Přepínače v místní síti | Network Solutions/LAN Magazine | Nakladatelství otevřených systémů

Zdravím vás, kolegové! Jmenuji se @ProstoKirReal. Rád bych s vámi probral, jak funguje internet, od kroucených párů kabelů propojujících jednoduché místní sítě až po podvodní komunikační kabely spojující kontinenty a sítě hlavních operátorů.

Vzhledem k tomu, že není možné obsáhnout celé téma v jednom článku, rozdělím připravený materiál do více částí. Dnes začneme základními pojmy.

Je důležité pochopit, že je obtížné porozumět všem aspektům tohoto tématu, protože existují úzké specializace a znalosti, které průměrný síťový inženýr nemá k dispozici. Nebudu zabíhat do historie internetu ani mluvit o třídách IP adres a dalších zastaralých pojmech. Místo toho se zaměřím na to, jak dnes funguje internet.

V této sérii článků vás nebudu učit, jak nastavit zařízení a navrhnout sítě. Budu hovořit o základních (nejen) principech výstavby sítě a také o fungování sítě a síťových protokolů v TCP/IP stacku.

Často budu odkazovat na předchozí články, kde jsem již popisoval síťové protokoly. To mi umožní zkrátit dlouhý text.

❯ Proč je tento článek potřebný?

Tento článek potřebujeme, abychom porozuměli základním znalostem a porozuměli:

— co je přepínač, směrovač, jejich hlavní rozdíly a proč jsou potřebné;
— příklady toho, jak fungují jednoduché sítě pomocí síťových rozbočovačů a přepínačů.

❯ Co je to switch, router?

Když ve vyhledávači položíme otázku: „Jaký je rozdíl mezi přepínačem a směrovačem?“, jedna z nejčastějších odpovědí, které lze nalézt na internetu (například na Mail.ru), zní takto:

ve funkčnosti. Router směruje, přepínač přepíná. je to jednoduché :)))

To je možná nejkratší a nejvýstižnější odpověď na tuto otázku.

Pokud však tento problém berete vážně, musíte porozumět konceptům přepínání a směrování.

Přepínání je proces předávání dat (rámců) v rámci sítě na základě analýzy cílové adresy. Pracuje pro datová linková vrstva OSI model (L2) pomocí MAC adres zařízení.

Směrování je proces určování cesty pro přenos dat mezi různými sítěmi. Provozováno na úroveň sítě OSI model (L3) pomocí IP adres.

Přepínače a směrovače jsou dvě klíčová zařízení v síťových infrastrukturách, která provádějí různé, i když se překrývající, úkoly. Podívejme se na jejich funkce, vlastnosti a důvody jejich vzhledu a zamysleme se také nad moderními reáliemi, ve kterých se jejich funkčnost stále více prolíná.

Proč se objevily routery?

Historicky byly routery vytvořeny pro propojení sítí s různými technologiemi přenosu dat. Na začátku éry sítí existovalo mnoho lokálních sítí (LAN) s různými standardy: Ethernet, Token Ring, modemové fondy a další. Tyto sítě byly fyzicky a logicky oddělené, protože každá používala své vlastní adresovací protokoly a metody přenosu dat.

K vyřešení tohoto problému byla zavedena abstrakce v podobě IP adresy – univerzálního protokolu nevázaného na fyzické médium. Směrovače se staly zařízeními, která mohou propojovat sítě s různými technologiemi přenosu dat a poskytují směrování na základě IP adres.

Hlavní funkcí

1. Přepínače:
   • fungovat primárně na úrovni 2 modelu OSI (vrstva datového spojení);
   • vytvořit tabulky MAC adres, které určují, přes který fyzický port se má posílat provoz;
   • poskytují komunikaci v rámci jediné místní sítě (LAN).
2. Směrovače:
   • pracovat na úrovni 3 modelu OSI (síťová vrstva);
   • pomocí směrovacích tabulek určit optimální cestu pro přenos dat;
   • poskytovat komunikaci mezi různými sítěmi, včetně sítí s různými technologiemi (Ethernet, Frame Relay, ATM, DSL);
   • používat směrovací protokoly jako OSPF, BGP, IS-IS.

Přepínače a směrovače spolupracující

• Přepínače poskytují rychlou výměnu dat v rámci sítě.
• Směrovače připojit místní síť k jiným sítím, jako je internet, a zajistit tak komunikaci se servery.

Dříve tyto rozdíly stačily k určení provozu switche a routeru, ale v moderních zařízeních se všechny tyto funkce často spojují do L3 switchů, které spojují výhody obou typů zařízení.
V tuto chvíli se rozdíly mezi nimi stírají, protože přepínače L3 a L3+ (Multiplayer switch) mohou vykonávat část funkčnosti routeru a router může mít další fyzické porty pro připojení lokálních sítí.

❯ Podívejme se na rozdíly mezi zařízeními

L2 přepínače (vrstva datového spojení)

• Pracovní úroveň: fungovat na úrovni 2 modelu OSI (vrstva datového spojení).
• Funkčnost: poskytuje přenos dat v rámci jediné místní sítě (LAN) pomocí tabulky MAC adres pro směrování ethernetových rámců.
• Omezení: nejsou schopny směrovat provoz mezi různými VLAN nebo podsítěmi.

• Jednoduché nastavení.
• Vysoký výkon pro připojení peer-to-peer.

• Nedostatek podpory IP adresování.
• Není vhodné pro složité síťové struktury s více VLAN.

L3 přepínače (síťová vrstva)

• Pracovní úroveň: pracovat na úrovni 3 modelu OSI (síťová vrstva).
• Funkčnost:
  • provádět funkce přepínače (L2) a směrovače (L3);
  • podpora směrování mezi VLAN přes rozhraní SVI (Switch Virtual Interface);
  • podpora IP adresování a statického směrování.
  • Všestrannost.
  • Vestavěná podpora směrování.
  • Omezené možnosti dynamického směrování (ve srovnání se směrovači). Obvykle se používá směrování „inter-VLAN“, kde je IP adresa přiřazena spíše VLAN než dílčímu rozhraní.
  • Složitější nastavení ve srovnání s přepínači L2.

  L3+ přepínače (pokročilé možnosti síťové vrstvy)

  • Pracovní úroveň: také fungují na úrovni 3, ale s funkcemi podobnými směrovačům.
  • Funkčnost:
    • plná podpora dynamických směrovacích protokolů (OSPF, BGP, EIGRP);
    • pokročilé funkce řízení provozu: ACL, QoS, NAT;
    • Některé modely podporují MPLS pro optimalizaci přenosu dat.

    ❯ Pros

    • Možnosti dynamického směrování.
    • Vyšší úroveň správy sítě.

    Přepínače jsou srdcem moderních místních sítí. TYPY SPÍNACÍCH SPÍNACÍCH HUBŮ ZPŮSOBY ZPRACOVÁNÍ PAKETŮ RIZIKOVÁ A ASIC ARCHITEKTURA VYSOKÝCH PŘEPÍNAČŮ BUDOVÁNÍ VIRTUÁLNÍCH SÍTÍ ÚROVEŇ TŘETÍ SPÍNACÍ ZÁVĚR Přepínání je jednou z nejpopulárnějších moderních technologií.

    Přepínače jsou srdcem moderních místních sítí.

    Spínání je jednou z nejpopulárnějších moderních technologií. Přepínače vytlačují mosty a směrovače na periferii lokálních sítí a ponechávají jim roli organizování komunikace v rámci globální sítě. Popularita přepínačů je dána především tím, že umožňují prostřednictvím mikrosegmentace zvýšit výkon sítě ve srovnání se sdílenými sítěmi se stejnou nominální šířkou pásma. Kromě rozdělení sítě na malé segmenty umožňují přepínače organizovat připojená zařízení do logických sítí a v případě potřeby je snadno přeskupovat; jinými slovy, umožňují vytvářet virtuální sítě.

    Co je spínač? Podle IDC „přepínač je zařízení navržené jako rozbočovač a fungující jako vysokorychlostní víceportový most; Vestavěný přepínací mechanismus umožňuje segmentaci lokální sítě a přidělování šířky pásma koncovým stanicím v síti“ (viz článek M. Kulgina „Postav síť, zasaď strom.“ v únorovém LAN). Tato definice však platí především pro přepínače rámců.

    TYPY SPOJE

    Přepínáním se obecně rozumí čtyři různé technologie: přepínání konfigurace, přepínání rámců, přepínání buněk a konverze z rámce na buňku.

    Přepínání konfigurace je také známé jako přepínání portů, kdy je konkrétní port na modulu chytrého rozbočovače přiřazen k jednomu z interních segmentů Ethernet (nebo Token Ring). Toto přiřazení se provádí vzdáleně prostřednictvím softwaru pro správu sítě, když jsou uživatelé a prostředky připojeny nebo přesouvány po síti. Na rozdíl od jiných přepínacích technologií tato metoda nezlepšuje výkon sdílené LAN.

    Přepínání rámců neboli přepínání LAN používá standardní formáty rámců Ethernet (nebo Token Ring). Každý rámec je zpracován nejbližším přepínačem a přenášen dále po síti přímo k příjemci. V důsledku toho se síť změní na sadu vysokorychlostních přímých kanálů pracujících paralelně. Níže zvážíme, jak se přepínání rámců provádí uvnitř přepínače na příkladu přepínacího rozbočovače.

    Přepínání buněk se používá v ATM. Použití malých buněk pevné délky umožňuje vytvářet levné vysokorychlostní přepínací struktury na úrovni hardwaru. Jak přepínače rámců, tak přepínače buněk mohou podporovat více nezávislých pracovních skupin bez ohledu na jejich fyzické připojení (viz Vytváření virtuálních sítí).

    Převod mezi rámci a buňkami umožňuje například stanici s ethernetovou kartou přímo komunikovat se zařízeními v síti ATM. Tato technologie se používá při emulaci lokální sítě.

    V této lekci nás bude především zajímat přepínání snímků.

    SPÍNACÍ NÁBOJE

    První přepínací hub nazvaný EtherSwictch byl představen společností Kalpana. Tento rozbočovač umožnil snížit konkurenci v síti snížením počtu uzlů v logickém segmentu pomocí technologie mikrosegmentace. V podstatě se počet stanic v jednom segmentu snížil na dvě: stanice iniciující požadavek a stanice odpovídající na požadavek. Žádná jiná stanice nemůže vidět informace přenášené mezi nimi. Pakety jsou přenášeny jakoby přes most, ale bez zpoždění, které je mostu vlastní.

    V přepínané ethernetové síti může mít každý člen skupiny více uživatelů současně zaručenou šířku pásma 10 Mbps. Jak takový rozbočovač funguje, nejlépe pochopíte, když si vybavíte analogii s běžnou starou telefonní ústřednou, ve které jsou účastníci hovoru propojeni koaxiálním kabelem. Když účastník zavolal na „věčné“ 07 a požádal o připojení k tomu a takovému číslu, operátor nejprve zkontroloval, zda je linka dostupná; Pokud ano, propojil účastníky přímo pomocí kousku kabelu. Nikdo jiný (samozřejmě kromě tajných služeb) jejich rozhovor neslyšel. Po ukončení hovoru operátor odpojil kabel z obou portů a čekal na další hovor.

    Přepínací rozbočovače fungují podobným způsobem (viz obrázek 1): předávají pakety ze vstupního portu na výstupní port pomocí přepínací struktury. Když paket dorazí na vstupní port, přepínač přečte jeho MAC adresu (tj. adresu vrstvy XNUMX) a je okamžitě předán na port spojený s touto adresou. Pokud je port zaneprázdněn, paket se umístí do fronty. Fronta je v podstatě vyrovnávací paměť na vstupním portu, kde pakety čekají, dokud se požadovaný port neuvolní. Metody ukládání do vyrovnávací paměti se však mírně liší.

    Obrázek 1.
    Přepínací rozbočovače fungují podobně jako staré telefonní přepínače: propojují vstupní port přímo s výstupním portem pomocí přepínací matice.

    ZPŮSOBY ZPRACOVÁNÍ BALENÍ

    V cut-through přepínání (také nazývané fly-by-wire přepínání nebo no-hop přepínání) přepínač čte pouze adresu příchozího paketu. Paket je přenášen dále bez ohledu na nepřítomnost nebo přítomnost chyb v něm. To umožňuje výrazně zkrátit dobu zpracování paketů, protože se čte pouze prvních několik bajtů. Proto musí přijímající strana identifikovat vadné pakety a požádat o jejich opětovné odeslání. Moderní kabelové systémy jsou však natolik spolehlivé, že potřeba opakovaného přenosu je v mnoha sítích minimální. Nikdo však není imunní vůči chybám v případě poškození kabelu, selhání síťové karty nebo rušení externím elektromagnetickým zdrojem.

    Při přepojování typu store-and-forward jej přepínač po přijetí paketu neposílá dále, dokud jej nepřečte celý, nebo alespoň nepřečte všechny informace, které potřebuje. Zjistí nejen adresu příjemce, ale také zkontroluje kontrolní součet, tedy dokáže odříznout vadné pakety. To vám umožní izolovat segment, který způsobuje chyby. Přepínání typu store-and-forward tedy klade důraz na spolehlivost před rychlostí.

    Kromě výše uvedených dvou používají některé přepínače hybridní metodu. Za normálních podmínek provádějí přepínací přepínání, ale sledují počet chyb pomocí kontrolních součtů. Pokud počet chyb dosáhne zadaného prahu, přejdou do režimu přepínání mezilehlého vyrovnávací paměti. Když počet chyb klesne na přijatelnou úroveň, vrátí se do režimu přepínání. Tento typ přepínání se nazývá prahové nebo adaptivní přepínání.

    RISC a ASIC

    Store-and-forward přepínače jsou často implementovány pomocí standardních RISC procesorů. Jednou z výhod tohoto přístupu je, že jsou relativně levné ve srovnání s přepínači ASIC, ale není příliš dobrý pro specializované aplikace. Přepínání takových zařízení se provádí pomocí softwaru, takže jejich funkčnost lze změnit aktualizací nainstalovaného softwaru. Nevýhodou je, že jsou pomalejší než přepínače založené na ASIC.

    Přepínače s integrovanými obvody ASIC jsou navrženy tak, aby prováděly specializované úkoly: veškerá jejich funkčnost je „pevně zapojena“ do hardwaru. Tento přístup má také nevýhodu: když je potřeba upgrade, výrobce je nucen přepracovat design. ASIC typicky implementují cut-through switching. Přepínací struktura ASIC vytváří vyhrazené fyzické cesty mezi vstupními a výstupními porty, jak je znázorněno na obrázku 1.

    ARCHITEKTURA VYPÍNACÍCH VYPÍNAČŮ

    Špičkové přepínače mají typicky modulární konstrukci a mohou provádět jak přepínání paketů, tak přepínání buněk. Moduly takového přepínače provádějí přepínání mezi sítěmi různých typů, včetně Ethernetu, Fast Ethernetu, Token Ring, FDDI a ATM. V tomto případě je hlavním spínacím mechanismem v takových zařízeních spínací struktura ATM. Architekturu takových zařízení zvážíme na příkladu Centillion 100 od Bay Networks.

    Přepínání se provádí pomocí následujících tří hardwarových komponent (viz obrázek 2):

    Obrázek 2.
    U špičkových přepínačů se přepínání buněk stále více používá kvůli vysoké rychlosti a snadnému přechodu na ATM.

    Každý modul přepínače má I/O porty, vyrovnávací paměť a CellManager ASIC. Kromě toho má každý modul LAN také procesor RISC pro přepínání rámců mezi místními porty a paketový assembler/disassembler pro převod rámců a buněk do sebe. Všechny moduly mohou nezávisle přepínat mezi svými porty, takže přes backplane je přenášen pouze provoz určený pro jiné moduly.

    Každý modul udržuje svou vlastní tabulku adres a hlavní řídicí procesor je spojuje do jedné společné tabulky, což umožňuje jednotlivému modulu vidět síť jako celek. Pokud například ethernetový modul přijme paket, určí, komu je paket adresován. Pokud je adresa v místní tabulce adres, procesor RISC přepíná paket mezi místními porty. Pokud je cíl na jiném modulu, assembler/disassembler převede paket na buňky. CellManager specifikuje cílovou masku pro identifikaci modulu (modulů) a portu (portů), do kterých je určeno užitečné zatížení buňky. Každý modul, jehož bit masky desky je nastaven v cílové masce, zkopíruje buňku do místní paměti a přenese data na odpovídající výstupní port v souladu se zadanými bity masky portu.

    BUDOVÁNÍ VIRTUÁLNÍCH SÍTÍ

    Kromě zlepšení výkonu vám přepínače umožňují vytvářet virtuální sítě. Jednou z metod vytvoření virtuální sítě je vytvoření vysílací domény logickým propojením portů v rámci fyzické infrastruktury komunikačního zařízení (může to být buď inteligentní hub – přepínání konfigurace, nebo přepínač – přepínání rámců). Například liché porty osmiportového zařízení jsou přiřazeny jedné virtuální síti a sudé porty jsou přiřazeny jiné. V důsledku toho se stanice v jedné virtuální síti izoluje od stanic v jiné. Nevýhodou tohoto způsobu organizace virtuální sítě je, že všechny stanice připojené na stejný port musí patřit do stejné virtuální sítě.

    Další způsob vytvoření virtuální sítě je založen na MAC adresách připojených zařízení. Při tomto způsobu organizace virtuální sítě může každý zaměstnanec připojit například svůj notebook k libovolnému portu switche a ten automaticky určí příslušnost uživatele ke konkrétní virtuální síti na základě MAC adresy. Tato metoda také umožňuje uživatelům připojeným ke stejnému portu přepínače patřit do různých virtuálních sítí. Další informace o virtuálních sítích naleznete v článku A. Avduevského „Takové skutečné virtuální sítě“ v březnovém vydání LAN tohoto roku.

    PŘEPÍNÁNÍ ÚROVNĚ 3

    Přes všechny své výhody mají přepínače jednu významnou nevýhodu: nedokážou ochránit síť před lavinami vysílaných paketů, což vede k neproduktivnímu zatížení sítě a prodloužení doby odezvy. Směrovače dokážou monitorovat a filtrovat zbytečný broadcast provoz, ale jsou řádově pomalejší. Podle dokumentace Case Technologies je tedy typický výkon routeru 10 000 paketů za sekundu, což není nic ve srovnání s podobným výkonem přepínače – 600 000 paketů za sekundu.

    V důsledku toho mnoho výrobců začalo zabudovávat směrovací funkce do přepínačů. Aby se chod přepínače výrazně nezpomalil, používají se různé metody: např. přepínání druhé úrovně i přepínání třetí úrovně je implementováno přímo v hardwaru (v integrovaných obvodech ASIC). Různí výrobci nazývají tuto technologii různými názvy, ale cíl je stejný: směrovací přepínač by měl provádět funkce vrstvy 3 stejnou rychlostí jako funkce vrstvy 2. Důležitým faktorem je také cena takového zařízení za port: také by měla být nízká, jako u switchů (viz článek Nicka Lippise v příštím čísle LAN magazínu).

    ZÁVĚR

    Spínače jsou velmi rozmanité jak designem, tak funkčností; Není možné pokrýt všechny jejich aspekty v jednom krátkém článku. V další lekci se blíže podíváme na přepínače bankomatů.

    Dmitrij Ganzha je šéfredaktorem LAN. Můžete ho kontaktovat na adrese: [email protected].