Коммутация (компьютерные сети). Что такое коммутатор и где он используется

Сейчас, во время всевозможных гаджетов и электронных девайсов, которые переполняют среду обитания обычного человека, актуальна проблема – как эти все интеллектуальные устройства увязать между собой. Почти в любой квартире есть телевизор, компьютер/ноутбук, принтер, сканер, звуковая система, и хочется как-то скоординировать их, а не перекидывать бесконечное количество информации флешками, и при этом не запутаться в бесконечных километрах проводов. Та же самая ситуация касается офисов – с немалым количеством компьютеров и МФУ, или других систем, где нужно увязать разных представителей электронного сообщества в одну систему. Вот тут и возникает идея построения локальной сети. А основа грамотно организованной и структурированной локальной сети – сетевой коммутатор.



ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коммутатор , или свитч - прибор, объединяющий несколько интеллектуальных устройств в локальную сеть для обмена данными. При получении информации на один из портов, передает ее далее на другой порт, на основании таблицы коммутации или таблицы MAC-адресов . При этом процесс заполнения таблицы идет не пользователем, а самим коммутатором, в процессе работы – при первом сеансе передачи данных таблица пуста, и изначально коммутатор ретранслирует пришедшую информацию на все свои порты. Но в процессе работы он запоминает пути следования информации, записывает их к себе в таблицу и при последующих сеансах уже отправляет информацию по определенному адресу. Размер таблицы может включать от 1000 до 16384 адресов.

Для построения локальных сетей используются и другие устройства – концентраторы (хабы) и маршрутизаторы (роутеры). Сразу, во избежание путаницы, стоит указать на различия между ними и коммутатором.

Концентратор (он же хаб) – является прародителем коммутатора. Время использования хабов фактически ушло в прошлое, из-за следующего неудобства: если информация приходила на один из портов хаба, он тут же ретранслировал ее на другие, «забивая» сеть лишним трафиком. Но изредка они еще встречаются, впрочем, среди современного сетевого оборудования выглядят, как самоходные кареты начала 20-го века среди электрокаров современности.

Маршрутизаторы – устройства, с которыми часто путают коммутаторы из-за похожего внешнего вида, но у них более обширный спектр возможностей работы, и ввиду с этим более высокая стоимость. Это своего рода сетевые микрокомпьютеры, с помощью которых можно полноценно настроить сеть, прописав все адреса устройств в ней и наложив логические алгоритмы работы – к примеру, защиту сети.

Коммутаторы и хабы чаще всего используются для организации локальных сетей, маршрутизаторы – для организации сети, связанной с выходом в интернет. Однако следует заметить, что сейчас постепенно размываются границы между коммутаторами и маршрутизаторами – выпускаются коммутаторы, которые требуют настройки и работают с прописываемыми адресами устройств локальной сети. Они могут выполнять функции маршрутизаторов, но это, как правило, дорогостоящие устройства не для домашнего использования.
Самый простой и дешевый вариант конфигурации домашней локальной сети средних размеров (с количеством объектов более 5), с подключением к интернету, будет содержать и коммутатор, и роутер:

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

При покупке коммутатора нужно четко понимать – зачем он вам, как будете им использоваться, как будете его обслуживать. Чтобы выбрать устройство, оптимально отвечающее вашим целям, и не переплатить лишних денег, рассмотрим основные параметры коммутаторов:

• Вид коммутатора – управляемый, неуправляемый и настраиваемый.

1. Неуправляемые коммутаторы – не поддерживают протоколы сетевого управления. Наиболее просты, не требуют особых настроек, стоят недорого: от 440 до 2990 рублей. Оптимальное решение для маленькой локальной сети. Со сборкой локальной сети на их основе справится даже человек, далекий от этих дел – требуется лишь купить сам коммутатор, кабели необходимой длины для подключения оборудования (лучше, в виде атч-корда , т.е. «с вилками» в сборе – не забудьте перед покупкой осмотреть оборудование, к которому будет подключаться кабель, и уточнить, какой именно тип разъема вам понадобится), ну и собрать саму сеть. Простейшая настройка описана в документации к устройству.
2. Управляемые коммутаторы – поддерживают протоколы сетевого управления, обладают более сложной конструкцией, предлагают более широкий функционал – с помощью WEB-интерфейса или специализированных программ ими можно управлять, прописывая параметры подключенной к ним сети, приоритеты отдельных устройств и пр. Именно этот тип коммутаторов может заменять маршрутизаторы. Цена на такие устройства колеблется в диапазоне от 2499 до 14490 рублей. Данный вид коммутаторов представляет интерес для специализированных локальных сетей – видеонаблюдение, промышленная сеть, офисная сеть.
3. Настраиваемые коммутаторы – устройства, которые поддерживают некоторые настройки (к примеру – конфигурирование VLAN (создание подгрупп)), но все равно во многом уступают управляемым коммутаторам. Настраиваемые коммутаторы могут быть как управляемыми, так и неуправляемыми.

• Размещение коммутатора – может быть трех типов:

1. Настольный – компактное устройство, которое можно просто разместить на столе;
2. Настенный – небольшое устройство, которое, как правило, можно расположить как на столе, так и на стене – для последнего предусмотрены специальные пазы/крепления;
3. Монтируемый на стойку – устройство с предусмотренными пазами для монтажа в стойку сетевого оборудования, но которое, как правило, также можно расположить на столе.

• Базовая скорость передачи данных – скорость, с которой работает каждый из портов устройства. Как правило, в параметрах коммутатора указывается сразу несколько цифр, к примеру: 10/100Мбит/сек – это означает, что порт может работать и со скоростью 10Мбит/сек, и 100Мбит/сек, автоматически подстраиваясь под скорость источника данных. Представлены модели с базовой скоростью:

• Общее количество портов коммутатора – один из основных параметров, в принципе именно он больше всего влияет конфигурацию локальной сети, т.к. от него зависит, какой количество оборудования вы сможете подключить. Диапазон лежит в пределах от 5 до 48 портов. Коммутаторы с количеством портов 5-15  наиболее интересны для построения маленькой домашней сети, устройства с количеством портов от 15 до 48  ориентированы уже на более серьезные конфигурации.

• – порты, поддерживающие скорость 100Мбит/сек, бывает до 48 ;
• Количество портов со скоростью 1Гбит/сек – порты, поддерживающие скорость 1Гбит/сек – что особенно актуально для высокоскоростной передачи данных, бывает до 48 ;
• Поддержка РоЕ – если такой параметр есть , то означает, что подключенное к порту с этой опцией устройство можно питать по сетевому кабелю (витой паре), при этом никакого влияния на передающийся сигнал информации не оказывается. Функция особенно привлекательна для подключения устройств, к которым нежелательно, либо невозможно подводить дополнительный кабель питания – к примеру, для WEB-камер.
• SFP-порты  – порты коммутатора для связи с устройствами более высокого уровня, либо с другими коммутаторами. По сравнению с обычными портами могут поддерживать передачу данных на более дальние расстояния (стандартный порт с RJ-45 разъемом и подключенным кабелем «витая пара» поддерживает передачу в пределах 100м). Такой порт не оснащен приемо-передатчиком, это только слот, к которому можно подключить SFP-модуль, представляющий из себя внешний приемо-передатчик для подключения нужного кабеля – оптического, витой пары.

• Скорость обслуживания пакетов – характеристика, обозначающая производительность оборудования, и измеряющаяся в миллионах пакетов в секунду – Мррs. Как правило, подразумеваются пакеты размеров 64 байта (уточняется производителем). Величина этой характеристики различных устройств лежит в пределах от 1,4 до 71,4 Мррs .

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Область применения коммутаторов широка, самые распространенные сферы применения:

• маленькая домашняя локальная сеть , включающая, к примеру, несколько компьютеров, принтер, телевизор и музыкальный центр (при условии, что все оборудование поддерживает сетевое подключение);

В подавляющем числе домашних локальных сетей из активного оборудования используется только беспроводной роутер. Однако в случае, если вам нужно более четырех проводных подключений потребуется добавить сетевой коммутатор (хотя сегодня есть роутеры и на семь-восемь портов для клиентов). Второй распространенной причиной для приобретения этого оборудования является более удобная разводка сети. Например, вы можете установить коммутатор около ТВ, подключить к нему один кабель от роутера, а в другие порты — сам телевизор, медиаплеер, игровую приставку и другое оборудование.

Простейшие модели сетевых коммутаторов имеют всего буквально пару ключевых характеристик — число портов и их скорость. А учитывая современные требования и развитие элементной базы, можно говорить о том, что если не стоит цели экономии любой ценой или каких-то специфических требований, стоит покупать модели с гигабитными портами. Сети FastEthernet со скоростью 100 Мбит/с сегодня конечно используются, но маловероятно, что их пользователи столкнутся с проблемой нехватки портов на роутере. Хотя конечно и это возможно, если вспомнить продукты некоторых известных производителей на один или два порта для локальной сети. Тем более здесь будет уместно применение гигабитного коммутатора для увеличения производительности всей проводной локальной сети.

Кроме этого, при выборе можно также учитывать бренд, материал и дизайн корпуса, вариант реализации блока питания (внешний или внутренний), наличие и расположение индикаторов и другие параметры. Что удивительно, привычная по многим другим устройствам характеристика скорости работы в данном случае практически не имеет смысла, о чем недавно вышел . В тестах передачи данных модели совершенно разных категорий и стоимости показывают одинаковые результаты.

В этой статье мы решили коротко рассказать о том, что же может быть интересного и полезного в «настоящих» коммутаторах второго уровня (Level 2). Конечно, этот материал не претендует на максимально подробное и глубокое изложение темы, но, хочется надеяться, будет полезен тем, кто встретился с более серьезными задачами или требованиями при построении своей локальной сети в квартире, доме или офисе, чем поставить роутер и настроить Wi-Fi. Кроме того, многие темы будут изложены в упрощенном формате, отражающем только основные моменты в интересной и разнообразной теме коммутации сетевых пакетов.

Прошлые статьи серии «Строим домашнюю сеть« доступны по ссылкам:

Кроме того, полезная информация о построении сетей доступна в этом подразделе.

Теория

Для начала вспомним, как работает «обычный» сетевой коммутатор.

Эта «коробочка» имеет небольшие размеры, несколько портов RJ45 для подключения сетевых кабелей, набор индикаторов и вход питания. Она работает согласно запрограммированным производителем алгоритмам и не имеет каких-либо доступных для пользователя настроек. Используется принцип «подключил кабели — включил питание — работает». Каждое устройство (точнее его сетевой адаптер) в локальной сети имеет уникальный адрес — MAC-адрес. Он состоит из шести байтов и записывается в формате «AA:BB:CC:DD:EE:FF» с шестнадцатеричными цифрами. Узнать его можно программным способом или подсмотреть на информационной табличке. Формально считается, что этот адрес выдан производителем на этапе производства и является уникальным. Но в некоторых случаях это не так (уникальность требуется только в пределах локального сегмента сети, а поменять адрес можно без труда во многих операционных системах). Кстати, по первым трем байтам иногда можно название создателя чипа или даже всего устройства.

Если для глобальной сети (в частности Интернет), адресация устройств и обработка пакетов производится на уровне IP-адресов, то в каждом отдельном локальном сегменте сети для этого применяются MAC-адреса. Все устройства в одной локальной сети должны иметь разные MAC-адреса. Если это не так — будут проблемы с доставкой сетевых пакетов и работой сети. При этом данный низкий уровень обмена информацией реализован внутри сетевых стеков операционных систем и пользователю не требуется с ним взаимодействовать. Пожалуй, в реальности распространены буквально пара ситуаций, где может использоваться MAC-адрес. Например, при замене роутера на новом устройстве указать тот же MAC-адрес порта WAN, что был на старом. Второй вариант — включение на роутере фильтров по MAC-адресу для блокировки доступа к Интернет или Wi-Fi.

Обычный сетевой коммутатор позволяет объединить несколько клиентов для реализации обмена между ними сетевым трафиком. Причем к каждому порту может быть подключен не только один компьютер или другое устройство-клиент, но и другой коммутатор со своими клиентами. Грубо схема работы коммутатора выглядит следующим образом: при поступлении на порт пакета он запоминает MAC отправителя и записывает его в таблицу «клиенты на этом физическом порту», адрес получателя проверяется по другим таким же таблицам и при его нахождении в одной из них, пакет отправляется в соответствующий физический порт. Дополнительно предусмотрены алгоритмы для исключения петель, поиска новых устройств, проверки смены устройством порта и другие. Для реализации этой схемы не требуется какой-либо сложной логики, все работает на достаточно простых и недорогих процессорах, так что, как мы говорили выше, даже младшие модели способны показать максимальные скорости.

Управляемые или называемые иногда «умными» (Smart) коммутаторы существенно сложнее. Они способны использовать больше информации из сетевых пакетов для реализации более сложных алгоритмов их обработки. Некоторые из этих технологий могут оказаться полезными и домашним пользователям «высокого уровня» или с повышенными требованиями, а также для решения некоторых специальных задач.

Коммутаторы второго уровня (Level 2, уровень канала данных) способны учитывать при коммутации пакетов информацию, находящуюся внутри некоторых полей сетевых пакетов, в частности VLAN, QoS, мультикаст и некоторых других. Именно о таком варианте мы и поговорим в этой статье. Более сложные модели третьего уровня (Level 3) могут считаться уже маршрутизаторами, поскольку они оперируют IP-адресами и работают с протоколами третьего уровня (в частности RIP и OSPF).

Обратим внимание, что единого универсального и стандартного набора возможностей управляемых коммутаторов нет. Каждый производитель составляет собственные линейки продуктов исходя из своего представления о требованиях потребителей. Так что в каждом случае стоит обращать внимание на спецификации конкретного продукта и их соответствие поставленным задачам. Ни о каких «альтернативных» прошивках с более широкими возможностями здесь, конечно, речи нет.

В качестве примера, мы используем устройство Zyxel GS2200-8HP. Эта модель давно представлена на рынке, но вполне подойдет для данной статьи. Современные продукты этого сегмента от Zyxel в целом обеспечивают сходные возможности. В частности, актуальное устройство такой же конфигурации предлагается под артикулом GS2210-8HP.

Zyxel GS2200-8HP представляет собой восьмипортовый (в серии есть версия и на 24 порта) управляемый гигабитный коммутатор Level 2, в котором также есть поддержка PoE и совмещенные порты RJ45/SFP, а также некоторые функции более высоких уровней коммутации.

По формату его можно назвать настольной моделью, но в комплекте поставки предусмотрен дополнительный крепеж для установки в стандартную 19″ стойку. Корпус изготовлен из металла. На правом торце мы видим решетку вентиляции, а с противоположной стороны установлены два небольших вентилятора. Сзади присутствуют только вход сетевого кабеля для встроенного блока питания.

Все подключения традиционно для такого оборудования осуществляются с лицевой стороны для удобства применения в стойках с патч-панелями. Слева находится вставка с логотипом производителя и подсвечиваемым названием устройства. Далее идут индикаторы — питание, система, тревога, светодиоды статуса/активности и подачи питания для каждого порта.

Следом установлены основные восемь сетевых разъемов, а после них два RJ45 и два дублирующих их SFP с собственными индикаторами. Подобные решения являются еще одной характерной особенностью подобных устройств. Обычно SFP применяется для подключения оптических линий связи. Основным их отличием от привычной витой пары является возможность работы на существенно больших расстояниях — до десятков километров.

Из-за того, что здесь могут использоваться разные типы физических линий, непосредственно в коммутаторе установлены порты стандарта SFP, в которые необходимо доустанавливать специальные модули-трансиверы, а уже к ним подключаются оптические кабели. При этом получаемые порты не отличаются по своим возможностям от остальных, конечно если не считать отсутствия поддержки PoE. Их тоже можно использовать в режиме объединения портов, сценариях с VLAN и другими технологиями.

Завершает описание консольный последовательный порт. Он применяется для сервисного обслуживания и других операций. В частности отметим, что привычной для домашнего оборудования кнопки сброса настроек здесь нет. В сложных случаях потери контроля придется подключаться через последовательный порт и в режиме отладки перезагружать весь файл конфигурации.

Решение поддерживает администрирование через Web и командную строку, обновление прошивки, протокол 802.1x для защиты от несанкционированных подключений, SNMP для интеграции в системы мониторинга, пакеты с размером до 9216 байт (Jumbo Frames) для увеличения производительности сети, сервисы коммутации второго уровня, возможность стекирования для удобства администрирования.

Из восьми основных портов половина поддерживает PoE+ с подачей до 30 Вт на порт, а остальные четыре — PoE с 15,4 Вт. Максимальная потребляемая мощность составляет 230 Вт, из которых до 180 Вт может отдаваться через PoE.

Электронная версия руководства пользователя насчитывает более трех сотен страниц. Так что описанные в этой статье функции представляют собой лишь небольшую часть возможностей данного устройства.

Управление и контроль

В отличие от простых сетевых коммутаторов, «умные» имеют средства для удаленной настройки. В их роли чаще всего выступает привычный Web-интерфейс, а для «настоящих админов» предусмотрен доступ к командной строке со своим интерфейсом по telnet или ssh. Аналогичную командную строку можно получить и через подключение к последовательному порту на коммутаторе. Кроме привычки, работа с командной строкой имеет преимущество в виде удобной возможности автоматизации с применением скриптов. Есть также поддержка протокола FTP, что позволяет оперативно загружать файлы новых прошивок и управлять конфигурациями.

Например, вы можете проверять статус подключений, управлять портами и режимами, разрешать или запрещать доступ и так далее. Кроме того, этот вариант менее требователен к полосе пропускания (требует меньше трафика) и используемому для доступа оборудованию. Но на скриншотах конечно более красиво выглядит Web-интерфейс, так что в этой статье для иллюстраций будем использовать его. Защита обеспечивается традиционным именем/паролем администратора, есть поддержка HTTPS, а также можно настроить дополнительные ограничения на доступ к управлению коммутатором.

Заметим, что в отличие от многих домашних устройств, в интерфейсе есть явная кнопка сохранения текущей конфигурации коммутатора в его энергонезависимую память. Также на многих страницах можно использовать кнопку «Help» для вызова контекстной подсказки.

Еще один вариант контроля за работой коммутатора — использование протокола SNMP. С применением специализированных программ, вы можете получить информацию об аппаратном состоянии устройства, например температуре или пропадании линка на порту. Для крупных проектов будет полезна реализация специального режима управления несколькими коммутаторами (кластером коммутаторов) из единого интерфейса — Cluster Management.

Минимальные начальные действия при запуске устройства обычно включают в себя обновление прошивки, изменение пароля администратора и настройку собственного IP-адреса коммутатора.

Кроме того, обычно стоит обратить внимание на такие опции, как сетевое имя, синхронизация встроенных часов, отправку журнала событий на внешний сервер (например, Syslog).

При планировании схемы сети и настроек коммутатора, рекомендуется заранее просчитать и продумать все моменты, поскольку устройство не имеет встроенных средств контроля блокировок и противоречий. Например, если вы «забудете», что ранее настраивали агрегацию портов, то VLAN с их же участием могут вести себя совсем не так, как требуется. Не говоря уже о возможности потери связи с коммутатором, что особенно неприятно при удаленном подключении.

Одной из базовых «умных» функций коммутаторов является поддержка технологий агрегации (объединения) сетевых портов. Также для этой технологии применяются такие термины, как транкинг (trunking), склейка адаптеров (bonding), сопряжение (teaming). В этом случае клиенты или другие коммутаторы подключаются к этому коммутатору не одним кабелем, а сразу несколькими. Конечно, для этого требуется иметь и несколько сетевых карт на компьютере. Сетевые карты могут быть как отдельными, как и выполненными в виде одной платы расширения с несколькими портами. Обычно в данном сценарии речь идет о двух или четырех линках. Основные решаемые таким образом задачи — увеличение скорости сетевого подключения и увеличение его надежности (дублирование). Коммутатор может поддерживать сразу несколько подобных соединений в зависимости от своей аппаратной конфигурации, в частности, числа физических портов и мощности процессора. Одним из вариантов является соединение по такой схеме пары коммутаторов, что позволит увеличить общую производительность сети и исключить узкие места.

Для реализации схемы желательно использовать сетевые карты, явно поддерживающие эту технологию. Но в общем случае, реализация агрегации портов может быть выполнена и на программном уровне. Данная технология чаще всего реализуется через открытый протокол LACP/802.3ad, который применяется для контроля состояния линков и управления ими. Но встречаются и частные варианты отдельных вендоров.

На уровне операционной системы клиентов после соответствующей настройки обычно просто появляется новый стандартный сетевой интерфейс, который имеет свои MAC- и IP-адреса, так что все приложения могут работать с ним без каких-либо специальных действий.

Отказоустойчивость обеспечивается наличием нескольких физических соединений устройств. При отказе соединения, трафик автоматически перенаправляется по оставшимся линкам. После восстановления линии она снова включится в работу.

Что касается увеличения скорости, то здесь ситуация немного сложнее. Формально можно считать, что производительность умножается согласно числу используемых линий. Однако реальный рост скорости приема-передачи данных зависит от конкретных задач и приложений. В частности, если речь идет о такой простой и распространенной задаче, как чтение файлов с сетевого накопителя на компьютере, то от объединения портов она ничего не выиграет, даже если оба устройства подключены к коммутатору несколькими линками. А вот если объединение портов будет настроено на сетевом накопителе и к нему будут обращаться одновременно несколько «обычных» клиентов, то этот вариант уже получит существенный выигрыш в общей производительности.

Некоторые примеры использования и результаты тестирования приводятся в статье . Таким образом, можно говорить о том, что применение технологий объединения портов в домашних условиях будет полезным только при наличии нескольких быстрых клиентов и серверов, а также достаточно высокой нагрузки на сеть.

Настройка агрегации портов в коммутаторе обычно несложная. В частности, на Zyxel GS2200-8HP нужные параметры находятся в меню Advanced Application — Link Aggregation. Всего данная модель поддерживает до восьми групп. При этом ограничений по составу групп нет — вы можете использовать любой физический порт в любой группе. Коммутатор поддерживает как статическую схему объединения портов, так и LACP.

На странице статуса можно проверить текущие назначения по группам.

На странице настроек указываются активные группы и их тип (применяется для выбора схемы распределения пакетов по физическим линкам), а также назначение портов в нужные группы.

При необходимости включаем LACP для требуемых групп на третьей странице.

Далее нужно настроить аналогичные параметры на устройстве с другой стороны линка. В частности на сетевом накопителе QNAP это делается следующим образом — заходим в настройки сети, выбираем порты и тип их объединения.

После этого можно проверить статус портов на коммутаторе и оценить эффективность решения в ваших задачах.

VLAN

При обычной конфигурации локальной сети «гуляющие» по ней сетевые пакеты используют общую физическую среду, как потоки людей на станциях пересадок в метро. Конечно, коммутаторы в определенном смысле исключают попадание «чужих» пакетов на интерфейс вашей сетевой карты, однако некоторые пакеты, например широковещательные, способны проникнуть в любые уголки сети. Несмотря на простоту и высокую скорость работы данной схемы, встречаются ситуации, когда по некоторым причинам вам необходимо разделить определенные виды трафика. Это может быть вызвано требованиями безопасности или необходимостью обеспечения требований производительности или приоритезации.

Конечно, данные вопросы можно решить созданием отдельного сегмента физической сети — со своими коммутаторами и кабелями. Но не всегда это возможно реализовать. Здесь может пригодиться технология VLAN (Virtual Local Area Network) — логической или виртуальной локальной компьютерной сети. Для нее также может встречаться обозначение 802.1q.

В грубом приближении можно описать работу данной технологии, как использование дополнительных «меток» для каждого сетевого пакета при его обработке в коммутаторе и на конечном устройстве. При этом обмен данными работает только в пределах группы устройств с одинаковыми VLAN. Поскольку не все оборудование использует VLAN, то в схеме также используются такие операции как добавление и удаление тегов сетевого пакета при их проходе через коммутатор. Соответственно добавляется он при получении пакета с «обычного» физического порта для отправки через сеть VLAN, а удаляется при необходимости передачи пакета из сети VLAN на «обычный» порт.

В качестве примера использования данной технологии можно вспомнить мультисервисные подключения операторов — когда по одному кабелю вы получаете доступ к Интернет, IPTV и телефонию. Это встречалось ранее в ADSL-подключениях, а сегодня применяется в GPON.

Рассматриваемый коммутатор поддерживает упрощенный режим «Port-based VLAN», когда разделение на виртуальные сети проводится на уровне физических портов. Эта схема менее гибкая, чем 802.1q, но может быть удобна в некоторых конфигурациях. Отметим, что этот режим взаимоисключающий с 802.1q, а для выбора предусмотрен соответствующий пункт в Web-интерфейсе.

Для создания VLAN по стандарту 802.1q нужно на странице Advanced Applications — VLAN — Static VLAN указать имя виртуальной сети, ее идентификатор, а потом выбрать участвующие в работе порты и их параметры. Например, при подключении обычных клиентов стоит убирать из отправляемых к ним пакетов метки VLAN.

В зависимости от того, является ли это подключением клиентов или же соединением коммутаторов, на странице Advanced Applications — VLAN — VLAN Port Settings нужно настроить требуемые опции. В частности это касается добавления меток к поступающим на вход порта пакетам, разрешении трансляции через порт пакетов без тегов или с другими идентификаторами и изоляции виртуальной сети.

Контроль доступа и аутентификация

Технология Ethernet первоначально не поддерживала средств контроля доступа к физической среде. Достаточно было включить устройство в порт коммутатора — и оно начинало работать в составе локальной сети. Во многих случаях этого достаточно, поскольку защита обеспечивается сложностью прямого физического подключения к сети. Но сегодня требования к сетевой инфраструктуре существенно изменились и реализация протокола 802.1x все чаще встречается в сетевом оборудовании.

В этом сценарии при подключении к порту коммутатора клиент предоставляет свои аутентификационные данные и без подтверждения со стороны сервера контроля доступа никакой обмен информацией с сетью не происходит. Чаще всего, схема подразумевает наличие внешнего сервера, такого как RADIUS или TACACS+. Использование 802.1x обеспечивает также дополнительные возможности по контролю сетевой работы. Если в стандартной схеме «привязаться» можно только к аппаратному параметру клиента (MAC-адресу), например, для выдачи IP, установки ограничений скорости и прав доступа, то работа с аккаунтами пользователей будет более удобна в крупных сетях, поскольку позволяет обеспечить мобильность клиентов и другие возможности верхнего уровня.

Для проверки использовался сервер RADIUS на сетевом накопителе QNAP. Он выполнен в виде отдельно устанавливаемого пакета и имеет собственную базу пользователей. Для указанной задачи он вполне подходит, хотя в целом возможностей у него немного.

В качестве клиента выступал компьютер с Windows 8.1. Для использования 802.1x на нем нужно включить один сервис и после этого в свойствах сетевой карты появляется новая закладка.

Заметим, что речь в данном случае идет исключительно о контроле доступа к физическому порту коммутатора. Кроме того, не забываем, что необходимо обеспечить постоянный и надежный доступ коммутатора к серверу RADIUS.

Для реализации этой возможности в коммутаторе есть две функции. Первая, наиболее простая, позволяет ограничить входящий и исходящий трафик на указанном физическом порту.

Также этот коммутатор позволяет использовать приоритезацию для физических портов. В этом случае жестких границ для скорости нет, но можно выбрать устройства, трафик которых будет обрабатываться в первую очередь.

Вторая входит в более общую схему с классификацией коммутируемого трафика по различным критериям и является только одним из вариантов ее использования.

Сначала на странице Classifier нужно определить правила классификации трафика. В них применяются критерии Level 2 — в частности MAC-адреса, а также в данной модели можно применять и правила Level 3 — включая тип протокола, IP-адреса и номера портов.

Далее на странице Policy Rule вы указываете необходимые действия с «отобранным» по выбранным правилам трафиком. Здесь предусмотрены следующие операции: установка метки VLAN, ограничение скорости, вывод пакета на заданный порт, установка поля приоритета, отбрасывание пакета. Данные функции позволяют, например, ограничить скорости обмена данными для данных клиентов или сервисов.

Более сложные схемы могут использовать поля приоритета 802.1p в сетевых пакетах. Например, вы можете указать коммутатору сначала обрабатывать трафик телефонии, а просмотру страниц в браузерах выставить наименьший приоритет.

PoE

Еще одна возможность, которая не относится к непосредственно процессу коммутации пакетов — обеспечение питания клиентских устройств через сетевой кабель. Часто это используется для подключения IP-камер, телефонных аппаратов и беспроводных точек доступа, что позволяет сократить число проводов и упростить коммутацию. При выборе такой модели важно учитывать несколько параметров, основной из которых — используемый клиентским оборудованием стандарт. Дело в том, что некоторые производители используют собственные реализации, которые несовместимы с другими решениями и могут даже привести к поломке «чужого» оборудования. Также стоит выделять «пассивный PoE», когда осуществляется передача питания с относительно низким напряжением без обратной связи и контроля получателя.

Более правильным, удобным и универсальным вариантом будет использование «активного PoE», работающего по стандартам 802.3af или 802.3at и способного передать до 30 Вт (в новых версиях стандартов встречаются и более высокие значения). В этой схеме передатчик и получатель обмениваются между собой информацией и согласуют необходимые параметры питания, в частности потребляемую мощность.

Для проверки мы подключили к коммутатору камеру Axis, совместимую с PoE 802.3af. На лицевой панели коммутатора зажегся соответствующий индикатор подачи питания на этот порт. Далее через Web-интерфейс мы сможем проконтролировать статус потребления по портам.

Также интересна возможность управления подачей питания на порты. Поскольку если камера подключена одним кабелем и находится в труднодоступном месте, для ее перезагрузки при необходимости потребуется отключать этот кабель или на стороне камеры или в коммутационном шкафу. А здесь вы можете зайти удаленно на коммутатор любым доступным способом и просто снять галочку «подавать питания», а потом поставить ее обратно. Кроме того, в параметрах PoE можно настроить систему приоритетов для предоставления питания.

Как мы писали ранее, ключевым полем сетевых пакетов в данном оборудовании является MAC-адрес. Управляемые коммутаторы часто имеют набор сервисов, ориентированных на использование этой информации.

Например, рассматриваемая модель поддерживает статическое назначение MAC-адресов на порт (обычно эта операция происходит автоматически), фильтрацию (блокировку) пакетов по MAC-адресам отправителя или получателя.

Кроме того, вы можете ограничить число регистраций MAC-адресов клиентов на порту коммутатора, что также можно считать дополнительной опцией повышения безопасности.

Большинство сетевых пакетов третьего уровня обычно однонаправленные — идут от одного адресата одному получателю. Но некоторые сервисы применяют технологию мультикаст, когда получателей у одного пакета сразу несколько. Наиболее известный пример — это IPTV. Использование мультикаст здесь позволяет существенно сократить требования к полосе пропускания при необходимости доставки информации большому числу клиентов. Например, мультикаст 100 ТВ каналов с потоком 1 Мбит/с потребует 100 Мбит/с при любом числе клиентов. Если же использовать стандартную технологию, то 1000 клиентов потребовали бы 1000 Мбит/с.

Не будем вдаваться в подробности работы IGMP, отметим только возможность тонкой настройки коммутатора для эффективной работы при большой нагрузке данного типа.

В сложных сетях могут применяться специальные протоколы для контроля за путем прохождения сетевых пакетов. В частности, они позволяют исключить топологические петли («зацикливание» пакетов). Рассматриваемый коммутатор поддерживает STP, RSTP и MSTP и имеет гибкие настройки их работы.

Еще одной востребованной в крупных сетях функцией является защита от ситуаций типа «широковещательный шторм». Это понятие характеризует существенное увеличение широковещательных пакетов в сети, блокирующих прохождение «обычного» полезного трафика. Наиболее простым способом борьбы с этим является установка ограничений на обработку определенного числа пакетов в секунду для портов коммутатора.

Дополнительно в устройстве есть функция Error Disable. Она разрешает коммутатору отключать порты в случае обнаружения на них чрезмерного служебного трафика. Это позволяет сохранить производительность и обеспечить автоматическое восстановление работы после исправления проблемы.

Еще одна задача, связанная скорее с требованиями безопасности, — мониторинг всего трафика. В обычном режиме коммутатор реализует схему отправки пакетов только непосредственно их получателям. «Поймать» на другом порту «чужой» пакет невозможно. Для реализации этой задачи используется технология «зеркалирования» портов — на выбранных порт коммутатора подключается контрольное оборудование и настраивается отправка на этот порт всего трафика с указанных других портов.

Функции IP Source Guard, DHCP Snooping ARP Inspection также ориентированы на повышение безопасности. Первая позволяет настроить фильтры с участием MAC, IP, VLAN и номера порта, через которые будут проходить все пакеты. Вторая защищает протокол DHCP, третья автоматически блокирует неавторизованных клиентов.

Заключение

Безусловно, описанные выше возможности составляют лишь толику от доступных сегодня на рынке технологий сетевой коммутации. И даже из этого небольшого списка найти реальное применение у домашних пользователей могут далеко не все из них. Пожалуй, наиболее распространенными можно назвать PoE (например, для питания сетевых видеокамер), объединение портов (в случае крупной сети и необходимости быстрого обмена трафиком), контроль трафика (для обеспечения работы потоковых приложений при высокой нагрузке на канал).

Конечно, совсем не обязательно для решения этих задач использовать именно устройства бизнес-уровня. Например, в магазинах можно найти обычный коммутатор с PoE, объединение портов есть и в некоторых топовых роутерах, приоритезация также начинает встречаться в некоторых моделях с быстрыми процессорами и качественным программным обеспечением. Но, на наш взгляд, вариант приобретения более профессионального оборудования, в том числе и на вторичном рынке, вполне можно рассматривать и для домашних сетей с повышенными требованиями к производительности, безопасности и управляемости.

Кстати, на самом деле есть еще один вариант. Как мы говорили выше во всех «умных» коммутаторах непосредственно «ума» может быть разное количество. А у многих производителей есть серии продуктов, которые вполне укладываются в домашний бюджет и при этом способны обеспечить многие из описанных выше возможностей. В качестве примера можно упомянуть Zyxel GS1900-8HP.

Эта модель имеет компактный металлический корпус и внешний блок питания, в ней установлено восемь гигабитных портов с PoE, а для настройки и управления предусмотрен Web-интерфейс.

Прошивка устройства поддерживает агрегацию портов с LACP, VLAN, ограничение скорости портов, 802.1x, зеркалирование портов и другие функции. Но в отличие от описанного выше «настоящего управляемого коммутатора», настраивается это все исключительно через Web-интерфейс и, при необходимости, даже с использованием помощника.

Конечно, речи не идет о близости этой модели описанному выше устройству по своим возможностям в целом (в частности, здесь отсутствуют средства классификации трафика и функции Level 3). Скорее это просто более подходящий для домашнего пользователя вариант. Аналогичные модели можно найти в каталогах и других производителей.

Локальные мосты - предшественники коммутаторов

Принципы коммутации сегментов и узлов локальных сетей, использующих традиционные технологии

Полнодуплексные (full-duplex) протоколы локальных сетей - ориентация исключительно на коммутацию кадров

ATM-коммутация

Особенности коммутаторов локальных сетей

Техническая реализация коммутаторов

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутаторы с общей шиной

Коммутаторы с разделяемой памятью

Комбинированные коммутаторы

Модульные и стековые коммутаторы

Характеристики производительности коммутаторов

Скорость фильтрации и скорость продвижения

Оценка необходимой общей производительности коммутатора

Размер адресной таблицы

Объем буфера

Дополнительные возможности коммутаторов

Трансляция протоколов канального уровня

Поддержка алгоритма Spanning Tree

Способы управления потоком кадров

Возможности коммутаторов по фильтрации трафика

Коммутация "на лету" или с буферизацией

Использование различных классов сервиса (class-of-service)

Поддержка виртуальных сетей

Управление коммутируемыми сетями

Типовые схемы применения коммутаторов в локальных сетях

Коммутатор или концентратор?

Коммутатор или маршрутизатор?

Стянутая в точку магистраль на коммутаторе

Распределенная магистраль на коммутаторах

Обзор моделей коммутаторов

Коммутаторы Catalyst компании Cisco Systems

Коммутатор EliteSwitch ES/1 компании SMC

Коммутаторы локальных сетей компании 3Com

Примеры АТМ-коммутаторов для локальных сетей

Введение. Тенденция вытеснения концентраторов и маршрутизаторов коммутаторами

Транспортная система локальных сетей масштаба здания или кампуса уже достаточно давно стала включать разнообразные типы активного коммуникационного оборудования - повторители, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, соединенные в сложные иерархические структуры, вроде той, которая изображена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Типичная структура сети здания или кампуса

Активное оборудование управляет циркулирующими в сети битами, кадрами и пакетами, стараясь организовать их передачу так, чтобы данные терялись как можно реже, а попадали к адресатам как можно быстрее, в соответствии с потребностями трафика работающих в сети приложений.

Описанный подход стал нормой при проектировании крупных сетей и полностью вытеснил сети, построенные исключительно на основе пассивных сегментов кабеля, которыми совместно пользуются для передачи информации компьютеры сети. Преимущества сетей с иерархически соединенным активным оборудованием не раз проверены на практике и сейчас никем не оспариваются.

И, если не обращать внимание на типы используемого оборудования, а рассматривать их просто как многопортовые черные ящики, то может сложиться впечатление, что никаких других изменений в теории и практике построения локальных сетей нет - предлагаются и реализуются очень похожие схемы, отличающиеся только количеством узлов и уровней иерархии коммуникационного оборудования.

Однако, качественный анализ используемого оборудования говорит об обратном. Изменения есть, и они существенны. За последние год-два коммутаторы стали заметно теснить другие виды активного оборудования с казалось бы прочно завоеванных позиций. Несколько лет назад в типичной сети здания нижний уровень иерархии всегда занимали повторители и концентраторы, верхний строился с использованием маршрутизаторов, а коммутаторам отводилось место где-то посередине, на уровне сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного - их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подключения сверхпроизводительных серверов.

Коммутаторы стали вытеснять маршрутизаторы из центра сети на периферию (рисунок 1.2), где они использовались для соединения локальной сети с глобальными.

Рис. 1.2. Совместное использование коммутаторов и маршрутизаторов

Центральное место в сети здания занял модульный корпоративный коммутатор, который объединял на своей внутренней, как правило, очень производительной, магистрали все сети этажей и отделов. Коммутаторы потеснили маршрутизаторы потому, что их показатель "цена/производительность", рассчитанный для одного порта, оказался гораздо ниже при приближающихся к маршрутизаторам функциональным возможностям по активному воздействию на передаваемый трафик. Сегодняшние корпоративные коммутаторы умеют многое из того, что несколько лет назад казалось исключительной прерогативой маршрутизаторов: транслировать кадры разных технологий локальных сетей, например Ethernet в FDDI, осуществлять фильтрацию трафика по различным условиям, в том числе и задаваемым пользователем, изолировать трафик одного сегмента от другого и т.п. Коммутаторы ввели также и новую технологию, которая до их появления не применялась - технологию виртуальных сегментов, позволяющих перемещать пользователей из одного сегмента в другой чисто программным путем, без физической перекоммутации разъемов. И при всем при этом стоимость за один порт при равной производительности у коммутаторов оказывается в несколько раз ниже, чем у маршрутизаторов.

После завоевания магистрального уровня корпоративной сети коммутаторы начали наступление на сети рабочих групп, где до этого в течение последних пяти лет всегда использовались многопортовые повторители (концентраторы) для витой пары, заменившие пассивные коаксиальные сегменты. Появились коммутаторы, специально предназначенные для этой цели - простые, часто неуправляемые устройства, способные только быстро передавать кадры с порта на порт по адресу назначения, но не поддерживающие всей многофункциональности корпоративных коммутаторов. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт быстро снижается и, хотя порт концентратора по-прежнему стоит меньше порта коммутатора рабочей группы, тенденция к сближению их цен налицо.

Подтверждением этой тенденции могут служить данные исследовательских компаний InStat и Dell"Oro Group за 1996 год и их прогноз на 1998 год:

1996	1998Процент снижения за два года
Средняя цена за порт концентратора
Ethernet	$101	$946.9%
Fast Ethernet	$200	$14527.5%
Средняя цена за порт коммутатора
Ethernet	$427	$20053%
Fast Ethernet	$785	$50036.3%
Отношение порт коммутатора/порт концентратора
Ethernet	4.22	2.1
Fast Ethernet	3.9	3.4

Эти данные собраны по всем классам коммутаторов, от уровня рабочей группы до магистрального уровня, где концентраторы не применяются, поэтому сопоставление концентраторов только с коммутаторами рабочих групп дало бы еще более близкие в стоимостном отношении результаты, так как стоимость за порт Ethernet у отдельных коммутаторов доходит до $150, то есть всего в полтора раза превышает стоимость порта концентратора Ethernet.

В то же время производительность сети, построенной на коммутаторе, обычно в несколько раз превышает производительность аналогичной сети, построенной с использованием концентратора. Так как плата за повышение производительности не так уж велика и постоянно снижается, то многие сетевые интеграторы все чаще соглашаются с ней для снижения задержек в своей сети. С распространением работающих в реальном времени приложений ущерб от транспортных задержек становится все ощутимее, а нагрузка на транспортную систему возрастает, что еще больше стимулирует приближение таких высокопроизводительных устройств, как коммутаторы, к пользовательским компьютерам.

Естественно, тенденция повышения роли коммутаторов в локальных сетях не имеет абсолютного характера. И у маршрутизаторов, и у концентраторов по-прежнему имеются свои области применения, где их применение более рационально, чем коммутаторов. Маршрутизаторы остаются незаменимыми при подключении локальной сети к глобальной. Кроме того, маршрутизаторы хорошо дополняют коммутаторы при построении виртуальных сетей из виртуальных сегментов, так как дают испытанный способ объединения сегментов в сеть на основании их сетевых адресов.

Концентраторы также имеют сегодня свою нишу. По-прежнему существует большое количество случаев, когда трафик в рабочей группе невелик и направлен к одному серверу. В таких случаях высокая производительность коммутатора мало что дает конечному пользователю - при замене концентратора на коммутатор он ее практически не почувствует.

Тем не менее, в локальных сетях появляется все больше коммутаторов, и эта ситуация вряд ли коренным образом изменится в ближайшем будущем. Некоторые новые технологии, такие как ATM, вообще используют коммутацию как единственный способ передачи данных в сети, другие, например, Gigabit Ethernet - рассматривают ее в качестве, хотя и не единственного, но основного способа связи устройств в сети.

Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях

Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных

Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Классическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры разделяют во времени единственный канал связи, образованный сегментом коаксиального кабеля (рисунок 2.1).

Коммутация в локальных сетях (ЛВС) является одной из основ происходящего сегодня перехода к использованию технологий следующего поколения. Традиционные ЛВС рассчитаны на совместное использование ресурсов пользователями небольшого числа станций (обычно до 50). К числу разделяемых ресурсов относятся файлы и периферийные устройства (принтеры, модемы и т.п.). Поскольку картина трафика в таких сетях имеет ярко выраженный взрывной характер, использование разделяемой между всеми пользователями полосы может приводить к существенному замедлению работы. Стандарты Ethernet и token ring регулируют доступ сетевых устройств к разделяемой среде передачи. Когда одно из устройств передает данные в сеть, все остальные должны ждать окончания передачи, не делая попыток передать в сеть свои данные.

Такая схема разделения доступа к среде очень эффективна в небольших сетях, используемых для совместного использования файлов или принтеров. Сегодня размер и сложность локальных сетей значительно возрасли, а число устройств измеряется тысячами. В сочетании с ростом потребностей пользователей недетерминистический характер традиционных сеетвых архитектур (таких как Ethernet и token ring) начал ограничивать возможности сетевых приложений. Коммутация ЛВС является популярной технологией, способной продлить жизнь существующих ЛВС на базе Ethernet и token ring. Преимущества коммутации заключаются в сегментировании сетей - делении их на более мелкие фрагменты со значительным снижением числа станций в каждом сегменте. Изоляция трафика в небольшом сегменте приводит к многократному расширению доступной каждому пользователю полосы, а поддержка виртуальных ЛВС (VLAN) значительно повышает гибкость системы.

Коммутация обеспечивает сегментирование ЛВС с разделяемой средой

Администраторы сетей должны представлять себе технологические аспекты коммутации ЛВС и стоимость перехода к использованию коммутаторов в существующих сетях. Технологические вопросы включают понимание архитектуры коммутаторов ЛВС различий между коммутацией на MAC-уровне и маршрутизацией на сетевом, а также разницы между выполнением операций на программном и аппаратном уровне. Экономические аспекты включают сравнение соотношения производительность/цена для маршрутизаторов и коммутаторов, оценку эффективности вложения средств, а также расходов на организацию и поддержку сетей (включая управление сетью).

Технологические аспекты

Еще недавно для сегментации ЛВС использовались мосты, но развитие технологий позволило использовать для этого более эффективные решения. Еще несколько лет назад для объединения сегментов ЛВС использовались маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Маршрутизаторы обеспечивают эффективную сегментацию, но они достаточны дороги и сложны в управлении. Появление коммутаторов, основанных на базе специализированных контроллеров ASIC, сделало эти устройства значительно более эффективным инструментом сегментации сетей.

Коммутаторы ЛВС отличаются большим разнообразием возможностей и, следовательно, цен - стоимость 1 порта колеблется в диапазоне от 50 до 1000 долларов. Одной из причин столь больших различий является то, что они предназначены для решения различных классов задач. Коммутаторы высокого класса должны обеспечивать высокую производительность и плотность портов, а также поддерживать широкий спектр функций управления. Такие устройства зачастую кроме традиционной коммутации на MAC-уровне выполняют функции маршрутизации. Простые и дешевые коммутаторы имеют обычно небольшое число портов и не способны поддерживать функции управления.

Одним из основных различий является используемая в коммутаторе архитектура. Поскольку большинство современных коммутаторов работают на основе патентованных контроллеров ASIC, устройство этих микросхем и их интеграция с остальными модулями коммутатора (включая буферы ввода-вывода) играет важнейшую роль. Коммутаторы, реализующие также функции сетевого уровня (маршрутизацию), оснащены, как правило, RISC-процессорами для выполнения ресурсоемких программ маршрутизации.

Рисунок 2.1 Блок-схема коммутатора с архитектурой cross-bar

Контроллеры ASIC для коммутаторов ЛВС делятся на 2 класса - большие ASIC, способные обслуживать множество коммутируемых портов (один контроллер на устройство) и небольшие ASIC, обслуживающие по несколько портов и объединяемые в матрицы коммутации. Вопросы масштабирования и стратегия разработчиков коммутаторов в области организации магистралей и/или рабочих групп определяет выбор ASIC и, следовательно, - скорость продвижения коммутаторов на рынок.

Существует 3 варианта архитектуры коммутаторов - переключение (cross-bar) с буферизацией на входе, самомаршрутизация (self-route) с разделяемой памятью и высокоскоростная шина. На показана блоксхема коммутатора с архитектурой, используемой для поочередного соединения пар портов. В любой момент такой коммутатор может обеспечить организацию только одного соединения (пара портов). При невысоком уровне трафика не требуется хранение данных в памяти перед отправкой в порт назначения - такой вариант называется коммутацией на лету cut-through). Однако, коммутаторы cross-bar требуют буферизации на входе от каждого порта, поскольку в случае использования единственного возможного соединения коммутатор блокируется (). Несмотря на малую стоимость и высокую скорость продвижения на рынок, коммутаторы класса cross-bar слишком примитивны для эффективной трансляции между низкоскоростными интерфейсами Ethernet или token ring и высокоскоростными портами ATM и FDDI.

Рисунок 2.2 Блокировка коммутатора с архитектурой cross-bar

Коммутаторы с разделяемой памятью имеют общий входной буфер для всех портов, используемый как внутренняя магистраль устройства (backplane). Буферизагия данных перед их рассылкой (store-and-forward - сохранить и переслать) приводит к возникновению задержки. Однако, коммутаторы с разделяемой памятью, как показано на не требуют организации специальной внутренней магистрали для передачи данных между портами, что обеспечивает им более низкую цену по сравнению с коммутаторами на базе высокоскоростной внутренней шины.

Рисунок 2.3 Архитектура коммутатора с разделяемой памятью

Рисунок 2.4 Коммутатор с высокоскоростной шиной

Рисунок 2.5 Коммутация и маршрутизация в модели OSI

Большинство современных сетевых устройств - концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы - поддерживают отдельные функции коммутации и маршрутизации. Администратор сети должен решить, какие услуги каждого типа требуются в сети и чье оборудование наиболее соответствует задачам.

Аппаратные реализации коммутаторов ЛВС используют специализированные микросхемы ASIC (собственной разработки или других фирм), в которых реализованы функции коммутации. Аппаратная реализация обеспечивает более высокую скорость по сравнению с программной. Однако, этого еще недостаточно для создания хорошего коммутатора. При разработке ASIC должны создавать и проверяться программы коммутации, реализуемые в микросхемах. После создания контроллера программный код уже нельзя изменить, поэтому эффективность машины коммутации играет важнейшую роль. Стремление быстрее предложить устройства на рынок зачастую определяет уровень функциональности ASIC. Программные решения используют процессоры общего назначения, для работы которых требуется загрузить программный код. Преимущества такого подхода включают более высокий уровень сервиса (например, маршрутизация), но эти преимущества зачастую полностью подавляются ростом задержек.

Экономические аспекты

Очевидно, что основной причиной столь быстрого внедрения коммутаторов является более низкая, по сравнению с традиционными маршрутизаторами, стоимость самих устройств и существенное снижение расходов на организацию и поддержку сетей. Будучи устройством MAC-уровня, коммутатор не требует какой-либо настройки и обеспечивает решение plug-and-play (это относится прежде всего к простым коммутаторам). Коммутаторы легко позволяют решить проблему расширения полосы и могут работать в сетях с традиционными маршрутизаторами, обеспечивая деление сети на сегменты, связываемые потом маршрутизаторами. Поскольку на канальном уровне сеть выглядит плоской, все дополнительные услуги маршрутизации должны выполняться традиционными маршрутизаторами. Таким образом, коммутаторы в рабочих группах позволяют эффективно сегментировать сеть, оставляя маршрутизаторам функции связи между сегментами.

Другой причиной быстрого роста популярности коммутаторов является то, что они оптимизированы для решения различных сетевых задач (в частности для организации рабочих групп). Поскольку потребности рабочих групп связаны прежде всего с высокой скоростью обмена и обеспечением неблокируемых путей передачи трафика между членами группы, коммутаторы ЛВС содержат в качестве ядра аппаратную машину коммутации (switching engine). Массовое производство контроллеров ASIC привело к значительному снижению цен. Дополнительные высокоскоростные порты (uplink) для подключения к серверам, маршрутизаторам или магистралям обеспечивают пользователям рабочих групп удовлетворение всех возникающих потребностей. Гибкое и масштабируемое выделение полосы делает коммутаторы ЛВС важной частью процесса модернизации существующих сетей на базе разделяемых сред. Возможность простого переноса из одной точки сети в другую обеспечивает высокую эффективность капиталовложений, поскольку при изменении задач или структуры сети не приходится покупать новые устройства взамен имеющихся.

Возможно наибольшая экономия в результате использования коммутаторов связана с эффектиной сегментацией сети (рост пропускной способности) и простотой управления (plug-and-play). В отличие от маршрутизаторов, коммутаторы ЛВС практически не требуют настройки и не отнимают много времени у сетевых администраторов. MAC-адреса подключенных к коммутатору устройств определяются автоматически, а сложные схемы IP-адресации, используемые в сегодняшних сетях остаются полностью прозрачными для рабочих групп. Установка коммутатора в рабочей группе обычно не требует ничего, кроме подключения устройств к портам коммутатора взамен портов концентратора или размещения коммутатора между концентраторами и маршрутизатором как показано на рисунках , и .

Рисунок 2.6 Традиционная ЛВС на основе концентратора

Рисунок 2.7 Коммутатор ЛВС взамен хаба

Рисунок 2.8 Совместное использование коммутаторов и концентраторов

Коммутаторы ЛВС обеспечивают расширение агрегатной полосы

Сегментирование ЛВС с разделяемой средой можно проиллюстрировать на примере разделения участников большой конференции на специализированные группы, разделенные в разных помещениях. Сегментация сети обеспечивает многократный рост агрегатной полосы, позволяя вместо одного устройства вести передачу многим устройствам сразу. Сети Ethernet и token ring аналогичны пленарным заседаниям конференций, где все слушают одного оратора. Заседания рабочих групп позволяют выступать одному человеку в каждой группе. Таким образом и сегментация сетей позволяет вести передачу данных нескольким устройствам одновременно (по одному на сегмент).

При рассмотрении вопросов коммутации ЛВС важно понимать картину трафика и изменения в структуре ЛВС. Картины трафика в традиционных ЛВС с состязательным доступом к среде и сетях с выделенной полосой для каждого порта существенно отличаются. При изучении картины администратор наверняка увидит, что отдельным пользователям или группам требуется более широкая полоса, а часть задач весьма чувствительна к задержкам.

Изменения в структуре ЛВС и картине трафика

Сейчас уже очевидно, что используемый в сетях с разделяемой полосой состязательный механизм доступа является основной причиной недостаточной пропускной способности традиционных ЛВС. Напомним, что в каждый момент времени передавать данные в разделяемую среду может лишь одна станция - остальные должны "слушать". Реализации механизмов доступа в сетях Ethernet и token ring отличаются, следовательно, будут различаться и результаты использования коммутаторов.

Доступ к среде в сетях Ethernet основан на алгоритме CSMA/CD (множественный доступ с детектированием несущей и обнаружением конфликтов). Когда станции требуется передать данные, она сначала проверяет канал на предмет его использования другой станцией (обнаружение несущей - CS). Если среда в данный момент не используется, станция может начать передачу. Если среда занята, станция повторяет попытку доступа по истечении случайного интервала времени. Несмотря на предварительное прослушивание среды две (или более) станции могут начать передачу одновременно - возникает конфликт или коллизия (CD). В этом случае обе станции должны немедленно прекратить передачу и пытаться повторить ее по истечение случайного интервала времени.

В небольших сетях взрывной характер трафика (пакеты данных передаются лишь время от времени) обеспечивает достаточно малую вероятность возникновения конфликтов. В большой сети интервалы между пакетами сокращаются и вероятность коллизий растет. Это приводит к тому (), что в больших сетях возможна (хотя и маловероятна) ситуация, когда какая-либо станция (например, с медленным процессором) вообще не сможет получить доступа к среде передачи, поскольку какой-либо очередности доступа не соблюдается (известный принцип - кто первый встал, тому и тапочки). Сегментация такой сети позволит обеспечить существенное повышение пропускной способности.

Figure 2.9 Пример сети рабочей группы

Число станций и эффективная полоса

В сетях Token ring доступ к среде основан на передаче маркера (token) - специального пакета, распространяемого по кольцу. Получившая маркер станция может начать начать передачу своих данных в сеть. Здесь не возникает конфликтов, но станция, не владеющая маркером, не может передавать данные, даже при свободной среде. В маленьких сетях цикл передачи маркера по кольцу занимает немного времени и станции не ждут подолну возможности начать передачу. Однако, в большой сети время ожидания может стать слишком большим. Разделение кольца на несколько меньших колец с помощью коммутатора (сегментация) уменьшает число станций в кольце и снижает время ожидания маркера. Кроме того, коммутация token ring повышает устойчивость сети к повреждениям.

Причиной нехватки пропускной способности является то, что каждая станция сегмента слышит "разговоры" всех других станций. Переход к ориентированным на организацию соедиений "точка-точка" технологиям типа ATM, является важнейшим шагом вперед. Преимущества полностью коммутируемых сетей, ориентированных на организацию соединений, очевидны, но что делать с имеющимися сетевыми приложениями и услугами на основе широковещательных пакетов в традиционных ЛВС. До тех пор, пока все эти приложения не будут переписаны для сетей на основе организации прямых соединений, проблема широковещательного трафика будет основным вопросом в связи с коммутацией ЛВС.

Рисунок 2.10 Число пользователей Ethernet и эффективная полоса

Различные требования пользователей к полосе

Широкополосные приложения, такие как multimedia и базы данных клиент-сервер являются достаточно тяжелым грузом для ЛВС с разделяемой средой, рассчитанных просто на совместное использование файлов и принтеров. Использование состязательных механизмов доступ к среде не позволяет обеспечить пользователям графических приложений высокоскоростной перенос по сети больших объемов данных с малой задержкой. Администраторы сетей часто решают эту проблему организацией для таких пользователей отдельных сегментов без перехода на высокоскоростные технологии типа FDDI. Подбор числа пользователей для каждого порта коммутатора обеспечивает экономичное решение проблемы недостаточной пропускной способности без перехода на новые технологии.

Файловые серверы, серверы приложений и пользователи с высокими запросами можно подключить к коммутатору через скоростные порты Fast Ethernet, FDDI или ATM. Этот путь требует замены сетевых адаптеров в серверах и, возможно, кабельной системы, но обеспечивает гибкое и масштабируемое решение.

Широкополосные приложения отнюдь не являются единственной проблемой сетевых администраторов. Чувствительные к задержкам задачи реального времени (например, видео) в разделяемых средах с недетерминистическим способом доступа (типа Ethernet).

Коммутация ЛВС повышает уровень гибкости

Коммутация ЛВС позволяет создавать виртуальные сети (VLAN) из групп пользователей, основываясь на их задачах, а не по физическому расположению в сети. Технология виртуальных ЛВС позволяет пользователям свободно перемещаться по сети, оставаясь в своей рабочей группе.

Простота приспособления виртуальных ЛВС к перемещению и добавлению узлов, а также другим изменениям в сети вместе с эффективной интеграцией традиционных ЛВС в сети ATM способна поразить воображение каждого. Перестройка сети с учетом роста числа мобильных пользователей и необходимости обеспечения доступа на базе правил, позволяет многочисленным пользователям свободно работать даже находясь за пределами офиса. Планирование интеграции традиционных ЛВС в сети на базе ATM требует от администраторов с осторожностью относится к выбору технологии. Правильный выбор позволит создать эффективную сеть и обеспечит возможность поэтапного перехода на новые технологии.

Виртуальные ЛВС упрощают перенос, добавление или удаление узлов

Сотрудники многих организаций работают над различными проектами, группируясь в рабочие команды для решения конкретных задач. По мере решения задачи состав группы может меняться, а по завершении потребуется создание новой группы. Организация рабочих групп по физическому расположнию компьютеров (как это делается в сетях с разделяемой средой) зачастую создает трудноразрешимые проблемы. Приходится переносить рабочие места пользователей или передавать большие объемы информации через перегруженные маршрутизаторы. Кроме того, трудоемкость настройки маршрутизаторов делает практически нереальной задачу создания временных рабочих групп из числа сотрудников, удаленных друг от друга. Виртуальные ЛВС позволяют группировать пользователей, не обращая внимание на их физическое расположение в сети - вы можете создать рабочую группу из сотрудников, расположенных в разных зданиях или даже в разных городах.

Возможность организации VLAN с использованием WAN-каналов требует интеграции коммутаторов ЛВС и ATM. На показан пример использования ATM для организации логического соединения между портами удаленных коммутаторов ЛВС. Таким образом можно создавать широковещательные домены (виртуальные ЛВС) из станций, расположенных на значительном удалении

Рисунок 2.11 Логические соединения коммутаторов ATM через WAN-каналы

Виртуальные ЛВС обеспечивают многочисленные преимущества. Рассмотрим для примера организацию с большим числом работающих на выезде сотрудников. При переезде такого сотрудника в другое место меняется его сетевой адрес и требуется полностью обновлять таблицу маршрутизации. Пользователю после такого переезда также придется вносить конфигурационные изменения для получения привычного сервиса. Виртуальные ЛВС на базе коммутаторов с поддержкой функций маршрутизации значительно упрощают операции, связанные с перемещениями пользователей. Возможно обеспечить полное сохранение рабочей среды независимо от местоположения пользователя ().

Рисунок 2.12 Построение виртуальной ЛВС

В дополнение к возможности организации распределенных рабочих групп технология VLAN позволяет создавать такие группы на основе широкого набора критериев (правил), задаваемых администратором сети. Таким образом, вопросы доступа, обеспечения безопасности, ведения счетов на оплату услуг можно решать автоматически за счет задания соответствующих правил организации VLAN. Виртуальные сети на базе правил позволяют обеспечить высочайшую гибкость при надежном обеспечении безопасности сети. Управление VLAN на основе технолгии drag-and-drop позволяет легко настраивать права доступа, создавать и менять логические рабочие группы.

Рисунок 2.13 Построение виртуальной ЛВС

Коммутация ЛВС обеспечивает интеграцию традиционных рабочих групп в сети ATM

Возможно одним из основных преимуществ коммутации ЛВС является возможность удовлетворения разнообразных потребностей пользователей в части предоставления полосы и типа сервиса. Как мы показали ранее установка коммутатора ЛВС, работающего на MAC-уровне не требует внесения изменений на уровне рабочих станций или уже имеющихся в сети маршрутизаторов. За счет возможности управления числом станций на каждом порту коммутатора администратор может обеспечить каждому пользователю или приложению требуемую полосу и величину задержки. Высокоскоростные магистральные модули (uplink) обеспечивают хорошее масштабирование за счет возможности подключения к высокоскоростным серверам и магистралям. Поскольку установка коммутаторов практически не требует настройки, добавление коммутаторов вследствие роста сети не вызывает затруднений и не требует высоких расходов.

Наконец, возможность поэтапной модернизации позволяет оценить необходимость использования новых технологий (типа ATM) для расширения возможностей существующих сетей. Реализация сетей полностью на базе ATM требует значительных средств и возможность использования преимуществ этой технологии при сохранении существующих сетей Ethernet и token ring имеет очень важное значение.

Приведенная в документе техническая информация может быть изменена без предупреждения.

© 1997 Xylan Corporation.