Коммутатор OSI

Сетевое оборудование представляет собой ключевой компонент в архитектуре современных информационных систем. Оно служит опорой для обмена данными между различными элементами сети, включая персональные компьютеры, серверы и маршрутизаторы, обеспечивая быстроту и стабильность передачи информации. Основные категории сетевых устройств включают в себя маршрутизаторы, коммутаторы, концентраторы, точку доступа и сетевые карты. Каждый из этих элементов выполняет свою уникальную роль и вносит свой вклад в эффективное функционирование сети. В этом разнообразии решающее значение играют коммутаторы, которые являются неотъемлемой частью процесса создания локальных компьютерных сетей (LAN).

Коммутатор, или свитч — это сетевое устройство, которое объединяет множество устройств в единую сеть и регулирует их взаимодействие. В отличие от простых концентраторов, коммутаторы обладают способностью анализировать информацию, поступающую на свои порты, и направлять ее только к нужному оборудованию, что существенно повышает производительность и скорость работы сети.

Коммутаторы являются основополагающим элементом для обеспечения надежности и эффективности сетевой инфраструктуры. Они способны отфильтровывать сетевой обмен информацией, исходя из разнообразных критериев, включая уникальные MAC-адреса, и предотвращать конфликты данных, что особенно важно при высоких нагрузках на сеть. Это дает возможность формировать структурированные и просто управляемые сети, которые упрощают процесс администрирования и расширения.

Коммутаторы преимущественно функционируют на втором уровне модели OSI — канальном, где они занимаются обработкой и направлением пакетных данных. Используя MAC-адреса, они распределяют трафик в локальных сетях, что приводит к повышению эффективности работы и сокращению времени ожидания.

Коммутаторы играют центральную роль в сетевой инфраструктуре, обеспечивая бесперебойное функционирование и синхронное взаимодействие различных сетевых устройств. Подробное осмысление их функций в рамках модели OSI открывает путь к глубокому пониманию принципов создания и управления современными сетями. 

Основы коммутации в сетях

Коммутация — это процесс передачи данных между различными устройствами в сети с использованием определенных методов и технологий. Существует несколько видов коммутации, каждый из которых имеет свои особенности и области применения. Основные виды коммутации включают в себя коммутацию каналов, пакетов и сообщений:

• Коммутация каналов является традиционным методом передачи данных, который использовался в телефонных сетях. В этом методе между двумя устройствами устанавливается постоянный канал связи на время сеанса передачи данных. Этот канал остается выделенным для данных конкретных устройств, что обеспечивает стабильное и предсказуемое соединение. Однако такой подход может быть неэффективен в современных сетях, где требуется гибкость и высокая пропускная способность. 

• Коммутация пакетов является наиболее распространенным методом передачи данных в современных сетях. В этом методе данные разбиваются на небольшие пакеты, каждый из которых передается независимо от других. Пакеты могут следовать разными маршрутами к месту назначения, где они затем собираются в исходное сообщение. Этот метод обеспечивает высокую эффективность использования сетевых ресурсов, так как позволяет нескольким устройствам одновременно использовать один и тот же канал связи. 

^{Источник изображения: pc.ru}

• Коммутация сообщений представляет собой метод, при котором данные передаются в виде целых сообщений. В отличие от коммутации пакетов, в коммутации сообщений каждое сообщение передается целиком. Этот метод может быть полезен в сетях, где требуется передача больших объемов данных без разделения на части. Однако он может быть менее эффективен в условиях высокой нагрузки на сеть.

^{Источник изображения: pc.ru}

В сетевом пространстве коммутация является элементом, обеспечивающим стабильное взаимодействие между разнообразными сетевыми узлами. Она способствует эффективному распределению ресурсов, сокращает время ожидания и повышает общую скорость работы сети. С помощью разнообразных подходов к коммутации системные администраторы могут подбирать оптимальные решения в зависимости от специфики задач и условий функционирования.

• Улучшение пропускной способности. Метод коммутации пакетов позволяет значительно увеличить скорость обмена данными благодаря более рациональному использованию каналов связи. Это особенно актуально для современных сетей, где необходимо обеспечивать передачу огромных объемов информации с минимальным временем задержки. 

• Гибкость и масштабируемость. Коммутаторы, функционирующие на разных уровнях модели OSI, открывают путь к созданию адаптируемых и расширяемых сетевых архитектур. Они позволяют разделить сеть на сегменты, что облегчает управление и повышает ее защищенность. Коммутация пакетов и сообщений предоставляет возможность настраивать сеть под изменяющиеся условия и нагрузку.

• Надежность и отказоустойчивость. Коммутация также вносит свой вклад в повышение надежности и устойчивости к отказам сети. В случае сбоя в одном из каналов, пакеты могут быть перенаправлены по альтернативным маршрутам, обеспечивая непрерывность информационного потока и снижая риски потери данных.

cloud

Коммутаторы в модели OSI

Для понимания тонкостей работы коммутаторов необходимо осознать их место в структуре модели OSI и их функциональную роль на каждом из уровней этой модели. Модель OSI (Open Systems Interconnection) — это концептуальная структура, разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO) для унификации функций сетевых элементов и протоколов. Эта модель включает в себя семь уровней, на каждом из которых происходит выполнение специфических задач. Уровни расположены в иерархической последовательности, начиная с нижнего — физического и заканчивая верхним — прикладным:

1. Физический — отвечает за передачу битовых потоков по физическим каналам связи, таким как кабели и радиосигналы. 

2. Канальный — гарантирует надежное перемещение данных по физическому каналу. 

3. Сетевой — занимается направлением пакетных данных между различными сетевыми инфраструктурами.

4. Транспортный — обеспечивает надежную передачу информации между конечными точками сети. 

5. Сеансовый — координирует процесс инициации, поддержания и прекращения сеансов связи между приложениями. 

6. Уровень представления — занимается преобразованием данных между различными форматами для обеспечения их взаимодействия между системами. 

7. Прикладной — представляет собой интерфейс для взаимодействия приложений с сетью. 

^{Источник изображения: ib-bank.ru}

Применение концепции модели OSI позволяет специалистам по сетям и инженерам глубже осмыслить механизмы функционирования разнообразных сетевых элементов и протоколов, а также их взаимосвязи. Это способствует упрощению процессов выявления и устранения неполадок, а также повышает эффективность сетевой инфраструктуры. В этой статье мы рассматриваем работу коммутатора именно на модели OSI, потому что данная модель предоставляет четкое разделение функций по уровням, что облегчает понимание основных принципов работы. Однако эталонной моделью для создания сетей сейчас является TCP/IP, благодаря своей более простой структуре по сравнению с OSI. Более подробно ознакомиться с этими моделями, а также их сравнением можно в другой публикации — Модели OSI и TCP/IP.

При анализе функционирования коммутатора критически важно осознавать его взаимодействие с тремя ключевыми уровнями модели OSI: физическим, канальным и сетевым.

На уровне физической реализации свитч служит фундаментом для обмена информацией через электрические или оптические сигналы, применяя разнообразные типы кабелей и интерфейсов. Хотя он не принимает непосредственного участия в управлении данными, его вклад в передачу сигналов между устройствами является существенным.

На уровне канала коммутаторы выполняют свою основную функцию: они направляют информацию с помощью MAC-адресов, обеспечивая точное направление данных между устройствами в пределах одной локальной сети, что снижает вероятность конфликтов и повышает производительность работы сети.

На уровне сетевого взаимодействия действуют коммутаторы третьего уровня. Они обладают возможностью не только обмениваться данными в пределах одной сети, но и управлять маршрутизацией трафика между разными сегментами. Они используют IP-адреса для определения маршрутов, что делает их ключевым элементом в работе обширных и сложных сетевых систем.

Коммутаторы канального уровня модели OSI

Коммутаторы — ключевой элемент сетевой системы, отвечающий за эффективное управление потоками данных между сетевыми устройствами. Их первостепенной задачей является оптимальное распределение сетевого трафика для минимизации конфликтов и усиления эффективности работы всей сети. Эти устройства функционируют на уровне канала в модели OSI (L2-коммутаторы), где коммутация осуществляется на основе уникальных идентификаторов сетевых устройств — MAC-адресов. 

Как коммутаторы перенаправляют данные в сеть

Трансляция информации в сети осуществляется с помощью коммутаторов. Когда устройство отправляет данные в сеть, они кодируются в кадр, включающий в себя заголовок и данные. Заголовок кадра содержит информацию о MAC-адресах отправителя и получателя. Коммутатор анализирует этот заголовок для определения направления передачи данных.

Процесс работы коммутатора включает следующие шаги:

1. Прием кадров: коммутатор получает кадр через один из своих портов. 

Персональный компьютер PC0 отправляет сообщение для PC2 на коммутатор

2. Обработка и запись MAC-адреса источника: коммутатор обновляет свою базу MAC-адресов, добавляя в нее MAC-адрес отправителя и номер порта, через который кадр был получен. Это позволяет устройству запомнить местоположение отправителя.

3. Поиск MAC-адреса назначения: коммутатор проверяет свою базу на наличие MAC-адреса получателя. Если адрес найден, коммутатор пересылает кадр непосредственно на соответствующий порт, тем самым минимизируя нежелательную передачу данных по сети 

Коммутатор отправляет сообщение по нужному порту на PC2

4. Широковещательная передача (если MAC-адрес не найден): в случае отсутствия информации о MAC-адресе получателя в базе данных, коммутатор переходит в режим работы, аналогичный хабу. Он передает данные кадра на все порта, кроме того, с которого пришел кадр. После того, как устройство-получатель ответит, его MAC-адрес будет занесен в базу, и все последующие кадры будут направлены непосредственно на него.

Таблица MAC-адресов и их использование в коммутации

Ключевым элементом работы коммутатора является таблица MAC-адресов, представляющая собой внутренний реестр, в котором фиксируется информация о портах, через которые подключены устройства с уникальными MAC-адресами. Эта база данных самостоятельно обновляется при каждом входе в сеть нового устройства.

При приеме кадра свитч регистрирует в своей таблице MAC-адрес отправителя и ассоциирует его с определенным портом. Эта информация позволяет свитчу определить, через какие порты следует направлять кадры в дальнейшем. Благодаря такой структуре трафик между устройствами передается не через все порты, как это бывает в концентраторах, а только по нужным каналам, что существенно повышает скорость и качество передачи данных.

Таблица MAC-адресов обладает динамическим характером, поскольку в ней непрерывно происходят изменения и удаления записей в зависимости от обновлений сетевого состава или истечения установленного временного интервала. 

Взаимодействие коммутаторов с протоколами

Коммутаторы, работающие на уровне канала модели OSI, взаимодействуют с рядом специализированных протоколов, которые обеспечивают эффективное и безопасное функционирование сетей. Эти протоколы выполняют различные функции, от управления потоками данных до предупреждения сетевых петель. Ниже представлены некоторые из ключевых протоколов, используемых в современных сетевых архитектурах.

Протоколы управления и безопасности

• Spanning Tree Protocol (STP): один из наиболее важных протоколов в арсенале L2-коммутаторов. STP предотвращает появление петель в сетях, создавая дерево из связей и временно отключая избыточные пути. Это помогает избежать проблем с избыточной доставкой пакетов и перегрузкой сети.

• Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP): более современный и быстрый вариант STP, который обеспечивает ускоренное восстановление связей после изменений в топологии сети, сокращая время, необходимое для конвергенции.

• Virtual Local Area Network (VLAN): хотя это не протокол в строгом смысле слова, технология VLAN позволяет сегментировать сеть на логические подсети, повышая безопасность и управляемость. Протоколы, такие как IEEE 802.1Q, поддерживают тегирование VLAN, помогая коммутаторам идентифицировать и управлять виртуальными сетями.

Протоколы управления трафиком

• Link Aggregation Control Protocol (LACP): этот протокол позволяет объединять несколько физических соединений в один логический канал, тем самым повышая пропускную способность и обеспечивая устойчивость к сбоям.

• Quality of Service (QoS): хотя QoS охватывает более широкий спектр уровней модели OSI, L2-коммутаторы играют важную роль в обеспечении приоритезации трафика, чтобы минимизировать задержки для критически важных приложений.

Протоколы для управления коммутаторами

• Simple Network Management Protocol (SNMP): хотя он работает на уровне приложений (L7), SNMP используется для мониторинга и управления устройствами сети, включая коммутаторы. Он собирает информацию о производительности, конфигурациях и любых неполадках.

• Link Layer Discovery Protocol (LLDP): этот протокол помогает коммутаторам обнаруживать соседние устройства и делиться информацией о себе, что упрощает конфигурирование и управление сетевой инфраструктурой.

Усовершенствования в области безопасности и управляемости

Современные L2-коммутаторы теперь также интегрируют протоколы и функции для улучшения безопасности и управления. Это включает в себя возможности для фильтрации MAC-адресов, защиты от подмены ARP (Address Resolution Protocol) и внедрения полисов безопасности на уровне канала для защиты от несанкционированного доступа.

Отличия коммутаторов от других сетевых устройств

Чтобы лучше понять, как работают коммутаторы, необходимо провести параллель между ними и другими элементами сетевого оборудования:

1. Свитч vs. Хаб

• • Свитч функционирует на втором уровне модели OSI и опирается на MAC-адреса для определения путей передачи данных. Он направляет информацию исключительно на тот порт, который ведет к целевому устройству. Это способствует уменьшению нагрузки на сеть и предотвращению конфликтов.

  • Хаб (концентратор) функционирует на первом уровне модели OSI (физическом) и передает входящие данные на все активные порты без учета их назначения. Это приводит к увеличению трафика в сети и повышает риск возникновения коллизий, особенно в сетях с высокой концентрацией устройств. 

Персональный компьютер PC0 отправляет сообщение для PC2 на хаб

Хаб передает полученные данные на все активные порты, кроме порта получателя

PC2 принимает данные от хаба

Коммутатор является более высокопроизводительным решением по сравнению с хабом благодаря своей способности направлять данные только к их адресатам, в отличие от хаба, передающего информацию всем подключенным устройствам. 

2. Свитч vs. Маршрутизатор

• • Свитч занимается коммутацией на основе MAC-адресов и работает в пределах одной сети (LAN). Он отвечает за передачу данных между устройствами внутри одной локальной сети. 

  • Маршрутизатор, напротив, работает на уровне сети и использует IP-адреса для направления трафика между различными сетями. Он выполняет функцию трансляции пакетов между сегментами сети, обеспечивая связь между локальными сетями и глобальным интернетом. 

В дополнение к коммутатору, маршрутизатор выполняет более сложные задачи, включая выбор оптимального маршрута для данных, взаимодействие с внешними сетями и управление потоками информации между различными сегментами сети.

Примеры L2-коммутаторов и их функционал

Устройства, функционирующие на уровне канала, можно классифицировать по нескольким группам, учитывая их функциональные характеристики и сферы использования. Все они осуществляют перенаправление сетевого трафика, используя MAC-адреса, однако их способности могут различаться в соответствии с особенностями сети, требованиями к масштабируемости и необходимой производительности:

1. Коммутаторы без управления: это наиболее простые устройства, которые не требуют сложной настройки. Они функционируют по принципу «включи и забудь», что делает их отличным выбором для мелких сетей, таких как домашний интернет или офисы с небольшим количеством сотрудников. Неуправляемые коммутаторы самостоятельно находят и устанавливают связь между устройствами, обеспечивая эффективную передачу данных.

2. Коммутаторы с функцией управления: это более функциональные устройства, предоставляющие широкие возможности для настройки и регулировки сетевых процессов. Администраторам доступны инструменты для управления потоками данных, настройки пропускной способности, создания виртуальных локальных сетей (VLAN) и присвоения приоритетов различным видам трафика. Управляемые коммутаторы являются оптимальным решением для средних и крупных сетей, где необходима высокая степень гибкости и контроля.

3. Интеллектуальные (смарт) коммутаторы: эти устройства предлагают промежуточный функционал между неуправляемыми и управляемыми коммутаторами, предлагая функциональность, которая не так уж и обширна, но всё же включает в себя поддержку VLAN, настройку приоритетов трафика и базовый мониторинг. Они находят свое применение в сетях средней сложности, где требуется небольшой контроль над потоками данных без необходимости полного администрирования, и часто встречаются в небольших офисах или отдельных сегментах крупных компаний.

4. PoE-коммутаторы: эти устройства уникальны тем, что они способны передавать электроэнергию по обычным кабелям Ethernet, что позволяет питать устройства, например, IP-телефоны или камеры видеонаблюдения, без дополнительных источников питания. 

5. Коммутаторы с поддержкой стекирования: такие коммутаторы можно собирать в группы, чтобы получить единую управляемую сеть. Это решение позволяет эффективно расширять сеть, повышая ее надежность и облегчая управление несколькими коммутаторами, словно они представляют собой одно устройство. 

6. VLAN-коммутаторы: позволяют сформировать логически изолированные сетевые пространства на основе общей физической сетевой структуры, что способствует структурированию сетевого потока и повышению защитных мер. Эти устройства позволяют организовать отдельные сегменты внутри единой сети, что особенно актуально для предприятий, где необходимо отграничивать трафик между отдельными подразделениями или функциями. Обычно такой подход используется для разделения Wi-Fi-сетей на зоны для персонала и гостей, а также для отделения трафика, предназначенного для пользователей и администраторов.

Каждый из этих видов коммутаторов 2-го уровня имеет свои особенные характеристики и функции, что дает возможность подобрать наиболее подходящее решение, учитывая специфику и потребности отдельной сети.

Теперь мы понимаем, как работают коммутаторы канального уровня, их принцип работы и основную функцию — передачу данных внутри локальной сети на основе MAC-адресов. Мы также узнали, чем они отличаются от других сетевых устройств, таких как хабы и маршрутизаторы. 

Однако этим их функционал не ограничивается. Важно отметить, что коммутаторы могут работать не только на канальном уровне модели OSI, но и на сетевом, выполняя задачи маршрутизации трафика между подсетями. Рассмотрим, как именно коммутаторы 3-го уровня сочетают в себе функции и коммутатора, и маршрутизатора, что позволяет им обеспечивать более сложные сетевые решения.

Коммутаторы сетевого уровня

L3-коммутаторы являются неотъемлемой частью современных сетевых систем, особенно при работе с обширными сетями, включающими множество сегментов и подсетей. 

Третий уровень сетевой модели OSI, который известен как уровень сети, отвечает за логическое направление и адресацию, что позволяет передавать информацию между различными устройствами в сети. В отличие от уровня канального соединения, где используются MAC-адреса, на уровне сети применяются IP-адреса. Это позволяет эффективно координировать обмен данными между разнообразными сегментами и сетями. Коммутаторы третьего уровня выполняют важную функцию благодаря своим коммутационным и маршрутизационным способностям, что способствует эффективному управлению потоком данных как внутри отдельной подсети, так и при взаимодействии с другими сегментами, что существенно повышает гибкость и адаптивность сетевой инфраструктуры.

Использование коммутаторов 3-го уровня позволяет:

• Увеличить производительность за счет более эффективного управления трафиком;

• Уменьшить количество сетевых устройств, комбинируя функции маршрутизаторов и коммутаторов;

• Легче масштабировать сеть, подключая разные сегменты или подсети;

• Снизить задержки и обеспечить балансировку нагрузки.

Принцип работы коммутаторов 3-го уровня

Коммутаторы третьего уровня осуществляют смену кадров на уровне MAC-адресов (функция второго уровня) и направляют пакеты на основе их IP-адресов (функция третьего уровня). Этапы функционирования таких устройств включают:

1. Коммутация на канальном уровне: при приеме пакета на коммутатор, устройство в первую очередь рассматривает заголовок канального уровня, в котором указаны MAC-адреса отправителя и получателя. Если адрес назначения совпадает с адресом текущей подсети, коммутатор передает пакет непосредственно по соответствующей записи в таблице MAC-адресов.

2. Маршрутизация на сетевом уровне: ключевое отличие третьего уровня коммутаторов от обычных коммутаторов заключается в их способности передавать пакеты между разными подсетями. Когда пакет, доставленный на коммутатор, предназначен для устройства вне пределов текущей подсети, третьего уровня коммутатор обрабатывает его как маршрутизатор.

• • Обработка IP-пакетов: когда данные достигнут L3-устройства, оно изучает информацию в сетевом заголовке (например, IP-заголовок), чтобы выявить адрес получателя. Затем, опираясь на настройки маршрутизационной таблицы, коммутатор выбирает наиболее подходящий маршрут для передачи информации и направляет пакет в соответствующую сеть. 

  • Таблица маршрутизации: L3-коммутаторы оснащены маршрутизационной таблицей, которая содержит данные о направлении IP-пакетов в соответствии с их адресами назначения. Таблица может быть заполнена автоматически с помощью динамических маршрутизационных протоколов, таких как OSPF или RIP, или же настроена вручную.

  • Маршрутизация между VLAN: часто L3-коммутаторы применяются для управления трафиком между разными виртуальными локальными сетями (VLAN). Например, разные подразделения в компании могут функционировать в разных VLAN, и для их связи необходима маршрутизация. L3-коммутатор выступает в роли моста между VLAN, переправляя пакеты с одной сети на другую без необходимости привлечения дополнительного маршрутизатора. 

3. Аппаратная маршрутизация: одной из основных сильных сторон L3-коммутаторов является их способность к аппаратной маршрутизации, что приводит к значительному увеличению скорости обработки данных по сравнению с классическими маршрутизаторами, работающими на уровне программного обеспечения. Это достигается благодаря специализированным чипам, которые улучшают процесс маршрутизации и уменьшают время ожидания. 

4. Поддержка сетевых протоколов: L3-коммутаторы способны работать с различными сетевыми протоколами, присущими маршрутизаторам. К ним относятся:

• • IP-протоколы (IPv4, IPv6): коммутаторы третьего уровня способны направлять трафик как внутри IPv4-сетей, так и в IPv6.

  • Динамические маршрутизационные протоколы: L3-коммутаторы поддерживают OSPF, EIGRP и RIP, что позволяет им автоматически обновлять маршрутизационные таблицы и реагировать на изменения в структуре сети.

  • Протоколы для обеспечения безопасности и контроля трафика: поддержка контроля доступа с помощью ACL для ограничения трафика по IP-адресам и портам, а также приоритезированного трафика через QoS для оптимизации нагрузки на сеть.

Отличия L3-коммутаторов от маршрутизаторов

Хотя и L3-коммутаторы, и маршрутизаторы работают на 3-м уровне модели OSI, между ними есть несколько ключевых отличий:

1. Область применения

• • Маршрутизаторы созданы для обеспечения связи между разнообразными сетевыми инфраструктурами, например, для соединения локальной сети (LAN) с глобальной сетью (WAN), такой как интернет. Они занимаются обработкой внешних потоков данных и способны взаимодействовать с обширным набором сложных маршрутизационных протоколов.

  • L3-коммутаторы, в свою очередь, преимущественно используются для функционирования внутри корпоративных сетей. Они занимаются маршрутизацией внутри локальной сети, например, между различными сегментами VLAN, и нацелены на оптимизацию скорости обработки информации в пределах организации.

2. Производительность

• • Маршрутизаторы обрабатывают информационные потоки на программном уровне, что может привести к увеличению задержек при работе с большими объемами данных.

  • L3-коммутаторы, в отличие от них, используют аппаратную маршрутизацию, что позволяет достигать высокой скорости обработки информации и минимизировать задержки при передаче данных внутри сети.

3. Функционал

• • Маршрутизаторы оснащены более сложным набором функций, включая работу с внешними сетями, поддержку высокоуровневых интернет-протоколов, таких как BGP, и управление соединениями между автономными сетями.

  • L3-коммутаторы сосредотачиваются на оптимизации скорости передачи данных в пределах локальной сети, обеспечивая быструю маршрутизацию внутри сети и между ее сегментами.

Выгодные тарифы на облако в Timeweb Cloud

Заключение

Коммутаторы являются ключевым звеном в структуре современных сетевых систем. Неважно, будут ли они применяться в локальных сетях или в крупных центрах обработки информации, они гарантируют высокую скорость, стабильность и гибкость работы сети. В качестве основных элементов второго и третьего слоев OSI, коммутаторы не только оптимально распределяют данные между устройствами, но и дают возможность организовать сегментацию сети для усиления ее защиты и облегчения управления потоком информации.

Интеграция коммутаторов в сеть значительно улучшает ее производительность благодаря таким возможностям, как формирование VLAN, поддержка высокого уровня доступности, объединение каналов и маршрутизация на уровне сети. Они облегчают работу маршрутизаторов, уменьшают задержки и оптимизируют распределение ресурсов, что критически важно для корпоративных и облачных сетевых систем.

Коммутаторы — это неизменный компонент успешной и безопасной работы сетей, и их корректная настройка является фундаментом стабильности и эффективности любой компании в условиях увеличения требований к скорости и надежности сетевого взаимодействия.