Сетевые коммутаторы и коммутация пакетов по MAC-адресам

Введение

Сетевое оборудование, которое пересылает пакеты на основе аппаратного адреса.

Сетевой коммутатор (также называемый коммутационным концентратором, мостовым концентратором и, согласно IEEE, MAC-мостом) – это сетевое оборудование, которое соединяет устройства в компьютерной сети, используя коммутацию пакетов для приема и пересылки данных конечному устройству. Сетевой коммутатор – это многопортовый сетевой мост, использующий MAC-адреса для пересылки данных на канальном уровне (уровне 2) модели OSI. Некоторые коммутаторы также могут пересылать данные на сетевом уровне (уровне 3), дополнительно включая функциональность маршрутизации. Такие коммутаторы обычно называют коммутаторами уровня 3 или многоуровневыми коммутаторами. Коммутаторы для Ethernet являются наиболее распространенным типом сетевых коммутаторов. Первый MAC-мост был изобретен в 1983 году Марком Кемпфом, инженером группы Networking Advanced Development корпорации Digital Equipment. Вскоре после этого компания представила первый 2-портовый мост (LANBridge 100). Впоследствии компания производила многопортовые коммутаторы как для Ethernet, так и для FDDI, такие как GigaSwitch. Digital решила лицензировать свой патент на MAC-мост на безвозмездной и недискриминационной основе, что позволило IEEE провести стандартизацию. Это дало возможность ряду других компаний производить многопортовые коммутаторы, включая Kalpana. Изначально Ethernet был средой с общим доступом, но внедрение MAC-моста положило начало его преобразованию в наиболее распространенную форму соединения точка-точка без домена коллизий. Коммутаторы также существуют для других типов сетей, включая Fibre Channel, Асинхронный режим передачи и InfiniBand. В отличие от повторителей, которые передают одни и те же данные из каждого порта, позволяя устройствам выбирать данные, адресованные им, сетевой коммутатор изучает Ethernet-адреса подключенных устройств и затем пересылает данные только на порт, подключенный к устройству, которому они предназначены.

Обзор

Коммутатор — это устройство в компьютерной сети, которое соединяет другие устройства между собой. К коммутатору подключается несколько кабелей передачи данных для обеспечения связи между различными сетевыми устройствами. Коммутаторы управляют потоком данных в сети, передавая полученный сетевой пакет только одному или нескольким устройствам, которым этот пакет предназначен. Каждое сетевое устройство, подключенное к коммутатору, идентифицируется по своему сетевому адресу, что позволяет коммутатору направлять трафик, максимизируя безопасность и эффективность сети. Коммутатор более интеллектуален, чем Ethernet-концентратор, который просто пересылает пакеты из каждого порта концентратора, кроме порта, на котором пакет был получен, не имея возможности различать получателей и обеспечивая общую более низкую эффективность сети. Ethernet-коммутатор работает на канальном уровне (уровне 2) модели OSI для создания отдельной области коллизий для каждого порта коммутатора. Каждое устройство, подключенное к порту коммутатора, может передавать данные на любой другой порт в любое время, и эти передачи не будут создавать помех. Поскольку широковещательные пакеты по-прежнему пересылаются на все подключенные устройства коммутатором, вновь образованный сетевой сегмент остается доменом широковещания. Коммутаторы также могут работать на более высоких уровнях модели OSI, включая сетевой уровень и выше. Коммутатор, работающий также на этих более высоких уровнях, известен как многоуровневый коммутатор. Сегментация подразумевает использование коммутатора для разделения большой области коллизий на более мелкие, чтобы снизить вероятность коллизий и повысить общую пропускную способность сети. В крайнем случае (то есть микросегментация) каждое устройство подключается напрямую к выделенному порту коммутатора. В отличие от Ethernet-концентратора, на каждом порту коммутатора существует отдельная область коллизий. Это позволяет компьютерам иметь выделенную полосу пропускания для организации соединений типа «точка-точка» с сетью, а также работать в полнодуплексном режиме. Полнодуплексный режим предполагает наличие только одного передатчика и одного приемника на область коллизий, что делает коллизии невозможными. Сетевой коммутатор играет важную роль в большинстве современных локальных сетях Ethernet (LAN). Сети LAN среднего и большого размера содержат несколько связанных управляемых коммутаторов. Приложения для малого офиса/домашнего офиса (SOHO) обычно используют один коммутатор или универсальное устройство, такое как домашний шлюз, для доступа к широкополосным услугам для малого офиса/домашнего использования, таким как DSL или кабельный интернет. В большинстве этих случаев устройство конечного пользователя содержит маршрутизатор и компоненты, которые взаимодействуют с конкретной физической широкополосной технологией. Многие коммутаторы имеют подключаемые модули, такие как модули Small Form factor Pluggable (SFP). Эти модули часто содержат приемопередатчик, который соединяет коммутатор с физической средой, например, с оптоволоконным кабелем. Этим модулям предшествовали модули промежуточного подключения, подключаемые через интерфейсы модулей подключения к коммутаторам, и они развивались со временем: первыми были гигабитные интерфейсные преобразователи, за которыми последовали модули XENPAK, модули SFP, приемопередатчики XFP, модули SFP+, QSFP, QSFP DD и OSFP. Подключаемые модули также используются для передачи видео в системах вещания.

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.

Роль в сети

Свичи чаще всего используются в качестве точки подключения сети для устройств на периферии сети. В иерархической модели сетевого взаимодействия и аналогичных сетевых архитектурах коммутаторы также используются глубже в сети для обеспечения соединений между коммутаторами на периферии. В коммутаторах, предназначенных для коммерческого использования, встроенные или модульные интерфейсы позволяют подключать различные типы сетей, включая Ethernet, Fibre Channel, RapidIO, ATM, ITU T G.hn и 802.11. Это подключение может осуществляться на любом из упомянутых уровней. В то время как функциональность второго уровня достаточна для переключения полосы пропускания в рамках одной технологии, соединение различных технологий, таких как Ethernet и Token Ring, проще выполнять на третьем уровне или посредством маршрутизации. Устройства, осуществляющие соединение на третьем уровне, традиционно называются маршрутизаторами. В тех случаях, когда требуется глубокий анализ производительности и безопасности сети, коммутаторы могут подключаться между WAN-маршрутизаторами для размещения аналитических модулей. Некоторые производители предлагают модули межсетевого экрана, обнаружения сетевых вторжений и анализа производительности, которые можно подключать к портам коммутатора. Некоторые из этих функций могут быть реализованы в комбинированных модулях. С помощью зеркалирования портов коммутатор может создавать копию данных, которая может быть отправлена на внешнее устройство, например, систему обнаружения вторжений или анализатор пакетов. Современный коммутатор может поддерживать питание через Ethernet (PoE), что избавляет от необходимости в отдельном источнике питания для подключенных устройств, таких как VoIP-телефоны или беспроводные точки доступа. Поскольку коммутаторы могут иметь резервные цепи питания, подключенные к источникам бесперебойного питания, подключенное устройство может продолжать работать даже при отключении электроэнергии в офисе. В 1989 и 1990 годах компания Kalpana представила первый многопортовый Ethernet-коммутатор – EtherSwitch с семью портами.

Мостовое соединение

Современные коммерческие коммутаторы в основном используют интерфейсы Ethernet. Основная функция коммутатора Ethernet – обеспечение множества портов для коммутации второго уровня. Функциональность первого уровня необходима во всех коммутаторах для поддержки более высоких уровней. Многие коммутаторы также выполняют операции на других уровнях. Устройство, способное выполнять функции, выходящие за рамки коммутации, называется многоуровневым коммутатором. Сетевое устройство второго уровня – это многопортовое устройство, использующее аппаратные адреса (MAC-адреса) для обработки и пересылки данных на канальном уровне (второй уровень). Коммутатор, работающий в режиме сетевого моста, может соединять отдельные сети второго уровня. Мост изучает MAC-адрес каждого подключенного устройства, сохраняя эти данные в таблице, сопоставляющей MAC-адреса портам. Эта таблица часто реализована с использованием высокоскоростной ассоциативной памяти (CAM), некоторые производители называют таблицу MAC-адресов CAM-таблицей. Мосты также буферизуют входящий пакет и адаптируют скорость передачи к скорости исходящего порта. Хотя существуют специализированные области применения, такие как сети хранения данных, где входные и выходные интерфейсы имеют одинаковую пропускную способность, это не всегда так в общих приложениях для локальных сетей. В локальных сетях коммутатор, используемый для доступа конечных пользователей, обычно объединяет каналы с низкой пропускной способностью и подключения в канал с более высокой пропускной способностью. Заголовок Ethernet в начале кадра содержит всю информацию, необходимую для принятия решения о пересылке. Некоторые высокопроизводительные коммутаторы могут начать пересылку кадра получателю, продолжая при этом получать полезную нагрузку кадра от отправителя. Такая сквозная коммутация может значительно снизить задержку при прохождении через коммутатор. Взаимосвязи между коммутаторами могут регулироваться с помощью протокола расширяющегося дерева (STP), который отключает пересылку по ссылкам, чтобы результирующая локальная сеть представляла собой дерево без петель коммутации. В отличие от маршрутизаторов, мосты с расширяющимся деревом должны иметь топологии с единственным активным путем между двумя точками. Коммутация по кратчайшему пути и TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links) – это альтернативы протоколу STP второго уровня, которые позволяют использовать все пути, включая несколько путей с равной стоимостью.

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.

Форм-факторы

Коммутаторы доступны в различных форм-факторах, включая автономные и настольные модели, обычно предназначенные для использования в домашних или офисных условиях вне серверной; коммутаторы для монтажа в стойку, предназначенные для использования в стойках оборудования или шкафах; коммутаторы для монтажа на DIN-рейку, используемые в промышленных средах; и компактные установочные коммутаторы, монтируемые в кабель-каналы, напольные коробки или коммуникационные башни, например, в инфраструктурах FTTO (fiber to the office). Коммутаторы для монтажа в стойку могут быть автономными устройствами, объединяемыми в стек (stackable) или крупными шасси с возможностью горячей замены линейных карт.