Принцип работы свитча. Чем коммутатор отличается от маршрутизатора? Сетевое оборудование

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).

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.

Речь пойдет о коммутаторах в локальных сетях с 5-ю и 8-ю портами.

Сначала пару слов о том, чем коммутатор (switch) отличается от концентратора (HUB).

В общих выражениях различия (в пользу коммутатора) можно охарактеризовать как:

• большую пропускную способность
• большую скорость передачи информации
• большую надежность и гарантию правильности передаваемой информации
• как следствие — уменьшает загруженность всей сети или ее отдельных участков

За счет чего это достигается?

Попробуем объяснить это без специальных терминов.

Концентратор просто является устройством, куда подключаются все сетевые кабели от компьютеров, и он допускает в данный момент проход информации только от одного узла сети к другому. Причем до этого он предлагает информацию каждому узлу сети, пока не попадет на того, кто ее должен получить. Кроме того, концентратор (если есть несколько желающих получить или отправить информацию) последовательно решает кому разрешить передачу или прием информационных пакетов случайным образом, «подкидывая монетку». От этого и появляются коллизии. Все это осуществляется по одной шине с пропускной способностью 100 Mbit/sec.

Коммутатор — это устройство более «умное», и после первого включения в локальную сеть, он запоминает сетевой адрес каждого узла в специальной памяти таблицы адресов (address table). Даже маленький коммутатор запоминает от 8К до 16К (для 5-и, 8-портового) адресов узлов. Эта таблица нужна для коммутации пакетов. При запросе передачи или приема пакета от узла, коммутатор определяет адрес как передающего, так и адрес принимающего и коммутирует их друг с другом. Количество таких пар, которые не будут влиять на производительность, зависит от пропускной способности внутренней шины, Так в 5- и 8-портовых моделях фирмы TRENDware — TRENDnet TE100-S55E и S88E она составляет более 1 Gbit/sec. Это более чем в 10 раз превышает показатели шины концентратора, и даже загруженность сети в 10 раз большую, чем предельная для концентратора, клиенты сети не почувствуют, и сеть будет работать также быстро.

Есть и чисто механический (электрический) путь повысить скорость передачи данных между клиентом и коммутатором. Коммутатор умеет работать не только в одном направлении (half duplex) по сетевому кабелю, а в двух направления (full duplex). Таким образом, скорость обмена между клиентом и коммутатором возрастает до 200 Mbit/sec.

Если провести аналогию с автодорогами, то концентратор — это участок дороги всего в одну полосу, к которому сходится 5 или 8 дорог с каждой стороны. Проехать в данное время может только одна машина и только в одном направлении. Остальные стоят и сигналят — пробка.

Коммутатор — это участок дороги с двухсторонним движением по пять полос в каждую сторону для 5 или 8 входящих. При этом все полосы могут быть соединены в разных уровнях, не мешая друг другу и не пересекаясь. Поэтому по ней могут ехать одновременно 10 авто (5 пар) не замечая друг друга. По какой дороге поехали бы Вы?

Но и этим не исчерпываются преимущества коммутатора. В нем еще встроена промежуточная память, буфер обмена, в котором запоминаются те пакеты, которые предназначаются занятым в данный момент клиентам. Когда они освободятся, коммутатор сам передаст данные адресатам уже без участия передающих клиентов. Для 5- и 8-портовых коммутаторов TRENDnet буфер обмена (buffer memory) составляет 512 Kbyte и 1 MByte на устройство соответственно. Возвращаясь к аналогии с автодорогами: 0 — это транзитный склад, где автомобиль может выгрузить свой груз (пакет) и уехать, не занимая дороги и давая проехать другим.

Примерно понятно, что коммутатор позволяет прокачивать через себя гораздо больший поток информации и существенно быстрее.

А зачем и кому это нужно?

По-моему, существует несколько случаев построения сетей, при которых необходим маленький коммутатор.

1. Маленькая одноранговая сеть с большим обменом от каждого к каждому. Например, происходит обмен большими графическими файлами (чертежи, плакаты, фото и т.п.).

2. В сети есть несколько групп, в которых обмен (traffic) происходит интенсивнее, чем с другими узлами сети. Чтобы обмен активных групп не влиял на производительность всех остальных, их надо изолировать. Это как раз и делается с помощью коммутаторов. Если каждую группу объединить одним концентратором, а эти концентраторы уже подключать к коммутатору, то между группами будет проходить только то, что должно проходить между группами.

3. Если в сети есть более одного сервера или несколько узлов куда «стекается» информация: серверы, принтсерверы, интернет-серверы и т.д. Тогда, подключив их к коммутатору, Вы ускорите работу с ними как за счет скорости передачи (200MB/s full duplex), так и за счет разделения потоков (1 Gbps internal bus) и освободите сеть.

4. В некоторой степени коммутаторы можно применять и как повторители (удлинители) сети. Если с помощью двух концентраторов Вы можете построить сеть только в радиусе 205 м (для сети 100 Mbps), то, применяя 4 коммутатора, можно попытаться протянуть сеть до 500 м.

Наверняка есть еще большое количество вариантов применения.

Впрочем, при разнице в цене концентраторов и коммутаторов фирмы TRENDware, их можно применять почти везде.

Посмотрим, что может собой представлять коммутатор на примере устройств TRENDnet TE100-S55E/88E. Это небольшая металлическая коробочка 171x100x28 mm, с выносным блоком питания 220V и панелью разъемов с обратной стороны. На лицевой панели размещены светодиоды индикации питания, режима работы на скорости 10/100 Mbps, collision/fullduplex, индикатор подсоединения/активности (link/activity).

Для тех, кто не любит коробочек и выносных блоков питания (и унести тоже сложнее) выпускается внутренний коммутатор TE100-S4PCI, который также позволяет объединить в сеть до 5-и устройств. Причем, вместо коробочки и блока питания, Вы за ту же цену получаете сетевой адаптер в который и встроен коммутатор.

Когда эти строки выйдут из печати уже будет доступен еще один «меленький» коммутатор на 16 портов.

• неуправляемые коммутаторы;
• управляемые коммутаторы;
• настраиваемые коммутаторы.

Неуправляемые коммутаторы не поддерживают возможности управления и обновления программного обеспечения.

Управляемые коммутаторы являются сложными устройствами, позволяющими выполнять расширенный набор функций 2-го и 3-го уровня модели OSI . Управление коммутаторами может осуществляться посредством Web-интерфейса, командной строки ( CLI ), протокола SNMP , Telnet и т.д.

Настраиваемые коммутаторы занимают промежуточную позицию между ними. Они предоставляют пользователям возможность настраивать определенные параметры сети с помощью интуитивно понятных утилит управления, Web-интерфейса, упрощенного интерфейса командной строки, протокола SNMP .

Средства управления коммутаторами

Большинство современных коммутаторов поддерживают различные функции управления и мониторинга. К ним относятся дружественный пользователю Web- интерфейс управления, интерфейс командной строки ( Command Line Interface , CLI ), Telnet, SNMP -управление. В коммутаторах D-Link серии Smart также реализована поддержка начальной настройки и обновления программного обеспечения через утилиту D-Link SmartConsole Utility .

Web- интерфейс управления позволяет осуществлять настройку и мониторинг параметров коммутатора, используя любой компьютер , оснащенный стандартным Web-браузером. Браузер представляет собой универсальное средство доступа и может непосредственно подключаться к коммутатору по протоколу HTTP .

Главная страница Web-интерфейса обеспечивает доступ к различным настройкам коммутатора и отображает всю необходимую информацию об устройстве. Администратор может быстро посмотреть статус устройства, статистику по производительности и т.д., а также произвести необходимые настройки.

Доступ к интерфейсу командной строки коммутатора осуществляется путем подключения к его консольному порту терминала или персонального компьютера с установленной программой эмуляции терминала. Это метод доступа наиболее удобен при первоначальном подключении к коммутатору, когда значение IP-адреса неизвестно или не установлено, в случае необходимости восстановления пароля и при выполнении расширенных настроек коммутатора. Также доступ к интерфейсу командной строки может быть получен по сети с помощью протокола Telnet.

Пользователь может использовать для настройки коммутатора любой удобный ему интерфейс управления, т.к. набор доступных через разные интерфейсы управления функций одинаков для каждой конкретной модели.

Еще один способ управления коммутатором - использование протокола SNMP (Simple Network Management Protocol ). Протокол SNMP является протоколом 7-го уровня модели OSI и разработан специально для управления и мониторинга сетевыми устройствами и приложениями связи. Это выполняется путем обмена управляющей информацией между агентами, располагающимися на сетевых устройствах, и менеджерами, расположенными на станциях управления. Коммутаторами D-Link поддерживается протокол SNMP версий 1, 2с и 3.

Также стоит отметить возможность обновления программного обеспечения коммутаторов (за исключением неуправляемых). Это обеспечивает более долгий срок эксплуатации устройств, т.к. позволяет добавлять новые функции либо устранять имеющиеся ошибки по мере выхода новых версий ПО , что существенно облегчает и удешевляет использование устройств. Компания D-Link распространяет новые версии ПО бесплатно. Сюда же можно включить возможность сохранения настроек коммутатора на случай сбоев с последующим восстановлением или тиражированием, что избавляет администратора от выполнения рутинной работы.

Подключение к коммутатору

Перед тем, как начать настройку коммутатора, необходимо установить физическое соединение между ним и рабочей станцией. Существуют два типа кабельного соединения, используемых для управления коммутатором. Первый тип - через консольный порт (если он имеется у устройства), второй - через порт Ethernet ( по протоколу Telnet или через Web- интерфейс ). Консольный порт используется для первоначальной конфигурации коммутатора и обычно не требует настройки. Для того чтобы получить доступ к коммутатору через порт Ethernet , в браузере необходимо ввести IP-адрес по умолчанию его интерфейса управления (обычно он указан в руководстве пользователя).

При подключении к медному ( разъем RJ-45 ) порту Ethernet коммутатора Ethernet -совместимых серверов, маршрутизаторов или рабочих станций используется четырехпарный кабель UTP категории 5, 5е или 6 для Gigabit Ethernet . Поскольку коммутаторы D-Link поддерживают функцию автоматического определения полярности ( MDI /MDIX), можно использовать любой тип кабеля ( прямой или кроссовый).

Рис. 2.1.

Для подключения к медному ( разъем RJ-45 ) порту Ethernet другого коммутатора также можно использовать любой четырехпарный кабель UTP категории 5, 5е, 6, при условии, что порты коммутатора поддерживают автоматическое определение полярности. В противном случае надо использовать кроссовый кабель .

Правильность подключения поможет определить светодиодная индикация порта. Если соответствующий индикатор горит, то связь между коммутатором и подключенным устройством установлена. Если индикатор не горит, возможно, что не включено питание одного из устройств, или возникли проблемы с сетевым адаптером подключенного устройства, или имеются неполадки с кабелем. Если индикатор загорается и гаснет, возможно, есть проблемы с автоматическим определением скорости и режимом работы (дуплекс/полудуплекс) (за подробным описанием сигналов индикаторов необходимо обратиться к руководству пользователя коммутатора конкретной модели).

Подключение к консоли интерфейса командной строки коммутатора

Управляемые коммутаторы D-Link оснащены консольным портом. В зависимости от модели коммутатора консольный порт может обладать разъемом DB-9 или RJ-45 . С помощью консольного кабеля, входящего в комплект поставки, коммутатор подключается к последовательному порту компьютера. Подключение по консоли иногда называют "Out-of-Band-подключением. Это означает, что консоль использует отличную от обычного сетевого подключения схему (не использует полосу пропускания портов Ethernet).

После подключения к консольному порту коммутатора на персональном компьютере необходимо запустить программу эмуляции терминала VT100 (например, программу HyperTerminal в Windows). В программе следует установить следующие параметры подключения, которые, как правило, указаны в документации к устройству:

Все управляемые коммутаторы обладают защитой от доступа неавторизованных пользователей, поэтому после загрузки устройства появится приглашение ввести имя пользователя и пароль. По умолчанию имя пользователя и пароль не определены, поэтому необходимо дважды нажать клавишу Enter. После этого в командной строке появится следующее приглашение, например DES-3528# . Теперь можно вводить команды.

Необходимо рассчитать, какой объем трафика будет передаваться по сети. Например, если требуется регулярно производить резервное копирование нескольких десятков или даже сотен гигабайт информации с нескольких компьютеров, будет разумно приобрести коммутатор с портами 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet). Для малых объемов трафика будет достаточно 100-мегабитного коммутатора (Fast Ethernet).

Кроме того, необходимо учитывать, какую скорость поддерживают сетевые адаптеры компьютеров и других устройств в сети. Если подавляющее большинство устройств оснащено сетевыми адаптерами Fast Ethernet 100 Мбит/с, то покупать гигабитный коммутатор не имеет смысла. Однако следует отметить, что все современные материнские платы компьютеров оснащаются интерфейсом Gigabit Ethernet.

Внутренняя пропускная способность

Внутренняя пропускная способность коммутатора показывает, какой объем трафика коммутатор сможет обрабатывать в периоды пиковой нагрузки на все порты. Данную характеристику не следует путать с суммарной пропускной способностью всех портов в дуплексном режиме. Внутренняя пропускная способность может быть меньше, особенно у коммутаторов с большим количеством портов.

Например, у 16-портового коммутатора Fast Ethernet суммарная пропускная способность портов в дуплексном режиме составляет: 16 (количество портов) x 100 Мбит/с x 2 (дуплекс) = 3,2 Гбит/с. Если внутренняя пропускная способность коммутатора меньше 3,2 Гбит/с, то он будет плохо справляться с пиковыми нагрузками и может зависать.

Наличие слотов расширения

Некоторые модели коммутаторов имеют один или несколько слотов расширения для установки модулей с дополнительными интерфейсами. Такие модули приобретаются отдельно. Это могут быть, например, модули Gigabit Ethernet, использующие витую пару или волоконно-оптический кабель.

Поддержка стандарта IEEE 802.1p (приоритезация трафика)

Если коммутатор будет использоваться в сети, где ключевое значение имеет, например, передача потокового видео с камер наблюдения, то наличие функции приоритезации трафика (Priority tags) крайне желательно. Это позволит присвоить пакетам потокового видео самый высокий приоритет, и коммутатор будет обрабатывать и передавать такие пакеты в первую очередь, благодаря чему прямая трансляция видео будет происходить без задержек и разрывов.