Библиотека сайта rus-linux.net
Что такое сетевой коммутатор (switch) и как он работает?
Современные сети имеют решающее значение для любого предприятия. Сети обеспечивают доставку бизнес-приложений, мультимедийных сообщений и данных конечным пользователям по всему миру. Основополагающим элементом, объединяющим сети, является сетевой коммутатор (switch), который помогает соединять устройства для совместного использования ресурсов в локальной вычислительной сети (ЛВС).
Что такое сетевой коммутатор?
Сетевой коммутатор - это физическое устройство, работающее на канальном уровне модели (OSI) - уровень 2. Он принимает пакеты, отправленные устройствами, подключенными к его физическим портам, и пересылает их устройствам, которым эти пакеты предназначены. Коммутаторы также могут работать на сетевом уровне (Layer 3), где происходит маршрутизация.
Коммутаторы являются распространенным компонентом сетей на основе Ethernet, Fibre Channel, Asynchronous Transfer Mode (ATM), InfiniBand и других. Однако большинство коммутаторов сегодня используют Ethernet.
Как работает сетевой коммутатор?
Когда устройство подключено к коммутатору, коммутатор записывает его MAC-адрес - код, заложенный в плату сетевого интерфейса (NIC) устройства. NIC подключается к кабелю Ethernet, который соединяется с коммутатором. Коммутатор использует MAC-адрес, чтобы определить, с какого устройства отправляются исходящие пакеты, и куда доставлять входящие пакеты.
MAC-адрес идентифицирует физическое устройство и не меняется, в то время как IP-адрес сетевого уровня (Layer 3) может быть назначен устройству динамически и меняться с течением времени. (Считайте, что MAC-адрес - это VIN-номер автомобиля, а IP-адрес - номерной знак).
Когда пакет поступает на коммутатор, он считывает его заголовок, затем сопоставляет адрес или адреса назначения и отправляет пакет через соответствующие порты, ведущие к устройствам назначения.
Чтобы уменьшить вероятность столкновений между сетевым трафиком, идущим к коммутатору и подключенному устройству одновременно, большинство коммутаторов обеспечивают полнодуплексную работу, при которой пакеты, идущие от устройства и к нему, имеют доступ к полной полосе пропускания коммутационного соединения. (Представьте себе двух людей, разговаривающих по смартфонам, а не по рации).
Коммутаторы работают на втором уровне, однако они могут работать и на третьем, что необходимо для поддержки виртуальных локальных сетей (VLAN) - логических сегментов сети, которые могут охватывать подсети. Для того чтобы трафик попадал из одной подсети в другую, он должен проходить между коммутаторами, и этому способствуют встроенные в коммутаторы функции маршрутизации.
В чем разница между коммутатором (switch) и концентратором (hub)?
Концентратор также может соединять несколько устройств вместе для совместного использования ресурсов, а совокупность устройств, подключенных к концентратору, называется сегментом локальной сети.
Концентратор отличается от коммутатора тем, что пакеты, отправленные с одного из подключенных устройств, передаются на все устройства, подключенные к концентратору. В коммутаторе пакеты направляются только в тот порт, который ведет к адресуемому устройству.
Коммутаторы обычно соединяют сегменты локальной сети, поэтому к ним подключаются концентраторы. Коммутаторы отфильтровывают трафик, предназначенный для устройств, находящихся в одном сегменте локальной сети. Благодаря этой возможности коммутаторы более эффективно используют собственные вычислительные ресурсы, а также пропускную способность сети.
В чем разница между коммутатором и маршрутизатором (router)?
Коммутаторы иногда путают с маршрутизаторами, которые также обеспечивают пересылку и маршрутизацию сетевого трафика, отсюда и их название. Но они делают это с разной целью и в разных местах.
Маршрутизаторы работают на уровне 3 - сетевом уровне - и используются для соединения сетей с другими сетями.
Простой способ понять разницу между коммутаторами и маршрутизаторами - это вспомнить о локальных и глобальных сетях. Устройства соединяются локально через коммутаторы, а сети соединяются с другими сетями через маршрутизаторы. Вот путь, который может пройти пакет, чтобы попасть в Интернет: устройство > концентратор > коммутатор > маршрутизатор > Интернет.
Конечно, бывают случаи, когда функция коммутации встроена в оборудование маршрутизатора, и он выполняет функции коммутатора.
Вспомните домашний беспроводной маршрутизатор. Он подключается к широкополосному соединению через порт WAN, но обычно имеет и дополнительные порты Ethernet, которые можно использовать для подключения кабеля Ethernet для компьютера, телевизора, принтера или даже игровой консоли. Хотя другие устройства в сети, например ноутбуки и телефоны, подключаются через Wi-Fi роутер, он все равно выполняет функции коммутации через локальную сеть. Таким образом, маршрутизатор, по сути, является еще и коммутатором. К роутеру можно даже подключить отдельный коммутатор, чтобы обеспечить доступ в Интернет и локальную сеть для дополнительных устройств.
Какие существуют типы коммутаторов?
Коммутаторы различаются по размеру, в зависимости от количества устройств, которые необходимо подключить в конкретной области, а также от типа требуемой скорости/пропускной способности сети. Для небольшого офиса или домашнего кабинета обычно достаточно четырех или восьмипортового коммутатора, но для более крупных развертываний обычно используются коммутаторы до 128 портов. Форм-фактор меньшего коммутатора - это устройство, которое можно разместить на рабочем столе, но коммутаторы также монтируются в стойку для размещения в электротехническом шкафу, центре обработки данных или серверной ферме. Размеры монтируемых в стойку коммутаторов варьируются от 1U до 4U, но есть и более крупные.
Коммутаторы также различаются по скорости передачи данных: Fast Ethernet (10/100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (10/100/1000 Мбит/с), 10 Gigabit (10/100/1000/10000 Мбит/с) и даже 40/100 Гбит/с. Выбор скорости зависит от пропускной способности, необходимой для решения поставленных задач.
Коммутаторы также различаются по своим возможностям. Вот четыре типа.
1. Неуправляемые
Неуправляемые коммутаторы являются самыми простыми и имеют фиксированную конфигурацию. Как правило, они подключаются по принципу plug-and-play, что означает, что у них мало возможностей для выбора пользователем. Они могут иметь настройки по умолчанию для таких функций, как качество обслуживания, но их нельзя изменить. Плюсом является то, что неуправляемые коммутаторы относительно недороги, но отсутствие функций делает их непригодными для использования в большинстве корпоративных систем.
2. Управляемые
Управляемые коммутаторы предлагают больше функций и возможностей для ИТ-специалистов и чаще всего встречаются в бизнесе или на предприятиях. Управляемые коммутаторы имеют интерфейс командной строки (CLI) для настройки. Они поддерживают агентов простого протокола управления сетью (SNMP), которые предоставляют информацию, используемую для устранения неполадок в сети.
Они также могут поддерживать виртуальные локальные сети, параметры качества обслуживания и IP-маршрутизацию. Безопасность также выше - они защищают все типы обрабатываемого трафика. Из-за своих расширенных возможностей управляемые коммутаторы стоят гораздо дороже неуправляемых.
3. Умные или интеллектуальные коммутаторы
Умные или интеллектуальные коммутаторы - это управляемые коммутаторы, которые имеют некоторые функции, превосходящие возможности неуправляемых коммутаторов, но меньшее количество функций, чем у управляемых коммутаторов. Хотя они более сложны, чем неуправляемые коммутаторы, они также дешевле, чем полностью управляемые коммутаторы. Как правило, они не поддерживают доступ по telnet и имеют графические веб-интерфейсы, а не CLI. Другие опции, такие как виртуальные локальные сети, могут не обладать таким количеством функций, как те, что поддерживаются полностью управляемыми коммутаторами. Поскольку такие коммутаторы дешевле, они могут подойти небольшим компаниям с ограниченными финансовыми ресурсами и/или с меньшим количеством функций.
4. KVM-коммутатор
KVM используются в центрах обработки данных или других местах с большим количеством серверов и обеспечивают подключение клавиатуры, видео (монитора) и мыши к нескольким компьютерам, позволяя пользователям управлять группами серверов из одного места или с одной консоли. При добавлении KVM-удлинителя KVM-переключатели могут обеспечить локальный и удаленный доступ к машинам, позволяя компании централизовать обслуживание и управление серверами.
Возможности управления сетевыми коммутаторами
Полный список возможностей и функций сетевого коммутатора зависит от производителя коммутатора и поставляемого дополнительного программного обеспечения, но в целом коммутатор позволяет специалистам:
- Включать и отключать определенные порты коммутатора.
- Настраивать параметры дуплекса (половинный или полный), а также пропускную способность.
- Устанавливать уровни качества обслуживания (QoS) для конкретного порта.
- Настроить фильтрацию MAC-адресов и другие функции контроля доступа.
- SNMP-мониторинг устройств, включая состояние канала связи.
- Зеркалирование портов для мониторинга сетевого трафика.
В чем ценность сетевых коммутаторов?
Коммутаторы по-прежнему важны для современного предприятия, поскольку их возможности позволяют расширить возможности беспроводного подключения, а также поддерживать устройства Интернета вещей и "умные" здания, которые помогают создать более устойчивую работу. Растущее использование устройств промышленного Интернета вещей, подключающих датчики и оборудование на заводах, также требует коммутационных технологий для подключения к корпоративной сети.
Современные коммутаторы, скорее всего, оснащены технологией Power over Ethernet (PoE), которая позволяет подавать до 100 Вт энергии для поддержки подключенных к сети устройств. Это позволяет компаниям размещать устройства в местах, где не требуется отдельная розетка, например камеры безопасности, наружное освещение, беспроводные точки доступа, VoIP-телефоны и множество датчиков (температуры, влажности, сырости и т. д.), которые могут контролировать удаленные районы. Данные, собранные и переданные с IoT-устройств, могут быть собраны коммутатором и применены к алгоритмам искусственного интеллекта и машинного обучения, чтобы помочь оптимизировать "умные" среды.
Как еще используются сетевые коммутаторы?
В больших сетях коммутаторы часто используются для разгрузки трафика для аналитики. Это может быть важно для специалистов по безопасности, когда коммутатор может быть установлен перед маршрутизатором WAN до того, как трафик пойдет в локальную сеть. Это может облегчить обнаружение вторжений, аналитику производительности и межсетевое экранирование. Во многих случаях зеркалирование портов позволяет создать зеркальное отражение данных, проходящих через коммутатор, перед отправкой их в систему обнаружения вторжений или анализатор пакетов.
Однако в своей основе сетевые коммутаторы быстро и эффективно доставляют пакеты от устройства A к устройству B, независимо от того, находятся ли они в другом конце коридора или на другом конце света. На этом пути в доставку вносят свой вклад несколько других устройств, но коммутатор является важнейшей частью сетевой архитектуры.
Статья подготовлена компанией VESPA - поставщик коммутаторов и серверных комплектующих ведущих производителей.