Коммутатор (свитч) : функции и особенности сетевого устройства

Что такое Свитч?

Свитч – от английского «switch» (переключатель), сетевой коммутатор. Как и хаб, свитч предназначен для объединения множества компьютеров в одну локальную сеть. Подобный пример иллюстрирует схема ниже. Она ничем не отличается от предыдущей, за исключением того, что вместо хаба наши компьютеры подключены уже к сетевому коммутатору.

Сетевой коммутатор также имеет несколько разъёмов для подключение компьютеров, которые, как и у хаба, именуются портами. На следующем рисунке вы можете видеть свитч D-Link с 24-мя портами.

Хотя на первый взгляд может показаться, что свитч очень похож на сетевой концентратор, он принципиально отличается от своего предшественника способом передачи данных между компьютерами. Получив пакет от одного компьютера, сетевой коммутатор не передаёт его без разбору всем остальным ПК в сети, а направляет по адресу – именно тому компьютеру, с которым необходимо установить контакт. Например, когда ПК1 отправляет пакет ПК3, свитч передаёт его именно этому компьютеру, не нервируя лишними данными ПК2. Ответ от ПК3 свитч также транслирует исключительно отправителю, т.е., ПК1.

Таким образом, информация в сети со свитчем передаётся и получается адресно. Проще говоря, два компьютера общаются между собой практически напрямую посредством сетевого коммутатора. В сети с хабом «разговор» этих двух ПК «услышали» бы все остальные компьютеры.

Теперь надеемся, вы поняли, чем отличается сетевой концентратор от сетевого коммутатора. Но данные устройства используются лишь для объединения компьютеров в сеть. А как быть, если всем этим компьютерам требуется предоставить выход в интернет? Тут на сцену выходит роутер.

Функции и особенности работы оборудования

Свитчи применяются для организации простой локальной связи и имеют некоторые особенности работы. К примеру, коммутаторы способны производить аналитический срез информационного пакета и отправлять сведения непосредственно абоненту, а не распространять по всем пользователям локальной сети, как поступает концентратор. В чем же практичность? Нагрузка, направленная на сервер в этом случае, снижается, причём производительность возрастает. Особо важным является факт надежности при транспортировке данных. Передача информации осуществляется таким образом, что для всех участников локальной сети, кроме адресата, информация закрыта и ее невозможно заполучить просто так.

Особенности работы оборудования осуществляется на канальном режиме устройства OSI, что обеспечивает объединение узлов на МАС-адресе. Отдельный порт отображается по уникальному МАС-адресу.

В процессе работы коммутатор фиксирует в памяти структуру из МАС-адресов, существующих в рамках сетки. Данная таблица заполняется до тех пор, пока на все сетевые порты не поступит комплект сведений. Затем все интернет-порты, расположенные в рамках системы получат свои МАС-адреса. Тем самым, комплекты данных достигают получателей по МАС-адресам и не перенаправляются другим пользователям сети. А когда происходит перезагрузка коммутатора, обнуляются все данные и перезаписываются снова.

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.

Отличие от маршрутизатора

Мы разобрались с тем, что нет существенных между коммутатором и свитчем, разница с концентратором тоже понятна, остался только один вопрос — чем же от них отличается маршрутизатор.

Роутер (маршрутизатор) — это устройство, которое может не только распределять трафик по адресатам, но и работать в соответствии с правилами и таблицами маршрутизации. Это мини-компьютер с широким спектром настраиваемых функций. Роутер может быть и проводным и использовать технологию WiFi, принцип работы остаётся тем же.

Если попробовать сравнить показатели, то свитч сильно уступает роутеру по функциональности.

Разобравшись с тем, что такое коммутатор (свитч), для чего нужен и что он делает, можно подвести итоги. Это устройство используется для создания сегментов сети, оно лучше концентратора, но менее функционально, чем роутер.

А коммутаторы используются в сетях с простой системой распределения трафика, это позволяет сохранить безопасность и избежать настройки и администрирования роутера.

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.

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.

Принцип функционирования коммутатора

Принцип работы коммутатора основывается на заполнении логической матрицы MAC-адресами в контентно-адресуемой памяти устройства. Каждый из адресов соответствует определенному узлу сети и ему назначается отдельный порт коммутации. Для того чтобы заполнить матрицу MAC-адресами, при первом включении устройство отправляет входящие на один из портов фреймы (или их еще называют «кадры») с данными на все остальные существующие порты. После анализа всех фреймов, коммутатор заполняет таблицу MAC-адресами хостов сети и локализует трафик.

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.

Разновидности

Коммутаторы бывают нескольких видов:

• Управляемые или программируемые – у таких устройств внутри также заложена система настроек портов. В такой системе системный администратор или инженер может назначить гибкую работу сети. Например, с помощью коммутатора можно разделить все подключённые устройства на разные подсети, чтобы пакеты информации были только в одной подсети и не выходили за её пределы. Например, в организации есть обычные менеджеры и бухгалтерия – и с помощью коммутатора их можно разделить. Чтобы доступ к документам имел только свой отдел.
• Неуправляемые – это обычные аппараты, работающие по простому принципу, который я описал выше. Проблема таких устройств в том, что они не имеют четкого ограничения и при желании все устройства имеют доступ к друг-другу. Подобные свичи можно использовать внутри определенной подсети или в маленьких офисах. Часто используют дома, так как сегментов не так много.

Ещё коммутаторы могут различаться по уровню, на котором они работают по модели OSI. Данную модель должен знать каждый уважающий себя IT инженер или системный администратор. Но на всякий случай приведу удобную табличку.

2 уровня – работает с получением кадров и MAC-адресами. Не работают с IP адресами и понимают информацию вида: MAC-адрес и приоритетный тег (IEEE 802.1p).

3 уровня – работает со всеми видами IP (IPv4, IPv6, IPX, IPSec), также может работать с защитой трафика на подобном уровне. Можно также называть и маршрутизатором, так как данный аппарат может работать с протоколами: PPPTP, PPPoE, VPN и т.д.

4 уровень – более высокий уровень адресации, который можно настроить не только между устройствами, но и при использовании определенных приложений. Работает также со всеми другими уровнями: 2 и 3.

Параметры

Итак, у нас есть вот такие нехитрые коробочки с сетевыми портами. Как я уже и говорил, порты могут быть разного вида. То есть работать как с витой парой, так и с коаксиальным и оптоволоконным кабелем. Есть совмещенные коммутаторы.

Например, есть два офиса: центральный (где находится сервер) и второстепенный. Второстепенный можно подключить с помощью оптоволокна. То есть связующий порт будет оптический. Но вот далее все остальные локальные порты будут типа Ethernet. Как видите коммутаторы могут иметь разное количество портов – всё зависит от потребности пользователя. Мелкие обычно используют в домашних условиях или небольших офисах. Большие же часто применяют в крупных организациях.

Также порты могут иметь разную скорость. Чаще используют входные порты по 1000 Мбит/с в секунду, а локальные по 100 Мбит/с. Если в организации используется более оживленный трафик, то локальные порты могут быть 1-2 Гбит/с или вообще использовать оптоволокно с более высокой скоростью.

PoE

Помимо всего у некоторых моделей есть поддержка PoE портов. PoE порт – это специальный вход, который позволяет питать устройство по сетевому кабелю. Например, у вас есть камера, которую нужно установить в труднодоступном месте, где нет отдельных розеток. Тогда питание можно подать по PoE выходу. То есть устройство одновременно будет подключено к сети и к питанию.

SFP

SFP-порты позволяют использовать «оптику» для подключения отдаленных устройств. Обычно витая пара имеет небольшую дистанцию действия – 50-100 метров. Оптоволокно может бить куда дальше. Также оптический кабель надежнее защищен от электромагнитного воздействия и имеет меньший диаметр.

Mpps

Ещё одна очень важная характеристика, а именно скорость обслуживания пакетов. Из названия понятно, что данный параметр должен быть достаточно высокий в больших локальных сетях. Измеряется в Mpps (million packet per second – миллион пакетов в секунду). В малых сетях используют слабые аппараты от 2,0 до 10,0 Mpps. В крупных компаниях, работающих с трафиком, до 71,4 Mpps. Понятно дело, что чем больше этот показатель – тем дороже switch.

Размер таблицы

У нас используется таблица именно-MAC адресов. Если локальная сеть будет слишком сложной и таблицы не будет хватать, то сеть может подтормаживать, так как коммутатору нужно будет перезаписывать новый адреса, на старые. Один адрес занимаем 48 бит. В некоторых случаях инженеру нужно изначально подсчитать – какого размера будет таблица.

Способ крепления

Можно разделить на два вида: настольный и настенный. Первый вариант обычно устанавливают в серверные шкафы. Второй вариант можно крепить в любой место и прикручивать хоть на потолок, хоть на стену. Подобные виды используют именно вдали от сервера при подключении большого количества машин.

Режимы коммутации

Устройство может передавать трафик на узлы в нескольких режимах, они отличаются соотношением времени ожидания и надежности.

Режимы коммутации:

1. Сквозной. Используется, когда скорость важнее надежности. Пакет данных отправляется сразу, как получен MAC-адрес узла-получателя. При таком режиме невозможно вычислять контрольные суммы, а именно они показывают наличие/отсутствие ошибок, поэтому надёжность не контролируется.
2. С промежуточным хранением. В этом случае надёжность важнее, и свитч сначала полностью получает пакет данных (кадр), потом проверяет контрольную сумму, чтобы убедиться, что ошибок нет. Только после этого пакет отправляется к получателю, а кадры с ошибками отбрасываются.
3. Бесфрагментный. Это компромисс между скоростью и надёжностью: считываются и проверяются лишь первые 64 байта, после чего кадр начинает передаваться на узел.

Так, в зависимости от режима, работает коммутатор для интернета, что это такое и как он работает станет понятно после сравнения его с концентраторами и маршрутизаторами.

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.

Асимметрическая и симметрическая коммутация

Что такое коммутатор, и какой функционал он исполняет, вы уже знаете. Давайте поговорим про передачу данных. Симметрия при коммутации необходима, чтобы дать характеристику самому прибору с точки зрения полосы пропуска, её возможностей для каждого порта устройства. Он позволяет обеспечить одинаковую ширину, когда все порты могут передавать 100 Мб/с или 10 Мб/с.

Асимметричный коммутатор может обеспечить соединение, если у портов различная пропускная способность. Так он спокойно обработает данные, которые идут со скоростью 10, 100 и 1000 Мб/с. Асимметричную коммутацию можно использовать при наличии больших потоков сетевых данных, которые устроены по принципу «клиент-сервер». Чтобы направлять данные с порта, на котором существенно крупнее массив информации, на меньший, используют буфер памяти. Он необходим для того, чтобы не возникало опасности переполнения, и, соответственно, потери данных. Также асимметричные коммутаторы необходимы для поддержания работоспособности вертикальных кросс-соединений и каналов между отдельными сегментами магистралей.

Выбор коммутатора

Прежде чем купить подходящий коммутатор, необходимо составить план будущей сети и определиться с ее основными характеристиками. Рекомендуется обратить более пристальное внимание на следующие критерии.

Количество портов. Рекомендуется выбирать коммутатор с некоторым запасом, если в будущем планируется расширение сети.

Скорость передачи данных каждого из портов может варьироваться в зависимости от модели. Исходя из нее, вычисляется пропускная способность коммутатора – максимальный объем трафика, проходящий через устройство за единицу времени, путем перемножения количества портов на скорость передачи данных. Если получившееся число больше заявленной производителем внутренней широты пропускания, то такое коммутационное устройство не справится с большими нагрузками сети.

Немаловажен размер матрицы MAC-адресов, если она небольшая, то адреса будут перезаписываться, а скорость приема и отправки данных уменьшится.

При работе с трафиком коммутатор может предусматривать встроенную функцию управления потоком для осуществления передачи данных без потерь в условиях высокой нагрузки на сеть. Для гигабитных сетей могут понадобиться расширенные пакеты Jumbo Frame, которые способны увеличить производительность сети до 300 процентов.

Практически все коммутационные устройства автоматически согласуют полудуплексный и полнодуплексный режимы, что позволяет обойти ряд проблем при эксплуатации устройств с разными режимами. Для ЛВС, в которых трафик будет состоять по большей части из медиафайлов, необходима функция приоритизации трафика (стандарт IEEE 802.1p). Если есть необходимость в дроблении сети на несколько частей, то в таком случае будет важно наличие поддержки VLAN (стандарт IEEE 802.1q).

Если планируется стекирование коммутаторов, или соединение нескольких коммутаторов в единый модуль, то лучше отдать предпочтение устройству с наибольшим количеством портов.

Обычно современные устройства также обладают функциями диагностики кабеля, защиты от вирусного трафика, энергосбережения, которые позволяют защитить коммутатор от перегрузок, зависаний и других неполадок.

В каталоге Интернет-магазина «Маринэк» представлен широкий выбор промышленных коммутаторов производства LG-ERICSSON, а также различное сетевое оборудование, включающее в себя Wi-Fi-роутеры, маршрутизаторы и сетевые коммутаторы. Специалисты «Маринэк» проконсультируют вас при выборе и помогут купить подходящее для вас устройство. Вас также может заинтересовать весьма популярный производитель сетевого оборудования MikroTik, предлагающий недорогие сетевые устройства с широкими возможностями создания гибкой IT-инфраструктуры.

Заключение

Развитие не стоит на месте, и уже на момент написания этой статьи коммутаторы считаются устаревшими устройствами. Конечно, применять их с чисто технической стороны вопроса ещё можно, но сейчас, когда существуют роутеры, которые вобрали в себя их функционал и дополнительно могут обеспечивать передачу данных по беспроводной сети, коммутаторы выглядят довольно бледно.

[spoiler title=»Источники»]

• http://www.adsl.kirov.ru/projects/articles/help/internet/lan/hub_switch_i_router/
• https://2hpc.ru/%D1%81%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B9-%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BC%D1%83%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80-%D0%B8%D0%BB%D0%B8-%D1%81%D0%B2%D0%B8%D1%82%D1%87-switch/
• https://besprovodnik.ru/kommutator/
• https://WiFiGid.ru/poleznoe-i-interesnoe/kommutator-switch
• https://14bytes.ru/razbiraemsja-kak-rabotaet-kommutator-seti-ethernet-switch/
• https://landcomm.ru/dokumentacija/11867/
• https://www.syl.ru/article/228901/new_chto-takoe-kommutator-i-gde-on-ispolzuetsya

[/spoiler]