Принцип работы коммутатора Cisco

Как он работает?

Коммутатор — это один из видов сетевых устройств, с его помощью можно соединить несколько сетевых узлов (ПК, телефоны или другие сетевые устройства). При этом соединение не будет выходить за рамки одного или нескольких сегментов сети.

Сегментом называют небольшой и изолированный участок. Например, домашняя сеть с компьютером, ноутбуком и смартфоном, которая получают общий трафик от провайдера, будет считаться сегментом.

Другое название этого устройства — свитч, оно используется в молодёжных и узкопрофессиональных кругах.

Принцип работы коммутатора (или свитча) прост — устройство получает трафик, а затем, определив получателя по MAC-адресу, пересылает данные на нужный узел (компьютер, телефон). Свитч первое время в новом сегменте может отправлять пакеты данных нескольким адресатам внутренней сети, однако процесс обучения проходит быстро, а после этого информация поступает только к адресатам.

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.

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.

Концентратор (Hub)Коммутатор (Switch)
Уровень OSIФизический: концентраторы классифицируются как устройства 1 уровня в соответствии с моделью OSI.Канальный: сетевые коммутаторы работают на 2 уровне модели OSI.
ФункционалДля соединения сети персональных компьютеров их можно объединить через центральный концентратор.Позволяет объединять несколько устройств, управлять портами и настройками безопасности VLAN
Форма передачи данныхЭлектрический сигнал или битыКадр (для L2 Switch) и Пакет ( для L3 switch)
Порты4/12 портовКоммутатор является многопортовым мостом. 24/48 портов
Тип передачиКонцентраторы всегда рассылают кадры на все порты (flooding), кроме того, с которого пришел; рассылка может быть одноадресной (unicast), многоадресной (multicast) или широковещательной (broadcast)Первоначально широковещательная (broadcast) рассылка; затем одноадресная (unicast) и многоадресная (multicast) рассылка по мере необходимости.
Тип устройстваПассивное устройство (без программного обеспечения)Активное устройство (с программным обеспечением)
Used in (LAN, MAN, WAN)LANLAN
Таблица сетевых адресов (MAC)Сетевой концентратор не может узнавать или сохранять MAC-адрес.Коммутаторы используют CAM-таблицу с доступной памятью, к которой обычно обращается ASIC (специализированные интегрированные микросхемы).
Режим передачиПолудуплекс (Half duplex)Полу-/полный дуплекс (Half/Full duplex)
Широковещательный доменКонцентратор имеет один широковещательный домен.Коммутатор имеет один широковещательный домен [если не реализован VLAN]
ОпределениеЭлектронное устройство, которое соединяет множество сетевых устройств вместе, чтобы устройства могли обмениваться даннымиСетевой коммутатор — это компьютерное сетевое устройство, которое используется для соединения множества устройств в компьютерной сети. Коммутатор считается более продвинутым, чем концентратор, потому что он будет отправлять сообщения на нужный порт устройства или запрашивать информацию с него.
Скорость10Mbps10/100 Mbps, 1 Gbps
Адрес, используемый для передачи данныхИспользует MAC-адресИспользует MAC-адрес
Необходимо для подключения к Интернету?НетНет
Категория устройстваНе интеллектуальное устройствоИнтеллектуальное устройство
ПроизводителиSun Systems, Oracle, CiscoCisco, D-link, Juniper, MikroTik
Столкновения (Collisions)Столкновения (Collisions) обычное явления в инфраструктурах, использующих концентраторы.В полнодуплексном коммутаторе не происходит столкновений.
Spanning-TreeНе используется Spanning-TreeВозможно использование множества экземпляров Spanning-Tree

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.

Принцип работы, возможности и функции

Во-первых, зачем вам это нужно. Для соединения компьютеров, ноутбуков и других устройств в единую локальную сеть.

  • Например, есть большая компания с десятками и сотнями сотрудников. Есть отдел маркетинга, отдел продаж, финансисты, директор и его заместители. Им нужно обмениваться информацией, пользоваться общими таблицами и программами. Делать это через Интернет неудобно и опасно (если речь идет о соблюдении коммерческой тайны). Рабочие компьютеры лучше объединить в общую закрытую сеть, куда нет доступа посторонним.
  • Шаг может понадобиться для организации «умного дома». К коммутатору подключаются ноутбуки, принтеры, датчики, счетчики и т.д.Также переключатели необходимы для больших систем
  • Также переключатели необходимы для больших систем видеонаблюдения.
  • Выключатели также используются в домашних условиях. Раньше их часто покупали для онлайн-игр. К такой локальной сети можно подключить домашние ноутбуки и даже компьютеры соседей. Сейчас для этого все чаще используются Wi-Fi роутеры.

Принцип работы переключателя следующий. При получении данных от сетевого устройства он просматривает таблицу MAC-адресов и определяет, к какому порту Ethernet подключено устройство, к которому должна быть отправлена ​​информация. При этом другие компьютеры в трансляции не используются.

Если получателя еще нет в таблице MAC-адресов коммутатора, он отправляет данные на подключенные сетевые устройства и ожидает ответа. Когда целевое устройство отвечает, оно добавляет его в таблицу MAC-адресов. Он будет отправлять все последующие пакеты только на запрошенное устройство.

Вот как работает неуправляемый коммутатор локальной сети. Это относится к уровню 2 OSI (ссылка). Также есть модели, которые могут работать на 3-х уровнях (сеть) и 4 (транспорт). У них есть расширенные функции, такие как ручное управление, QoS, VLAN и другие технологии.

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

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

Рисунок 3. Стек

Отличие от концентратора

Отличие коммутатора (свича) от концентратора заключается в способе распределения трафика внутри сегмента (домашней сети). Например, Вы настраиваете домашнюю сеть на Windows 10 через роутер. В этот момент свитч передает пакет данных только адресату, а концентратор — всем узлам сети. Поэтому конденсатор больше нагружен (передавать трафика приходится больше), а безопасность сети больше подвержена угрозам.

Раньше концентратор стоил дешевле, чем свитч, поэтому активно использовался в небольших сетях, сейчас разница в цене незначительна и концентраторы почти не пользуются спросом.

Параметры

У переключателей есть масса параметров, на которые нужно обращать внимание.

Количество портов на коммутаторе определяет, сколько устройств можно подключить. Дома используются гаджеты от 5 до 15 портов.

Оборудование от 15 до 52 дверей предназначено для офиса. Помимо количества портов следует также обратить внимание на их скорость. Современные гаджеты могут работать со скоростью 100 или 1000 Мбит / с.Скорость пакетной службы – это характеристик

Скорость пакетной службы – это характеристика, определяющая производительность коммутатора. Стандартный размер пакета составляет 64 байта. Это значение измеряется в миллионах пакетов в секунду (Mpps).

PoE (Power over Ethernet), эта функция позволяет подавать электроэнергию на устройство через сетевой кабель. При этом качество передаваемой информации не снижается. Используя этот вариант, вы можете подключать гаджеты, к которым проблематично подавать электричество, например, веб-камеры.

Порты SFP используются для подключения к устройствам более высокого уровня или другим коммутаторам. Этот порт представляет собой слот, к которому подключен специальный модуль SFP. После этого уже можно подключить другое устройство, например оптоволоконный кабель.

Помимо технических характеристик, стоит также обратить внимание на то, какие функции коммутатор еще поддерживает.

Энергосберегающие переключатели могут контролировать активность подключенных устройств. Когда они обнаруживают неактивный сетевой порт, они переводят его в спящий режим. По заявлению производителей, эта функция способна сэкономить до 80% электроэнергии.

VLAN требуется для разграничения сегментов LAN. С помощью этой функции вы можете создавать отдельные области для отделов или филиалов компании.Broadcast Storm Protection помогает бороться с DDo

Broadcast Storm Protection помогает бороться с DDoS-атаками. Модели с этой функцией рано обнаруживают наводнения и останавливают их.

Функция сегментации трафика позволяет настроить порты, которые будут логически отделены друг от друга, но могут подключаться к серверу.

Функция стекирования позволяет объединять несколько коммутаторов в стек. Эта функция требуется в сетях крупных разветвленных компаний.Как работает коммутатор

Как работает коммутатор

Как работает ethernet switch второго уровня? Все довольно просто — разберем, к примеру, функционал узла А. Все кадры, исходящие от узла А и имеющие в заголовке адрес получающего клиента в сегменте Бета (например, R), поступают в первый порт коммутатора второго уровня, а затем он выходит из второго порта, чтобы быть переданным в узел R. Такой процесс имеет название «ретрансляция», по английски — forwarding. Кадр получается ретранслированным в том случае, если он был принят одним портом коммутатора 2-го уровня и передан через другой порт устройства.

Кадр, который исходит из узла A и имеющий адрес получателя пункта B, поступает и на место назначения, и на коммутатор второго уровня, но тот определяет, что узлы имеют один сегмент, и не передает его. Этот процесс называется фильтрацией, то есть, если коммутатор получает кадр, но не передает его, то он называется отфильтрованным.

Учтите, что здесь не зря используется именно термин «кадр», а не привычное «пакет». Коммутатор — это не повторитель, он занимается исключительно кадрами, а также понимает MAC-адреса. Повторитель же, в свою очередь, оперирует пакетами, в которых хранятся кадры. Порт коммутатора второго уровня, как и узел, является сетевым интерфейсом с пакетом MAC-средств. В общем, коммутатор — это крупный узел, имеющий несколько сетевых интерфейсов.

В технических описаниях к коммутаторам и некоторым сетевым устройствам часто попадается мнение, что коммутация или маршрутизация трафика проводится на полной скорости текущего канала (wire speed). Что значит этот термин? Например, при проверке устройства выяснилось, что производится маршрутизация 20 Ethernet-потоков на полной скорости канала. Значит, устройство маршрутизирует поступающие пакеты с такой же скоростью, с которой они приходили по Ethernet каналам. Если размер пакета — 64 байт, то скорость маршрутизации будет около 297 тысяч пакетов в секунду.

Логично, что если в определении маршрутизатора идет речь о работе устройства на скорости канала, то называть его медлительным нет смысла, ведь его производительность в данном случае зависит напрямую от канала связи.

Ретрансляция кадров из сегмента ЛВС в другой коммутатор может осуществляться при помощи таких способов коммутации, как:

  • Сквозная коммутация (Cute-Through).
  • Сквозная коммутация модифицированная (Interim Cute-Through).
  • Промежуточная буферизация или накопление с последующей ретрансляцией (Store-and-Forward).
  • Коммутация гибридного типа.

Не стоит говорить, что у каждого типа коммутации есть и свои плюсы, и весомые недостатки.

Для технологии коммутации второго уровня характерны высокая производительность, что позволяет создавать сложные сети широковещательных областей-доменов.