функциональность, а не только от характеристик низкой задержки.

Коммутаторы Catalyst серий 1900 и 2820 поддерживают три типа методов переключения:

<р>1. FastForward (Cut-through): при этом типе коммутации пакет пересылается, как только считывается адрес назначения. Это имеет наименьшую задержку.

<р>2. FragmentFree (Modified cut-through): этот тип переключения полезен, когда в вашей сети происходит большое количество коллизий. Переключение FragmentFree имеет задержку между FastFoward и Store-and-Forward.

<р>3.Store-and-Forward: этот метод сохраняет весь кадр и проверяет наличие ошибок перед его пересылкой на другой порт. Store-and-forward имеет наибольшую задержку по сравнению с FastForward и FragmentFree.

Метод переключения по умолчанию, используемый коммутаторами Catalyst серии 1900, — FastForward.

Коммутация с промежуточным хранением: здесь коммутатор локальной сети копирует весь кадр в свои буферы и вычисляет CRC. Кадр отбрасывается, если есть какие-либо ошибки CRC. Гигантские (более 1518 байт) и Runt (менее 64 байт) кадры также отбрасываются, если они найдены

Прямая коммутация: при сквозной коммутации коммутатор копирует в свою память только MAC-адрес назначения (первые 6 байтов кадра) перед принятием решения о переключении. Коммутатор, работающий в режиме сквозной коммутации, уменьшает задержку, поскольку коммутатор начинает пересылать кадр Ethernet, как только считывает MAC-адрес назначения и определяет исходящий порт коммутатора. Проблема, связанная со сквозным переключением, заключается в том, что коммутатор может пересылать плохие кадры.

Безфрагментарное (беспереходное) переключение: переключение — это усовершенствованная форма сквозного переключения. Коммутаторы, работающие в режиме сквозной коммутации, перед принятием решения о переключении читают только до поля MAC-адреса назначения в кадре Ethernet. Коммутаторы, работающие в режиме безфрагментной коммутации, считывают не менее 64 байтов кадра Ethernet перед его переключением, чтобы избежать пересылки коротких кадров Ethernet (кадры Ethernet меньше 64 байт).

Errdisable — это функция, которая автоматически отключает порт на коммутаторе Catalyst. Когда порт отключен из-за ошибки, он фактически отключается, и трафик на этот порт не отправляется и не принимается. У вас может быть автоматическое восстановление с помощью команды восстановления с ошибкой, например:

«Ошибочное восстановление вызывает нарушение безопасности» в режиме глобальной конфигурации.

Кроме того, вы можете вручную выйти из состояния errdisable, введя команды конфигурации интерфейса «shutdown» и «no shutdown». Если включено восстановление после отключения при ошибке, интерфейс автоматически восстанавливается из состояния отключения при ошибке, и устройство повторяет попытку включения интерфейса.

В этом разделе объясняется, как кадры пересылаются в коммутируемой сети. Начните изучать CCNA 200-301 бесплатно прямо сейчас!

Примечание. Добро пожаловать! Эта тема является частью Модуля 2 курса Cisco CCNA 2. Чтобы лучше понять курс, вы можете перейти к разделу CCNA 2, где вам помогут сделать заказ.

Оглавление

Переключение в сети

Концепция коммутации и пересылки кадров универсальна в сетях и телекоммуникациях. Различные типы коммутаторов используются в локальных и глобальных сетях, а также в коммутируемых телефонных сетях общего пользования (ТСОП).

Решение о том, как коммутатор перенаправляет трафик, принимается на основе потока этого трафика. Существует два термина, связанных с входом и выходом кадров из интерфейса:

Ingress — используется для описания порта, через который фрейм поступает на устройство.
Выход — используется для описания порта, который кадры будут использовать при выходе с устройства.

Коммутатор локальной сети поддерживает таблицу, на которую ссылаются при пересылке трафика через коммутатор. Единственным интеллектом коммутатора LAN является его способность использовать свою таблицу для пересылки трафика. Коммутатор локальной сети перенаправляет трафик на основе входного порта и MAC-адреса назначения кадра Ethernet. Для коммутатора LAN существует только одна основная таблица коммутации, которая описывает строгую связь между MAC-адресами и портами; поэтому кадр Ethernet с заданным адресом назначения всегда выходит из одного и того же выходного порта, независимо от входного порта, в который он входит.

Примечание. Кадр Ethernet никогда не будет пересылаться через тот же порт, через который он был получен.

Нажмите "Воспроизвести", чтобы просмотреть анимацию процесса переключения.

Таблица MAC-адресов коммутатора

Коммутатор состоит из интегральных схем и сопутствующего программного обеспечения, которое управляет путями данных через коммутатор. Коммутаторы используют MAC-адреса назначения для направления сетевых соединений через коммутатор через соответствующий порт к месту назначения.

Чтобы коммутатор знал, какой порт использовать для передачи кадра, он должен сначала узнать, какие устройства существуют на каждом порту. Когда коммутатор узнает взаимосвязь портов и устройств, он строит таблицу, называемую таблицей MAC-адресов. Эта таблица хранится в памяти с адресацией по содержимому (CAM), которая представляет собой особый тип памяти, используемый в высокоскоростных поисковых приложениях. По этой причине таблицу MAC-адресов иногда также называют таблицей CAM.

Коммутаторы LAN определяют, как обрабатывать входящие кадры данных, поддерживая таблицу MAC-адресов.Коммутатор заполняет свою таблицу MAC-адресов, записывая исходный MAC-адрес каждого устройства, подключенного к каждому из его портов. Коммутатор обращается к информации в таблице MAC-адресов для отправки кадров, предназначенных для определенного устройства, через порт, назначенный этому устройству.

Метод переключения обучения и продвижения вперед

Для каждого кадра Ethernet, поступающего на коммутатор, выполняется следующий двухэтапный процесс.

Шаг 1. Обучение — проверка исходного MAC-адреса

Каждый кадр, поступающий на коммутатор, проверяется на предмет получения новой информации. Это достигается путем проверки исходного MAC-адреса кадра и номера порта, через который кадр поступил в коммутатор:

Если исходный MAC-адрес отсутствует в таблице MAC-адресов, MAC-адрес и номер входящего порта добавляются в таблицу.
Если исходный MAC-адрес существует, коммутатор обновляет таймер обновления для этой записи. По умолчанию большинство Ethernet-коммутаторов сохраняют запись в таблице в течение пяти минут. Если исходный MAC-адрес существует в таблице, но на другом порту, коммутатор рассматривает это как новую запись. Запись заменяется тем же MAC-адресом, но с более актуальным номером порта.

Шаг 2. Вперед — проверка MAC-адреса назначения

Если MAC-адрес назначения является адресом индивидуальной рассылки, коммутатор будет искать совпадение между MAC-адресом назначения кадра и записью в своей таблице MAC-адресов:

Если MAC-адрес назначения есть в таблице, кадр будет перенаправлен через указанный порт.
Если MAC-адрес получателя отсутствует в таблице, коммутатор будет пересылать кадр на все порты, кроме входящего порта. Это называется неизвестной одноадресной передачей. Если MAC-адрес назначения является широковещательным или многоадресным, кадр также рассылается по всем портам, кроме входящего.

Таблицы MAC-адресов на подключенных коммутаторах

Нажмите кнопку "Воспроизвести" на рисунке, чтобы просмотреть демонстрацию того, как два подключенных коммутатора создают таблицы MAC-адресов.

Переключение методов переадресации

Коммутаторы очень быстро принимают решения о переадресации на уровне 2. Это связано с программным обеспечением на специализированных интегральных схемах (ASIC). ASIC сокращают время обработки кадров внутри устройства и позволяют устройству обрабатывать большее количество кадров без снижения производительности.

Коммутаторы уровня 2 используют один из двух методов для переключения кадров:

Коммутация с промежуточным хранением. Этот метод принимает решение о пересылке кадра после получения всего кадра и проверки кадра на наличие ошибок с помощью математического механизма проверки ошибок, известного как проверка циклическим избыточным кодом (CRC). Коммутация с промежуточным хранением — это основной метод коммутации локальных сетей Cisco.
Сквозная коммутация. Этот метод начинает процесс пересылки после определения MAC-адреса получателя входящего кадра и исходящего порта.

Переключение с промежуточным хранением

Коммутация с промежуточным хранением, в отличие от сквозной коммутации, имеет следующие две основные характеристики:

Проверка ошибок. После получения всего кадра на входной порт коммутатор сравнивает значение контрольной последовательности кадров (FCS) в последнем поле дейтаграммы со своими собственными вычислениями FCS. FCS — это процесс проверки ошибок, который помогает гарантировать отсутствие в кадре физических ошибок и ошибок канала передачи данных. Если кадр не содержит ошибок, коммутатор пересылает кадр. В противном случае кадр отбрасывается.
Автоматическая буферизация. Процесс буферизации входного порта, используемый коммутаторами с промежуточным хранением, обеспечивает гибкость для поддержки любого сочетания скоростей Ethernet. Например, обработка входящего кадра, поступающего на порт Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, который должен быть отправлен через интерфейс со скоростью 1 Гбит/с, потребует использования метода промежуточного хранения. При любом несоответствии скоростей между входным и выходным портами коммутатор сохраняет весь кадр в буфере, вычисляет проверку FCS, перенаправляет его в буфер исходящего порта и затем отправляет.

На рисунке показано, как функция промежуточного хранения принимает решение на основе кадра Ethernet.

Сквозное переключение

Метод коммутации с промежуточным хранением отбрасывает кадры, не прошедшие проверку FCS. Поэтому он не пересылает недопустимые кадры.

Напротив, метод сквозной коммутации может пересылать недействительные кадры, поскольку не выполняется проверка FCS. Однако сквозное переключение позволяет выполнять быстрое переключение кадров.Это означает, что коммутатор может принять решение о пересылке, как только он найдет MAC-адрес назначения кадра в своей таблице MAC-адресов, как показано на рисунке.

Коммутатору не нужно ждать, пока остальная часть кадра поступит на входной порт, прежде чем принять решение о пересылке.

Коммутация без фрагментов — это модифицированная форма сквозной коммутации, при которой коммутатор начинает пересылку кадра только после того, как он прочитал поле «Тип». Коммутация без фрагментов обеспечивает лучшую проверку ошибок, чем сквозная, практически без увеличения задержки.

Меньшая задержка сквозного переключения делает его более подходящим для чрезвычайно ресурсоемких приложений высокопроизводительных вычислений (HPC), которым требуется задержка между процессами не более 10 микросекунд.

Метод сквозного переключения может перенаправлять кадры с ошибками. Если в сети высокий уровень ошибок (недействительные кадры), сквозная коммутация может негативно повлиять на пропускную способность, тем самым забивая полосу пропускания поврежденными и недействительными кадрами.

Глоссарий: если у вас есть сомнения относительно какого-либо специального термина, вы можете обратиться к этому словарю компьютерной сети.

Все готово! Продолжайте посещать наш блог курса по нетворкингу, ставьте лайк нашей фан-странице; и вы найдете больше инструментов и концепций, которые сделают вас профессионалом в области сетей.

Читайте также:

Методы/сжатие	Сохранение и пересылка	Без фрагментов	Вырезание и сквозное
Начинается обработка кадра	После получения полного кадра и запуска алгоритма CRC.	После получения первых 64 байтов.
Позиция по скорости	Третья	Вторая	Первое
Позиция по точности	Первое	Второе	Третье