Что такое сетевой коммутатор и для чего он нужен?

Что такое коммутатор сети (ethernet switch / bridge) ?

Сетевой коммутатор (ethernet switch) — это устройство 2 уровня модели OSI, которое используется в качестве концентратора (центральной точки) для подключения других проводных устройств, работающих по технологии ethernet.

Как происходит подключение устройств?

На приведенном ниже рисунке объясняется, как устройства показано подключаются в единую сеть с общей шиной Ethernet и обмениваются друг с другом данными через коммутатор (switch) либо концентратор (hub). Устаревший на сегодняшний день тип устройств с общей шиной из-за снижения пропускной способности пропорционально количеству подключенных устройств.

Насколько дорого использовать коммутаторы в сети?

Своим появлением в 1989 году коммутатор сети ethernet switch обязан компании Kalpana (работала в Кремниевой долине в 1980 и 1990 годах и была поглощена компанией Cisco в 1994 году). Он назывался Kalpana EtherSwitch EPS-1500 и имел на борту 7 портов.

С тех пор идет активное развитие данного типа устройств и с каждым годов снижается стоимость подключения к порту.

Надежность сети при использовании коммутатора (ethernet switch)

Является вы использование коммутатора локальной вычислительной сети в качестве центрального звена сети надежным решением? Если вы сравниваете коммутируемый Ethernet с коаксиальным Ethernet, коммутатор определенно более надежен. До того, как коммутатор был изобретен, компьютеры были подключены в цепь. В конце которой подключался концевик (terminator) для поглощения сигнала. Иначе множественная пересылка сигнала сводила полезный трафик в сети к нулю.

Видео

Коммутатор АС

Различается от DC коммутаторов возможностью обходиться без стабильного тока 12V. Устроен он немножко иначе, потому что, при наличии более обычной конструкции, обладает более сложным вариантом подсоединения к электрической цепи. В отличие от DC коммутаторов, АС коммутаторы бывают в большей степени без ограничителя предельных оборотов в силу небольших размеров и достаточно простой конструкции, они могут похвалиться возможностью отлично действовать при нехватке целого ряда узлов, без каких DC коммутатор трудиться не сумеет в принципе. Даже, если снять аккмулятор, реле-регулятор, замок зажигания, сохранить лишь высоковольтную катушку генератора и датчик Холла и все-равно скутер будет запускатся и ездить. Есть достаточно мудрено организованные коммутаторы предоставленного типа, которые способны соперничать с DC типом, но это редкость. Не глядя на отсутствие надобности в постоянном токе, АС очень сильно находятся в зависимости от переменного тока и взаимосвязи блока двигателя с рамой,и если Вы спалили или повредили одну катушку в генераторе, которая производит высокое напряжение, то мотороллер не запустится ни при каких обстоятельствах.

Отличие от концентратора

Теперь вы знаете – что такое свитч, но его очень часто путают с маршрутизатором и концентратором. Поэтому нужно разобрать и эти понятия.

Концентратор (или ХАБ по-другому) – это чем-то похожее устройство на коммутатор, но есть небольшое отличие. А отличие как раз в принципе работы. Hub при получении пакета информации отправляет этот же пакет всем сегментам сети и делает это постоянно. То есть, например, в сети идет связь 2 компьютеров и они активно отправляют друг-другу пакеты.

Но также одновременно концентратор отправляет или дублирует пакеты данных всем остальным подключенным устройствам. Проблема такого подключения в том, что в сети создается мусорный и ненужный трафик, что может привести к перегрузке сети и потери пакетов, если устройств будет слишком много. Тогда пакеты начнут теряться из-за недостаточной ширины канала.

Вот представьте, если бы вам постоянно приходили письма всех соседей вашего дома. У вас бы не хватило времени читать все письма. А работники почтовой службы сбились бы с ног.

В данный момент Хабы уже почти не используются. Хотя возможно их можно встретить в древних локальных сетях. Также минусом данного подключения является маломерность – то есть большое количество устройств вы просто не подключите.

Режимы коммутации

Есть три режима, в которых свитч передаёт данные узлам-адресатам. Ключевые особенности каждого режима — степень надёжности передачи и связанное с ней время ожидания.

Первый режим называется Cut-Through — сквозной. Свитч принимает данные, считывает из них только адрес узла-получателя и без каких-либо дополнительных проверок отправляет их по назначению. Время ожидания в этом случае минимально, но возникает вероятность передачи данных с ошибками.

Второй режим называется Store and Forward — с промежуточным хранением. Коммутатор не только считывает адрес получателя, но и анализирует всю поступившую информацию с целью поиска ошибок. Лишь после этого данные передаются по назначению. Время ожидания в сравнении с предыдущим режимом увеличивается — оно необходимо свитчу для проверки.

Третий режим называется Fragment-Free — бесфрагментный, или гибридный. Он представляет собой сочетание двух описанных выше режимов. Коммутатор принимает кадр данных, считывает адрес получателя, а затем проверяет информацию на предмет ошибок, но не всю, а лишь первые 64 байта. После проверки свитч отправляет данные получателю.

Условия передачи данных непостоянны — они меняются со временем. Полезно иметь коммутатор, в котором реализована адаптивная подстройка под эти условия. В начале работы такое устройство включает сквозной режим коммутации для всех портов. Затем те порты, на которых появляется слишком много ошибок, автоматически переводятся в гибридный (бесфрагментный) режим. Наконец, если и после этого ошибок остаётся слишком много, порты переводятся в режим с промежуточным хранением данных.

Характеристика сетевого коммутатора

Режимы коммутации сетевого коммутатора

Одной из характеристик является — вид режима коммутации. Распространены три режима, каждый их которых комбинирует в себе режим ожидания и уровень надёжности:

• Режим временного хранения. Сетевой коммутатор считывает данные во фрейме, осуществляет проверку на наличие ошибок, затем определяет порт и отправляет в него фрейм.
• Сквозной. Свитч читает во фрейме только адрес, затем выполняется процесс коммутации. Главное преимущество данного режима — высокая скорость передачи данных.
• Бесфрагментный. Это модифицированный вариант сквозного режима. Данные передаются после фильтрации фрагментов на определение коллизий (конфликтов). Первые 64 байта первого кадра проходят проверку на наличие коллизий (конфликтов), если фрейм оказывается повреждённый или определяется коллизия, то передача данных невозможна.

Сетевые коммутаторы принято делить на два вида:

1. Неуправляемые
2. Управляемые

Неуправляемые коммутаторы

Неуправляемые коммутаторы — это коммутаторы, которые не имеют конфигурационного интерфейса или каких либо других настроек. Это такие устройства, которые работают по принципу “Plug and Play”, например при установке windows server 2003, неуправляемый коммутатор можно установить и сразу пользоваться. Данные свитчи подаются по невысокой цене и используются дома или в малых предприятиях.

Управляемые коммутаторы

Рисунок 2. Управляемый коммутатор

Эти коммутаторы являются сложными устройствами и позволяют настраивать коммутацию на сетевом уровне модели OSI. Имеют несколько вариантов изменения режима работы: интерфейс командной строки, TelNet, Secure Shell, работающие через протокол управления сетью (SNMP). Примеры конфигурирования: настройка пропускной способности, создание/изменение виртуальной частной сети (VPN). В свою очередь управляемые коммутаторы делятся на два подвида:

Простые

Это сетевые коммутаторы с ограниченным набором конфигурационных настроек. Данные свитчи продаются на рынке в ценовом диапазоне между управляемыми и неуправляемыми коммутаторми. В данном варианте предоставлена возможность управления устройством через веб-интерфейс, а так же такие базовые настройки как: настройка VLAN, управление пропускной способностью.

Сложные (корпоративные) коммутаторы

Имеют полный набор функционального управления, в том числе: CLI, SNMP, веб-интерфейс. В некоторых вариантах возможно дополнительные конфигурационные функции, например: резервное копирование и восстановление конфигураций. Корпоративные коммутаторы обычно используются в в больших производительных системах и находятся в специальных стойках.

Сложные коммутаторы часто объединяют в одно сетевое устройство, именуемое — стек. Делается это для увеличения количества портов.

Рисунок 3. Стек

Возможности и функции

Если вам нужен сетевой коммутатор, то я вам советую посмотреть важные функции, которые должен поддерживать тот или иной аппарат. В зависимости от поддержки будет расти или падать цена. В некоторых случаях определенные возможности не нужны, и поэтому не стоит за них переплачивать. Все зависит от загруженности сети.

• Flow Control или управление потоком – есть во всех свитчах. Грамотное управление потоком позволяет снизить риск зависание сети;
• Storm Control – или защита от широковещательного шторма. Шторм – это возникновение ситуации, когда в сети у коммутатора возникает слишком много пакетов, в результате они начинают теряться, какая-то информация не доходит или вовсе перестает передаваться. Очень часто возникает в результате петель. Важная функция для больших сетей.
• Jumbo Frame или увеличенные пакеты – используются только в больших сетях. Тогда есть реальная возможность увеличить размер пакета, чтобы ускорить передачу данных. Для этого нужно, чтобы принимающее устройство также поддерживало эту функцию, а канал имел определенный размер.
• IGMP Snooping – часто применяют в IP телевидении. Когда трафик распределяется точечно на определенного пользователя. С одной стороны, сеть разгружается. С другой стороны, коммутатор должен обладать не малой мощью, чтобы постоянно просчитывать пути и откликаться на запросы новых пользователей.
• Поддержка режимов:
  • Полудуплекс – поддержка отправки пакетов в обе стороны, но одновременная передача запрещена. То есть передается по очереди
  • Дуплекс – одновременная передача.

• Стекирование или расширение – используется, если на стандартном коммутаторе не хватает количества портов. Тогда подключают ещё один или несколько свичей. Технологии у каждой фирмы разные, и нужно учитывать скорость шины стекирования у определенной модели.
• Поддержка QoS – приоритезация трафика по стандарту стандарт IEEE 802.1p. Когда более приоритетный трафик пропускают, а остальной сидит в очереди. Также за счет этой технологии выравнивается скорость передачи данных в сети. В результате уменьшается шанс заторов на линии.
• Агрегирование каналов по стандарту IEEE3ad. Поддерживаются только дорогие аппараты. Возможность отправлять пакеты данных по нескольким кабелям и портам, чтобы увеличить скорость;
• VLAN– разделение сеть на подсети. Например, бухгалтерия не видит отдел кадров и не имеет доступ к их сети, и наоборот.
• Loopback Detection – помогает защитить сеть от петель – когда пакеты начинают бесконечно гулять в сети. Проблема в том, что отправитель может также бесконечно отсылать пакеты в сеть и забить её;
• Сегментация трафика – разделение портов на отдельные сегменты. Разделение идет на физическом уровне для большей надежности;
• Зеркалирование трафика – простая проверка всего трафика для обеспечения безопасности в сети.
• Поддержка интернет протоколов – тут все понятно, аппарат должен помимо обычных функций уметь распределять трафик из глобальной сети.
• Поддержка Wi-Fi – для подключения к локальной сети с помощью радиоволн по стандарту IEEE 802.11.

Более подробно про Wi-Fi можно прочитать тут.

Как выбрать коммутатор

В продаже представлено великое множество моделей коммутаторов, которые существенно отличаются друг от друга как по функциональности, так и по цене. IT-специалисту нужно знать основные характеристики свитчей (читай — критерии выбора).

Базовая скорость передачи

В большинстве случаев в характеристиках коммутаторов указано сразу несколько значений скорости (пример записи — 10/100 Мбит/сек). Нужно ориентироваться на высшее значение — это максимум для данного устройства. Если данные будут поступать на свитч со скоростью меньшей, чем этот максимум, он автоматически подстроится под неё. Модели верхнего ценового диапазона могут работать на скоростях 10/20/100/200/1000/2000Мбит/сек. Принимайте во внимание особенности вашей сети и характеристики входящих в неё устройств и делайте правильный выбор.

Исполнение (способ установки)

Производители предлагают:

• настольные коммутаторы. Это — компактные модели для небольших сетей. Они не вызывают ни малейших сложностей при установке — их можно просто положить на стол;

• настенные модели. Также сравнительно компактны, однако имеют специальные пазы, позволяющие зафиксировать их на стене. Как показывает опыт, многие настенные свитчи можно и не крепить на вертикальном основании, а просто положить на стол;

• стоечные коммутаторы. В эту категорию входят наиболее продвинутые модели для предприятий, которые устанавливаются в стандартную 19-дюймовую стойку для телекоммуникационного оборудования.

Возможность управления

Одну категорию образуют неуправляемые коммутаторы. Они не позволяют выполнить тонкую настройку, что минус для крупного предприятия, но плюс для использования дома или в небольшом офисе. Неуправляемые модели, как правило, компактны и имеют невысокую стоимость.

Ко второй категории относятся управляемые модели. Они допускают гибкую настройку с помощью специализированного ПО или web-интерфейса. Администратор может менять многочисленные параметры управляемого коммутатора — приоритеты подключенных устройств, общие параметры сети и другие. Такие модели хорошо подходят для использования в сложных и разветвлённых сетях, однако для их настройки нужны специальные познания и определённый опыт.

Поддержка PoE

 

Выбирайте коммутатор с этой функцией, если вам нужна подача питания к устройствам непосредственно по сетевому кабелю (витой паре). Один из возможных примеров — IP-камеры, включенные в локальную сеть. PoE (Power over Ethernet) — очень удобная функция: она избавляет от необходимости использовать силовые кабели, нисколько не снижая качество передачи данных.

Наличие портов SFP

Свитч с такими портами понадобится, если нужно соединить его с другими коммутаторами или устройствами более высокого уровня. Обратите внимание: SFP — это лишь порт, в него нужно предварительно установить специальный модуль, который, в свою очередь, даст возможность нестандартного подключения (например, по оптоволокну).

Наличие функции энергосбережения

Коммутаторы с такой функцией становятся всё более востребованными — играет роль растущий интерес к защите экологии. Эти интеллектуальные модели следят за подключенными к ним устройствам, выявляют неактивные порты и временно переводят их в спящий режим. Производители утверждают, что функция энергосбережения, реализованная в свитчах, позволяет сэкономить до 80% (!) электроэнергии.

Поддержка VLAN

Выбирайте модель с такой функцией, если нуждаетесь в логическом разграничении отдельных участков локальной сети. Вы сможете создать свои сегменты для разных отделов, подразделений и филиалов компании, организовать сеть общего доступа.

Наличие функции сегментации трафика

Коммутаторы с такой функцией позволяют настраивать порты или их группы так, чтобы они были полностью отделены друг от друга, но при этом имели доступ к серверу.

Поддержка стекирования

Устройство с такой функцией понадобится, если вам нужно создать единый логический коммутатор с количеством портов большим, чем 48. Несложно понять, что поддержка стекирования требуется в масштабных, разветвлённых сетях, развёрнутых на крупных предприятиях.

Наличие защиты от широковещательного шторма

Одно из частных проявлений такого шторма — DDoS-атака на локальную сеть. Если в последнюю входит обычный коммутатор без защиты от широковещательного шторма, в результате атаки вся сеть может попросту «лечь». Модели, в которых такая защита реализована, выявляют флуд и своевременно отсекают его, благодаря чему сеть остаётся стабильной.

 

Почему коммутируемый Ethernet более надежный и эффективный?

При возникновении проблемы в coaxial-ethernet (10base2) трудно определить где ошибка. Инженеру-связисту необходимо проверить все разъемы один за другим, что требует времени. Также необходимо учесть, что из-за хрупкости коаксиального кабеля сеть часто выходит из строя.

Коаксиальный ethernet использует 2 кабеля (внутренний и внешний) для передачи и приема данных в сеть. При полудуплексной связи, компьютер не может одновременно данные принимать и отправлять. Когда сеть загружена возникают множественные коллизии при попытки одновременно вести передачу данных двумя и более станциями. Что почти гарантированно  снижает скорость передачи данных в разы, нередко десятки и сотни раз..

При работе с коммутируемой сетью, если один кабель поврежден, он не будет влиять на других абонентов. Если сломается порт, пользователь может просто подключить кабель к другим работающим портам.

Что касается производительности, механизм внутри коммутатора может обеспечить полнодуплексную связь (full duplex). Поскольку вероятность возникновения коллизий в сети при правильной настройке оборудования практически сведена к нулю, то данный факт повышает производительность всей системы.

Теги