Принцип работы выключателей
- Коммутатор устанавливает соответствие между MAC-адресом источника и портом коммутатора в соответствии с полученным кадром данных и записывает его в таблицу MAC-адресов.
- Коммутатор сравнивает MAC-адрес назначения в кадре данных с установленной таблицей MAC-адресов, чтобы решить, какой порт будет его пересылать.
- Если MAC-адрес назначения в кадре отсутствует в таблице MAC-адресов, он пересылается на все порты. Этот процесс называется наводнением.
- Кадры широковещательной рассылки и кадры многоадресной рассылки пересылаются на все порты.
Три основные функции переключателей
Обучение: Ethernet-коммутатор запоминает MAC-адрес каждого устройства, подключенного к порту, и сопоставляет адрес с соответствующим портом в таблице MAC-адресов в кэше коммутатора.
Пересылка/фильтрация: Когда адрес назначения кадра данных отображается в таблице MAC-адресов, он пересылается на порт подключенного узла назначения, а не на все порты (или на все порты, если кадр данных является широковещательным/многоадресным). Рамка).
Устранение петель: когда коммутатор включает в себя избыточную петлю, коммутатор Ethernet избегает создания петель через протокол связующего дерева, допуская при этом существование процедуры резервного копирования.
Рабочие характеристики выключателей
- Каждый порт коммутатора подключен к сегменту, который является независимым конфликтным доменом.
- Подключенные к коммутатору устройства по-прежнему находятся в одном широковещательном домене, то есть коммутатор не изолирован от широковещательной рассылки (единственное исключение — среда с VLAN).
- Коммутатор пересылает информацию на основе заголовка кадра. Следовательно, коммутатор — это сетевое устройство, работающее на канальном уровне (под коммутатором здесь понимается только традиционное коммутационное устройство уровня 2).
Классификация переключателей
В соответствии с различными режимами работы коммутатора при обработке кадров выделяют две основные категории.
- Коммутация с промежуточным хранением: коммутатор должен получить весь кадр и выполнить проверку ошибок перед пересылкой. Если ошибок нет, кадр отправляется на адрес назначения. Задержка пересылки кадра через коммутатор зависит от длины кадра.
- Сквозная коммутация: Коммутатор пересылает кадр, как только проверяет адрес назначения, содержащийся в заголовке кадра, не дожидаясь получения кадра целиком и без проверки ошибок. Поскольку длина заголовка кадра Ethernet всегда фиксирована, задержка при пересылке кадра через коммутатор остается неизменной.
Коммутатор уровня 2, уровня 3 и уровня 4
Понимание 1:
Коммутация уровня 2 (также известная как мост) — это аппаратный мост. Пакеты пересылаются на основе уникального MAC-адреса каждого конечного узла. Высокая производительность коммутации уровня 2 может привести к проектированию сети, в которой увеличивается количество хостов в подсети. Он по-прежнему имеет характеристики и ограничения моста.
Коммутация уровня 3 — это аппаратная маршрутизация. Основное различие между маршрутизатором и коммутатором уровня 3 в операциях коммутации пакетов заключается в физической реализации.
Коммутация уровня 4 просто определяется как возможность принимать решения о переадресации на основе не только MAC-адресов (мостовое соединение уровня 2) или IP-адресов источника/назначения (маршрутизация уровня 3), но также и портов приложений TCP/UDP. Это позволяет сети различать приложения при принятии решения о маршрутизации. Возможность приоритизации потоков данных на основе конкретных приложений. Он обеспечивает более детализированное решение для методов обеспечения качества обслуживания на основе политик. Предоставляет способ различать типы приложений.
Понимание 2:
Коммутатор уровня 2: на основе MAC-адреса
Коммутатор уровня 3: обеспечивает функцию VLAN для коммутации и маршрутизации. IP (сетевой) на основе
Коммутатор уровня 4: на основе порта (приложение)
Понимание 3:
Технология коммутации уровня 2 эволюционировала от мостов до VLAN (виртуальная локальная сеть) и широко используется при построении и преобразовании локальных сетей. Технология коммутации уровня 2 работает на втором уровне взаимодействия открытых систем (OSI), а именно на канальном уровне. Он пересылает пакеты в соответствии с MAC-адресом получателя полученных пакетов и является прозрачным для протоколов сетевого уровня или более высокого уровня. Он не обрабатывает IP-адрес сетевого уровня или адрес порта протоколов более высокого уровня, таких как TCP и UDP, ему нужен только физический адрес пакета (MAC-адрес). Обмен данными осуществляется аппаратно, и его скорость довольно высока, что является существенным преимуществом коммутации уровня 2. Однако он не может обрабатывать обмен данными между разными IP-подсетями. Традиционные маршрутизаторы могут обрабатывать большое количество пакетов через IP-подсети, но их эффективность пересылки ниже, чем у уровня 2. Поэтому, чтобы воспользоваться преимуществами высокой эффективности пересылки уровня 2 и обрабатывать IP-пакеты уровня 3, коммутация уровня 3 технология родилась.
Принцип работы технологии коммутации уровня 3: Коммутация уровня 3 работает на третьем уровне OSI, то есть на сетевом уровне. Он использует информацию заголовка пакета IP-пакета в протоколе уровня 3 для маркировки последующего трафика данных, а последующие пакеты трафика с той же меткой переключаются на канальный уровень 2. Таким образом, канал может быть открыт между исходным IP-адресом и IP-адресом назначения. Этот путь проходит через канальный уровень 2. При таком пути коммутатору уровня 3 не нужно каждый раз распаковывать полученные пакеты для определения маршрута, а напрямую пересылать пакеты и обмениваться потоком данных.
Понимание 4:
Технология коммутации уровня 2
Технология коммутации уровня 2 является зрелой. Коммутаторы уровня 2 — это устройства на канальном уровне. Они могут идентифицировать MAC-адреса в пакетах данных, пересылать пакеты данных на основе MAC-адресов и записывать MAC-адреса и соответствующие порты во внутреннюю таблицу адресов. Конкретный рабочий процесс выглядит следующим образом:
Когда коммутатор получает пакет от порта, он сначала считывает исходный MAC-адрес в заголовке пакета, чтобы знать, к какому порту подключена машина с исходным MAC-адресом.
Затем прочитайте MAC-адрес назначения в заголовке пакета и найдите соответствующий порт в таблице адресов;
Если в таблице есть порт, соответствующий MAC-адресу назначения, пакет данных копируется непосредственно на этот порт.
Если соответствующий порт не может быть найден в таблице, коммутатор рассылает пакет на все порты. Когда машина назначения отвечает машине-источнику, коммутатор узнает, какой порт соответствует MAC-адресу назначения. Тогда коммутатору не нужно транслировать все порты при следующей передаче данных.
В этом процессе можно узнать информацию о MAC-адресе всей сети. Таким образом, коммутатор уровня 2 создает и поддерживает свою собственную таблицу адресов.
Принцип работы коммутаторов уровня 2 можно представить следующим образом:
Поскольку коммутатор одновременно обменивается данными большинства портов, ему требуется широкая полоса пропускания шины коммутации. Если коммутатор уровня 2 имеет N портов, пропускная способность каждого порта равна M, а пропускная способность шины коммутатора превышает N×M, коммутатор может реализовать коммутацию на скорости среды передачи.
Узнайте MAC-адрес машины, подключенной к порту, запишите в таблицу адресов, размер таблицы адресов (обычно двумя способами: BEFFER RAM, значение записи MAC), размер таблицы адресов влияет на пропускную способность коммутатора .
Во-вторых, коммутаторы уровня 2 обычно содержат специализированную интегральную схему (ASIC), специально используемую для обработки пересылки пакетов, поэтому скорость пересылки может быть очень высокой. Поскольку разные производители используют ASIC, это напрямую влияет на производительность продукта.
Вышеупомянутые три пункта также являются основными техническими параметрами для оценки производительности коммутаторов уровня 2 и 3, которые, пожалуйста, обратите внимание на сравнение при выборе оборудования.
Технология маршрутизации
Маршрутизатор работает на Уровне 3 модели OSI, сетевом уровне, который работает в режиме, аналогичном коммутации Уровня 2, но маршрутизатор работает на Уровне 3. Это различие диктует, что маршрутизация и коммутация используют различную управляющую информацию при передаче пакетов и реализуют функционирует по-разному. Принцип работы заключается в том, что внутри маршрутизатора также есть таблица, и эта таблица указывает на то, что если он идет в определенное место, следующий шаг должен идти туда, и если он может найти из таблицы маршрутизации, куда идет пакет затем добавляется и пересылается информация канального уровня; если он не может знать, куда он идет дальше, пакет отбрасывается и сообщение возвращается на исходный адрес.
Технология маршрутизации по сути состоит всего из двух функций: определения оптимального маршрута и пересылки пакетов. В таблицу маршрутизации записывается различная информация, алгоритм маршрутизации рассчитывает наилучший путь к адресу назначения, после чего относительно простой и прямой механизм пересылки отправляет пакет данных. Следующий маршрутизатор, получивший данные, продолжает пересылать их таким же образом и так далее, пока пакет не достигнет маршрутизатора назначения. Таблица маршрутизации поддерживается двумя разными способами. Одним из них является обновление маршрутной информации, при котором публикуется часть или вся маршрутная информация. Маршрутизаторы могут управлять структурой топологии всей сети, изучая информацию о маршрутизации друг от друга. Такой протокол маршрутизации называется протоколом дистанционно-векторной маршрутизации. Другой заключается в том, что маршрутизаторы передают информацию о состоянии своей собственной связи, учатся друг у друга, чтобы управлять информацией о маршрутизации всей сети, а затем вычисляют наилучший путь пересылки. Этот тип протокола маршрутизации называется протоколом маршрутизации состояния канала. Поскольку маршрутизатору необходимо выполнять множество расчетов пути, производительность общего процессора напрямую определяется его работоспособностью. Конечно, это суждение по-прежнему относится к недорогим маршрутизаторам, потому что высокопроизводительные маршрутизаторы часто используют дизайн системы распределенной обработки.
Технология коммутации уровня 3
Сеть относительно проста
Устройство A с использованием IP — Коммутатор уровня 3 — Устройство B с использованием IP
Например, если A хочет отправить данные B и IP-адрес назначения известен, тогда A использует маску подсети, чтобы получить сетевой адрес и определить, находится ли IP-адрес назначения в том же сегменте сети, что и он сам.
Если пользователь находится в том же сегменте сети, но не знает MAC-адреса, необходимого для пересылки данных, пользователь А отправляет запрос ARP. Пользователь B возвращает свой MAC-адрес. Пользователь A использует MAC-адрес для инкапсуляции пакета данных и отправляет его коммутатору.
Если IP-адреса назначения отображаются в разных сегментах сети. Чтобы обеспечить связь между A и B, первый нормальный пакет отправляется на шлюз по умолчанию, если в записи кэша потока нет соответствующей записи MAC-адреса. Этот шлюз по умолчанию был настроен в операционной системе в соответствии с модулем маршрутизации уровня 3, поэтому данные видны для разных подсетей. MAC-адрес шлюза по умолчанию помещается первым в таблицу MAC-адресов. Затем модуль 3-го уровня получает пакет, запрашивает таблицу маршрутизации, чтобы определить маршрут к B, и создает новый заголовок кадра, в котором MAC-адрес шлюза по умолчанию является MAC-адресом источника, а адрес хоста B — целевым. MAC-адрес. Соответствующая взаимосвязь между MAC-адресами и портами пересылки хостов A и B устанавливается с помощью определенного триггерного механизма идентификации, и записывается таблица входящих записей кэша. Последующие данные от A до B передаются напрямую в модуль коммутации уровня 2. Обычно это называется множественной переадресацией маршрута.
Выше приведен краткий обзор рабочего процесса коммутатора 3-го уровня, который показывает характеристики коммутации 3-го уровня.
- Высокоскоростная пересылка данных реализована аппаратной комбинацией.
Это не просто коммутатор уровня 2 и маршрутизатор, наложенные друг на друга. Модули маршрутизации уровня 3 непосредственно накладываются на высокоскоростную объединительную шину коммутации уровня 2, преодолевая ограничение скорости интерфейса традиционных маршрутизаторов, и скорость может достигать десятков Гбит/с. Вместе с пропускной способностью объединительной платы это два важных параметра производительности коммутатора уровня 3.
- Простое программное обеспечение маршрутизации упрощает процесс маршрутизации.
Большая часть пересылки данных, за исключением необходимого выбора маршрута, обрабатывается программным обеспечением маршрутизации, пересылается модулем уровня 2 на высокой скорости. Программное обеспечение для маршрутизации в основном эффективно и оптимизируется после обработки, а не простого копирования программного обеспечения в маршрутизаторе.
Вывод:
Коммутаторы уровня 2 используются в небольших сетях LAN. На маленькие ланы широковещательные пакеты мало влияют. Коммутаторы уровня 2 с их функцией быстрого переключения, несколькими портами доступа и низкой стоимостью представляют собой идеальное решение для небольших сетевых пользователей.
Преимуществами маршрутизатора являются разнообразные типы интерфейсов, мощные функции уровня 3 и мощные возможности маршрутизации. Подходит для маршрутизации между большими сетями. Его преимущества заключаются в функциях выбора наилучшего маршрута, распределения нагрузки, резервирования канала и обмена маршрутной информацией с другими сетями.
Наиболее важной функцией коммутатора уровня 3 является ускорение быстрой пересылки данных в большой локальной сети. Для этой цели также добавлена функция маршрутизации. Если крупную сеть разбить на маленькие ланы по отделам, регионам и другим факторам, то это приведет к большому количеству выходов в интернет, что невозможно реализовать просто с помощью коммутаторов 2-го уровня. Например, из-за ограниченного количества интерфейсов и низкой скорости маршрутизации и пересылки скорость и масштаб сети будут ограничены, если используются только маршрутизаторы. Поэтому предпочтительны коммутаторы уровня 3 с функциями маршрутизации и быстрой переадресации.
Вообще говоря, если коммутаторы уровня 3 используются для выполнения этой задачи в сети с интенсивным трафиком данных интрасети и требуют быстрой пересылки и ответа, коммутаторы уровня 3 будут перегружены, и это повлияет на скорость ответа. Таким образом, хорошей сетевой стратегией является назначение маршрутизаторов для завершения межсетевой маршрутизации и полного использования преимуществ различных устройств.
Технология коммутации уровня 4
Простое определение коммутации уровня 4 заключается в том, что это функция, которая определяет транспорт на основе не только MAC-адресов (мосты уровня 2) или IP-адресов источника/назначения (маршруты уровня 3), но также и приложения TCP/UDP (уровень 4). номера портов. Функции коммутации уровня 4 подобны виртуальному IP, указывающему на физические серверы. Он передает услуги с использованием различных протоколов, таких как HTTP, FTP, NFS, Telnet и других протоколов. Эти сервисы основаны на физических серверах и требуют сложных алгоритмов балансировки нагрузки.
В мире IP тип службы определяется адресом порта TCP или UDP терминала. При коммутации уровня 4 интервал приложений определяется IP-адресами источника и терминала, а также портами TCP и UDP. При переключении уровня 4 для каждой группы поисковых серверов устанавливается виртуальный IP-адрес (VIP). Каждая группа серверов поддерживает определенные приложения. Каждый адрес сервера приложений, хранящийся на сервере доменных имен (DNS), является виртуальным IP-адресом, а не реальным адресом сервера. Когда пользователь подает заявку на приложение, запрос на подключение VIP (например, пакет TCP SYN) с целевой группой серверов отправляется на коммутатор сервера. Переключатель серверов выбирает лучший сервер в группе, заменяет виртуальный IP-адрес в терминальном адресе IP-адресом фактического сервера и отправляет запрос на подключение к серверу. Таким образом, все пакеты в одном и том же интервале отображаются коммутатором сервера и передаются между пользователем и одним и тем же сервером.
Принцип переключения четвертого уровня:
Четвертый уровень модели OSI — транспортный уровень. Транспортный уровень отвечает за сквозную связь, то есть за координацию связи между сетевыми исходными и целевыми системами. В стеке протоколов IP это уровень протокола, на котором находятся TCP (транспортный протокол) и UDP (протокол пользовательских пакетов). На уровне 4 заголовки TCP и UDP содержат номера портов, которые однозначно определяют, какие прикладные протоколы (такие как HTTP, FTP и т. д.) содержит каждый пакет. Системы конечных точек используют эту информацию для различения данных в пакетах, и, в частности, номер порта позволяет принимающей компьютерной системе определить тип полученного IP-пакета и доставить его соответствующему программному обеспечению высокого уровня. Комбинация номера порта и IP-адреса устройства часто называется сокетом. Номера портов от 1 до 255 зарезервированы. Их называют «знакомыми» портами, то есть они одинаковы для всех хост-реализаций стека TCP/IP. Стандартным службам UNIX назначаются номера портов в диапазоне от 256 до 1024, за исключением «знакомого» номера порта. Пользовательским приложениям назначаются номера портов выше 1024. Самый последний список назначенных номеров портов можно найти в RFc1700 «Назначенные номера». Номер порта TCP/UDP предоставляет дополнительную информацию, которую может использовать сетевой коммутатор, являющийся основой коммутации уровня 4.
Примеры знакомых номеров портов:
Номер порта протокола приложения
FTP 20 (данные), 21 (управление)
ТЕЛНЕТ 23
SMTP 25
HTTP 80
ННТП 119
NNMP 16 162 (ловушки SNMP)
Номер порта TCP/UDP предоставляет дополнительную информацию, которую может использовать сетевой коммутатор, являющийся основой коммутации уровня 4. Коммутатор уровня 4 может выступать в качестве внешнего интерфейса «виртуального IP» (VIP) для сервера. Настройте VIP-адрес для каждого сервера и группы серверов, которые поддерживают отдельные или общие приложения. VIP-адрес отправляется и регистрируется в Системе доменных имен. При выполнении запроса на обслуживание коммутатор уровня 4 распознает начало сеанса, определяя начало TCP. Затем он использует сложные алгоритмы для определения лучшего сервера для обработки запроса. Как только это решение будет принято, коммутатор будет связан с определенным IP-адресом, заменив VIP-адрес на сервере реальным IP-адресом сервера. Каждый коммутатор уровня 4 содержит таблицу соединений, связанную с исходным IP-адресом и исходным TCP-портом, которые соответствуют выбранному серверу. Затем коммутатор уровня 4 перенаправляет запрос на подключение к этому серверу. Все последующие пакеты переназначаются и пересылаются между клиентом и сервером до тех пор, пока коммутатор не обнаружит сеанс. В случае коммутации уровня 4 доступ может быть связан с реальными серверами в соответствии с заданными пользователем правилами, такими как наличие равного объема доступа на каждом сервере или распределение трафика в соответствии с пропускной способностью разных серверов.