Для чего нужен коммутатор в локальной сети. Разница между хабом и свитчем. Что такое Мосты и Коммутаторы

Логическая топология сети Ethernet - это шина с множественным доступом, в которой все устройства используют общий доступ к одной и той же среде передачи данных. Эта логическая топология определяет, как узлы в сети просматривают и обрабатывают кадры, отправляемые и получаемые в этой сети. Тем не менее, в настоящее время практически во всех сетях Ethernet используется физическая топология типа «звезда» или «расширенная звезда». Это означает, что в большинстве сетей Ethernet оконечные устройства, как правило, подключаются к коммутатору LAN уровня 2 по принципу «точка-точка».

Коммутатор LAN уровня 2 осуществляет коммутацию и фильтрацию только на основе МАС-адреса канального уровня модели OSI. Коммутатор полностью прозрачен для сетевых протоколов и пользовательских приложений. Коммутатор уровня 2 создаёт таблицу МАС-адресов, которую в дальнейшем использует для принятия решений о пересылке пакетов. В процессе передачи данных между независимыми IP-подсетями коммутаторы уровня 2 полагаются на маршрутизаторы.

Коммутаторы используют MAC-адреса для передачи данных по сети через свою коммутирующую матрицу на соответствующий порт в направлении узла назначения. Коммутирующая матрица представляет собой интегрированные каналы и дополняющие средства машинного программирования, что позволяет контролировать пути прохождения данных через коммутатор. Чтобы коммутатор смог понять, какой порт необходимо использовать для передачи кадра одноадресной рассылки, сначала ему необходимо узнать, какие узлы имеются на каждом из его портов.

Коммутатор определяет способ обработки входящих кадров, используя для этого собственную таблицу МАС-адресов. Он создаёт собственную таблицу MAC-адресов, добавляя в нее MAC-адреса узлов, которые подключены к каждому из его портов. После внесения MAC-адреса для того или иного узла, подключённого к определённому порту, коммутатор сможет отправлять предназначенный для этого узла трафик через порт, который сопоставлен с узлом для последующих передач.

Если коммутатор получает кадр данных, для которого в таблице нет MAC-адреса назначения, он пересылает этот кадр на все порты, за исключением того, на котором этот кадр был принят. Если от узла назначения поступает ответ, коммутатор вносит MAC-адрес узла в таблицу адресов, используя для этого данные из поля адреса источника кадра. В сетях с несколькими подключёнными коммутаторами в таблицы MAC-адресов вносятся несколько MAC-адресов портов, соединяющих коммутаторы, которые отражают элементы за пределами узла. Как правило, порты коммутатора, используемые для подключения двух коммутаторов, имеют несколько MAC-адресов, внесённых в соответствующую таблицу.

В прошлом коммутаторы использовали один из следующих способов пересылки для коммутации данных между сетевыми портами:

Коммутация с буферизацией

Коммутация без буферизации

При коммутации с буферизацией, когда коммутатор получает кадр, он хранит данные в буфере до тех пор, пока не будет получен весь кадр. Во время сохранения коммутатор анализирует кадр, чтобы получить информацию о его адресате. При этом коммутатор также выполняет проверку на наличие ошибок, используя концевую часть кадра Ethernet циклического контроля избыточности (CRC).

При использовании коммутации без буферизации коммутатор обрабатывает данные по мере их поступления даже в том случае, если передача ещё не завершена. Коммутатор добавляет в буфер именно такое количество кадра, которое требуется для чтения MAC-адреса назначения, чтобы он смог определить, на какой порт пересылать данные. MAC-адрес назначения указан в 6 байтах кадра после преамбулы. Коммутатор ищет MAC-адрес назначения в своей таблице коммутации, определяет порт исходящего интерфейса и направляет кадр на свой узел назначения через выделенный порт коммутатора. Коммутатор не проверяет кадр на наличие каких-либо ошибок. Поскольку коммутатору не нужно ждать добавления в буфер всего кадра целиком, и при этом он не выполняет проверку ошибок, коммутация без буферизации происходит быстрее, чем коммутация с буферизацией. Тем не менее, так как коммутатор не проверяет ошибки, он пересылает повреждённые кадры по всей сети. При пересылке повреждённые кадры уменьшают пропускную способность. В конечном итоге сетевая плата назначения отклоняет повреждённые кадры.

Модульные коммутаторы предлагают большую гибкость конфигурации. Как правило, они поставляются с шасси различного размера, что позволяет устанавливать несколько модульных линейных плат. Порты фактически располагаются на линейных платах. Линейная плата вставляется в шасси коммутатора подобно платам расширения, устанавливаемым в ПК. Чем больше шасси, тем больше модулей оно поддерживает. Как показано на рисунке, на выбор предлагается множество различных размеров шасси. Если вы приобрели модульный коммутатор с 24-портовой линейной платой, вы можете легко установить еще одну такую же плату, в результате чего общее количество портов будет увеличено до 48.

Коммутатор одно из важнейших устройств использующихся при построении локальной сети. В этой статье мы поговорим какими коммутаторы бывают и остановимся на важных характеристиках, которые нужно учитывать при выборе коммутатора локальной сети.

Для начала рассмотрим общую структурную схему, чтобы понимать какое место коммутатор занимает в локальной сети предприятия.

На рисунке выше показанна наиболее распространенная структурная схема небольшой локальной сети. Как правило в таких локальных сетях используются коммутаторы доступа.

Коммутаторы доступа непосредственно подключены к конечным пользователям, предоставляя им доступ к ресурсам локальной сети.

Однако в крупных локальных сетях коммутаторы выполняют следующие функции:

Уровень доступа сети . Как было сказано выше коммутаторы доступа предоставляют точки подключения устройств конечного пользователя. В крупных локальных сетях фреймы коммутаторов доступа не взаимодействуют друг с другом, а передаются через коммутаторы распределения.

Уровень распределения . Коммутаторы данного уровня пересылают трафик между коммутаторами доступа, но при этом не взаимодействуют с конечными пользователями.

Уровень ядра системы . Устройства данного типа объединяют каналы передачи данных от коммутаторов уровня распределения в крупных территориальных локальных сетях и обеспечивают очень высокую скорость коммутации потоков данных.

Коммутаторы бывают:

Неуправляемые коммутаторы . Это обычные автономные устройства в локальной сети, которые управляют передачей данных самостоятельно и не имеют возможности дополнительной настройки. В виду простоты установки и небольшой цены получили широкое распространение при монтаже в домашних условиях и малом бизнесе.

Управляемые коммутаторы . Более продвинутые и дорогие устройства. Позволяют администратору сети самостоятельно настраивать их под заданные задачи.

Управляемые коммутаторы могут настраиваться одним из следующих способов:

Через консольный порт Через WEB интерфейс

Через Telnet Через протокол SNMP

Через SSH

Уровни коммутаторов

Все коммутаторы можно разделить на уровни модели OSI . Чем этот уровень выше тем большими возможностями коммутатор обладает, однако и стоимость его будет значительно выше.

Коммутаторы 1 уровня (layer 1) . К данному уровню можно отнести хабы, повторители и другие устройства, работающие на физическом уровне. Эти устройства были на заре развития интернета и в настоящее время в локальной сети не используются. Получив сигнал устройство данного типа, просто передает его далее, во все порты, кроме порта отправителя

Коммутаторы 2 уровня (layaer 2) . К данному уровню относятся неуправляемые и часть управляемых коммутаторов (switch ) работающих на канальном уровне модели OSI . Коммутаторы второго уровня работают с фреймами – кадрами: потоком данных разбитых на порции. Получив фрейм коммутатор уровня 2 вычитывает из фрейма адрес отправителя и заносит его в свою таблицу MAC адресов, сопоставляя этот адрес порту на котором он этот фрейм получил. Благодаря такому подходу коммутаторы второго уровня пересылают данные только на порт получателя, не создавая при этом избыточного трафика по остальным портам. Коммутаторы второго уровня не понимают IP адресов расположенных на третьем сетевом уровне модели OSI и работают только на канальном уровне.

Коммутаторы второго уровня поддерживают такие наиболее распространенные протоколы как:

IEEE 802.1 q или VLAN виртуальные локальные сети. Данный протокол, позволяет в рамках одной физической сети создавать отдельные логические сети.

Например устройства подключенные к одному коммутатору, но находящиеся в разных VLAN не увидят друг друга и передавать данные смогут только в своем широковещательном домене (устройствам из той же VLAN). Между собой компьютеры на рисунке выше смогут передавать данные при помощи устройства работающего на третьем уровне с IP адресами: маршрутизатором.

IEEE 802.1p (Priority tags ). Этот протокол изначально присутствует в протоколе IEEE 802.1 q и представляет собой 3 битное поле от 0 до 7. Данный протокол позволяет маркировать и отсортировывать весь трафик по степени важности выставляя приоритеты (максимальный приоритет 7). Фреймы с большим приоритетом будут пересылаться в первую очередь.

IEEE 802.1d Spanning tree protocol (STP). Данный протокол выстраивает локальную сеть в виде древовидной структуры, чтобы избежать закольцовывания сети и предотвратить образования сетевого шторма.

Допустим монтаж локальной сети выполнен в виде кольца для повышения отказоустойчивости системы. Коммутатор с наибольшим приоритетом в сети выбирается корневым (Root). В примере приведенном выше SW3 является корневым. Не углубляясь в алгоритмы выполнения протокола, коммутаторы вычисляют путь с максимальной ценой и блокируют его. Например в нашем случае кротчайший путь от SW3 до SW1 и SW2 будет через собственные выделенные интерфейсы (DP) Fa 0/1 и Fa 0/2 . В этом случае цена пути по умолчанию для интерфейса 100 Мбит/c будет 19. Интерфейс Fa 0/1 коммутатора SW1 локальной сети блокируется потому, чо общая цена пути будет складываться из двух переходов между 100 Мбит/с интерфейсами 19+19=38.

Если рабочий маршрут будет поврежден, коммутаторы выполнят пересчет пути и разблокируют данный порт

IEEE 802.1w Rapid spanning tree protocol (RSTP). Усовершенствованный стандарт 802.1 d , который обладает более высокой устойчивостью и меньшим временем восстановления линии связи.

IEEE 802.1s Multiple spanning tree protocol. Последняя версия, учитывающая все недостатки протоколов STP и RSTP .

IEEE 802.3ad Link aggregation for parallel link. Данный протокол позволяет объединять порты в группы. Суммарная скорость данного порта агрегации будет складываться из суммы скоростей каждого порта в ней. Максимальная скорость определена стандартом IEEE 802.3ad и составляет 8 Гбит/сек.

Коммутаторы 3 уровня (layer 3) . Данные устройства еще называют мультисвичи так как они объединяют в себе возможности коммутаторов работающих на втором уровне и маршрутизаторов работающих с IP пакетами на третьем уровне. Коммутаторы 3 уровня полностью поддерживают все функции и стандарты коммутаторов 2 уровня. С сетевыми устройствами могут работать по IP-адресам. Коммутатор 3 уровня поддерживает установку различных соединений: l 2 tp , pptp, pppoe, vpn и т.д.

Коммутаторы 4 уровня (Layer 4) . Устройства уровня L4 работающие на транспортном уровне модели OSI . Отвечают за обеспечение надежности передачи данных. Эти коммутаторы, могут на основании информации из заголовков пакетов понимать принадлежность трафика разным приложениям и принимать решения о перенаправлении такого трафика на основании этой информации. Название таких устройств не устоялось, иногда их называют интеллектуальными коммутаторами, или коммутаторами L4.

Основные характеристики коммутаторов

Количество портов . В настоящее время существуют коммутаторы с количеством портов от 5 до 48. От этого параметра зависит количество сетевых устройств, которые можно подключить к данному коммутатору.

Например при построении малой локальной сети из 15 компьютеров нам понадобится коммутатор с 16 портами: 15 для подключения конченых устройств и один для установки и подключения маршрутизатора для выхода в интернет.

Скорость передачи данных . Это скорость, на которой работает каждый порт коммутатора. Обычно скорости указываются следующим образом: 10/100/1000 Мбит/с. Скорость работы порта определяется в процессе авто согласование с конечным устройством. В управляемых коммутаторах данный параметр может настраиваться вручную.

Например : Клиентское устройство ПК с сетевой платой 1 Гбит/с подключено к порту коммутатора со скоростью работы 10/100 Мбит/ c . В результате авто согласования устройства договариваются использовать максимально возможную скорость в 100 Мбит/с.

Авто согласование порта между Full – duplex и half – duplex . Full – duplex: передача данных одновременно осуществляется в двух направления. Half – duplex передача данных осуществляется сначала в одном, потом в другом направлении последовательно.

Внутренняя пропускная способность коммутационной матрицы . Данный параметр показывает с какой общей скоростью коммутатор может обрабатывать данные со всех портов.

Например : в локальной сети есть коммутатор у которого 5 портов работающих на скорости 10/100 Мбит/с. В технических характеристиках параметр коммутационная матрица равен 1 Гбит/ c . Это означает что каждый порт в режиме Full – duplex может работать со скоростью 200 Мбит/ c (100 Мбит/с прием и 100 Мбит/с передача). Допустим параметр данной коммутационной матрицы меньше заданного. Это означает, что в момент пиковых нагрузках, порты не смогут работать с заявленной скоростью в 100 Мбит/с.

Авто согласование типа кабеля MDI / MDI-X . Эта функция позволяет определить по какому из двух способов была обжата витая пара EIA/TIA-568A или EIA/TIA-568B. При монтаже локальных сетей наибольшее распространение получила схема EIA/TIA-568B.

Стекирование – это объединение нескольких коммутаторов в одно единое логическое устройство. Разные производители коммутаторов используют свои технологии стекирования, например c isco использует технологию стекирования Stack Wise с шиной между коммутаторами 32 Гбит/сек и Stack Wise Plus с шиной между коммутаторами 64 Гбит/сек.

К примеру данная технология актуально в крупных локальных сетях, где требуется на базе одного устройства подключить более 48 портов.

Крепеж для 19” стойки . В домашних условиях и малых локальных сетях коммутаторы довольно часто устанавливают на ровные поверхности или крепят на стену, однако наличие так называемых «ушей» необходимо в более крупных локальных сетях где активное оборудование размещается в серверных шкафах.

Размер таблицы MAC адресов . Коммутатор (switch) это устройство работающее на 2 уровне модели OSI . В отличии от хаба, который просто перенаправляет полученный фрейм во все порты кроме порта отправителя, коммутатор обучается: запоминает MAC адрес устройства отправителя, занося его, номер порта и время жизни записи в таблицу. Используя данную таблицу коммутатор перенаправляет фрейм не на все порты, а только на порт получателя. Если в локальной сети количество сетевых устройств значительно и размер таблицы переполнен, коммутатор начинает затирать более старые записи в таблице и записывает новые, что значительно снижает скорость работы коммутатора.

Jumboframe . Эта функции позволяет коммутатору работать с большим размером пакета, чем это определено стандартом Ethernet. После приема каждого пакета тратится некоторое время на его обработку. При использовании увеличенного размера пакета по технологии Jumbo Frame, можно сэкономить на времени обработки пакета в сетях, где используются скорости передачи данных от 1 Гб/сек и выше. При меньшей скорости большого выигрыша нет

Режимы коммутации. Для того, чтобы понять принцип работы режимов коммутации, сначала рассмотрим структуру фрейма передаваемого на канальном уровни между сетевым устройством и коммутатором в локальной сети:

Как видно из рисунка:

Сначала идет преамбула сигнализирующая начало передачи фрейма,
Затем MAC адрес назначения (DA ) и MAC адрес отправителя (SA )
Идентификатор третьего уровня: IPv 4 или IPv 6 используется
И в конце контрольная сумма FCS : 4 байтное значение CRC используемое для выявления ошибок передачи. Вычисляется отправляющей стороной, и помещается в поле FCS. Принимающая сторона вычисляет данное значение самостоятельно и сравнивает с полученным значением.

Теперь рассмотрим режимы коммутации:

Store - and - forward . Данный режим коммутации сохраняет фрейм в буфер целиком и проверяет поле FCS , которое находится в самом конце фрейма и если контрольная сумма этого поля не совпадает, отбрасывает весь фрейм. В результате снижается вероятность возникновения перегрузок в сети, так как есть возможность отбрасывать фреймы с ошибкой и откладывать время передачи пакета. Данная технология присутствует в более дорогих коммутаторах.

Cut -through . Более простая технология. В данном случае фреймы могут обрабатываться быстрее, так как не сохраняются в буфер полностью. Для анализа в буфер сохраняются данные от начала фрейма до MAC адрес назначения (DA) включительно. Коммутатор вычитывает этот MAC адрес и перенаправляет его адресату. Недостатком данной технологии является то, что коммутатор пересылая в данном случае как карликовые, длиной менее 512 битовых интервала, так и поврежденные пакеты, увеличивая нагрузку на локальную сеть.

Поддержка технологии PoE

Технология pover over ethernet позволяет запитывать сетевое устройство по тому же кабелю. Данное решение позволяет сократить денежные затраты на дополнительный монтаж питающих линий.

Существует следующие стандарты PoE:

PoE 802.3af поддерживает оборудование мощностью до 15,4 Вт

PoE 802.3at поддерживает оборудование мощностью до 30 Вт

Passiv PoE

PoE 802.3 af/at имеют интеллектуальные схемы управления подачи напряжения на устройство: прежде чем подать питание на устройство PoE источник стандарта af/at производит согласование с ним во избежании порчи устройства. Passiv PoE значительно дешевле первых двух стандартов, питание напрямую подается на устройство по свободным парам сетевого кабеля без каких либо согласований.

Характеристики стандартов

Стандарт PoE 802.3af поддерживается большинством недорогих IP видеокамер, IP телефонов и точек доступа.

Стандарт PoE 802.3at присутствует в более дорогих моделях IP камер видеонаблюдения, где не возможно уложиться в 15.4 Вт. В этом случае как IP видеокамера, так и PoE источник (коммутатор) должны поддерживать данный стандарт.

Слоты расширения . Коммутаторы могут иметь дополнительные слоты расширения. Наиболее распространенными являются SFP модули (Small Form-factor Pluggable) . Модульные, компактные приемопередатчики использующиеся для передачи данных в телекоммуникационной среде.

SFP модули вставляются в свободный SFP порт маршрутизатора, коммутатора, мультиплексора или медиа-конвертера. Хотя существуют SFP модули Ethernet, наиболее часто используются оптоволоконные модули для подкючения маигстрального канала при передаче данных на большие расстояния, недосягаемые для стандарта Ethernet. SFP модули подбираются в зависимости от расстояния, скорости передачи данных. Наиболее распространенными являются двухволоконные SFP модули, использующие одно волокно для приема, другое для передачи данных. Однако технология WDM позволяет вести передачу данных на разных длинах волн по одному оптическому кабелю.

SFP модули бывают:

SX - 850 нм используется с многомодовым оптическим кабелем на расстоянии до 550м
LX - 1310 нм используется с обоими видами оптического кабеля (SM и MM) на расстоянии до 10 км
BX - 1310/1550 нм используется с обоими видами оптического кабеля (SM и MM) на расстоянии до 10 км
XD - 1550 нм используется с одномодовый кабель до 40км, ZX до 80км, EZ или EZX до 120 км и DWDM

Сам стандарт SFP предусматривает передачу данных со скоростью 1Гбит/с, либо со скоростью 100 Мбит/с. Для более быстрой передачи данных, были разработаны модули SFP+:

SFP+ передача данных со скоростью 10 Гбит/с
XFP передача данных со скоростью 10 Гбит/с
QSFP+ передача данных со скоростью 40 Гбит/с
CFP передача данных со скоростью 100 Гбит/с

Однако при более высоких скоростях производится обработка сигналов на высоких частотах. Это требует большего теплоотвода и, соответственно, больших габаритов. Поэтому, собственно, форм-фактор SFP сохранился еще только в модулях SFP+.

Заключение

Многие читатели наверное сталкивались с неуправляемыми коммутаторами и бюджетными управляемыми коммутаторами второго уровня в малых локальных сетях. Однако выбор коммутаторов для построения более крупных и технически сложных локальных сетей лучше предоставить профессионалам.

Безопасная Кубань при монтаже локальных сетей использует коммутаторы следующих брендов:

Профессиональное решение:

Cisco

Qtech

Бюджетное решение

D-Link

Tp-Link

Tenda

Безопасная Кубань выполняет монтаж, запуск в эксплуатацию и обслуживание локальных сетей по Краснодару и Югу России.

Для создания локальной или домашней сети нужны особые устройства. Из этой статьи Вы узнаете немного о них. Я постараюсь объяснить как можно проще, чтобы понял каждый.

Предназначение .

Хаб (Hub), свитч (switch) и роутер (router) предназначены для создания сети между компьютерами. Разумеется после создания эта сеть будет ещё и функционировать.

Отличие .

Что такое хаб (hub)

Хаб - это повторитель. Всё что к нему подключено - будет повторяться. На хаб даётся один и поэтому всё связано.
Например Вы подключили 5 компьютеров через Хаб. Чтобы передать данные от пятого компьютера к первому, эти данные будут проходить через все компьютеры в сети. Это похоже на параллельный телефон - доступ к Вашим данным может получить любой компьютер и Вы так же. За счёт этого так же увеличивается нагрузка и распределение. Соответственно чем больше компьютеров подключено, тем медленнее будет соединение и больше нагрузка на сеть. Именно поэтому в наше время всё меньше выпускают хабов и всё меньше ими пользуются. Скоро совсем исчезнут.

Что такое свитч (switch)?

Свитч пришёл на смену хабу и исправляет недостатки предшественника. Каждый подключенный к свитчу имеет свой отдельный IP адрес. Этим самым снижается нагрузка на сеть и каждый компьютер получит лишь то, что ему нужно и другие об этом не узнают. Но у свитча есть недостаток, связанный с достоинством. Дело в том, что если Вы хотите разделить сеть на более чем 2 компьютера, то Вам будет нужно больше IP адресов. Обычно это зависит от провайдера, а он обычно даёт только один IP адрес.

Что такое роутер (router)?

Роутер - его часто ещё называют маршрутизатором. Почему? Да потому что он является связующим звеном между двумя различными сетями и передает данные, основываясь на определенном маршруте, указанном в его таблице маршрутизации. Если выражаться очень просто, то роутер является посредником между Вашей сетью и выходом в интернет. Роутер исправляет все ошибки предшественников и именно поэтому в наше время он наиболее популярен. Особенно если учесть тот факт, что зачастую роутеры снабжаются Wi Fi антеннами для передачи интернета на беспроводные устройства, а так же имеют возможность подключать USB модемы.

Роутер можно использовать как отдельно: ПК -> роутер -> интернет, так и совместно с другими устройствами: ПК -> свитч/хаб -> роутер -> интернет.

Ещё одним достоинством роутера является его простая установка. Зачастую от Вас требуются лишь минимальные знания, чтобы подключить, настроить сеть и выйти в интернет.

Итак. Подведу небольшие итоги.

Все эти устройства нужны для создания сети. Хаб и свитч не особо отличаются друг от друга. Роутер - самое нужное и удобное решение для создания сети.