Понимание роли сетевого коммутатора: от маршрутизаторов до концентраторов Ethernet

Вплоть до конца 1990-х годов многие люди наивно полагали, что микроволновки готовят еду, превращая ее в бомбу за считанные секунды, все незримо желали, чтобы Интернет был таким же быстрым, как сейчас, а передача данных считалась ручным процессом. Передача данных является основной функцией современных сетей, активных или пассивных, независимо от того, обслуживают ли они корпоративные инфраструктуры или домашнюю установку отдельного человека. Центральным элементом каждого устройства передачи данных или каждой системы является коммутатор компьютерной сети — неотъемлемый, но часто недооцененный компонент компьютерной сети. Но в чем ключевое различие между коммутатором, маршрутизаторами и концентраторами? Какова его основная цель и почему важно обеспечить бесперебойную передачу данных? В этом контексте термин «коммутаторы» будет расширен, чтобы включить сетевые коммутаторы, и их основные функции будут оцениваться с другими аппаратными компонентами коммутации, а также с той жизненно важной ролью, которую они играют в доставке данных конечным пользователям. Для отраслевых практиков, интересующихся технологиями и людей с базовой любознательностью эта статья стремится объяснить, как и что является наиболее важными вещами, которые следует отметить в сетевых коммутаторах.

Как работает сетевой коммутатор?

Что такое коммутатор и как он работает?

Устройства в локальной сети (LAN) могут быть эффективно подключены/соединены с помощью сетевых коммутаторов. Коммутатор обрабатывает данные, сохраняет их, обрабатывает их, а затем отправляет их на предполагаемое принимающее устройство. Существует различие между концентратором и коммутатором, которое заключается в том, что с концентратором все данные отправляются на любое подключенное устройство, в то время как коммутатор направляет данные конкретно на соответствующее устройство, используя его MAC-адрес (Media Access Control). Этот вспомогательный способ передача данных сокращает сетевой трафик и повышает производительность, что делает сетевые коммутаторы очень важными в современных локальных сетях.

Как сетевой коммутатор пересылает данные?

Используя коммутацию пакетов, сетевой коммутатор управляет пересылкой данных. После того, как пакет данных достигает сетевого коммутатора, коммутатор просматривает заголовок пакета, чтобы распознать его MAC-адрес назначения. Этот процесс сообщает ему, как работает сетевой коммутатор. Это становится возможным благодаря таблице MAC-адресов коммутатора, которая сопоставляет MAC-адреса устройств с определенными портами коммутатора. Если MAC-адрес назначения находится в таблице, коммутатор отправляет пакет данных на нужный порт, что гарантирует эффективную доставку вместо его трансляции на все подключенные устройства. 

Современные коммутаторы также включают VLAN (виртуальные локальные сети), а также функции QoS (качество обслуживания). Эти расширенные функции позволяют лучше сегментировать сетевой трафик с улучшенной безопасностью и сниженной перегрузкой сети. Различные общепризнанные типы трафика, такие как голосовая связь по IP и потоковое видео, гарантируют качество и надежность даже в часы перегрузки сети.

Статистика еще раз подтверждает преимущества сетевых коммутаторов. Например, исследование Cisco показало, что использование коммутаторов с возможностями уровня 3 может сократить задержку в корпоративных сетях на целых 80%, одновременно обеспечивая одновременные подключения в разрастающихся инфраструктурах. Более того, внедрение современных коммутаторов с технологией Power over Ethernet (PoE) упрощает развертывание, поскольку такие устройства, как IP-камеры и точки доступа, теперь могут получать питание и данные по одному кабелю Ethernet.  

Этот целенаправленный и быстрый процесс пересылки данных делает коммутаторы основополагающим средством для обеспечения малой задержки и высокой масштабируемости соединений в высокопроизводительных сетях как малых, так и крупных структур.  

Роль MAC-адреса в работе коммутатора:  

Коммутаторы идентифицируют и маршрутизируют датаграммы с использованием MAC-адресов (Media Access Control). Каждому устройству, подключаемому к сети, присваивается MAC-адрес, который коммутатор сохраняет в таблице MAC-адресов. Эта таблица связывает MAC-адреса с портами, позволяя коммутаторам минимизировать трансляцию, гарантируя при этом правильную выборку данных. Использование MAC-адресов позволяет сетевые коммутаторы для оптимизации связи в сети в более точном и безопасном масштабе.

Какие типы коммутаторов используются в сетях?

Управляемый коммутатор и неуправляемый коммутатор изучены

Управляемый коммутатор: с управляемым коммутатором пользователи получают более высокий уровень контроля над сетью, в которой они работают. Он дает администраторам возможность изменять конфигурации, такие как VLAN, QoS и скорость порта, чтобы обеспечить больше возможностей настройки и повысить безопасность сети. Эти коммутаторы лучше всего работают в более крупных и сложных сетях, где требуется мониторинг, устранение неполадок и оптимизация. 

Неуправляемый коммутатор: Неуправляемый коммутатор — это практически противоположность управляемому. коммутатор, так как он лучше работает с моделью plug-and-play, которая не требует предварительной настройки. Этот коммутатор подключает устройство к сети и автоматически передает данные без контроля. Такие коммутаторы лучше использовать в небольших сетях или более неформальных средах, где контроль минимален. 

Что такое коммутатор 3-го уровня?

Коммутаторы уровня 3 функционируют как высокопроизводительные коммутаторы, которые действуют как смесь коммутатора уровня 3 и маршрутизатора, поскольку он имеет возможность коммутации и маршрутизации. Уровень XNUMX модели OSI использует коммутаторы уровня XNUMX более сложным образом, поскольку они необходимы для маршрутизации между VLAN и выполнения функций более высокого порядка. В отличие от традиционных коммутаторов уровня XNUMX, которые выполняют только функцию пересылки пакетов в зависимости от MAC-адресов, коммутаторы уровня XNUMX теперь используют IP-адрес пакета данных, чтобы определить, какой маршрут данных лучше всего подходит для обеспечения согласованной работы всех ячеек сети.

Коммутаторы уровня 3 часто используются в компаниях, которым требуется быстрая передача данных и низкая задержка. Многие современные коммутаторы уровня 3 поддерживают статические и динамические протоколы маршрутизации, такие как OSPF и BGP, а также многоадресную маршрутизацию и QoS для приоритезации трафика. Кроме того, они более масштабируемы, чем традиционные коммутаторы уровня 3 в сложных и крупных сетях. 

Последние тесты показывают, что коммутаторы уровня 3 теперь могут обрабатывать миллионы пакетов в секунду (PPS), превосходя традиционные маршрутизаторы по производительности. Как и другие типы коммутаторов уровня 3, эти устройства оснащены аппаратной коммутацией, что значительно сокращает задержки, делая данные более быстрыми. Такие устройства набирают популярность в центрах обработки данных, кампусных сетях и на предприятиях для интеграции в существующие системы с целью устранения узких мест, оптимизации сетевых операций и повышения эффективности.

Разница между коммутатором и маршрутизатором

В коммуникационных технологиях коммутатор и маршрутизатор используются в системе, описанной в сети. Соответственно, согласно моему пониманию, основная функция коммутатора находится на уровне 2 модели OSI, где он обеспечивает пересылку данных в пределах одной сети с помощью MAC-адресов. Напротив, маршрутизатор работает на уровне 3 и отвечает за взаимосвязь разрозненных сетей, а также за пересылку информации между ними с помощью IP-адресов, в отличие от коммутатора, ограниченного локальной сетью для одной сети. Коммутатор особенно эффективен в управлении внутренними проблемами трафика сети, сохраняя внутренние маршруты открытыми. И маршрутизатор принимает решение о том, какой маршрут выбрать, чтобы получить информацию в сети, гарантируя подключение и оптимальную маршрутизацию данных. Цель каждого устройства принципиально различна, но в их совместной работе возникает бесшовная интеграция в современных сетевых средах.

Где в сети используется коммутатор?

Подключение устройств в локальной сети

В локальной сети (LAN) коммутаторы соединяют несколько устройств, таких как серверы, принтеры и компьютеры, чтобы они могли взаимодействовать друг с другом. Они действуют как основные концентраторы, которые контролируют трафик данных — информация отправляется непосредственно на соответствующее устройство, поэтому нет необходимости транслировать ее на все остальные устройства. Это увеличивает скорость сети, минимизирует перегрузку и обеспечивает надежную и безопасную связь между подключенными устройствами.

Роль коммутатора в корпоративной сети

Коммутаторы значительно улучшают современные корпоративные сети, являясь основными компонентами для подключения и эффективного управления данными. Внутри предприятия коммутаторы облегчают взаимосвязь многочисленных устройств, таких как серверы, рабочие станции, точки доступа и устройства IoT, для создания четко определенной и масштабируемой сетевой инфраструктуры. Они используют адреса MAC (Media Access Control) для направления информации на нужное устройство, что повышает эффективность и снижает трафик.

Управляемый коммутатор с расширенной производительностью важен для сегментации VLAN, QoS и резервирования сети. VLAN создают сетевые сегменты для ограничения сетевого трафика и повышения безопасности. QoS включает в себя трафик, чувствительный к задержкам, такой как VoIP и видеозвонки. В отрасли компьютерных сетей коммутаторы также отвечают за создание устойчивых сетей с помощью агрегации каналов, TAG и резервных протоколов отката, таких как STP, который останавливает петли в сети, вызывающие сбои, а также обеспечивает бесперебойную работу, когда канал или устройство перестают работать.

Исследования показывают, что многие организации все больше полагаются на корпоративные коммутаторы, при этом глобальные расходы на коммутаторы Ethernet в размере 35.8 млрд долларов в 2022 году уже показывают необходимость расширения сетевой инфраструктуры. Более того, облачные приложения и гибридная работа сместили фокус на коммутаторы со скоростями 10GbE и 40GbE, которые формируют базовый уровень для ряда приложений, требующих высокой пропускной способности и обширной передачи данных.

В целом корпоративные коммутаторы — это не просто дополнение к сети; они представляют собой существенный скачок в производительности, безопасности и масштабируемости цифровой инфраструктуры и подключений организации.

Подключение устройств в сети с использованием сетевых коммутаторов

Коммутатор идентифицирует пакетные данные, используя MAC-адрес назначения, и сокращает трафик только до предполагаемого получателя. Эта функция потребляет небольшое количество времени, поскольку необходимо обработать только часть фрейма с пользовательскими данными. После обработки данных коммутатор, который является устройством уровня 2, пересылает данные на соответствующий порт коммутатора.

Коммутатор включает таблицу MAC-адресов, содержащую MAC-адреса устройств, которые подключаются к коммутатору. Таким образом, когда устройство отправляет кадр данных коммутатору в первый раз, коммутатор узнает MAC-адрес устройства, сохраняет его в своей таблице и обеспечивает связь без коллизий в локальной сети.

Благодаря включению функциональности маршрутизации, усовершенствованные коммутаторы, такие как коммутаторы уровня 3, могут делать гораздо больше. Эти коммутаторы позволяют передавать данные между различными VLAN или подсетями, поэтому полная передача данных может быть достигнута в больших, сложных сетях. Сетевые коммутаторы помогают минимизировать перегрузки и оптимизировать поток данных, что имеет решающее значение для производительности и надежности современных сетевых инфраструктур.

Выбор коммутатора Ethernet: на что обратить внимание

Факторы, влияющие на производительность сети

1. Количество портов и их скорость: Устройство должно иметь необходимое количество портов, которые подходят не только для текущих устройств, но и для будущих. Для быстрой передачи данных следует приобретать коммутаторы, способные работать на скорости в гигабитах или выше.
2. Управляемые/неуправляемые коммутаторы: Если сеть требует более сложных функций, таких как VLAN или приоритезация определенного трафика, подойдет управляемый коммутатор. Для менее сложных сетей неуправляемые коммутаторы должны выполнять эту работу.
3. Питание через Ethernet: Если IP-камеры и телефоны в вашей сети нуждаются в питании по кабелю Ethernet, вам следует выбрать коммутаторы с поддержкой PoE.
4. Возможность расширения: Оцените, сможет ли коммутатор удовлетворить требования к росту сети за счет дополнительных портов и большей пропускной способности.
5. Доверие к бренду: Чтобы обеспечить надежность и сократить время простоя из-за сбоев оборудования, выбирайте коммутаторы надежных производителей.
6. Стоимость операции: Приобретайте выключатели, потребляющие меньше энергии, поскольку это поможет сократить эксплуатационные расходы.

Учет этих аспектов поможет выбрать коммутатор Ethernet, который будет соответствовать требованиям к производительности сети.

Значение подвески на сетевых устройствах, использующих функцию питания через Ethernet

С помощью Power over Ethernet можно использовать один кабель Ethernet для установки как питания, так и данных в сетевом устройстве. Это снижает необходимость в наличии источника питания от каждой рабочей станции, тем самым уменьшая беспорядок и общие затраты на установку. Это очень полезно для таких устройств, как IP-камеры, беспроводные точки доступа или VoIP-телефоны, поскольку эти устройства можно свободно размещать вдали от розеток. Кроме того, PoE может удаленно контролировать и управлять питаемыми устройствами, что повышает эффективность и управление сетью. Сети и другие конфигурации устройств выиграют от дополнительной универсальности, поскольку без подвесного устройства операции сокращаются. Таким образом, очевидно, что использование Power over Ethernet обеспечивает сетям оптимизированные операции вместе с улучшенной универсальностью развертывания.

Подробный обзор портов коммутатора и их сетевых подключений

Порты коммутатора — это основные разъемы, в которых различные устройства могут быть подключены к сети для обмена данными между ними. Они добавляются на коммутаторы для компьютеров и серверов, чтобы обеспечить простое подключение к уже существующим устройствам. Сетевые соединения, выполненные через порты коммутатора, позволяют устройствам быть более производительными, поскольку они взаимодействуют друг с другом, а также отправляют и получают информацию из глобальной сети, включая Интернет. Чтобы сделать функциональность коммутаторов превосходящей другие, эти устройства должны содержать порты с различными скоростными возможностями (1 Гбит/с или 10 Гбит/с), которые обслуживают множество сетевых потребностей. И именно поэтому управление этими портами коммутатора имеет жизненно важное значение, если вы хотите, чтобы ваша сеть работала правильно и эффективно.

Как коммутаторы влияют на инфраструктуру сети?

Повышение производительности сети за счет коммутации

Осторожное использование сетевых коммутаторов значительно повышает производительность сети за счет снижения перегрузки и улучшения потока данных. Коммутаторы разделяют сети на более мелкие, более простые в управлении блоки, что позволяет устройствам взаимодействовать без каких-либо помех. Коммутаторы также имеют функции QoS (качество обслуживания), которые позволяют им направлять критически важный трафик для бесперебойной работы высокопроизводительных приложений. Кроме того, коммутаторы с более высокими скоростями портов и поддержкой современных протоколов могут помочь удовлетворить растущие требования к пропускной способности. Постоянный мониторинг пользователей и настройка коммутаторов необходимы для достижения оптимальной производительности, стабильности и безопасности сетевой инфраструктуры.

Оптимизация перегрузки сети с помощью развертывания коммутатора

Сегментируя трафик, развертывание коммутатора помогает устранить ненужную перегрузку, которая в конечном итоге замедляет связь устройств в данной сети. Коммутаторы способствуют лучшей связи устройств за счет интеллектуальной пересылки пакетов определенным устройствам в сети. Такие передовые методы минимизируют широковещательную передачу по всей сети, что радикально снижает коллизии устройств, пытающихся общаться одновременно. Такой подход оптимизирует трафик и обеспечивает более широкие щели для масштабируемости. Это гарантируется развертыванием коммутаторов с достаточной пропускной способностью портов и использованием VLAN (виртуальных локальных сетей). Такие стратегии минимизируют использование полосы пропускания, одновременно максимизируя производительность сети.

Как коммутаторы функционируют при администрировании сети

Эффективная передача данных и сетевые операции упрощаются с использованием коммутаторов, что делает их важными инструментами в управлении сетью. Коммутаторы являются центральными соединительными устройствами, поэтому они служат для соединения различных устройств и получения информации из каждого источника данных и передачи ее требуемым субъектам. Благодаря сегментации трафика сводится к минимуму перегрузка сети, а сетевые коммутаторы повышают эффективность. Более того, они повышают безопасность, поддерживая сетевые политики, такие как изоляция связи и контроль доступа. Модернизированные коммутаторы также могут включать приоритезацию трафика, мониторинг работоспособности сети и расширенную поддержку конфигурации, что делает эти коммутаторы критически важными частями в надежных и масштабируемых сетях.

Часто задаваемые вопросы (FAQ) 

В: Объясните, что такое сетевой коммутатор, и сравните его с концентратором.

A: Сетевой коммутатор — это центральная точка соединения различных устройств в сети. В то время как концентратор отправляет информацию всем устройствам, коммутатор отправляет данные только предполагаемому получателю, что обеспечивает безопасность и эффективность сети. 

В: В каком типе сети обычно работает коммутатор?

A: Сетевой коммутатор в основном функционирует в локальных сетях (LAN). В локальных сетях на базе Ethernet он является важным компонентом для подключения различных устройств, таких как компьютеры и принтеры, к одному коммутатору или к нескольким коммутаторам в более крупных сетях. 

В: Как сетевой коммутатор управляет IP-адресами? 

A: Сетевые коммутаторы работают с использованием уровня 2 модели OSI. Они не работают с IP-адресами напрямую, а вместо этого пересылают пакеты данных с использованием MAC-адресов. Некоторые коммутаторы имеют ограниченные возможности уровня 3, что означает, что они также могут использовать IP-адреса для маршрутизации трафика в определенных ситуациях.

В: Что такое стекируемый коммутатор и как он работает в больших сетях?

A: Стекируемые коммутаторы — это те устройства, которые могут образовывать единое целое при подключении к аналогичным устройствам. Вот почему легче управлять и масштабировать стек коммутаторов, что особенно полезно в больших сетях или сетях центров обработки данных.

В: Каким образом можно использовать коммутатор для мониторинга сети? 

A: Почти все современные коммутаторы имеют такие возможности, как зеркалирование портов и SNMP, которые позволяют осуществлять мониторинг сети. С помощью зеркалирования портов информация с одного или нескольких портов может быть отправлена ​​на другой порт для дальнейшего изучения. В отличие от этого, SNMP позволяет сетевому администратору наблюдать и контролировать общие операции и состояние сети и проактивно решать любые проблемы, одновременно собирая данные в процессе. 

В: Каков вклад сетевой интерфейсной карты (NIC) в работу одного пользователя коммутатора? 

A: Устройства с сетевыми коммутаторами должны иметь сетевую интерфейсную карту (NIC). Она служит точкой контакта и протоколами связи с устройством. Сетевая интерфейсная карта имеет отдельный MAC-адрес, встроенный в нее, что позволяет коммутатору идентифицировать устройство и маршрутизировать данные к устройству и с него соответствующим образом.

Справочные источники

1. Hipernetch: высокопроизводительный сетевой коммутатор на базе FPGA

• Авторы: Филиппос Папапилиппу и др.
• Journal: ACM Transactions по реконфигурируемым технологиям и системам
• Дата публикации: 31 марта 2022
• Ключевые результаты:
  • В документе представлен Hipernetch — новая разработка на базе ПЛИС для коммутации сетей с высокой пропускной способностью.
  • Он заменяет типичные перекрестные структуры «комбинированным параллельным циклическим арбитром», который повышает производительность конвейера и сокращает задержки.
  • Реализация обеспечивает пропускную способность более 100 Гбит/с на порт для коммутаторов с числом портов до 16.
• Методология:
  • Авторы создали архитектуру Hipernetch и проанализировали производительность относительно традиционных коммутационных архитектур, выявив преимущества в пропускной способности и задержке.

Образец цитирования: (Папафилиппу и др., 2022, с. 3:1-3:31)

2. Развитие архитектуры коммутатора в сторону внедрения внутрисетевого интеллекта

• Авторы: Шуанву Чен и др.
• Journal: Журнал коммуникаций IEEE
• Дата публикации: 1 января 2020
• Ключевые результаты:
  • Здесь мы сосредоточимся на усовершенствованиях, внесенных в архитектуру коммутатора за счет внедрения интеллектуальной плоскости, которая позволяет принимать решения и выполнять обработку данных в сети.
  • Предложенная конструкция позволяет обеспечить надежную производительность и высокую пропускную способность приложений, что позволяет легко интегрировать ИИ в сетевые операции.
• Методология:
  • Авторы предлагают концептуальную структуру для архитектуры коммутатора, разработанного с помощью эволюционного коммутатора, и демонстрируют его развертывание в кампусной сети. Реализация проверена экспериментальными результатами, касающимися его особенностей.

Образец цитирования: (Чен и др., 2020, стр. 33–39.)

3. Архитектура коммутатора-памяти-коммутатора с временным запуском для сетевых коммутаторов, чувствительных к времени

• Авторы: Зонгхуэй Ли и др.
• Journal: Транзакции IEEE по автоматизированному проектированию интегральных схем и систем
• Дата публикации: 1 января 2020
• Ключевые результаты:
  • В документе представлена ​​архитектура коммутатора-памяти-коммутатора с временным завершением (SMS), направленная на достижение малого объема памяти в сетях, чувствительных ко времени (TSN).
  • Это позволяет осуществлять статическое планирование распределения памяти, что повышает как эффективность использования ресурсов, так и отказоустойчивость.
• Методология:
  • Авторы реализовали фреймворк SMS и провели моделирование для проверки его эффективности с точки зрения использования памяти и эффективности планирования.

Образец цитирования: (Ли и др., 2020, стр. 185–198.)

4. Поэтапное развертывание программируемых коммутаторов для обнаружения мощных атак по всей сети

• Авторы: Даму Дин и др.
• Journal: Конференция IEEE 2019 по программированию сетей
• Дата публикации: 1 июня 2019
• Ключевые результаты:
  • В настоящем документе представлена ​​методика постепенного внедрения программируемых коммутаторов в сети интернет-провайдера для мониторинга уникальных сетевых потоков.
  • Этот метод сокращает объем информации, необходимой от плоскости данных, обеспечивая при этом точное обнаружение интенсивных потоков.
• Методология:
  • Авторы разработали две модели целочисленного линейного программирования (ILP) для распределения программируемых коммутаторов и проверили свой метод с помощью моделирования на реальных топологиях ISP.

Образец цитирования: (Дин и др., 2019, стр. 160–168.)

5. Poseidon: смягчение объемных DDoS-атак с помощью программируемых коммутаторов

• Авторы: Мэнхао Чжан и др.
• Journal: Труды симпозиума по безопасности сетей и распределенных систем 2020 г.
• Дата публикации: 2020
• Ключевые результаты:
  • В статье сообщается о Poseidon, который использует программируемые коммутаторы для защиты от объемных DDoS-атак.
  • Он позволяет пользователям определять модульные стратегии защиты, которые можно гибко модифицировать в соответствии с развивающимися моделями атак.
• Методология:
  • Авторы развернули Poseidon на программируемых коммутаторах и провели тестирование, чтобы подтвердить его эффективность в обнаружении и смягчении DDoS-атак с минимальными затратами ресурсов, гарантируя стабильный трафик через сеть.

Образец цитирования: (Чжан и др.., 2020)

6. Сетевой коммутатор

7. Компьютерная сеть