Автор: Сетевой коммутатор определяется как аппаратный компонент, отвечающий за передачу данных из компьютерной сети в конечную точку назначения посредством коммутации пакетов, идентификации MAC-адресов и многопортовой мостовой системы. В этой статье объясняется, как работает сетевой коммутатор, его типы и его применение.
Что такое сетевой коммутатор?
Сетевой коммутатор — это аппаратный компонент, отвечающий за передачу данных из сетей в конечную точку назначения посредством коммутации пакетов, идентификации MAC-адресов и многопортовой мостовой системы.
Сетевой коммутатор соединяет и передает пакеты данных между устройствами в локальной сети (LAN). В отличие от маршрутизатора, коммутатор распределяет информацию только на одно устройство, для которого он был разработан, включая какой-либо другой коммутатор, маршрутизатор или компьютер пользователя, а не на несколько устройств в сети.
В настоящее время сети имеют решающее значение для поддержки компаний, предложения связанных услуг и обеспечения совместной работы, среди прочего. Поскольку они связывают устройства, которые совместно используют ресурсы, сетевые коммутаторы являются жизненно важным компонентом всех сетей.
Сетевой коммутатор работает на уровне 2 канала передачи данных архитектуры взаимодействия открытых систем (OSI). Он принимает пакеты от точек доступа, связанных с физическими портами, а затем отправляет их только через порты, ведущие к устройству назначения.
Они также могут функционировать там, где маршрутизация происходит на сетевом уровне 3. Коммутаторы являются стандартными компонентами в сетях Ethernet, оптоволоконных каналах, InfiniBand и сетях с асинхронным режимом передачи (ATM), и это лишь некоторые из них. Однако большинство коммутаторов в настоящее время используют Ethernet.
Сетевой коммутатор juniper ex2200 соединяет сетевые устройства (принтеры, компьютеры и беспроводные устройства/точки доступа) и позволяет пользователям обмениваться пакетами данных. Коммутаторы могут быть как аппаратными, так и программными виртуальными устройствами, которые управляют физическими системами. В современных сетевых системах коммутаторы составляют большую часть сетевого оборудования.
Они соединяют настольные ПК, промышленное оборудование, беспроводные точки доступа и специальные устройства Интернета вещей (IoT) , включая системы ввода карт для Интернета.
Они соединяют машины в центрах обработки данных, которые управляют виртуальными машинами (ВМ), и большинство серверов и устройств хранения данных. В сетях поставщиков телекоммуникационных услуг они транспортируют огромные объемы данных.
Как работает сетевой коммутатор?
Сетевой коммутатор может работать тремя способами:
- Пограничные коммутаторы, также известные как коммутаторы доступа: Они обрабатывают входящий и исходящий трафик сети. Пограничные коммутаторы связывают различные устройства, включая персональные компьютеры и точки доступа.
- Агрегационные коммутаторы: коммутаторы для агрегации или распространения расположены в дополнительном промежуточном слое. Они подключаются к граничным коммутаторам, которые могут передавать трафик от одного коммутатора к другому или к основным коммутаторам.
- Основные коммутаторы: магистраль сети состоит из этих коммутаторов. Основные коммутаторы связывают пограничные или агрегационные коммутаторы, периферийные сети устройств или потребителей с сетями в центрах обработки данных, а маршрутизаторы — с организационными локальными сетями.
Как показано ниже, сетевой коммутатор — это многопортовый мост для сетей, работающих на уровне 2 соединения данных модели OSI. Он отвечает за передачу данных с использованием адресов управления доступом к среде (MAC). Некоторые коммутаторы могут пересылать данные на сетевой уровень (т. е. уровень 3), поскольку они оснащены функциями маршрутизации. Коммутаторы уровня 3, часто называемые многоуровневыми коммутаторами, являются примерами таких коммутаторов.
Когда кадры отправляются на MAC-адрес, не распознаваемый инфраструктурой коммутатора, они передаются на все порты домена коммутации для доставки их предполагаемому получателю. Насыщение также происходит в кадрах, используемых для широковещательной и многоадресной рассылки. Как часть дизайна OSI, функция переполнения BUM преобразует коммутатор в устройство канального уровня или уровня 2. Переполнение BUM относится к переполняющей рассылке неизвестного одноадресного, широковещательного и многоадресного трафика.
Коммутаторы являются важнейшими компонентами любой сети. Они связывают несколько устройств в одной сети в пределах одного помещения, например, ПК, принтеры, беспроводные точки доступа и серверы.
Коммутатор позволяет связанным устройствам передавать данные и взаимодействовать друг с другом. Когда устройства подключаются к коммутаторам, они отмечают информацию управления доступом к среде (MAC) устройства. Этот адрес представляет собой код, хранящийся в сетевой интерфейсной карте (NIC) устройства, которая является частью устройства, подключаемой к коммутатору через кабель Ethernet.
MAC-адрес определяет, какое связанное устройство отправляет исходящие пакеты и адреса, куда должны быть доставлены входящие пакеты. В отличие от IP-адреса сетевого уровня 3, который может быть назначен устройству спорадически и меняться со временем, MAC-адрес используется для постоянной идентификации физического конечного устройства. Когда устройство передает пакет другому устройству, он достигает коммутатора, который сканирует заголовок пакета, чтобы выяснить, что делать дальше.
Он проверяет адрес назначения и передает пакет на устройства через соответствующие порты. Многие коммутаторы оснащены возможностями полнодуплексной связи, чтобы свести к минимуму вероятность коллизий в сетевом трафике. Это дает пакетам всю полосу пропускания соединения между устройством и коммутатором.
Хотя коммутаторы обычно выполняют функции на уровне 2, они могут выполнять функции на уровне 3. Это необходимо для обеспечения работы виртуальных локальных сетей (VLAN) — т. е. логических сетевых сегментов, которые выходят за пределы подсетей. Трафик должен проходить между коммутаторами, чтобы перейти из одной подсети в другую, что упрощается благодаря их встроенным возможностям маршрутизации.
Типы сетевых коммутаторов
Сетевые коммутаторы доступны в различных типах и категориях для различных вариантов использования. Это:
1. Управляемые коммутаторы
Управляемые коммутаторы, которые чаще всего встречаются в коммерческих и корпоративных настройках, обеспечивают большую емкость и возможности для ИТ-экспертов. Для настройки управляемых коммутаторов используются интерфейсы командной строки. Они включают простые агенты протокола управления сетью, которые предоставляют информацию для устранения неполадок в сети.
Администраторы также могут использовать их для создания виртуальных локальных сетей, чтобы разделить локальную сеть на более мелкие части. Управляемые коммутаторы существенно дороже неуправляемых из-за их дополнительной функциональности.
2. Неуправляемые коммутаторы
Самые простые коммутаторы — это неуправляемые коммутаторы, имеющие заданную конфигурацию. Неуправляемый коммутатор просто расширяет Ethernet-подключения локальной сети, позволяя подключать дополнительные интернет-подключения к локальным устройствам. Неуправляемые коммутаторы используют MAC-адреса устройств для передачи данных туда и обратно. Обычно они являются plug-and-play, что означает, что у пользователя мало альтернатив для выбора.
Эти коммутаторы могут иметь конфигурации по умолчанию для таких аспектов, как качество обслуживания, но их нельзя изменить. Неуправляемые коммутаторы относительно дешевы, но плохие возможности делают их непригодными для многих корпоративных приложений.
3. Коммутаторы с питанием через Ethernet (POE)
Возможности PoE теперь доступны на некоторых сетевых коммутаторах, что делает установку устройств IoT и другого оборудования более быстрой, простой и безопасной. PoE — это метод подачи питания постоянного тока на маломощные устройства по проводу локальной сети. Маломощные устройства, подключенные к сетевому коммутатору с поддержкой PoE, больше не будут нуждаться в блоке питания. Когда скрыть соединения невозможно, это позволяет избежать необходимости в дополнительных розетках и делает установку эффективной. Коммутатор с поддержкой PoE также безопаснее, поскольку выходная мощность низкая и управляется интеллектуально.
4. Коммутаторы локальной вычислительной сети (LAN)
Коммутаторы LAN или коммутаторы локальной сети обычно используются для соединения локаций во внутренней локальной сети компании. Его также называют коммутатором Ethernet или коммутатором данных. Эффективное распределение полосы пропускания предотвращает перекрытие пакетов данных при их прохождении через сеть. Перед тем как направить доставленный пакет данных в пункт назначения, коммутатор LAN доставляет его. Эти коммутаторы устраняют перегрузку сети или узкие места, отправляя пакет данных исключительно его предполагаемому получателю.
5. Умные выключатели
Управляемые коммутаторы называются интеллектуальными или интеллектуальными коммутаторами, когда они обладают характеристиками, выходящими за рамки неуправляемого коммутатора, но уступающими обычному управляемому коммутатору. Поэтому они более продвинуты, чем неуправляемые коммутаторы, но менее дороги, чем полностью управляемые.
Другие альтернативы, такие как VLAN, могут не предлагать столько функций, как полностью управляемые коммутаторы. Однако, поскольку они менее дороги, они могут быть пригодны для небольших сетей с ограниченным бюджетом и меньшими требованиями к функциям.
6. Модульные коммутаторы
Модульные коммутаторы позволяют добавлять модули расширения по мере необходимости, обеспечивая большую гибкость по мере роста сети. Модули расширения для беспроводного соединения, брандмауэров и сетевого анализа — вот некоторые примеры опций расширения, специфичных для приложений.
Возможны дополнительные соединения, источники питания и вентиляторы охлаждения. Однако эти коммутаторы значительно дороже фиксированных и часто используются в крупных сетях. В большинстве случаев они также включают возможности уровня 3 (в дополнение к уровню 2), что позволяет им работать как сетевые маршрутизаторы .
7. Коммутаторы с фиксированной конфигурацией
Коммутаторы с фиксированной конфигурацией имеют фиксированное количество портов и часто не расширяются, что делает их доступными с течением времени. Наиболее распространенными коммутаторами на рынке являются следующие. Они имеют предопределенное количество портов Ethernet, например, 8 гигабитных портов, 16 портов, 24 порта и 48 портов, среди прочих. Они могут иметь различные порты (с точки зрения скорости и подключения). Однако скорость порта обычно составляет 1 Гбит/с (как минимум), а варианты подключения — либо проводные электрические порты (RJ45), либо оптоволоконные порты.
8. Стекируемые коммутаторы
Стекируемые коммутаторы позволяют оптимизировать вашу сеть, одновременно повышая ее надежность. С фактическим стекируемым коммутатором эти кластеры коммутаторов функционируют как один коммутатор, работающий от одного агента SNMP/RMON, одного домена, только одного интерфейса командной строки (CLI) или веб-интерфейса.
Возможность создания групп агрегации каналов, охватывающих несколько устройств в стеке, передача зеркального трафика с одного компонента на другой в стеке и настройка качества обслуживания (QoS), охватывающего все устройства, — все это преимущества использования этих типов коммутаторов для подключения.
9. Коммутаторы третьего уровня
Коммутаторы являются частью уровня 2 модели OSI. Они функционируют на уровне сети передачи данных, и их основная задача — как можно быстрее пересылать кадры Ethernet с одного порта на другой. Поскольку они работают на сетевом уровне модели OSI, эти коммутаторы называются коммутаторами уровня 3. Коммутатор уровня 3 представляет собой гибрид устройств уровня 2 и 3. Их программное обеспечение сложнее, чем у традиционных коммутаторов уровня 2, и они могут запускать протоколы динамической маршрутизации.
10. Коммутаторы центров обработки данных
В последние годы популярность центров обработки данных резко возросла. Почти все крупные организации объединяют свои ИТ-активы и сети в несколько крупных центров обработки данных для более легкого администрирования, управления и по другим причинам. В результате коммутаторы центров обработки данных должны обладать такими функциями, как высокая скорость работы, огромная емкость портов, низкая задержка, поддержка виртуализации, безопасность и QoS, среди прочих.
Линейка устройств Cisco Nexus является прекрасным примером коммутаторов ЦОД. Эти коммутаторы идеально подходят для реализации концепции программно-определяемой сети (SDN) и обеспечивают виртуализацию и программируемость.
11. Коммутаторы с оптоволоконными портами
Разъем RJ45 подключается к стандартному кабелю Ethernet и является наиболее распространенным интерфейсом коммутатора. Во многих случаях вам понадобится использовать оптоволоконное соединение, чтобы расширить соединение за пределы 100-метрового предела стандартных кабелей Ethernet. Коммутаторы с оптоволоконными портами часто имеют порты RJ45 и дополнительные оптоволоконные порты для подключения к оптоволоконным соединениям.
Их называют подключаемыми оптоволоконными портами малого форм-фактора. В большинстве случаев оптоволоконные порты используются для подключения к другим удаленным коммутаторам, как внутри того же здания, так и на объектах, расположенных на расстоянии километров друг от друга.
12. Переключатель клавиатуры, видео и мыши (KVM)
Этот коммутатор подключает несколько компьютеров к клавиатуре, мыши или монитору. Эти коммутаторы часто используются для управления группами серверов, при этом кабели отключаются от рабочего стола. KVM-коммутатор — это отличный интерфейс для пользователя, который хочет управлять несколькими машинами с одной консоли. Горячие клавиши клавиатуры обычно можно настроить на эти устройства, что позволяет быстро переключаться между ПК. Удлинитель KVM может расширить радиус действия коммутатора на несколько сотен футов для передачи видеосигналов DVI, VGA или HDMI.
5 основных вариантов использования сетевого коммутатора
При развертывании сетевых коммутаторов ИТ-менеджерам следует помнить о следующих вариантах использования и областях применения:
1. Установите соединение с несколькими разными хостами.
Сетевой коммутатор может иметь бесконечное количество портов для подключения кабелей, что полезно в топологии «звезда». Кроме того, коммутаторы подключают множество компьютеров к сетевой системе. Независимо от того, расположены ли компьютеры в другом конце комнаты или на другом конце света, основная функция сетевого коммутатора — эффективно перемещать пакеты данных с одного компьютера на другой. Это справедливо независимо от физического расстояния между устройствами. Несколько других устройств помогают в транспортировке данных по маршруту, но коммутатор является критически важным компонентом сетевой конструкции.
Каждый порт на сетевом коммутаторе имеет тот же механизм пересылки или фильтрации. Пользователи могут иметь несколько портов, связывающих каждый коммутатор, путем каскадирования нескольких коммутаторов вместе, каждый из которых может быть настроен и работать индивидуально в группе.
2. Разгрузка сетевого трафика
Использование коммутаторов для разгрузки трафика в аналитических целях является обычным явлением. Коммутаторы в сети могут помочь регулировать различные типы сетевого трафика, такие как входящий и исходящий трафик сети и подключение множества сетевых устройств, таких как персональные компьютеры и беспроводные точки доступа. Ключевым понятием в этом отношении является «пересылка».
Пересылка — это процесс маршрутизации сетевого трафика от одного устройства, подключенного к одному порту сетевого коммутатора, к другому устройству, подключенному к другому порту коммутатора. Этот процесс начинается, когда одно устройство подключается к одному порту, и заканчивается, когда другое устройство подключается к другому порту коммутатора.
Это полезно для сетевой безопасности , поскольку позволяет расположить коммутатор перед маршрутизатором глобальной сети (WAN) до того, как трафик будет отправлен в локальную сеть. Это также похоже на то, что использование сетевых коммутаторов упростит обнаружение вторжений, анализ производительности и настройку брандмауэров. Например, перед отправкой данных в анализатор пакетов или систему обнаружения вторжений зеркалирование портов может помочь создать зеркальную копию информации, проходящей через коммутатор. Это происходит до того, как информация будет отправлена в пункт назначения. Это помогает в будущем анализе.
3. Оптимизируйте пропускную способность локальной сети
Сетевые коммутаторы делят сеть LAN на множество доменов коллизий, каждый из которых имеет свое широкополосное соединение, что приводит к увеличению полосы частот LAN. При передаче кадров сетевые коммутаторы могут генерировать неизмененный квадратный электрический сигнал.
Коммутаторы — это устройства, которые одновременно работают на нескольких уровнях модели OSI, таких как каналы передачи данных, сети или транспортные уровни. Многоуровневые коммутаторы — это устройства, которые одновременно работают на многих уровнях. Эффективная коммутация необходима для обработки возросшего сетевого трафика от видео и других приложений, интенсивно использующих полосу пропускания, большего количества пользовательских устройств и большего количества пакетов, предназначенных для серверов и облачных хранилищ. Любая малая или средняя фирма может использовать коммутацию LAN для поддержания скоростей и надежности, необходимых пользователям.
4. Заполните таблицу MAC-адресов.
Как устройство уровня 2, коммутатор будет основывать все свои решения на данных, содержащихся в заголовке L2. В зависимости от источников и пунктов назначения MAC-адресов коммутаторы будут определять путь пересылки. Создание базы данных MAC-адресов, которая сопоставляет каждый из портов коммутатора с MAC-адресами подключенных устройств, является одной из задач коммутатора.
База данных MAC-адресов пуста в начале, и когда коммутатор получает данные, он проверяет поле исходного MAC-адреса входящего кадра. Он заполняет базу данных MAC-адресов исходными MAC-адресами и портом коммутатора, собирающим пакет. В конечном итоге коммутатор будет иметь полностью заполненную таблицу MAC-адресов, поскольку каждое подключенное устройство что-то доставляет. Затем можно использовать эту таблицу для интеллектуального продвижения кадров в нужное им место.
5. Включите фильтрацию MAC-адресов и другие функции контроля доступа.
Наконец, давайте обсудим вариант использования фильтрации сетевых коммутаторов. Эта функция указывает, что коммутатор никогда не будет пересылать кадр обратно из того же порта, на который он был получен. Можно использовать фильтр MAC-адресов, чтобы предотвратить подключение определенных узлов. Вы можете добиться этого, фильтруя исходные и целевые адреса Ethernet MAC-уровня на исходном (входящем) порту коммутатора.
В зависимости от потребностей управления доступом к сети фильтрующий MAC-адрес может быть одноадресным, многоадресным или широковещательным. Когда коммутатору необходимо заполнить кадр, кадр копируется и отправляется на все порты коммутатора, за исключением того, который его получил. Хост редко отправляет кадр с пунктом назначения в качестве собственного MAC-адреса. Это часто происходит из-за того, что хост находится в неправильной ситуации или является вредоносным. Когда это происходит, коммутатор просто отбрасывает кадр в любом случае.
