Что такое коммутаторы. Что такое коммутатор и где он используется

Вводная информация

Многие до сих пор не видят разницы между свичом и хабом. Понимая, что тема уже много раз обсуждалась, все же хотелось начать именно с нее.

Для свитчей это правило уже не актуально, т.к. современные свитчи даже начального уровня в ходе работы формируют таблицу коммутации, набирая список MAC-адресов, и согласно нее осуществляют пересылку данных. Каждый свитч, после непродолжительного времени работы, "знает" на каком порту находится каждый компьютер в сети.

При первом включении, таблица коммутации пуста и коммутатор начинает работать в режиме обучения. В режиме обучения работа свича идентична работе хаба: коммутатор, получая поступающие на один порт данные, пересылает их на все остальные порты. В это время коммутатор производит анализ всех проходящих портов и в итоге составляет таблицу коммутации.

Особенности, на которые следует обратить внимание при выборе коммутатора

Чтобы правильно сделать выбор при покупке коммутатора, нужно понимать все обозначения, которые указываются производителем. Покупая даже самое дешевое устройство, можно заметить большой список поддерживаемых стандартов и функций. Каждый производитель сетевого оборудования старается указать в характеристиках как можно больше функций, чтобы тем самым выделить свой продукт среди конкурентов и повысить конечную стоимость.

Распространенные функции коммутаторов:

• Количество портов . Общее количество портов, к которым можно подключить различные сетевые устройства.

  Количество портов лежит в диапазоне от 5 до 48.

• Базовая скорость передачи данных . Это скорость, на которой работает каждый порт коммутатора. Обычно указывается несколько скоростей, к примеру, 10/100/1000 Мб/сек . Это говорит о том, что порт умеет работать на всех указанных скоростях. В большинстве случаев коммутатор поддерживает стандарт IEEE 802.3 Nway автоопределение скорости портов.

  При выборе коммутатора следует учитывать характер работы подключенных к нему пользователей.

• Внутренняя пропускная способность . Этот параметр сам по себе не играет большого значения. Чтобы правильно выбрать коммутатор, на него следует обращать внимание только в паре с суммарной максимальной скоростью всех портов коммутатора (это значение можно посчитать самостоятельно, умножив количество портов на базовую скорость порта). Соотнося эти два значения можно оценить производительность коммутатора в моменты пиковой нагрузки, когда все подключенные пользователи максимально используют возможности сетевого подключения.

  К примеру, Вы используете 16-портовый коммутатор на скорости 100 Мб/сек, имеющий пропускную способность в 1Гб/сек. В моменты пиковой нагрузки 16 портов смогут передавать объем информации равный:

  16x100=1б00(Мб/сек)=1.6(Гб/сек)

  Полученное значение меньше пропускной способности самого коммутатора. Такой коммутатор подойдет в большинстве случаев небольшой организации, где на практике приведенную ситуацию можно встретить крайне редко, но не подойдет для организации, где передаются большие объемы информации.

  Для правильного выбора коммутатора следует учитывать, что в действительности внутренняя пропускная способность не всегда соответствует значению, которое заявлено производителем.

• Автосогласование между режимами Full-duplex или Half-duplex . В режиме Full-duplex данные передаются в двух направлениях одновременно. При режиме Half-duplex данные могут передаваться только в одну сторону одновременно. Функция автосогласования между режимами позволяет избежать проблем с использованием разных режимов на разных устройствах.
• Автоопределение типа кабеля MDI/MDI-X . Это функция автоматически определят по какому стандарту был "обжат" кабель витая пара, позволяя работать этим 2 стандартам в одной ЛВС.

Стандарт MDI :


Стандарт MDI-X:


• Наличие порта Uplink . Порт Uplink предназначен для каскадирования коммутаторов, т.е. объединение двух коммутаторов между собой. Для их соединения использовался перекрестный кабель (Crossover). Сейчас такие порты можно встретить только на старых коммутаторах или на специфическом оборудовании. Грубо говоря, в современных коммутаторах все порты работают как Uplink.
• Стекирование . Под стекированием коммутаторов понимается объединение нескольких коммутаторов в одно логическое устройство. Стекирование целесообразно производить, когда в итоге требуется получить коммутатор с большим количеством портов (больше 48 портов). Различные производители коммутаторов используют свои фирменные технологии стекирования, к примеру, Cisco использует технологию стекирования StackWise (шина между коммутаторами 32 Гбит/сек) и StackWise Plus (шина между коммутаторами 64 Гбит/сек).

  При выборе коммутатора следует отдавать предпочтение устройствам поддерживающим стекирование, т.к. в будущем эта функция может оказаться полезной.

• Возможность установки в стойку . Это означает, что такой коммутатор можно установить в стойку или в коммутационный шкаф. Наибольшее распространение получили 19 дюймовые шкафы и стойки, которые стали для современного сетевого оборудования неписанным стандартом.

  Большинство современных устройств имеют такую поддержку, поэтому при выборе коммутатора не стоит акцентировать на этом большого внимания.

• Количество слотов расширения . Некоторые коммутаторы имеют несколько слотов расширения, позволяющие разместить дополнительные интерфейсы. В качестве дополнительных интерфейсов выступают гигабитные модули, использующие витую пару, и оптические интерфейсы, способные передавать данные по оптоволоконному кабелю.
• Размер таблицы MAC-адресов . Это размер коммутационной таблицы, в которой соотносятся встречаемые MAC-адреса с определенным портом коммутатора. При нехватке места в коммутационной таблице происходит затирание долго не используемых MAC-адерсов. Если количество компьютеров в сети много больше размера таблицы, то происходит заметное снижение производительности коммутатора, т.к. при каждом новом MAC-адресе происходит поиск компьютера и внесение отметки в таблицу.

  При выборе коммутатора следует прикинуть примерное количество компьютеров и размер таблицы MAC-адресов коммутатора.

• Flow Control (Управление потоком). Управление потоком IEEE 802.3x обеспечивает защиту от потерь пакетов при их передаче по сети. К примеру, коммутатор во время пиковых нагрузок, не справляясь с потоком данных, отсылает отправляющему устройству сигнал о переполнении буфера и приостанавливает получение данных. Отправляющее устройство, получая такой сигнал, останавливает передачу данных до тех пор, пока не последует положительного ответа от коммутатора о возобновлении процесса. Таким образом два устройства как бы "договариваются" между собой когда передавать данные, а когда нет.

  Так как эта функция присутствует почти во всех современных коммутаторах, то при выборе коммутатора на ней не следует акцентировать особого внимания.

• Jumbo Frame . Наличие этой функции позволяет коммутатору работать с более большим размером пакета, чем это оговорено в стандарте Ethernet.

  После приема каждого пакета тратится некоторое время на его обработку. При использовании увеличенного размера пакета по технологии Jumbo Frame, можно существенно сэкономить на времени обработки пакета в сетях, где используются скорости передачи данных от 1 Гб/сек и выше. При меньшей скорости большого выигрыша ждать не стоит.

  Технология Jumbo Frame работает только между двумя устройствами, которые оба ее поддерживают.

  При подборе коммутатора на этой функции не стоит заострять внимание, т.к. она присутствует почти во всех устройствах.

• Power over Ethernet (PoE) . Эта технология передачи электрического тока для питания коммутатора по неиспользуемым проводам витой пары. Стандарт IEEE 802.af.
• Встроенная грозозащита . Некоторые производители встраивают в свои коммутаторы технологию защиты от гроз. Такой коммутатор следует обязательно заземлить, иначе смысл этой дополнительной функции отпадает.

Читайте о новинках железа, новости компьютерных компаний и будите всегда в курсе последних достижений.

Какие коммутаторы бывают?

Помимо того, что все существующие коммутаторы различаются количеством портов (5, 8, 16, 24 и 48 портов и т.д.) и скоростью передачи данных (100Мб/сек, 1Гб/сек и 10Гб/сек и т.д.), коммутаторы можно так же разделить на:

1. Неуправляемые свичи - это простые автономные устройства, которые управляют передачей данных самостоятельно и не имеющие инструментов ручного управления. Некоторые модели неуправляемых свичей имеют встроенные инструменты мониторинга (например некоторые свичи Compex).

   Такие коммутаторы получили наибольшее распространение в "домашних" ЛВС и малых предприятиях, основным плюсом которых можно назвать низкую цену и автономную работу, без вмешательства человека.

   Минусами у неуправляемых коммутаторов является отсутствие инструментов управления и малая внутренняя производительность. Поэтому в больших сетях предприятий неуправляемые коммутаторы использовать не разумно, так как администрирование такой сети требует огромных человеческих усилий и накладывает ряд существенных ограничений.

2. Управляемые свичи - это более продвинутые устройства, которые также работают в автоматическом режиме, но помимо этого имеют ручное управление. Ручное управление позволяет очень гибко настроить работу коммутатора и облегчить жизнь системного администратора.

   Основным минусом управляемых коммутаторов является цена, которая зависит от возможностей самого коммутатора и его производительности.

Абсолютно все коммутаторы можно разделить по уровням. Чем выше уровень, тем сложней устройство, а значит и дороже. Уровень коммутатора определяется слоем на котором он работает по сетевой модели OSI .

Для правильного выбора коммутатора Вам потребуется определиться на каком сетевом уровне необходимо администрировать ЛВС.

Разделение коммутаторов по уровням:

1. Коммутатор 1 уровня (Layer 1). Сюда относятся все устройства, которые работают на 1 уровне сетевой модели OSI - физическом уровне . К таким устройствам относятся повторители, хабы и другие устройства, которые не работают с данными вообще, а работают с сигналами. Эти устройства передают информацию, словно льют воду. Если есть вода, то переливают ее дальше, нет воды, то ждут. Такие устройства уже давно не производят и найти их довольно сложно.
2. Коммутатор 2 уровня (Layer 2). Сюда относятся все устройства, которые работают на 2 уровне сетевой модели OSI - канальном уровне . К таким устройствам можно отнести все неуправляемые коммутаторы и часть управляемых.

   Коммутаторы 2 уровня работают с данными ни как с непрерывным потоком информации (коммутаторы 1 уровня), а как с отдельными порциями информации - кадрами (frame или жарг. фреймами ). Умеют анализировать получаемые кадры и работать с MAC-адресами устройств отправителей и получателей кадра. Такие коммутаторы "не понимают" IP-адреса компьютеров, для них все устройства имеют названия в виде MAC-адресов.

   Коммутаторы 2 уровня составляют коммутационные таблицы, в которых соотносят MAC-адреса встречающихся сетевых устройств с конкретными портами коммутатора.

   Коммутаторы 2 уровня поддерживают протоколы:

   
   
3. Коммутатор 3 уровня (Layer 3). Сюда относятся все устройства, которые работают на 3 уровне сетевой модели OSI - сетевом уровне . К таким устройствам относятся все маршрутизаторы, часть управляемых коммутаторов, а так же все устройства, которые умеют работать с различными сетевыми протоколами: IPv4, IPv6, IPX, IPsec и т.д. Коммутаторы 3 уровня целесообразнее отнести уже не к разряду коммутаторов, а к разряду маршрутизаторов, так как эти устройства уже полноценно могут маршрутизировать, проходящий трафик, между разными сетями. Коммутаторы 3 уровня полностью поддерживают все функции и стандарты коммутаторов 2 уровня. С сетевыми устройствами могут работать по IP-адресам. Коммутатор 3 уровня поддерживает установку различных соединений: pptp, pppoe, vpn и т.д.
4. Коммутатор 4 уровня (Layer 4). Сюда относятся все устройства, которые работают на 4 уровне сетевой модели OSI - транспортном уровне . К таким устройствам относятся более продвинутые маршрутизаторы, которые умеют работать уже с приложениями. Коммутаторы 4 уровня используют информацию, которая содержится в заголовках пакетов и относится к уровню 3 и 4 стека протоколов, такую как IP-адреса источника и приемника, биты SYN/FIN, отмечающие начало и конец прикладных сеансов, а также номера портов TCP/UDP для идентификации принадлежности трафика к различным приложениям. На основании этой информации, коммутаторы уровня 4 могут принимать интеллектуальные решения о перенаправлении трафика того или иного сеанса.

Чтобы правильно подобрать коммутатор Вам нужно представлять всю топологию будущей сети, рассчитать примерное количество пользователей, выбрать скорость передачи данных для каждого участка сети и уже под конкретную задачу начинать подбирать оборудование.

Управление коммутаторами

Интеллектуальными коммутаторами можно управлять различными способами:

• через SSH-доступ . Подключение к управляемому коммутатору осуществляется по защищенному протоколу SSH, применяя различные клиенты (putty, gSTP и т.д.). Настройка происходит через командную строку коммутатора.
• через Telnet-доступ к консольному порту коммутатора. Подключение к управляемому коммутатору осуществляется по протоколу Telnet. В результате мы получаем доступ к командной строке коммутатора. Применение такого доступа оправданно только при первоначальной настройки, т. к. Telnet является незащищенным каналом передачи данных.
• через Web-интерфейс . Настройка производится через WEB-браузер. В большинстве случаев настройка через Web-интерфейс не дает воспользоваться всеми функциями сетевого оборудования, которые доступны в полном объеме только в режиме командной строки.
• через протокол SNMP . SNMP - это протокол простого управления сетями.

  Администратор сети может контролировать и настраивать сразу несколько сетевых устройств со своего компьютера. Благодаря унификации и стандартизации этого протокола появляется возможность централизованно проверять и настраивать все основные компоненты сети.

Чтобы правильно выбрать управляемый коммутатор стоит обратить внимание на устройства, которые имеют SSH-доступ и протокол SNMP. Несомненно Web-интерфейс облегчает первоначальную настройку коммутатора, но практически всегда имеет меньшее количество функций, чем командная строка, поэтому его наличие приветствуется, но не является обязательным.

Случайные 7 статей.

Сетевой коммутатор или свитч (с англ. switch - переключатель) - это устройство, выполняющее функцию “умного” соединения нескольких узлов локальной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно адресату. Исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Коммутатор работает на втором канальном уровне модели OSI, и в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

Принцип работы коммутатора

Свитч хранит в энергонезависимой памяти таблицу коммутации, где содержатся пары соответствий MAC-адреса узлу порта коммутатора. При первом запуске коммутатора эта таблица пуста, и утройство работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. Затем свитч анализирует фреймы и, выяснив MAC-адрес отправителя, сохраняет его в таблицу.

В будущем, если на один из портов свитча приходит фрейм для конкретного адресата, MAC-адрес которого уже есть в таблице, посылка отправляет через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес получателя не связан с каким-либо портом коммутатора, то кадр направляется на все порты. Через некоторое время у коммутатора строится полная таблица для всех портов, в результате чего трафик локализуется. Стоит отметить малую задержку и высокую скорость пересылки на каждом порте интерфейса.

Коммутатор осуществляет «перекидывание» опираясь на специальную MAC таблицу, в которой фиксируются такие значения как: MAC, порт.
Исходя из этого, можно разделить на несколько типов адресов, с которыми работает коммутатор.

1. Известный unicast (или иногда еще называют индивидуальный) адрес.
То есть, коммутатор получил фрейм, «смотрит» в заголовок, первое поле DA (Destination address), затем смотрит в свою таблицу mac адресов, и если такой адрес уже есть в таблице (а к адресу привязывается и порт), то направляет фрейм в нужный порт коммутатора.

2. Неизвестный unicast адрес . Если коммутатор получает фрейм, и такого адреса получателя в своей таблице не находит, то он отправляется на все порты, исключая тот порт, с которого этот фрейм пришел.

Коммутатор может работать в трех режимах.

1. Store-and-forward. Коммутатор получает фрейм целиком (все байты), пересчитывает FCS и сверяет с 4 байтовым полем в фрейме. Если сумма совпадает, то пакет форвардируется в зависимости от MAC таблицы. Если не совпадает, то такой пакет дропается (drop).
2. Cut-through. Этот режим работает следующим образом. Коммутатор получает фрейм и сразу начинает смотреть заголовок, а именно Destination Address (не дожидаясь пока фрейм полностью будет получен), и на основе этих данных форвардит туда, куда указывает MAC таблица. Это позволяет повысить скорость коммутации и уменьшить задержку. FCS не проверяется, в связи с этим даже если фрейм «битый» он будет скомутирован.
3. Fragment-free. Этот режим работает так же как и Cut-through, с одним отличием. Коммутатор принимает первые 64 байта фрейма, это позволяет отсеить большинство ошибочных фреймов Таким образом в этом режиме форвардинг происходит практически так же быстро как и при Cut-through и с наименьшими задержками.

Если раньше сетевой кабель, по которому происходила передача данных, просто подключали напрямую к компьютеру, то сейчас ситуация изменилась. В одной жилой квартире, в офисе или крупной компании часто возникает необходимость создать компьютерную сеть.

Для этого используются девайсы, которые входят в категорию «компьютерное оборудование». К таким девайсам относится и свитч, позволяющий создать дома или в офисе локальную сеть. Так что же такое свитч, и как его применять для построения компьютерной сети?

Для чего нужны устройства свитч?

В дословном переводе с английского языка, компьютерный термин «свитч» обозначает устройство, которое используется для создания локальной сети через объединение нескольких компьютеров. Синоним слова свитч – коммутатор или переключатель.

Свитч является своеобразным мостом с множеством портов, через которые идет передача пакетных данных конкретным получателям. Свитч помогает оптимизировать работу сети, снижает нагрузку в ней, повышает уровень безопасности, фиксирует индивидуальные МАС-адреса, что позволяет быстро и качественно передавать данные.

Подобные коммутаторы смогли вытеснить хабы, которые ранее применялись для построения компьютерных сетей. Свитч – это умный девайс, способный обрабатывать получаемую информацию о подключенных устройствах, а потом перенаправлять данные по конкретному адресу. В результате в несколько раз повышается производительность сети и ускоряется работа Интернета.

Виды оборудования

Свитч-устройства делятся на разные виды по таким критериям:

• Тип портов.
• Количество портов.
• Скорость работы портов – 10 Мбит/сек, 100 Мбит/сек и 1000 Сбит/сек.
• Управляемые и неуправляемые устройства.
• Производители.
• Функции.
• Технические характеристики.

По количеству портов свитч-коммутаторы делятся на:

• 8-портовые.
• 16-портовые.
• 24-портовые.
• 48-портовые.

Для дома и небольшого офиса подойдет коммутатор на 8 или 16 портов, которые работают со скоростью 100 Мбит/секунду.

Для больших предприятий, компаний и фирм нужны порты со скоростью работы 1000 Мбит в секунду. Такие устройства нужны для подключения серверов и крупного коммуникационного оборудования.

Неуправляемые коммутаторы – самые простые из оборудования. Сложные коммутаторы управляются на сетевом или третьем уровне модели OSI – Layer 3 Switch.

Также управление осуществляется через такие методы, как:

• Веб-интерфейс.
• Интерфейс командной строки.
• Протоколы SNMP и RMON.

Сложные или управляемые коммутаторы позволяют применять функции VLAN, QoS, зеркалирование и агрегирование. Также такие коммутаторы объединяют в одно устройство, которое называется стек. Оно предназначено для того, чтобы увеличить число портов. Для стекирования применяют другие порты.

Что применяют провайдеры?

Компании-провайдеры при создании компьютерной сети создают один из ее уровней:

• Уровень доступа.
• Уровень агрегации.
• Уровень ядра.

Уровни нужны для того, чтобы легче обращаться с сетью: масштабировать, настраивать, вводить избыточность, проектировать сеть.

На уровне доступа свитч-устройства должно проводится подключение конечных пользователей к порту на 100 Мбит/сек. К другим требованиям, которые предъявляются к устройству, относятся:

• Подключение через SFP к коммутатору уровня агрегации, где происходит передача информации на скорости в 1 гигабайт в секунду.
• Поддержка VLAN, acl, port security.
• Поддержка функций безопасности.

По такой схеме происходит создание трех уровней сети от Интернет-провайдера. Сначала идет формирование сети на уровне жилого дома (многоэтажного, частного).

Потом сеть «разбрасывается» на микрорайон, когда происходит присоединение к сети нескольких жилых домов, офисов, компаний. На последнем этапе создается сеть уровня ядра, когда к сети подключатся целые микрорайоны.

Формирование сети у Интернет-провайдеров происходит с помощью технологии Ethernet, позволяющей подсоединить абонентов к сети.

Как работает свитч?

В памяти коммутатора находится МАС-таблица, в которой собираются все МАС-адреса. Их свитч получает в узел порта коммутатора. Когда происходит подключение свитч, то таблица еще не заполнена, поэтому оборудование работает в обучающем режиме. Данные поступают на другие порты коммутатора, свитч анализирует информацию, определяет МАС-адреса компьютера, с которого осуществлена передача данных. На последнем этапе адрес заносится в МАС-таблицу.

Таким образом, когда на тот или иной порт оборудования поступит пакет данных, который предназначен только для одного ПК, то информация передается адресно на указанный порт. Когда МАС-адрес еще не определен, информация передается на остальные интерфейсы. Локализация трафика происходит в течение работы устройства свитч, когда МАС-таблица заполнена нужными адресами.

Особенности настройки параметров устройства

Внесение соответствующих изменений в параметры свитч-устройства проходит одинаково для каждой модели. Настройка оборудования требует выполнения поэтапных действий:

1. Создать два порта VLAN – для клиентов и для управления коммутаторов. VLAN должны быть обозначены в настройках, как порты свитч.
2. Настроить порт security, запретив получать больше одного МАС-адреса на порт. Это позволит избежать передачи информации на другой порт. Иногда может возникнуть слияние бродакстового домена домашней сети с доменом провайдера.
3. Запретить STP на порте клиента, чтобы другие пользователи не смогли загрязнять сеть провайдера различными пакетами BPDU.
4. Настроить параметр loopback detection. Это позволит отклонять неправильные, бракованные сетевые карточки, и не мешать работе пользователей, которые подключены к порту.
5. Создать и настроить параметр acl, чтобы запретить прохождение пакетов не PPPoE в пользовательскую сеть. Для этого в настройках нужно заблокировать такие ненужные протоколы, как DCHP, ARP, IP. Подобные протоколы предназначены для того, чтобы пользователи общались напрямую, обходя протоколы PPPoE.
6. Создать acl, который запрещает PPPoE РADO пакеты, приходящие с клиентских портов.
7. Включить Storm Control, что позволит бороться с мультикастовыми и бродкастовыми флудами. Данный параметр должен заблокировать не PPPoE трафик.

Если что-то идет не так, то стоит проверить PPPoE, который может атаковаться вирусами или поддельными пакетами данных. По неопытности и незнанию пользователи могут некорректно настроить последний параметр, и тогда нужно обратиться за помощью к оператору провайдера Интернет-услуг.

Как подключать свитч?

Создание локальной сети из компьютеров или ноутбуков требует использования сетевого коммутатора – свитча. Перед настройкой оборудования и создания нужной конфигурации сети происходит процесс физического разворачивания сети. Это означает, что между коммутатором и компьютером создается связь. Для этого стоит использовать сетевой кабель.

Соединения между узлами сети происходит с помощью патч-корда – особого вида сетевого коммуникационного кабеля, сделанного на основе витой пары. Сетевой кабель рекомендуется приобретать в специализированном магазине, чтобы процесс подключения прошел без проблем.

Настроить свитч можно двумя способами:

1. Через консольный порт, который предназначен для внесения первичных настроек свитча.
2. Через универсальный порт Ethernet.

Выбор способа подключения зависит от интерфейса оборудования. Подключение через консольный порт не требует расхода полосы пропускания коммутатора. Это одно из достоинств данного способа подключения.

Необходимо запустить эмулятор терминала VT 100, потом выбрать параметры подключения в соответствии с обозначениями в документации. Когда произойдет соединение, пользователь или сотрудник Интернет-компании вводит логин и пароль.

Для подключения через порт Ethernet потребуется IP-адрес, который указывается в документах к устройству или запрашивается у провайдера.

Когда внесены настройки и с помощью свитч создана компьютерная сеть, пользователи со своих ПК или ноутбуков должны без проблем выйти в Интернет.

Выбирая устройство для создания сети, нужно учитывать, сколько компьютеров будут к ней подключены, какая скорость портов, как они работают. Современные провайдеры используют для подключения технологию Ethernet, позволяющую получить скоростную сеть с помощью одного кабеля.

Сетевой коммутатор

Сетевой коммутатор - устройство, предназначенное для соединения несколькихузловкомпьютерной сетив пределах одного или несколькихсегментов сети. Коммутатор работает наканальном (втором) уровнемодели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованиеммостовых технологийи часто рассматриваются как многопортовыемосты. Для соединения нескольких сетей на основесетевого уровняслужатмаршрутизаторы(3 уровень OSI).

В отличие от концентратора (1 уровень OSI), который распространяет трафик от одного подключённого устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых неизвестен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

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.

Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них - это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

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).

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.

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.

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 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.

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.

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 ((4*24)-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).