Сетевой коммутатор (switch). Отвечаем на вопрос: "Свитч - что это такое?"

Сетевой коммутатор (network switch) – это устройство, используемое в сетях передачи пакетов, предназначенное для объединения нескольких сегментов. В отличие от (router) коммутатор работает на модели , что и определяет главные различия между ними. Коммутатор не занимается расчетом маршрута для дальнейшей передачи пакетов по сети, анализируя различные факторы, как это делает . Switch только передает данные от одного порта к другому на основе содержащейся в пакете информации. Обычно признаком выбора выходного порта служит MAC-адрес устройства, к которому передаются данные. В свою очередь коммутатор в отличие от или не просто транслирует порты ко всем выходам, которые у него есть, а к одному, заранее выбранному.

Пример сети с коммутатором

Сетевые коммутаторы применяются в нескольких , но наибольшее распространение нашли в . Главной их задачей в сети является разделение сети на сегменты. Это особенно актуально в сетях с большим числом рабочих станций, т.к. чем больше оконечных устройств работают одновременно с единой средой передачи данных тем выше вероятность возникновения коллизии (одновременной передачи данных несколькими устройствами) и, следовательно, ниже эффективность работы сети. Коммутатор позволяет разбить единую сеть на несколько сегментов и увеличить число одновременно работающих устройств.

Существую управляемые и неуправляемые коммутаторы. Неуправляемые коммутаторы самонастраиваются после включения в сеть. Они анализируют MAC-адреса всех устройств, подключенных к ним и будут осуществлять коммутацию между портами на основе анализа заголовка пакета, в котором содержится MAC-адресом устройства-получателя. Управляемые коммутаторы предоставляют интерфейс для администратора, который может выполнить его настройку для работы в конкретной сети. Например, есть возможность выбора режима защиты от отказа (в случае работы в паре с резервным коммутатором), объединения нескольких портов в единое направление, настройки приоритетов и резервирования портов и мн. др. Обычно управляемые коммутаторы дороже и используются в емких сетях, с дополнительными требованиями по надежности.

Switch может быть выполнен и в виде небольшой платы на 4 порта и многополочного штатива с возможность интеграции дополнительных устройств и расширения емкости. Также в зависимости от назначения сетевой коммутатор может снабжаться автономным питанием, портами управления и резервирования, охлаждением.

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.

В этой статье мы поговорим о том, как работает коммутатор сети ethernet (switch) или мост. Это базовые знания, которыми должен обладать каждый сетевой инженер. Сетевой коммутатор локальной вычислительной сети является центральным элементом инфраструктуры. Понимание его работы является неотъемлемым навыком любого сетевого инженера.

Если у вас до сих пор не сформировались твердые знания о принципах работы данного класса сетевых устройств, то вы рано или поздно столкнетесь с неразрешимыми проблемами при устранении неполадок в вашей сети, например, широковещательный шторм.

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.

В чем отличие Коммутатора (Switch) от Концентратора (Hub)

Концентратор (Hub) - это сетевое устройство, позволяющее подключать несколько компьютеров к одной сети. Концентраторы могут быть основаны на соединениях Ethernet, Firewire или USB.

Коммутатор (Switch) - устройство управления, которое включает или выключает поток электроэнергии в цепи. Он также может использоваться для маршрутизации информационных шаблонов при потоковой передаче электронных данных, передаваемых по сетям. В контексте сети коммутатор – это компьютерное сетевое устройство, которое соединяет сегменты сети.

Различия в производительности концентраторов и коммутаторов

Коммутатор является эффективной альтернативой концентратору. Люди, как правило, выигрывают от использования свитча, если в их домашней сети четыре или более компьютеров. Также вы невооруженным взглядом заметите разницу при использовании в своей сети приложений, которые генерируют значительный объем сетевого трафика:

• таких как многопользовательские игры
• обмен тяжелыми музыкальными файлами.

Технически говоря, концентраторы работают с использованием широковещательной модели, а коммутаторы - с использованием модели виртуальных каналов. Например, когда четыре компьютера подключены к концентратору, и два из этих компьютеров взаимодействуют друг с другом, концентраторы просто передают весь сетевой трафик на каждый из четырех компьютеров. Коммутаторы, с другой стороны, способны определять пункт назначения каждого отдельного элемента трафика (такого как кадр Ethernet) и выборочно пересылать данные только на один компьютер, который действительно нуждается в этом. Вырабатывая меньше сетевого трафика при доставке сообщений, коммутатор работает лучше, чем концентратор в загруженных сетях.

При добавлении в сетевой обмен дополнительные устройства вы создаете огромное количество коллизий в случае концентратора, потому как устройства не могут одновременно считывать и передавать информацию.

В следующем видео сравниваются концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы.

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.

Как работает коммутатор локальной сети Ethernet?

Коммутатор локальной сети анализирует заголовок 2 уровня входящего кадра. Каждый ethernet кадр содержит 2 адреса: MAC-адрес источника и MAC-адрес назначения.

Коммутатор вместе с кадром получает MAC-адрес источника и записывает в свою таблицу коммутации напротив номера порта. Эта таблица - волшебный секрет того, как коммутатор обеспечивает полдуплексную связь.

Затем в таблице коммутации ищется MAC-адрес получателя, и принимается решение о пересылке кадров на определенный порт. Благодаря данному механизму другие сетевые устройства докальной сети не знают о кадрах соседей. Таким образом мы добиваемся работы в полнодуплексном режиме (full duplex).

Процесс пересылки кадра между компьютерами:

1. Получение коммутатором на 1 порту сообщения от компьютера А с адресом назначения bbbb.bbbb.bbbb
2. Проверка таблицы коммутации с целью найти порт, к которому подключен адресат с mac-адресом bbbb.bbbb.bbbb
3. Такой адрес не обнаружен, рассылка запроса на все порты, кроме того, с которого пришло первоначальное сообщение
4. Ответ от компьютера В компьютеру с адресом aaaa.aaaa.aaaa, так как mac-адрес сетевой карты компьютера В совпадает с заголовком кадра
5. Заполнение коммутатором свой таблицы ответом от компьютера В
6. Пересылка ответа от компьютера В компьютеру А

Анимация ниже более наглядно описывает процесс обмена данными между участниками сети:

Вопрос: что произойдет, когда MAC-адрес назначения отсутствует в таблице коммутации свитча, в какой порт следует пересылать он пересылает?

Ответ: в этом случае коммутатор пересылает кадр во все порты кроме, того с которого получил первоначальное сообщение; ожидая, что станция ответит на сообщение, и коммутатор обновит свою коммутационную таблицу.

Сегодня мы поговорим о том, как все же работает коммутатор.

Как мы уже знаем коммутаторы являются L2 устройствами, так как работают на канальном уровне. Они обрабатывают заголовок Ethernet кадра, а точнее MAC адреса получателя и отправителя, а также контрольную сумму.

Каждый коммутатор составляет таблицу MAC адресов (CAM table) всех хостов, подключенных в его порты.

Каким же образом он составляет эту таблицу ?

При включении питания коммутатора его таблица пуста.

При поступлении каждого кадра на вход коммутатора, МАС адрес отправителя вносится в таблицу МАС адресов с указанием интерфейса, принявшего данный кадр.

Если же МАС адрес получателя найден в таблице, то кадр направляется указанному в таблице интерфейсу.

Таблица адресов динамическая и сохраняется только в оперативной памяти, то есть при отключении питания таблица удаляется.

Все МАС адреса хранятся в таблице ограниченное время (aging-time ), которое в некоторых коммутаторах можно изменить.

Почему нельзя сохранять адреса вечно?

Дело в том, что может понадобиться реконфигурация сети и некоторые хосты могут быть отключены от портов коммутатора, поэтому таблица адресов уже будет неактуальна, что приведет к неправильному функционированию сети.

Режимы коммутации

Коммутаторы могут работать в одном из 3-х режимов:

• С промежуточным хранением (Store and forward ). Коммутатор принимает кадр, затем проверяет на наличие ошибок. Если кадр не содержит ошибок, то коммутатор пересылает его получателю.
• Сквозной (Cut-through ). Коммутатор считывает МАС адрес получателя и сразу пересылает его получателю. Проверка на ошибки в данном режиме отсутствует.
• Бесфрагментный (Fragment-free ). Принимаются первые 64 байта, которые анализируются на наличие ошибок и коллизий, а затем кадр пересылается получателю.

В целом процесс коммутации происходит довольно быстро.

А с чем это связано?

Во-первых, сам процесс происходит на втором уровне (канальный уровень), что снижает время на обработку данных. Во-вторых, коммутация происходит не программно, а аппаратно. То есть для этого используются специализированные чипы ASIC.

А что это?

Это специальные микросхемы, которые разрабатываются для решения узкопрофильных задач. Кроме того, они отличаются быстротой работы.

Широковещательный домен и домен коллизий

Как мы знаем, благодаря коммутации, каждому хосту выделяется канал связи. В то время, как в концентраторе эта возможность отсутствует. То есть имеется общий канал для всех хостов, благодаря чему и возникают коллизии. Поэтому такое подключение или сеть (с общим каналом) называют доменом коллизий.

Как видно из рисунка в сети с концентратором в определенный момент времени может вести передачу только один компьютер. В то время как остальные ждут, когда он закончит. Такой режим связи называется полудуплексным (half duplex).

Ситуация усугубляется, когда в сети растет количество компьютеров, так как времени на передачу для каждого компьютера выделяется все меньше и меньше.

То есть, чем больше компьютеров и концентраторов, тем хуже?

Верно. Пропускная способность такой сети (домена коллизий) значительно снижается.

А как называется подключение с коммутатором?

Так как в коммутаторе коллизии в принципе исключены, то каждый его порт считается доменом коллизий. То есть в принципе, к порту можно подключить несколько хостов посредством концентратора, но пропускная способность при этом изменится только в рамках конкретного порта, к которому подключен концентратор. В сети с коммутаторами все хосты могут принимать и передавать данные одновременно, не мешая друг другу. Такой режим связи называется дуплексным (full duplex).

Сама же сеть, в которой присутствуют только коммутаторы называется широковещательным доменом, так как коммутаторы обрабатывают и пропускают широковещательный (broadcast) трафик.

Для создания локальной или домашней сети нужны особые устройства. Из этой статьи Вы узнаете немного о них. Я постараюсь объяснить как можно проще, чтобы понял каждый.

Предназначение .

Хаб (Hub), свитч (switch) и роутер (router) предназначены для создания сети между компьютерами. Разумеется после создания эта сеть будет ещё и функционировать.

Отличие .

Что такое хаб (hub)

Хаб - это повторитель. Всё что к нему подключено - будет повторяться. На хаб даётся один и поэтому всё связано.
Например Вы подключили 5 компьютеров через Хаб. Чтобы передать данные от пятого компьютера к первому, эти данные будут проходить через все компьютеры в сети. Это похоже на параллельный телефон - доступ к Вашим данным может получить любой компьютер и Вы так же. За счёт этого так же увеличивается нагрузка и распределение. Соответственно чем больше компьютеров подключено, тем медленнее будет соединение и больше нагрузка на сеть. Именно поэтому в наше время всё меньше выпускают хабов и всё меньше ими пользуются. Скоро совсем исчезнут.

Что такое свитч (switch)?

Что такое роутер (router)?

Роутер можно использовать как отдельно: ПК -> роутер -> интернет, так и совместно с другими устройствами: ПК -> свитч/хаб -> роутер -> интернет.

Ещё одним достоинством роутера является его простая установка. Зачастую от Вас требуются лишь минимальные знания, чтобы подключить, настроить сеть и выйти в интернет.

Итак. Подведу небольшие итоги.

Все эти устройства нужны для создания сети. Хаб и свитч не особо отличаются друг от друга. Роутер - самое нужное и удобное решение для создания сети.