Желілік коммутаторлар және олардың жұмыс принципі

Кіріспе

Желілік аппарат, пакеттерді аппараттық адреске сүйене отырып жіберуге арналған.

Желілік коммутатор (сонымен қатар коммутациялық хаб, көпірлік хаб және IEEE стандарты бойынша MAC көпірі деп аталады) – компьютерлік желідегі құрылғыларды пакеттік коммутацияны пайдаланып деректерді қабылдау және түмендегі құрылғыға жіберу арқылы қосатын желілік аппарат. Желілік коммутатор – OSI моделінің дерек байланысы қабатында (2-қабат) MAC-адрестерді пайдаланып деректерді жіберуге қолданылатын көп портты желілік көпір. Кейбір коммутаторлар желілік қабатта (3-қабат) маршрутизациялау функциясын қосымша енгізу арқылы деректерді жіберуге де қабілетті. Мұндай коммутаторлар көбінесе 3-қабатты коммутаторлар немесе көп қабатты коммутаторлар деп аталады. Ethernet үшін коммутаторлар – желілік коммутаторлардың ең көп таралған түрі. Алғашқы MAC көпірін 1983 жылы Digital Equipment Corporation компаниясының Networking Advanced Development тобының инженері Марк Кемпф ойлап тапқан. Осы компания көп ұзамай алғашқы 2 порттық көпір (LANBridge 100) өнімін ұсынды. Кейіннен компания GigaSwitch сияқты Ethernet және FDDI үшін көп портты коммутаторларды өндірді. Digital өзінің MAC көпірі патентерін IEEE стандартындалуына мүмкіндік беретін, роялти төлеусіз және кемсітусіз лицензиялауға шешім қабылдады. Бұл басқа компанияларға, соның ішінде Kalpana компаниясына көп портты коммутаторларды өндіруге мүмкіндік берді. Ethernet бастапқыда ортақ қолжетімді орта болды, бірақ MAC көпірінің енгізілуі оның ең көп таралған нүктеден нүктеге түрін, коллизия доменінсіз түрлендіруді бастады. Fibre Channel, Asynchronous Transfer Mode және InfiniBand сияқты басқа желілер үшін де коммутаторлар бар. Әрбір порттан бірдей деректерді таратып, құрылғыларға оларға адрестелген деректерді таңдауға мүмкіндік беретін ретрансляторлық хабтардан айырмашылығы, желілік коммутатор қосылған құрылғылардың Ethernet-адрестерін үйренеді, содан кейін деректерді тек оған адрестелген құрылғыға қосылған портқа жібереді.

Шолу

Коммутатор – компьютерлік желідегі басқа құрылғыларды біріктіретін құрылғы. Желіге қосылған құрылғылар арасында байланыс орнату үшін бірнеше деректер кабельдері коммутаторға қосылады. Коммутатор желідегі деректер ағынын алынған желілік пакетті пакеттің арналуына сәйкес бір немесе бірнеше құрылғыға ғана жіберу арқылы басқарады. Коммутаторға қосылған әрбір желілік құрылғыны оның желілік мекенжайы арқылы анықтауға болады, бұл коммутаторға желі қауіпсіздігі мен тиімділігін арттыра отырып, трафик ағынын бағыттауға мүмкіндік береді. Коммутатор Ethernet хабынан артық, себебі ол пакет қабылданған порттан басқа хабтың барлық порттарына пакетті қайта жібереді, алушыларды ажырата алмайды және желінің тиімділігін төмендетеді. Ethernet коммутаторы OSI моделінің деректер байланысы қабатында (2-қабатта) жұмыс істейді және әр коммутатор порты үшін жеке соқтығысу доменін құрайды. Коммутатор портына қосылған әрбір құрылғы кез келген уақытта басқа порттарға деректерді жібере алады және бұл берілімдерге кедергі келтірілмейді. Коммутатор арқылы таратулар әлі де барлық қосылған құрылғыларға жіберілетіндіктен, жаңа құрылған желі сегменті тарату домені болып қала береді. Коммутаторлар OSI моделінің жоғары қабаттарында, соның ішінде желілік қабатта және одан жоғары да жұмыс істей алады. Мұндай жоғары қабаттарда жұмыс істейтін коммутатор көп қабатты коммутатор деп аталады. Сегментация – үлкен соқтығысу доменін кішірек домендерге бөлу арқылы соқтығысу ықтималдығын азайту және желінің жалпы өткізу қабілетін жақсарту үшін коммутаторды пайдалануды қамтиды. Ең жоғарғы жағдайда (микросегментация), әрбір құрылғы тікелей осы құрылғыға арналған коммутатор портына қосылады. Ethernet хабынан айырмашылығы, әр коммутатор портында жеке соқтығысу домені болады. Бұл компьютерлерге желіге нүктеден нүктеге қосылу үшін арналған жолақты пайдалануға және толық дуплекс режимінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Толық дуплекс режимінде әрбір соқтығысу доменінде бір ғана таратқыш және бір ғана қабылдағыш болады, сондықтан соқтығысу мүмкін емес. Желілік коммутатор қазіргі заманғы Ethernet жергілікті желілерінде (LAN) маңызды рөл атқарады. Орта және ірі LAN-дар бірнеше байланыстырылған басқарылатын коммутаторларды қамтиды. Шағын кеңсе/үй кеңсесі (SOHO) қолданбалары әдетте DSL немесе кабельдік интернет сияқты шағын кеңсе/үй кең жолақты қызметтеріне қол жеткізу үшін бір коммутаторды немесе тұрғын үй шлюзі сияқты көп мақсатты құрылғыны пайдаланады. Мұндай жағдайларда соңғы пайдаланушы құрылғысында маршрутизатор және нақты физикалық кең жолақты технологиямен байланыс жасайтын компоненттер болады. Көптеген коммутаторларда қосылатын модульдер бар, мысалы, кішкентай форматты қосылатын (SFP) модульдер. Бұл модульдер көбінесе коммутаторды физикалық ортаға, мысалы, оптикалық талшықты кабельге қосатын қабылдағышты қамтиды. Бұл модульдерге дейін коммутаторларға қосылу бірлігі интерфейстері арқылы қосылған орталық қосылу бірліктері болған және уақыт өте келе дамыған: алғашқы модульдер Gigabit интерфейс түрлендіргіштері болды, содан кейін XENPAK модульдері, SFP модульдері, XFP қабылдағыштары, SFP+ модульдері, QSFP, QSFP DD және OSFP модульдері келді. Қосылатын модульдер бейне хабарларын тарату үшін де қолданылады.

A switch is a device in a computer network that connects other devices together. Multiple data cables are plugged into a switch to enable communication between different networked devices. Switches manage the flow of data across a network by transmitting a received network packet only to the one or more devices for which the packet is intended. Each networked device connected to a switch can be identified by its network address, allowing the switch to direct the flow of traffic maximizing the security and efficiency of the network. A switch is more intelligent than an Ethernet hub, which simply retransmits packets out of every port of the hub except the port on which the packet was received, unable to distinguish different recipients, and achieving an overall lower network efficiency. An Ethernet switch operates at the data link layer (layer 2) of the OSI model to create a separate collision domain for each switch port. Each device connected to a switch port can transfer data to any of the other ports at any time and the transmissions will not interfere. Because broadcasts are still being forwarded to all connected devices by the switch, the newly formed network segment continues to be a broadcast domain. Switches may also operate at higher layers of the OSI model, including the network layer and above. A switch that also operates at these higher layers is known as a multilayer switch. Segmentation involves the use of a switch to split a larger collision domain into smaller ones in order to reduce collision probability and to improve overall network throughput. In the extreme case (i. e. micro segmentation), each device is directly connected to a switch port dedicated to the device. In contrast to an Ethernet hub, there is a separate collision domain on each switch port. This allows computers to have dedicated bandwidth on point to point connections to the network and also to run in full duplex mode. Full duplex mode has only one transmitter and one receiver per collision domain, making collisions impossible. The network switch plays an integral role in most modern Ethernet local area networks (LANs). Mid to large sized LANs contain a number of linked managed switches. Small office/home office (SOHO) applications typically use a single switch, or an all purpose device such as a residential gateway to access small office/home broadband services such as DSL or cable Internet. In most of these cases, the end user device contains a router and components that interface to the particular physical broadband technology. Many switches have pluggable modules, such as Small Form factor Pluggable (SFP) modules. These modules often contain a transceiver that connects the switch to a physical medium, such as a fiber optic cable. These modules were preceded by Medium Attachment Units connected via Attachment Unit Interfaces to switches and have evolved over time: the first modules were Gigabit interface converters, followed by XENPAK modules, SFP modules, XFP transceivers,
SFP+ modules, QSFP, QSFP DD, and OSFP modules. Pluggable modules are also used for transmitting video in broadcast applications.

Желідегі рөлі

Свитчтер көбінесе желі шетіндегі хосттар үшін желілік қосылу нүктесі ретінде қолданылады. Иерархиялық интернет-жүйелік модельде және ұқсас желілік архитектураларда, свитчтер желіде тереңірек, шеттегі свитчтер арасындағы байланыстарды қамтамасыз ету үшін де қолданылады. Коммерциялық қолданысқа арналған свитчтерде орнатылған немесе модульдік интерфейстер арқылы Ethernet, Fibre Channel, RapidIO, ATM, ITU T G. hn және 802.11 сияқты әртүрлі желілерді қосуға болады. Бұл байланыс аталған қабаттардың кез келгенінде жүзеге асырылуы мүмкін. Бір технология ішінде өткізу қабілетін ауыстыру үшін 2-қабаттың функционалдығы жеткілікті болса, Ethernet және Token Ring сияқты технологияларды өзара байланыстыру 3-қабатта немесе маршрутизация арқылы оңайрақ жүзеге асырылады. 3-қабатта өзара байланысатын құрылғылар дәстүрлі түрде маршрутизаторлар деп аталады. Желінің өнімділігі мен қауіпсіздігін терең талдау қажет болған жағдайларда, свитчтер WAN маршрутизаторлары арасында аналитикалық модульдерді орналастыру үшін қолданылуы мүмкін. Кейбір өндірушілер өрт қабырғасы, желілік шабуылды анықтау және өнімділікті талдау модульдерін ұсынады, оларды свитч порттарына қосуға болады. Бұл функциялардың кейбіреулері біріктірілген модульдерде де болуы мүмкін. Портты көшіру арқылы свитч сыртқы құрылғыға, мысалы, шабуылды анықтау жүйелері мен пакеттерді аңғару құралдарына жіберілетін деректердің көшірмесін жасауға мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы свитчтер Power over Ethernet (PoE) технологиясын қолдайды, бұл VoIP телефондары немесе сымсыз желіге қолжетімділік нүктелері сияқты қосылған құрылғылардың жеке қуат көзіне мұқтаж болмауын қамтамасыз етеді. Свитчтерде үзіліссіз қуат көзімен байланысты қосымша қуат схемалары болғандықтан, қосылған құрылғы кеңседегі қуат ағымы тоқтаған кезде де жұмыс істей алады. 1989 және 1990 жылдары Kalpana компаниясы алғашқы көп портты Ethernet свитчин, жеті портты EtherSwitch-ін ұсынды.

Көпіршік

Қазіргі коммерциялық коммутаторлар негізінен Ethernet интерфейстерін қолданады. Ethernet коммутатордың негізгі функциясы – 2-деңгейде көп портты көпірлеуді қамтамасыз ету. Барлық коммутаторларда жоғары деңгейлерді қолдау үшін 1-деңгейлі функционалдық қажет. Көптеген коммутаторлар басқа деңгейлерде де операцияларды орындайды. Көп деңгейлі коммутатор – бұл көпірлеуден басқа да функцияларды орындайтын құрылғы. 2-деңгейлі желілік құрылғы – бұл деректерді дерек байланысы деңгейінде (2-деңгей) өңдеу және жіберу үшін аппараттық мекенжайларды (MAC-мекенжайларды) пайдаланатын көп портты құрылғы. Желілік көпір ретінде жұмыс істейтін коммутатор 2-деңгейлі желілерді өзара байланыстыра алады. Көпір әрбір қосылған құрылғының MAC-мекенжайын үйренеді, бұл деректерді MAC-мекенжайларды порттарға сәйкестендіретін кестеде сақтайды. Бұл кесте көбінесе жоғары жылдамдықты мазмұндық адрестік жад (CAM) арқылы іске асырылады, кейбір өндірушілер MAC-мекенжайлар кестесін CAM кестесі деп атайды. Көпірлер кіріс пакетін буферлейді және беру жылдамдығын шығыс портының жылдамдығымен үйлестіреді. Кіріс және шығыс интерфейстерінің ені бірдей болатын арнайы қолданыстар бар, мысалы, сақтау аймақтық желілері, бірақ жалпы LAN қолданыстарында бұл әрқашан осылай болмайды. LAN-да соңғы пайдаланушыға арналған коммутатор әдетте төмен енді және жоғары енді байланыстарды жоғары енді байланысқа шоғырландырады. Фреймнің басындағы Ethernet қабыршасында жіберу туралы шешім қабылдауға қажетті барлық ақпарат болады, кейбір жоғары өнімді коммутаторлар фреймді жіберуді бастай алады, тіпті фреймді жіберушіден алуда болады. Бұл «cut-through» коммутациясы коммутатор арқылы кідіріс уақытын едәуір азайта алады. Коммутаторлар арасындағы байланыстарды spanning tree protocol (STP) арқылы реттеуге болады, ол ауыспалы тізбектердің пайда болуын болдырмау үшін сілтемелерде жіберуді өшіреді, нәтижесінде жергілікті желі ағаш құрылымын құрайды. Маршруттағыштардан айырмашылығы, spanning tree көпірлерінде екі нүкте арасында тек бір белсенді жол болуы керек. Ең қысқа жолды көпірлеу және TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links) – бұл STP-ге 2-деңгейлі баламалар, олар барлық жолдардың бірнеше тең құнды жолдармен белсенді болуына мүмкіндік береді.

Modern commercial switches primarily use Ethernet interfaces. The core function of an Ethernet switch is to provide multiple ports of layer 2 bridging. Layer 1 functionality is required in all switches in support of the higher layers. Many switches also perform operations at other layers. A device capable of more than bridging is known as a multilayer switch. A layer 2 network device is a multiport device that uses hardware addresses (MAC addresses) to process and forward data at the data link layer (layer 2). A switch operating as a network bridge may interconnect otherwise separate layer 2 networks. The bridge learns the MAC address of each connected device, storing this data in a table that maps MAC addresses to ports. This table is often implemented using high speed content addressable memory (CAM), some vendors refer to the MAC address table as a CAM table. Bridges also buffer an incoming packet and adapt the transmission speed to that of the outgoing port. While there are specialized applications, such as storage area networks, where the input and output interfaces are the same bandwidth, this is not always the case in general LAN applications. In LANs, a switch used for end user access typically concentrates lower bandwidth and uplinks into a higher bandwidth. The Ethernet header at the start of the frame contains all the information required to make a forwarding decision, some high performance switches can begin forwarding the frame to the destination whilst still receiving the frame payload from the sender. This cut through switching can significantly reduce latency through the switch. Interconnects between switches may be regulated using the spanning tree protocol (STP) that disables forwarding on links so that the resulting local area network is a tree without switching loops. In contrast to routers, spanning tree bridges must have topologies with only one active path between two points. Shortest path bridging and TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links) are layer 2 alternatives to STP which allow all paths to be active with multiple equal cost paths.

Форма факторлары

Коммутаторлар көптеген түрде ұсынылады, оның ішінде жеке тұрған, үстелге қойылатын құрылғылар (әдетте үй немесе кеңсе ортасында, кабельдік шкафтан тыс қолдануға арналған); жабдық тірегіне немесе корпусқа орнатылатын коммутаторлар; өнеркәсіптік ортада қолдануға арналған DIN рельсіне орнатылатын коммутаторлар; сондай-ақ кабельдік каналға, едендік қорапқа немесе байланыс мұнарасына орнатылатын шағын монтаждау коммутаторлары (мысалы, кеңселерге талшықты оптикалық желілерді жүргізуде кездесетіндей). Жабдық тірегіне орнатылатын коммутаторлар жеке құрылғылар, біріктірілетін коммутаторлар немесе ауыстырылатын желілік карталары бар үлкен шассилер түрінде болуы мүмкін.