Коммутатор

Сетевой коммутатор  — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы (3 уровень OSI).

В отличие от концентратора (1 уровень OSI), который распространяет трафик от одного подключённого устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых неизвестен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Чаще всего это понятие относится к сетям ethernet, но существуют и коммутаторы arcnet, FDDI, Fibre Channel, infiniband.

Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

1. С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
2. Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
3. Безфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (первые 64 байта кадра анализируются на наличие ошибки и при её отсутствии кадр обрабатывается в сквозном режиме).

Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

На основании способов взаимодействия системы по сетевой модели OSI, еще выделяют и уровни коммутаторов. На сегодня их четыре:

Сетевой коммутатор 1 уровня – L1 (Layer 1). Представляет собой устройство, работающее на самом простом, физическом уровне. Оно совершенно не «вникает» в суть сигналов, не разбираются в данных. Просто выполняют их пересылку, работая по принципу электрических сигналов. Получили – передали дальше. На таких коммутаторах работают «хабы», рипитеры, повторители. Называют их еще концентраторами.

Сетевой коммутатор второго уровня – L2 (Layer 2). Работают на канальной системе, предназначаются для физической адресации. Передача данных идет фрагментами (фреймами). Здесь нет IP-адресов устройств. Связанные пользователи идентифицируются по MAC-адресу. Между ними и выполняется передача фреймов. Это уже полноценный коммутатор, хоть и минимального уровня.

Сетевой коммутатор третьего уровня – L3 (Layer 3). Основан на сетевой системе, предназначенной для определения пути передачи информации. Они уже идентифицируют IP-адреса, могут подбирать оптимальные маршруты, минимизирующие время отправки данных. То есть здесь уже присутствует минимальная интеллектуальная составляющая. Также в их обязанности входят установка разных типов соединений, в том числе PPPoE и пр. Такое оборудование называют коммутаторами уровня L3 или маршрутизатор.

Сетевой коммутатор 4 уровня – L4 (Layer 4). В обязанности таких устройств входит обеспечение стабильности и безопасности передачи информации. Это логическое оборудование. Оно уже по заголовкам пакетов может идентифицировать и обрабатывать трафик, определить, каким приложениям они принадлежат и самостоятельно принимать решение о пересылке данных в нужное русло. Эти интеллектуальные устройства называют коммутаторами уровня L4.

Коммутатор 3 уровня – это устройство, которое пересылает трафик на основе информации уровня 3 (главным образов через mac-адрес). коммутатор 3 уровня поддерживает все функции коммутации, а также имеет некоторые функции маршрутизации между VLAN и/или VxLAN. Он задуман, как технология ля повышения производительности сетевой маршрутизации в больших локальных сетях. Для коммутатора 3 уровня перенаправление уровня выполняется специализированными ASIC – это быстрее, чем маршрутизаторы, но им обычно не хватает расширенных возможностей маршрутизаторов. В отличие от маршрутизаторов, коммутатор 3 уровня менее подвержен задержке в сети, поскольку пакетам не нужно выполнять дополнительные действия через маршрутизатор.

В мире сетей термин коммутатор 3 уровня и маршрутизатор часто используются в обоих случаях- и то, и другое широко используется при передаче данных по сети. Проще говоря, коммутатор 3 уровня соединяет хосты для формирования локальных сетей (LAN), в то время, как маршрутизатор соединяет несколько локальных сетей в глобальные сети (WAN). Между ними очень легко запутаться: они имеют много общего, поскольку оба поддерживают одинаковые протоколы маршрутизации, проверяют входящие пакеты и принимают динамические решения о маршрутизации на основе адресов источника и назначения внутри.Коммутатор 3 уровня – это прежде всего устройство для локальной вычислительной сети (LAN – Local Area Network). Т.е. данный коммутатор должен маршрутизировать трафик в локальной сети между существующими сегментами.

Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые).

Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например «Layer 3 Switch» или сокращенно «L3 Switch». Управление коммутатором может осуществляться посредством Web-интерфейса, интерфейса командной строки (CLI), протокола SNMP, RMON и т. п.

Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование. Многие коммутаторы уровня доступа обладают такими расширенными возможностями, как сегментация трафика между портами, контроль трафика на предмет штормов, обнаружение петель, ограничение количества изучаемых mac-адресов, ограничение входящей/исходящей скорости на портах, функции списков доступа и т. п., а иногда и встроенной поддержкой VPN.

Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство — стек — с целью увеличения числа портов. Например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с 90 ((4*24)-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).

Ранее сети Ethernet соединялись друг с другом при помощи иной (не Ethernet) канальной средой передачи данных (WAN)при помощи маршрутизаторов. Например Frame Relay, X.25, ATM, G.703, и т.п. Для преобразования была нужна гибкость, универсальность, сложный софт, и… хватало небольшой скорости.

Когда сети Ethernet сделались большими, то необходимость в таком подходе отпала, и даже более того, стала мешать (как и любая избыточность возможностей). Тут и появились коммутаторы 3-го уровня, способные в добавление к обычным функциям маршрутизировать трафик между портами на IP-уровне. Быстро, но с весьма ограниченными возможностями (как правило нельзя подсчитать трафик, построить сложные фильтры, добавить скрипты, NAT, и т.п.)

L3-коммутатор умеет обмениваться маршрутами с другими устройствами и перенаправлять (“форвардить”) трафик. С целью увеличения производительности используются специализированные аппаратные решения (ASIC для перенаправления трафика, аппаратная поддержка префиксных деревьев и прочая). Так как аппаратные ресурсы дороги, то по некоторым численным характеристикам (количество маршрутов, например) L3-коммутатор может отставать от маршрутизатора.
Кроме того, L3-коммутатор поддерживает технологии из сферы коммутации (xSTP, etherchannel и т.д.). В случае поддержки протокола Wccp коммутатор может перенаправлять http трафик на внешний прокси-сервер, к примеру Squid. Для сбора статистики использования сети и облегчения управления ею обычно применяют протоколы RMON, SNMP, OpenFlow и NetFlow.