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.

Коммутатор – это устройство, предназначенное подключать несколько сетевых машин: компьютеров, ноутбуков, серверов, сетевых принтеров или даже самих коммутаторов. Имеет вид коробки с большим количеством сетевых LAN портов. Подобные порты ты уже видел на компьютере или ноутбуке. Для подключения чаще всего используют витую пару, но бывают случаи с коаксиальным кабелем или оптоволокном.

В чем отличие коммутатора и свича? Никакой разницы и определенных различий нет. Слово «Switch» — это просто англоязычное название.

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 пакеты информации по таблице коммутации, где хранятся MAC адреса всех подключенных устройств. Пока не понятно? – дальше разберем поподробнее.

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

1. 1-ый компьютер отправляет пакет информации 5-му компу.
2. Пакет доходит до коммутатора;
3. Коммутатор смотрит в свою таблицу и видит, что она полностью пустая. Оно и понятно, его только включили;
4. Тогда коммутатор решает вопрос гениально – он отправляет данный пакет всем компьютерам, подключенным к портам. Но отправляет не просто так, а с запросом, чтобы ему пришел ответ от нужного устройства.
5. Все компьютеры принимают пакет и смотрят на адрес получателя. В итоге ответ приходит только от 5 компьютера, которому и отправлялся пакет.
6. Коммутатор смотрит, с какого порта пришел ответ. И записывает в таблицу коммутации к какому порту подключен 5 компьютер. В запись входит – номер порта и MAC-адрес устройства.

А теперь давайте подумаем – а для чего нужна эта таблица коммутации. Она как раз нужна для того, чтобы коммутатор при работе сети отправлял пакет только нужному адресату, а не всем сегментам сети. Как в прошлом примере, после того как коммутатор записал адрес 5-ой машины, в следующий раз он будет отправлять пакет не всем устройствам, а только на определенный порт, к которому подключен нужный комп.

Ну и главный вопрос: а для чего он нужен? Да в принципе только для соединения большого количества устройства в одну локальную сеть. Часто 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 и используют свитч. Для коннекта могут использовать разные кабели и порты:

• Ethernet

• SFP

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 по-другому) – это чем-то похожее устройство на коммутатор, но есть небольшое отличие. А отличие как раз в принципе работы. Hub при получении пакета информации отправляет этот же пакет всем сегментам сети и делает это постоянно. То есть, например, в сети идет связь 2 компьютеров и они активно отправляют друг-другу пакеты.

Но также одновременно концентратор отправляет или дублирует пакеты данных всем остальным подключенным устройствам. Проблема такого подключения в том, что в сети создается мусорный и ненужный трафик, что может привести к перегрузке сети и потери пакетов, если устройств будет слишком много. Тогда пакеты начнут теряться из-за недостаточной ширины канала.

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.

В данный момент Хабы уже почти не используются. Хотя возможно их можно встретить в древних локальных сетях. Также минусом данного подключения является маломерность – то есть большое количество устройств вы просто не подключите.

Разновидности

Коммутаторы бывают нескольких видов:

• Управляемые или программируемые – у таких устройств внутри также заложена система настроек портов. В такой системе системный администратор или инженер может назначить гибкую работу сети. Например, с помощью коммутатора можно разделить все подключённые устройства на разные подсети, чтобы пакеты информации были только в одной подсети и не выходили за её пределы. Например, в организации есть обычные менеджеры и бухгалтерия – и с помощью коммутатора их можно разделить. Чтобы доступ к документам имел только свой отдел.
• Неуправляемые – это обычные аппараты, работающие по простому принципу, который я описал выше. Проблема таких устройств в том, что они не имеют четкого ограничения и при желании все устройства имеют доступ к друг-другу. Подобные свичи можно использовать внутри определенной подсети или в маленьких офисах. Часто используют дома, так как сегментов не так много.

Ещё 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 уровня – работает с получением кадров и MAC-адресами. Не работают с IP адресами и понимают информацию вида: MAC-адрес и приоритетный тег (IEEE 802.1p).

3 уровня – работает со всеми видами IP (IPv4, IPv6, IPX, IPSec), также может работать с защитой трафика на подобном уровне. Можно также называть и маршрутизатором, так как данный аппарат может работать с протоколами: PPPTP, PPPoE, VPN и т.д.

4 уровень – более высокий уровень адресации, который можно настроить не только между устройствами, но и при использовании определенных приложений. Работает также со всеми другими уровнями: 2 и 3.

Отличие от маршрутизатора

Маршрутизатор или роутер – работает примерно так же как и коммутатор, но при этом в своем арсенале имеет полноценную операционную систему. За счет этого маршрутизатор имеет более гибкую систему настройки сети, также у маршрутизатора есть возможность раздавать сетевые настройки подключенным сегментам (по-другому функция DHCP).

Роутер имеет возможность фильтровать трафик, настраивать пропускную способность, а также работать с внешней глобальной сетью – интернет. В таком случае маршрутизатор выступает как управляемый шлюз между двумя сетями. При этом аппарат будет иметь два IP адреса:

• Внешний – обычно выдается провайдером;
• Внутренний – чаще задается заводскими настройками, но его также можно переписать. Самые популярные адреса: 192.168.1.1 и 192.168.0.1.

Советую прочитать полный разбор роутера – по этой ссылке.

Параметры

Итак, у нас есть вот такие нехитрые коробочки с сетевыми портами. Как я уже и говорил, порты могут быть разного вида. То есть работать как с витой парой, так и с коаксиальным и оптоволоконным кабелем. Есть совмещенные коммутаторы.

Например, есть два офиса: центральный (где находится сервер) и второстепенный. Второстепенный можно подключить с помощью оптоволокна. То есть связующий порт будет оптический. Но вот далее все остальные локальные порты будут типа Ethernet. Как видите коммутаторы могут иметь разное количество портов – всё зависит от потребности пользователя. Мелкие обычно используют в домашних условиях или небольших офисах. Большие же часто применяют в крупных организациях.

Также порты могут иметь разную скорость. Чаще используют входные порты по 1000 Мбит/с в секунду, а локальные по 100 Мбит/с. Если в организации используется более оживленный трафик, то локальные порты могут быть 1-2 Гбит/с или вообще использовать оптоволокно с более высокой скоростью.

PoE

Помимо всего у некоторых моделей есть поддержка PoE портов. PoE порт – это специальный вход, который позволяет питать устройство по сетевому кабелю. Например, у вас есть камера, которую нужно установить в труднодоступном месте, где нет отдельных розеток. Тогда питание можно подать по PoE выходу. То есть устройство одновременно будет подключено к сети и к питанию.

SFP

SFP-порты позволяют использовать «оптику» для подключения отдаленных устройств. Обычно витая пара имеет небольшую дистанцию действия – 50-100 метров. Оптоволокно может бить куда дальше. Также оптический кабель надежнее защищен от электромагнитного воздействия и имеет меньший диаметр.

Mpps

Ещё одна очень важная характеристика, а именно скорость обслуживания пакетов. Из названия понятно, что данный параметр должен быть достаточно высокий в больших локальных сетях. Измеряется в Mpps (million packet per second – миллион пакетов в секунду). В малых сетях используют слабые аппараты от 2,0 до 10,0 Mpps. В крупных компаниях, работающих с трафиком, до 71,4 Mpps. Понятно дело, что чем больше этот показатель – тем дороже switch.

Размер таблицы

У нас используется таблица именно-MAC адресов. Если локальная сеть будет слишком сложной и таблицы не будет хватать, то сеть может подтормаживать, так как коммутатору нужно будет перезаписывать новый адреса, на старые. Один адрес занимаем 48 бит. В некоторых случаях инженеру нужно изначально подсчитать – какого размера будет таблица.

Способ крепления

Можно разделить на два вида: настольный и настенный. Первый вариант обычно устанавливают в серверные шкафы. Второй вариант можно крепить в любой место и прикручивать хоть на потолок, хоть на стену. Подобные виды используют именно вдали от сервера при подключении большого количества машин.

Возможности и функции

Если вам нужен сетевой коммутатор, то я вам 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.

• Flow Control или управление потоком – есть во всех свитчах. Грамотное управление потоком позволяет снизить риск зависание сети;
• Storm Control – или защита от широковещательного шторма. Шторм – это возникновение ситуации, когда в сети у коммутатора возникает слишком много пакетов, в результате они начинают теряться, какая-то информация не доходит или вовсе перестает передаваться. Очень часто возникает в результате петель. Важная функция для больших сетей.
• Jumbo Frame или увеличенные пакеты – используются только в больших сетях. Тогда есть реальная возможность увеличить размер пакета, чтобы ускорить передачу данных. Для этого нужно, чтобы принимающее устройство также поддерживало эту функцию, а канал имел определенный размер.
• IGMP Snooping – часто применяют в IP телевидении. Когда трафик распределяется точечно на определенного пользователя. С одной стороны, сеть разгружается. С другой стороны, коммутатор должен обладать не малой мощью, чтобы постоянно просчитывать пути и откликаться на запросы новых пользователей.
• Поддержка режимов:
  • Полудуплекс – поддержка отправки пакетов в обе стороны, но одновременная передача запрещена. То есть передается по очереди
  • Дуплекс – одновременная передача.

• Стекирование или расширение – используется, если на стандартном коммутаторе не хватает количества портов. Тогда подключают ещё один или несколько свичей. Технологии у каждой фирмы разные, и нужно учитывать скорость шины стекирования у определенной модели.
• Поддержка QoS – приоритезация трафика по стандарту стандарт IEEE 802.1p. Когда более приоритетный трафик пропускают, а остальной сидит в очереди. Также за счет этой технологии выравнивается скорость передачи данных в сети. В результате уменьшается шанс заторов на линии.
• Агрегирование каналов по стандарту IEEE3ad. Поддерживаются только дорогие аппараты. Возможность отправлять пакеты данных по нескольким кабелям и портам, чтобы увеличить скорость;
• VLAN– разделение сеть на подсети. Например, бухгалтерия не видит отдел кадров и не имеет доступ к их сети, и наоборот.
• Loopback Detection – помогает защитить сеть от петель – когда пакеты начинают бесконечно гулять в сети. Проблема в том, что отправитель может также бесконечно отсылать пакеты в сеть и забить её;
• Сегментация трафика – разделение портов на отдельные сегменты. Разделение идет на физическом уровне для большей надежности;
• Зеркалирование трафика – простая проверка всего трафика для обеспечения безопасности в сети.
• Поддержка интернет протоколов – тут все понятно, аппарат должен помимо обычных функций уметь распределять трафик из глобальной сети.
• Поддержка Wi-Fi – для подключения к локальной сети с помощью радиоволн по стандарту IEEE 802.11.

Более подробно про Wi-Fi можно прочитать тут.

Назначение

• Дома – во многих статьях почему-то пишут первым именно домашнее использование. Да, ранее их действительно часто использовали дома и подключали соседей, а также друзей, чтобы порубиться в Counter Strike. Но сейчас в век интернета их уже редко увидишь, и на их смену пришли Wi-Fi роутеры.

• Небольшие предприятия – сеть ограничивается только количеством компьютеров. Обычно их до 48 + сервер.

• Умный дом – данная система достаточно популярна в частных домах. Также её могут использовать на небольших предприятиях.

• Видеонаблюдение – если система становится слишком большой, то начинают использовать коммутаторы;

• Промышленные сети – для правильного распределения трафика между сложными аппаратами.

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

Видео