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.
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 payload )
- 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.
Коммутатор
Коммутатор (switch) – устройство, осуществляющее выбор одного из возможных вариантов направления передачи данных.
Рис. 9.1 Внешний вид коммутатора Switch 2000
В коммуникационной сети коммутатор является ретрансляционной системой (система, предназначенная для передачи данных или преобразования протоколов), обладающей свойством прозрачности (т.е. коммутация осуществляется здесь без какой-либо обработки данных). Коммутатор не имеет буферов и не может накапливать данные. Поэтому при использовании коммутатора скорости передачи сигналов в соединяемых каналах передачи данных должны быть одинаковыми. Канальные процессы, реализуемые коммутатором, выполняются специальными интегральными схемами. В отличие от других видов ретрансляционных систем, здесь, как правило, не используется программное обеспечение.
Рис. 9.2 Структура коммутатора
Вначале коммутаторы использовались лишь в территориальных сетях. Затем они появились и в локальных сетях, например, частные учрежденческие коммутаторы. Позже появились коммутируемые локальные сети. Их ядром стали коммутаторы локальных сетей.
Коммутатор (Switch) может соединять серверы в кластер и служить основой для объединения нескольких рабочих групп. Он направляет пакеты данных между узлами ЛВС. Каждый коммутируемый сегмент получает доступ к каналу передачи данных без конкуренции и видит только тот трафик, который направляется в его сегмент. Коммутатор должен предоставлять каждому порту возможность соединения с максимальной скоростью без конкуренции со стороны других портов (в отличие от совместно используемого концентратора). Обычно в коммутаторах имеются один или два высокоскоростных порта, а также хорошие инструментальные средства управления. Коммутатором можно заменить маршрутизатор, дополнить им наращиваемый маршрутизатор или использовать коммутатор в качестве основы для соединения нескольких концентраторов. Коммутатор может служить отличным устройством для направления трафика между концентраторами ЛВС рабочей группы и загруженными файл-серверами.
Коммутатор локальной сети (local-area network switch) – устройство, обеспечивающее взаимодействие сегментов одной либо группы локальных сетей.
Коммутатор локальной сети, как и обычный коммутатор, обеспечивает взаимодействие подключенных к нему локальных сетей (рис.9.8). Но в дополнение к этому он осуществляет преобразование интерфейсов, если соединяются различные типы сегментов локальной сети. Чаще всего это сети Ethernet, кольцевые сети IBM, сети с оптоволоконным распределенным интерфейсом данных.
Рис. 9.1 Схема подключения локальных сетей к коммутаторам
В перечень функций, выполняемых коммутатором локальной сети, входят:
Обеспечение сквозной коммутации;
Наличие средств маршрутизации;
Поддержка простого протокола управления сетью;
Имитация моста либо маршрутизатора;
Организация виртуальных сетей;
Скоростная ретрансляция блоков данных.
Казалось бы, что может быть легче, чем объединение компьютеров в информационных сетях? Но не всё так просто: для их работоспособности необходимо, чтобы функционировало достаточно много аппаратуры. Она весьма разнообразна. В данной статье будут рассмотрены представители второго уровня. Итак, что такое коммутатор? Зачем он необходим и как функционирует?
Для чего он необходим? Коммутатор сети - это устройство, которое используется, чтобы соединять несколько узлов компьютерной сети. Он работает на канальном уровне. Технология коммутаторов была разработана с использованием мостового принципа. Особенностью данного прибора является то, что он направляет данные исключительно получателю. Это позитивно сказывается на производительности сети и её безопасности, ведь в таком случае данные не могут попасть не в те руки.
Сколько же стоит коммутатор? Цена на самый дешевый составляет 800 рублей, самый дорогой - 24000.
Принцип работы
У данного прибора существует так называемая ассоциативная память, где хранится таблица коммутации. В ней указывается соответствие узла компьютера определённому порту. Когда сетевой коммутатор только включается, таблица пустая. Сам прибор в таком случае работает только в режиме обучения. Так, если ему передать какие-то данные, то он поочередно передаст их на все свои порты. Во время этого процесса осуществляется анализ полученной информации, а адрес отправителя заносится в таблицу. И если будут получены данные, которые необходимо передать уже идентифицированному пользователю, то всё придёт через указанный ранее порт. Со временем сетевой коммутатор создаст таблицу, в которой будет информация обо всех активных адресах. Также следует выделить то, что данный прибор отличается малой задержкой и высокой скоростью пересылки данных на каждый порт.
Режимы коммутации
Что такое коммутатор, вам уже известно. Но работают ли они по одному принципу или существует несколько подходов их реализации? Ясное дело, что такой сложный механизм может иметь несколько особенных режимов своей работы. Всего их существует три. Каждый из них является комбинацией двух параметров: надёжность передачи данных и время ожидания.
- С промежуточным хранением. Прибор читает всю информацию, которая есть в пакете. Затем она проверяется на отсутствие ошибок, выбирается порт коммутации, и только после этого осуществляется пересылка данных.
- Сквозной. Коммутатор читает только адрес, куда необходимо отправить данные, и после этого сразу же коммутирует их. Это очень быстрый режим передачи, но существенным недостатком является то, что может быть отправлен пакет, в котором есть ошибки.
- Гибридный. В этом режиме анализируются только первые 64 байта пакета данных на наличие ошибок. Если они здесь отсутствуют, то данные отправляются.
Асимметрическая и симметрическая коммутация
Что такое коммутатор, и какой функционал он исполняет, вы уже знаете. Давайте поговорим про передачу данных. Симметрия при коммутации необходима, чтобы дать характеристику самому прибору с точки зрения полосы пропуска, её возможностей для каждого порта устройства. Он позволяет обеспечить одинаковую ширину, когда все порты могут передавать 100 Мб/с или 10 Мб/с.
Асимметричный коммутатор может обеспечить соединение, если у портов различная пропускная способность. Так он спокойно обработает данные, которые идут со скоростью 10, 100 и 1000 Мб/с. Асимметричную коммутацию можно использовать при наличии больших потоков сетевых данных, которые устроены по принципу «клиент-сервер». Чтобы направлять данные с порта, на котором существенно крупнее массив информации, на меньший, используют буфер памяти. Он необходим для того, чтобы не возникало опасности переполнения, и, соответственно, потери данных. Также асимметричные коммутаторы необходимы для поддержания работоспособности вертикальных кросс-соединений и каналов между отдельными сегментами магистралей.
Заключение
Развитие не стоит на месте, и уже на момент написания этой статьи коммутаторы считаются устаревшими устройствами. Конечно, применять их с чисто технической стороны вопроса ещё можно, но сейчас, когда существуют роутеры, которые вобрали в себя их функционал и дополнительно могут обеспечивать передачу данных по беспроводной сети, коммутаторы выглядят довольно бледно.
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.