Что такое коммутатор Ethernet

Коммутатор Ethernet — это сетевое устройство, используемое для подключения нескольких компьютеров и других сетевых устройств в локальной сети (LAN). Он действует как транспортный узел, передавая пакеты данных с одного устройства на другое.

Коммутаторы Ethernet соединяют компьютеры, серверы, принтеры и другие устройства через физические порты и пересылают пакеты данных от исходного устройства к целевому устройству на основе MAC-адреса назначения (управление доступом к среде передачи) пакета данных. Этот процесс пересылки основан на таблице пересылки внутри коммутатора.

Когда пакет поступает на коммутатор, коммутатор проверяет MAC-адрес назначения в пакете и сопоставляет этот адрес со своей внутренней таблицей пересылки. Если целевой MAC-адрес существует в таблице пересылки, коммутатор перенаправит пакет данных непосредственно на порт, подключенный к целевому устройству; Если MAC-адрес назначения отсутствует в таблице пересылки, коммутатор передает пакет всем остальным портам, чтобы найти устройство назначения.

Короче говоря, коммутатор Ethernet — это важное сетевое устройство, используемое для обеспечения высокоскоростной и надежной передачи данных в локальной сети, а также для обеспечения гибкого управления сетью и функций безопасности. Это одна из незаменимых инфраструктур в современных сетях.

Определение и классификация коммутатора

С точки зрения аппаратной структуры коммутатор состоит из шасси, блока питания, вентилятора, объединительной платы, механизма управления, системного контроллера, модуля коммутации и линейной карты. Шасси представляет собой корпус коммутатора, используемый для защиты внутренних электронных компонентов. В некоторых переключателях используется металлический корпус, чтобы предотвратить воздействие магнитных полей на переключатель. Вентилятор используется для отвода тепла от переключателя, чтобы обеспечить поддержание внутренней температуры переключателя в пределах нормального диапазона и обеспечить долгосрочную стабильную работу переключателя. Блок питания включает в себя внешний блок питания и встроенный блок питания. Внешний источник питания может обеспечить гибкую конфигурацию питания. Объединительная плата в коммутаторе шасси представляет собой печатную плату, используемую для подключения механизма управления, модулей коммутации, линейных карт и других частей.

• Механизм управления: В механизме управления имеется порт конфигурации, который представляет собой последовательный интерфейс и может быть подключен к компьютеру через последовательный кабель для управления и настройки коммутатора.

• Системный контроллер: Отвечает за управление блоком питания и вентиляторами.

• Линейная карта: Его можно использовать для настройки интерфейса Ethernet и подключения к компьютеру или другим аппаратным устройствам через интерфейс Ethernet для передачи данных.

• Модуль переключения: Отвечает за пересылку данных и переключение между различными интерфейсами. В блоке коммутации используются высокопроизводительные микросхемы ASIC.

Внешний вид коробчатых и корпусных выключателей

Архитектура коммутатора

Три основные архитектуры в отрасли: Полная MESH-архитектура; КРЕСТОВАЯ архитектура; CLOS-архитектура. Большинство нынешних основных коммутаторов высокого класса используют архитектуру CLOS.

Конструкция платы коммутационной сети на основе архитектуры CLOS:

• Неортогональная структура/параллельная структура: Линейная карта и модуль коммутации расположены параллельно и соединены проводкой на объединительной плате. Коммутаторы Huawei имеют неортогональную конструкцию. Недостатки: запись на объединительной плате печатной платы приводит к помехам сигнала, а конструкция объединительной платы ограничивает возможности широкополосной модернизации и рассеивание тепла.

• Ортогональная структура: Линейная карта и модуль коммутации расположены вертикально и соединены напрямую через объединительную плату. Такая конструкция уменьшает затухание сигнала, вызванное проводкой объединительной платы, но ограничивает расширение полосы пропускания. Cisco использует ортогональную структуру.

• Архитектура без объединительной платы: Линейные карты и модули коммутации подключаются вертикально, что снимает ограничения на объединительную плату при модернизации широкополосной связи и облегчает рассеивание тепла.

Рабочий механизм модуля коммутации: Путь передачи данных от линейной карты A к линейной карте B: линейная карта A → объединительная плата → модуль коммутации → микросхема коммутации.

Проектирование архитектуры коммутационного модуля

Метрика производительности переключателя:

Предположение: количество портов = количество полос; пропускная способность объединительной платы = количество автомобилей, проезжающих по дороге в единицу времени; Обменная пропускная способность = количество транспортных средств, которые командир перекрестка может направить на безопасный беспрепятственный проезд через перекресток за единицу времени.

Если в единицу времени по дороге может проехать максимум 1,000 автомобилей, а командные способности командира перекрестка достаточно сильны, то по дороге с перекрестком может проехать максимум 1,000 автомобилей, что эквивалентно достижению стрелкой линейной скорости. индикатор.

Однако если командные способности командира перекрестка недостаточны и он может направить на плавный проезд только 500 транспортных средств в единицу времени, то по дороге с перекрестком могут плавно проехать не более 500 транспортных средств, а это означает, что показатель линейной скорости не достигается. То есть, чтобы обеспечить неблокирующий обмен данными, скорость передачи данных должна соответствовать требованиям полнодуплексного порта: пропускная способность объединительной платы ≥количество портов × скорость порта ×2; и в то же время коммутационная способность ≥ номер порта X скорость порта.

В настоящее время коммутаторы, использующие коммутационные матрицы, обычно могут достигать показателей скорости линии. Например, Cisco использует модули коммутационной матрицы. Вообще говоря, пропускная способность объединительной платы не имеет большого значения, в то время как коммутационная способность и скорость пересылки пакетов являются ключевыми показателями, отражающими производительность коммутатора.

скорость порта

Переключение сценариев применения:

Классификация коммутаторов по сценариям применения: коммерческие коммутаторы и промышленные коммутаторы. Коммерческие коммутаторы классифицируются в зависимости от сценариев применения: коммутаторы корпоративных сетей (коммутаторы SMB), коммутаторы кампусов и коммутаторы центров обработки данных.

Сетевой уровень кампусной сети использует зрелую трехуровневую архитектуру отрасли:

Переключатель доступа: Коммутаторы уровня доступа обычно развертываются в сетевых шкафах в коридорах для доступа к пользователям кампусной сети (ПК или серверам). Они обеспечивают функции коммутатора уровня 2, а также поддерживают функции доступа уровня 3 (коммутаторы доступа представляют собой коммутаторы уровня 3). Поскольку коммутаторы уровня доступа напрямую подключены к пользователям кампусной сети, существуют более высокие требования к плотности интерфейсов GE/FE на коммутаторах доступа в зависимости от количества и типа (GE/FE) информационных точек доступа пользователей. Кроме того, коммутаторы доступа развертываются в шкафах коридорной сети, которые имеют большое количество и предъявляют высокие требования к стоимости, энергопотреблению, управлению и обслуживанию.

Переключатель агрегации: Коммутаторы уровня агрегации кампуса обычно развертываются в независимых шкафах агрегации сетей в зданиях для агрегирования трафика от коммутаторов доступа кампуса. Обычно они обеспечивают функции переключателя уровня 3. Коммутаторы уровня агрегации, выступая в роли шлюза кампусной сети, завершают трафик уровня 2 пользователей кампусной сети и выполняют пересылку уровня 3. При необходимости в коммутаторы агрегации можно интегрировать дополнительные сервисные платы (такие как межсетевые экраны, балансировщики нагрузки и контроллеры переменного тока WLAN) или подключить независимые дополнительные сервисные устройства для предоставления дополнительных услуг пользователям кампусной сети.

Основной переключатель: Коммутатор основного уровня кампуса развернут в главном компьютерном зале кампуса. Он агрегирует пользовательский трафик между зданиями и территориями, обеспечивает функции коммутации уровня 3. «Вертикальный трафик», соединяющий внешнюю сеть кампуса с внутренними пользователями, и «Горизонтальный трафик» между пользователями в разных зонах агрегации требуют высокой плотности 10GE и высокая производительность пересылки.

Топология сети в коммутаторе дата-центра:

Традиционная трехуровневая сетевая архитектура: включая базовый уровень коммутации, который соединяет центр обработки данных и внешних операторов, уровень доступа и уровень агрегации, который соединяет их для достижения агрегации данных. Сегодняшняя сеть центров обработки данных в основном разделена на трехуровневую топологию.

• Коммутатор доступа физически подключается к серверу.

• Агрегационный коммутатор соединяет коммутаторы доступа в одной сети уровня 2 (VLAN) и предоставляет другие услуги, такие как межсетевой экран, разгрузка SSL, обнаружение вторжений, сетевой анализ и т. д. Это может быть коммутатор уровня 2 или уровня 3.

• Коммутаторы ядра обеспечивают высокоскоростную пересылку пакетов в центр обработки данных и из него, обеспечивая подключение к нескольким локальным сетям уровня 2 (VLAN). Обычно они обеспечивают отказоустойчивую сеть уровня 3 для всей сети.

Традиционная трехуровневая структура дата-центра

Коммутаторы для центров обработки данных — листовая архитектура

Архитектура Leaf-Spine: также называется распределенной базовой сетью. Поскольку эта сетевая архитектура является производной от Switch Fabric внутри коммутатора, ее также называют сетевой архитектурой Fabric, принадлежащей сетевой модели CLOS. Доказано, что сетевая архитектура Spine-Leaf обеспечивает неблокирующие соединения между серверами с высокой пропускной способностью и малой задержкой.

Топология сети дата-центра состоит из двух уровней коммутации., Позвоночник и лист.

Листовой уровень состоит из коммутаторов доступа, которые агрегируют трафик от серверов и подключаются непосредственно к магистрали или ядру сети.

Коммутаторы Spine соединяют все коммутаторы Leaf в полносвязную топологию. На рисунке выше зеленые узлы представляют коммутаторы, а серые узлы представляют серверы. Среди зеленых узлов верхний — это узел Spine, а нижний — узел Leaf.

Архитектура Spine-Leaf подходит для нужд современных приложений.

• Плоский дизайн: плоский дизайн сокращает пути связи между серверами, тем самым уменьшая задержку и может значительно улучшить производительность приложений и сервисов.

• Легко расширяется: если пропускной способности коммутатора Spine недостаточно, нам нужно лишь увеличить количество узлов Spine или обеспечить балансировку нагрузки на пути; Если подключений доступа недостаточно, просто увеличьте количество конечных узлов.

• Низкий коэффициент конвергенции: легко достичь коэффициента конвергенции 1:X или даже неблокирующего 1:1, а коэффициент конвергенции канала также можно уменьшить за счет увеличения пропускной способности канала между устройствами Spine и Leaf. Упрощенное управление: структура Leaf-Spine может использовать каждое звено полной сетки для балансировки нагрузки в среде без петель. Такая многопутевая схема с равной стоимостью лучше всего подходит при использовании централизованной платформы управления сетью, такой как SDN.

• Обработка периферийного трафика. С появлением таких услуг, как Интернет вещей (loT), нагрузка на уровень доступа резко возросла. На границе сети могут быть тысячи датчиков и устройств, подключенных к сети и генерирующих большой объем трафика. Leaf может обрабатывать соединения на уровне доступа, а Spine обеспечивает неблокирующую производительность с очень низкой задержкой между любыми двумя портами внутри узла, тем самым обеспечивая гибким сервисам доступ к облачной платформе.

• Управление несколькими облаками: центры обработки данных или облака могут обеспечить высокую производительность, высокую отказоустойчивость и другие преимущества благодаря архитектуре Leaf Spine, а стратегии управления несколькими облаками постепенно стали обязательными для предприятий.

Структура листового позвоночника центра обработки данных