Что такое коммутатор и switch, для чего он нужен и как работает?

Привет, дорогой товарищ! Сетевой путь привел тебя к магистру знаний, который без зазрения совести поделится тайнами сетевой магии. Ни слова более, ибо сегодня я поведаю тебе – что такое свитч или коммутатор. Это нехитрое устройство может называться по-разному: network switch, switching hub, bridging hub или самое распространенное название – коммутатор. Начнем с определения.

Определение

Коммутатор – это устройство, которое подключает несколько сетевых устройств в одну локальную сеть: компьютеры, ноутбуки, серверы, сетевые принтеры, IP-камеры, точки доступа, NAS-хранилища или другие коммутаторы. Внешне это коробка с несколькими LAN-портами. Такие порты ты уже видел на компьютере, ноутбуке, роутере или телевизоре. Для подключения чаще всего используют витую пару с разъемом RJ-45. Реже применяют оптику через SFP-модули. Коаксиальный кабель для современных обычных Ethernet-сетей почти не используется и встречается в основном в старых или специальных решениях.

Если говорить совсем просто, коммутатор нужен тогда, когда LAN-портов на роутере не хватает. Например, у роутера 4 LAN-порта, а тебе нужно подключить по кабелю компьютер, телевизор, приставку, NAS, IP-камеры и точку доступа. В этом случае рядом с роутером ставят свитч, подключают его одним кабелем к роутеру, а остальные устройства подключают уже к свитчу.

В чем отличие коммутатора и свича? Никакой разницы и определенных различий нет. Слово «switch» – это просто англоязычное название. В быту говорят «свитч», в документации чаще пишут «коммутатор».

Принцип работы коммутатора на примере

Вот у нас есть коммутатор или свитч с большим количеством портов – например, их 5. Ко всем 5 портам подключены компьютеры. Отлично, у нас образовалась локальная сеть. Принцип работы свитча в том, что он грамотно распределяет кадры данных по таблице коммутации, где хранятся MAC-адреса подключенных устройств. Пока не понятно? Дальше разберем поподробнее.

MAC-адрес – это уникальный аппаратный адрес сетевого устройства. Он есть у сетевой карты компьютера, у Wi-Fi адаптера, у IP-камеры, у принтера и у других сетевых устройств. Коммутатор не «угадывает», куда отправлять данные. Он смотрит на MAC-адрес получателя и решает, в какой порт нужно передать кадр.

Правда изначально таблица коммутации полностью пустая. Давайте рассмотрим, как работает коммутатор на примере:

1. 1-ый компьютер отправляет данные 5-му компьютеру.
2. Кадр доходит до коммутатора.
3. Коммутатор смотрит на MAC-адрес отправителя и запоминает: вот этот MAC-адрес находится на таком-то порту.
4. Потом он смотрит на MAC-адрес получателя. Если такого адреса еще нет в таблице, коммутатор отправляет кадр на все порты, кроме того, откуда кадр пришел. Это называется flooding – рассылка неизвестного кадра.
5. Все устройства получают этот кадр, но обрабатывает его только тот компьютер, которому он действительно предназначен.
6. Когда 5-ый компьютер отвечает, коммутатор видит его MAC-адрес и запоминает, на каком порту он находится.

А теперь давайте подумаем, для чего нужна эта таблица коммутации. Она как раз нужна для того, чтобы коммутатор при дальнейшей работе сети отправлял данные только нужному адресату, а не всем устройствам подряд. Как в прошлом примере: после того как свитч запомнил адрес 5-ой машины, в следующий раз он отправит данные только в тот порт, к которому подключен нужный компьютер.

То есть коммутатор постепенно «учится» по входящему трафику. Он не требует ручного указания, где какой компьютер находится. В обычной домашней или офисной сети ты просто подключаешь кабели, и свитч сам начинает строить свою таблицу MAC-адресов. Поэтому неуправляемые коммутаторы часто называют устройствами «включил и работает».

ПРИМЕЧАНИЕ! Коммутатор работает не с «пакетами» в разговорном смысле, а с Ethernet-кадрами на канальном уровне. Для обычного пользователя это не критично, но если говорить технически точно, обычный L2-коммутатор смотрит именно на MAC-адреса, а не на IP-адреса сайтов или устройств.

Ну и главный вопрос: для чего он нужен? В первую очередь – для соединения большого количества устройств в одну локальную сеть. Часто коммутаторы применяют на предприятиях. Например, у нас есть огромное количество отделов: бухгалтерия, отдел кадров, отдел безопасности, юристы. У каждого сотрудника есть свой компьютер. Чтобы соединить все эти устройства в одну сеть, используют свитчи. Для подключения могут использовать разные кабели и порты:

• Ethernet

• SFP

Ethernet-порт RJ-45 используют для обычной витой пары. В большинстве домашних и офисных сетей длина такого кабеля до 100 метров. SFP – это не сам оптический кабель, а слот под сменный модуль. В этот слот можно вставить оптический SFP-модуль или медный SFP-модуль, если конкретный коммутатор и модуль это поддерживают. Подробнее про категории кабелей витой пары можно почитать тут.

Отличие от концентратора

Теперь вы знаете, что такое свитч, но его очень часто путают с маршрутизатором и концентратором. Поэтому нужно разобрать и эти понятия.

Концентратор, или хаб, – это чем-то похожее устройство на коммутатор, но есть важное отличие. Отличие как раз в принципе работы. Hub при получении данных отправляет их всем подключенным устройствам и делает это постоянно. То есть, например, в сети идет связь 2 компьютеров, и они активно отправляют друг другу данные.

Но концентратор одновременно дублирует эти данные всем остальным подключенным устройствам. Проблема такого подключения в том, что в сети создается мусорный и ненужный трафик. Если устройств много, это может привести к перегрузке сети, коллизиям и потере данных.

Вот представьте, если бы вам постоянно приходили письма всех соседей вашего дома. У вас бы не хватило времени читать все письма. А работники почтовой службы сбились бы с ног.

На текущий день хабы почти не используются. Их можно встретить разве что в древних локальных сетях, учебных лабораториях или у коллекционеров старого железа. Даже самый простой дешевый свитч почти всегда лучше концентратора, потому что он запоминает MAC-адреса и отправляет данные точнее.

Коротко: хаб отправляет данные всем подряд, а коммутатор отправляет данные в нужный порт, когда уже знает MAC-адрес получателя. Поэтому свитч быстрее, умнее и практичнее.

Разновидности

Коммутаторы бывают нескольких видов:

• Неуправляемые – это самые простые аппараты, работающие по принципу «подключил и забыл». У них нет сложного web-интерфейса, VLAN, правил безопасности и тонких настроек. Такие свитчи часто используют дома, в маленьких офисах, возле рабочего стола, для телевизоров, приставок, принтеров и других простых задач.
• Управляемые – у таких устройств внутри есть система настроек. Системный администратор или инженер может настраивать VLAN, приоритеты трафика, зеркалирование портов, защиту от петель, ограничения скорости, LACP и другие функции. Например, в организации можно разделить бухгалтерию, камеры видеонаблюдения, гостевой Wi-Fi и рабочие компьютеры на разные логические сети.
• Smart-коммутаторы – промежуточный вариант. Они проще полноценных управляемых моделей, но уже имеют часть важных функций: VLAN, QoS, иногда IGMP Snooping, базовую защиту и web-интерфейс. Для небольшого офиса или продвинутого дома это часто самый разумный вариант.

Если нужно просто добавить 5-8 LAN-портов дома, берите неуправляемый гигабитный свитч. Если нужно разделять сеть на отделы, настраивать IPTV, камеры, гостевые сети или контролировать трафик, нужен управляемый или хотя бы Smart-коммутатор. Подробнее про VLAN простыми словами можно почитать в отдельной статье.

Еще коммутаторы могут различаться по уровню, на котором они работают по модели OSI. Данную модель должен знать каждый уважающий себя IT-инженер или системный администратор. Но на всякий случай приведу удобную табличку.

2 уровень – обычный L2-коммутатор. Работает с Ethernet-кадрами и MAC-адресами. Он не маршрутизирует трафик между разными IP-сетями, а передает данные внутри одной локальной сети или внутри VLAN. Для дома и небольшого офиса чаще всего хватает именно такого уровня.

3 уровень – L3-коммутатор. Он умеет не только коммутировать по MAC-адресам, но и маршрутизировать трафик между VLAN или IP-сетями. Его можно частично сравнить с роутером, но это не всегда полноценная замена домашнему маршрутизатору. У L3-коммутатора может не быть NAT, встроенного firewall, USB-модема, Wi-Fi и привычных функций домашнего роутера. Зато в корпоративной сети он отлично подходит для быстрой маршрутизации между сегментами.

4 уровень и выше – такие решения работают уже не только с адресами устройств, но и с портами, приложениями и типами трафика. В быту это почти не встречается. Чаще такие функции относятся к балансировщикам нагрузки, межсетевым экранам и сложному сетевому оборудованию.

Отличие от маршрутизатора

Маршрутизатор или роутер работает иначе. Его главная задача – соединять разные сети между собой. Например, домашнюю локальную сеть и интернет провайдера. Коммутатор расширяет локальную сеть, а роутер обычно является шлюзом из локальной сети во внешнюю сеть.

Роутер имеет более гибкую систему настройки домашней сети. Он раздает IP-адреса через DHCP, делает NAT, подключается к провайдеру, может поднимать PPPoE, L2TP, VPN, управлять Wi-Fi, фильтровать трафик, работать с гостевой сетью и родительским контролем. Коммутатор в обычной схеме просто добавляет дополнительные проводные порты.

У маршрутизатора обычно есть два типа адресов:

• Внешний – выдается провайдером или находится на WAN-интерфейсе;
• Внутренний – используется внутри вашей локальной сети. Самые популярные адреса: 192.168.1.1 и 192.168.0.1.

У обычного неуправляемого коммутатора своего IP-адреса может вообще не быть, потому что настраивать его не нужно. У управляемого коммутатора IP-адрес есть, но он нужен в основном для входа в web-интерфейс или управления устройством, а не для раздачи интернета.

Советую прочитать полный разбор роутера – по этой ссылке.

Если совсем коротко: роутер – это главный узел, который соединяет вашу сеть с интернетом, а свитч – это расширитель проводной локальной сети. Иногда домашний роутер уже имеет встроенный маленький коммутатор на 3-4 LAN-порта. Если этих портов мало, можно подключить внешний свитч. Подробнее про отличие маршрутизатора и коммутатора можно почитать тут.

Параметры

Итак, у нас есть вот такие нехитрые коробочки с сетевыми портами. Как я уже говорил, порты могут быть разного вида. Чаще всего это RJ-45 под витую пару и SFP/SFP+ под сменные модули. Есть комбинированные коммутаторы, где часть портов обычные медные, а часть – SFP для оптики или uplink-подключения.

Например, есть два офиса: центральный, где находится сервер, и второстепенный. Второстепенный офис можно подключить с помощью оптоволокна. То есть связующий порт будет оптический через SFP-модуль. А внутри офиса все остальные локальные порты могут быть обычные Ethernet RJ-45. Как видите, коммутаторы могут иметь разное количество портов – все зависит от потребности пользователя. Мелкие обычно используют дома или в небольших офисах. Большие часто применяют в организациях, серверных, системах видеонаблюдения и промышленных сетях.

Также порты могут иметь разную скорость. Самые простые старые модели работают на 100 Мбит/с. Для дома и офиса на текущий день лучше брать гигабитный коммутатор на 1 Гбит/с. Для более быстрых сетей встречаются 2,5G, 5G, 10G и выше. Часто схема такая: обычные клиентские порты 1G или 2,5G, а uplink-порты между коммутаторами или к серверу – 10G через SFP+.

ВНИМАНИЕ! Если у вас тариф интернета выше 100 Мбит/с, не покупайте старый 100-мегабитный свитч. Он станет узким местом. Для современного дома лучше минимум 1 Гбит/с на каждый порт, а для NAS, домашнего сервера или быстрой локальной сети можно смотреть 2,5G или 10G.

PoE

У некоторых моделей есть поддержка PoE. PoE-порт – это специальный порт, который передает по одному Ethernet-кабелю и данные, и питание. Например, у вас есть IP-камера, точка доступа Wi-Fi или IP-телефон, которые нужно поставить в месте без розетки. Тогда питание можно подать прямо по сетевому кабелю от PoE-коммутатора.

Важно смотреть не только на надпись PoE, но и на стандарт и общий бюджет питания. Бывают PoE, PoE+ и PoE++. Обычный PoE подходит для маломощных устройств, PoE+ – для более требовательных камер и точек доступа, PoE++ – для еще более прожорливого оборудования. Но даже если у свитча 8 PoE-портов, это не значит, что он сможет одновременно дать максимум мощности на все порты. Есть общий PoE-бюджет, например 60 Вт, 120 Вт или больше.

Более подробно про PoE и стандарты питания по Ethernet можно почитать тут.

SFP

SFP-порты позволяют подключать оптоволокно или другие модули для связи с отдаленными устройствами. Обычно витая пара имеет стандартную рабочую дистанцию до 100 метров. Оптоволокно может работать на куда больших расстояниях. Также оптический кабель устойчивее к электромагнитным помехам и удобен для связи между этажами, зданиями, серверными и удаленными шкафами.

Важно понимать, что SFP-порт сам по себе ничего не подключит. В него нужно вставить совместимый SFP-модуль, а уже к модулю подключать кабель. Модули бывают под разные скорости, типы волокна и расстояния. Если ошибиться с модулем, кабелем или скоростью, линк может не подняться.

Mpps

Еще одна важная характеристика – скорость обслуживания пакетов. Измеряется в Mpps, то есть million packets per second – миллион пакетов в секунду. Чем больше маленьких пакетов гоняет сеть, тем важнее этот показатель. Для дома на него обычно не смотрят. Для серверов, видеонаблюдения, провайдерских сетей и больших офисов он уже имеет значение.

Switching capacity

Еще стоит смотреть на коммутационную способность, или switching capacity. Это общий объем данных, который свитч способен пропустить через себя. Например, у 8-портового гигабитного свитча нормальная теоретическая коммутационная способность может быть около 16 Гбит/с, потому что каждый порт умеет одновременно принимать и отправлять данные. Если этот показатель сильно ниже, устройство может стать узким местом при одновременной нагрузке на все порты.

Размер таблицы

У нас используется таблица MAC-адресов. Если локальная сеть будет слишком сложной и таблицы не будет хватать, сеть может подтормаживать, потому что коммутатору придется забывать старые адреса и заново рассылать неизвестный трафик. Для дома хватит даже небольшой таблицы. Для организации, где сотни или тысячи устройств, размер MAC-таблицы уже нужно учитывать.

Способ крепления

Можно разделить на несколько видов: настольный, настенный и стоечный. Настольные модели просто лежат на столе или полке. Настенные можно прикрутить к стене. Стоечные устанавливаются в серверный шкаф 19 дюймов. Для дома чаще берут компактные настольные модели, а для офиса или серверной – стоечные.

Возможности и функции

Если вам нужен сетевой коммутатор, советую посмотреть важные функции, которые должен поддерживать тот или иной аппарат. В зависимости от поддержки будет расти или падать цена. В некоторых случаях определенные возможности не нужны, и поэтому не стоит за них переплачивать. Все зависит от загруженности сети и задач.

• Flow Control или управление потоком – помогает временно замедлять передачу, если принимающая сторона не успевает обрабатывать данные. В обычной сети это может снижать потери, но в сложных сетях функцию используют аккуратно.
• Storm Control – защита от широковещательного шторма. Шторм – это ситуация, когда в сети появляется слишком много broadcast, multicast или unknown unicast трафика. Часто возникает из-за сетевых петель или ошибок настройки.
• Jumbo Frame или увеличенные кадры – используются в некоторых быстрых сетях, например при работе с NAS, серверами и хранилищами. Чтобы был толк, Jumbo Frame должны поддерживать все устройства на пути.
• IGMP Snooping – часто применяют для IPTV и multicast-трафика. Коммутатор не разливает поток на все порты, а отправляет его туда, где он действительно нужен. Это разгружает сеть.
• Поддержка режимов:
  • Полудуплекс – передача идет в обе стороны, но не одновременно. Для современных проводных сетей это почти неактуально.
  • Полный дуплекс – устройство может одновременно принимать и отправлять данные. Это обычный режим для современных Ethernet-сетей.

• Стекирование или расширение – используется, если одного коммутатора не хватает или нужно управлять несколькими коммутаторами как одним логическим устройством. Настоящее стекирование есть не во всех моделях. Простое подключение одного свитча к другому – это еще не полноценный стек.
• QoS – приоритезация трафика. Например, голос, видеоконференции или IPTV можно сделать важнее обычных загрузок. Тогда при нагрузке сеть будет работать ровнее.
• Агрегирование каналов – обычно LACP по стандарту IEEE 802.1AX. Позволяет объединять несколько физических портов в один логический канал. Используется для серверов, NAS или соединения коммутаторов.
• VLAN – разделение сети на логические подсети. Например, бухгалтерия не видит камеры видеонаблюдения, а гостевой Wi-Fi не видит рабочие компьютеры.
• Loopback Detection или защита от петель – помогает защитить сеть от ситуации, когда кабель случайно замкнули не туда, и кадры начинают бесконечно гулять по сети.
• STP/RSTP – протоколы защиты от петель в более серьезных сетях. Они могут отключать лишние пути и включать резервные при аварии.
• Сегментация трафика – разделение портов на отдельные группы для безопасности и порядка.
• Зеркалирование трафика – копирование трафика с одного порта на другой для диагностики, анализа или систем безопасности.
• ACL – списки доступа. Позволяют ограничивать, кто и куда может подключаться. Чаще встречается в управляемых моделях.
• Поддержка IPv6 – может быть важна для управления устройством, L3-функций и современных сетей.

Отдельно уточню про поддержку Wi-Fi. Обычный коммутатор сам по себе не раздает Wi-Fi. Для беспроводной сети нужна точка доступа или роутер с Wi-Fi. Да, бывают комбинированные устройства, где в одном корпусе есть маршрутизатор, коммутатор и Wi-Fi, но классический switch – это проводное устройство.

Более подробно про Wi-Fi можно прочитать тут.

Назначение

• Дома – на текущий день коммутаторы дома все еще актуальны. У роутера часто всего 3-4 LAN-порта, а проводных устройств может быть больше: телевизор, приставка, компьютер, NAS, IP-камера, игровая консоль, точка доступа. В такой ситуации простой гигабитный свитч на 5 или 8 портов решает проблему без сложной настройки.

• Небольшие предприятия – сеть ограничивается количеством сотрудников, рабочих мест, принтеров, камер, телефонов и серверов. Часто используют 8, 16, 24 или 48 портов. В офисе уже стоит смотреть на управляемые модели, VLAN, PoE и резервирование.

• Умный дом – коммутатор может объединять контроллеры, камеры, точки доступа, домофоны, сервер умного дома и другие проводные устройства. Для таких задач часто полезен PoE, чтобы не тянуть отдельное питание к каждому устройству.

• Видеонаблюдение – если камер много, почти всегда используют коммутаторы. Для IP-камер особенно удобны PoE-свитчи: один кабель дает и сеть, и питание.

• Промышленные сети – для правильного распределения трафика между сложными аппаратами, контроллерами, датчиками, терминалами и системами управления. Здесь часто используют промышленные коммутаторы с защитой от пыли, перепадов температуры, вибрации и электромагнитных помех.

Как выбрать коммутатор для дома или офиса

Если ты выбираешь свитч впервые, не надо сразу смотреть на самую дорогую модель. Сначала ответь на несколько простых вопросов: сколько устройств нужно подключить, нужна ли скорость выше 1 Гбит/с, нужны ли PoE-порты, будет ли разделение сети на VLAN, нужен ли SFP-порт и где устройство будет стоять.

• Количество портов – бери с запасом. Если сейчас нужно 4 порта, лучше взять 5 или 8. Если нужно 12, лучше смотреть 16-портовую модель.
• Скорость портов – для дома минимум 1 Гбит/с. 100 Мбит/с стоит брать только для очень простых задач или старого оборудования.
• PoE – нужен для IP-камер, точек доступа, IP-телефонов и некоторых домофонов. Для обычного компьютера или телевизора PoE не нужен.
• Управление – если нужна простая сеть, берите неуправляемый. Если нужны VLAN, IPTV, контроль портов и безопасность, берите управляемый или Smart.
• SFP/SFP+ – нужен для оптики, соединения между этажами, шкафами, зданиями или быстрых uplink-каналов.
• Бесшумность – для квартиры лучше брать пассивный свитч без вентилятора. Серверные модели с кулерами могут шуметь.
• Корпус – металлический корпус обычно лучше отводит тепло, но пластиковые домашние модели тоже нормально работают при небольшой нагрузке.

Мой простой совет: для квартиры обычно хватает неуправляемого гигабитного свитча на 5-8 портов. Для IP-камер берите PoE-модель с запасом по питанию. Для офиса лучше смотреть управляемые модели с VLAN, STP, QoS и нормальной таблицей MAC-адресов.

Если у вас уже есть старый роутер, иногда его можно использовать как простой свитч. Но это не всегда удобно и не всегда правильно. Подробнее как сделать из роутера свитч можно прочитать тут.

Частые ошибки при подключении

Первая ошибка – покупать 100-мегабитный свитч для современного интернета. Если у вас тариф 300, 500 или 1000 Мбит/с, такой коммутатор обрежет скорость до 100 Мбит/с на подключенных устройствах.

Вторая ошибка – путать свитч с роутером. Свитч сам по себе обычно не подключает вас к интернету провайдера и не раздает IP-адреса. В домашней схеме он почти всегда подключается к роутеру, а уже роутер подключается к провайдеру.

Третья ошибка – делать петлю. Например, подключить два кабеля между одними и теми же неуправляемыми коммутаторами без поддержки STP. В результате сеть может начать «штормить», интернет пропадает, устройства отваливаются, а найти причину бывает сложно.

Четвертая ошибка – не считать PoE-бюджет. Пользователь покупает 8-портовый PoE-свитч, подключает 8 мощных камер, а потом часть камер не включается. Причина простая: общая мощность питания свитча меньше, чем суммарная потребность устройств.

Пятая ошибка – использовать плохой кабель. На коротком расстоянии он может работать, а на длинной линии начнутся обрывы, падение скорости и проблемы с PoE. Если кабель идет в стену, к камерам или между этажами, лучше сразу брать нормальную витую пару и качественно обжимать разъемы. Подробнее про распиновку RJ-45 можно почитать здесь.

Короткий FAQ

Коммутатор и свитч – это одно и то же?
Да. «Свитч» – разговорное название от английского switch, а «коммутатор» – русское техническое название. В статье я использую оба слова.

 

Можно ли подключить свитч к роутеру?
Да, это самая обычная схема. Один кабель идет из LAN-порта роутера в любой порт коммутатора, а остальные устройства подключаются уже к коммутатору.

 

Свитч раздает интернет?
Сам по себе обычно нет. Интернет раздает роутер, а свитч просто расширяет проводную сеть. Если подключить свитч к роутеру, интернет появится на устройствах через свитч.

 

Нужен ли управляемый коммутатор домой?
Обычно нет. Для простого подключения телевизора, компьютера, приставки и NAS хватит неуправляемого гигабитного свитча. Управляемый нужен, если вы понимаете, зачем вам VLAN, IGMP, QoS, LACP и другие функции.

 

Что лучше: 5 портов или 8 портов?
Лучше брать с запасом. Если сейчас нужно 4 порта, берите 5 или 8. Если устройств станет больше, не придется сразу покупать новый свитч.

 

Нужен ли PoE-коммутатор?
PoE нужен, если вы подключаете IP-камеры, точки доступа, IP-телефоны или другое оборудование с питанием по Ethernet. Для обычного ПК, телевизора или приставки PoE не нужен.

 

Можно ли соединить два коммутатора между собой?
Да, можно. Но не делайте лишние петли. Если соединяете управляемые коммутаторы несколькими кабелями, используйте LACP или STP, если оборудование это поддерживает.

 

Почему после подключения свитча скорость стала 100 Мбит/с?
Причин несколько: сам свитч 100-мегабитный, плохой кабель, обжат только на 4 жилы, неисправен порт или устройство не поддерживает гигабит. Для 1 Гбит/с нужен гигабитный порт и нормальный кабель на 8 жил.

ПОМОЩЬ СПЕЦИАЛИСТА! Если у вас еще остались вопросы или вас нужно проконсультировать по данной теме – пишем в комментарии.

Видео

YouTube