Что собой представляет свитч и как его настроить. Виды коммутаторов

IGMP и многих других, а также знание того, как данные технологии можно применить на практике наиболее эффективно.

Книга "Построение коммутируемых компьютерных сетей" появилась благодаря многолетнему сотрудничеству компании D-Link и ведущего технического университета страны - МГТУ им. Н. Э. Баумана. Книга направлена на глубокое изложение теории и формирование практических знаний. В ее основу легли учебные материалы компании D-Link, а также практические занятия, проводимые в учебном центре D-Link - МГТУ им. Н. Э. Баумана – D-Link и кафедры "Компьютерные системы и сети".

Книга содержит полное описание фундаментальных технологий коммутации локальных сетей, примеры их использования, а также настройки на коммутаторах D-Link. Она будет полезна студентам, обучающимся по направлению " Информатика и вычислительная техника", аспирантам, сетевым администраторам, специалистам предприятий, внедряющим новые информационные технологии , а также всем, кто интересуется современными сетевыми технологиями и принципами построения коммутируемых сетей.

Авторы хотят поблагодарить всех людей, вовлеченных в процесс консультирования, редактирования и подготовки рисунков для курса. Авторы выражают благодарность руководителям Представительства компании "Д- Линк Интернешнл ПТЕ Лтд" и МГТУ им. Н. Э. Баумана, специалистам компании D-Link Павлу Козику, Руслану Бигарову, Александру Зайцеву, Евгению Рыжову и Денису Евграфову, Александру Щадневу за технические консультации; Ольге Кузьминой за редактирование книги; Алесе Дунаевой за помощь в подготовке иллюстраций. Большую помощь в подготовке рукописи и тестировании практических занятий оказали преподаватели МГТУ им. Н. Э. Баумана Михаил Калинов, Дмитрий Чирков.

Обозначения, используемые в курсе

В тексте курса используются следующие пиктограммы для обозначения сетевых устройств различных типов:

Синтаксис команд

Следующие символы используются для описания ввода команд, ожидаемых значений и аргументов при настройке коммутатора через интерфейс командной строки ( CLI ).

Символ	Назначение
< угловые скобки >	Содержат ожидаемую переменную или значение, которое должно быть указано
[ квадратные скобки ]	Содержат требуемое значение или набор требуемых аргументов. Может быть указано одно значение или аргумент
| вертикальная черта	Отделяет два или более взаимно исключающих пунктов из списка, один из которых должен быть введен/указан
{ фигурные скобки }	Содержит необязательное значение или набор необязательных аргументов

Эволюция локальных сетей

Эволюция локальных сетей неразрывно связана с историей развития технологии Ethernet , которая по сей день остается самой распространенной технологией локальных сетей.

Первоначально технология локальных сетей рассматривалась как времясберегающая и экономичная технология, обеспечивающая совместное использование данных, дискового пространства и дорогостоящих периферийных устройств. Снижение стоимости персональных компьютеров и периферии привело к их широкому распространению в бизнесе, и количество сетевых пользователей резко возросло. Одновременно изменились архитектура приложений (" клиент-сервер ") и их требования к вычислительным ресурсам, а также архитектура вычислений ( распределенные вычисления ). Стал популярным downsizing (разукрупнение) - перенос информационных систем и приложений с мэйнфреймов на сетевые платформы. Все это привело к смещению акцентов в использовании сетей: они стали обязательным инструментом в бизнесе, обеспечив наиболее эффективную обработку информации.

В первых сетях Ethernet ( 10Base -2 и 10Base -5) использовалась шинная топология , когда каждый компьютер соединялся с другими устройствами с помощью единого коаксиального кабеля, используемого в качестве среды передачи данных . Сетевая среда была разделяемой и устройства, прежде чем начать передавать пакеты данных, должны были убедиться, что она свободна. Несмотря на то, что такие сети были простыми в установке, они обладали существенными недостатками, заключающимися в ограничениях по размеру, функциональности и расширяемости, недостаточной надежности, а также неспособностью справляться с экспоненциальным увеличением сетевого трафика. Для повышения эффективности работы локальных сетей требовались новые решения.

Следующим шагом стала разработка стандарта 10Base -T с топологией типа " звезда ", в которой каждый узел подключался отдельным кабелем к центральному устройству - концентратору (hub) . Концентратор работал на физическом уровне модели OSI и повторял сигналы, поступавшие с одного из его портов на все остальные активные порты, предварительно восстанавливая их. Использование концентраторов позволило повысить надежность сети, т.к. обрыв какого-нибудь кабеля не влек за собой сбой в работе всей сети. Однако, несмотря на то, что использование концентраторов в сети упростило задачи ее управления и сопровождения, среда передачи оставалась разделяемой (все устройства находились в одном домене коллизий). Помимо этого, общее количество концентраторов и соединяемых ими сегментов сети было ограничено из-за временных задержек и других причин.

Задача сегментации сети , т.е. разделения пользователей на группы ( сегменты ) в соответствии с их физическим размещением с целью уменьшения количества клиентов, соперничающих за полосу пропускания, была решена с помощью устройства, называемого мостом (bridge) . Мост был разработан компанией Digital Equipment Corporation ( DEC ) в начале 1980-х годов и представлял собой устройство канального уровня модели OSI (обычно двухпортовое), предназначенное для объединения сегментов сети. В отличие от концентратора, мост не просто пересылал пакеты данных из одного сегмента в другой, а анализировал и передавал их только в том случае, если такая передача действительно была необходима, то есть адрес рабочей станции назначения принадлежал другому сегменту. Таким образом, мост изолировал трафик одного сегмента от трафика другого, уменьшая домен коллизий и повышая общую производительность сети.

Однако мосты были эффективны лишь до тех пор, пока количество рабочих станций в сегменте оставалось относительно невелико. Как только оно увеличивалось, в сетях возникала перегрузка ( переполнение приемных буферов сетевых устройств), которая приводила к потере пакетов.

Увеличение количества устройств, объединяемых в сети, повышение мощности процессоров рабочих станций, появление мультимедийных приложений и приложений " клиент-сервер " требовали большей полосы пропускания. В ответ на эти растущие требования фирмой Kalpana в 1990 г. на рынок был выпущен первый коммутатор (switch) , получивший название EtherSwitch.

Рис. 1.1.

Коммутатор представлял собой многопортовый мост и также функционировал на канальном уровне модели OSI . Основное отличие коммутатора от моста заключалось в том, что он мог устанавливать одновременно несколько соединений между разными парами портов. При передаче пакета через коммутатор в нем создавался отдельный виртуальный (либо реальный, в зависимости от архитектуры) канал, по которому данные пересылались напрямую от порта-источника к порту-получателю с максимально возможной для используемой технологии скоростью. Такой принцип работы получил название "микросегментация" . Благодаря микросегментации коммутаторы получили возможность функционировать в режиме полного дуплекса (

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.

Сейчас, во время всевозможных гаджетов и электронных девайсов, которые переполняют среду обитания обычного человека, актуальна проблема – как эти все интеллектуальные устройства увязать между собой. Почти в любой квартире есть телевизор, компьютер/ноутбук, принтер, сканер, звуковая система, и хочется как-то скоординировать их, а не перекидывать бесконечное количество информации флешками, и при этом не запутаться в бесконечных километрах проводов. Та же самая ситуация касается офисов – с немалым количеством компьютеров и МФУ, или других систем, где нужно увязать разных представителей электронного сообщества в одну систему. Вот тут и возникает идея построения локальной сети. А основа грамотно организованной и структурированной локальной сети – сетевой коммутатор.



ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коммутатор , или свитч - прибор, объединяющий несколько интеллектуальных устройств в локальную сеть для обмена данными. При получении информации на один из портов, передает ее далее на другой порт, на основании таблицы коммутации или таблицы MAC-адресов . При этом процесс заполнения таблицы идет не пользователем, а самим коммутатором, в процессе работы – при первом сеансе передачи данных таблица пуста, и изначально коммутатор ретранслирует пришедшую информацию на все свои порты. Но в процессе работы он запоминает пути следования информации, записывает их к себе в таблицу и при последующих сеансах уже отправляет информацию по определенному адресу. Размер таблицы может включать от 1000 до 16384 адресов.

Для построения локальных сетей используются и другие устройства – концентраторы (хабы) и маршрутизаторы (роутеры). Сразу, во избежание путаницы, стоит указать на различия между ними и коммутатором.

Концентратор (он же хаб) – является прародителем коммутатора. Время использования хабов фактически ушло в прошлое, из-за следующего неудобства: если информация приходила на один из портов хаба, он тут же ретранслировал ее на другие, «забивая» сеть лишним трафиком. Но изредка они еще встречаются, впрочем, среди современного сетевого оборудования выглядят, как самоходные кареты начала 20-го века среди электрокаров современности.

Маршрутизаторы – устройства, с которыми часто путают коммутаторы из-за похожего внешнего вида, но у них более обширный спектр возможностей работы, и ввиду с этим более высокая стоимость. Это своего рода сетевые микрокомпьютеры, с помощью которых можно полноценно настроить сеть, прописав все адреса устройств в ней и наложив логические алгоритмы работы – к примеру, защиту сети.

Коммутаторы и хабы чаще всего используются для организации локальных сетей, маршрутизаторы – для организации сети, связанной с выходом в интернет. Однако следует заметить, что сейчас постепенно размываются границы между коммутаторами и маршрутизаторами – выпускаются коммутаторы, которые требуют настройки и работают с прописываемыми адресами устройств локальной сети. Они могут выполнять функции маршрутизаторов, но это, как правило, дорогостоящие устройства не для домашнего использования.
Самый простой и дешевый вариант конфигурации домашней локальной сети средних размеров (с количеством объектов более 5), с подключением к интернету, будет содержать и коммутатор, и роутер:

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

При покупке коммутатора нужно четко понимать – зачем он вам, как будете им использоваться, как будете его обслуживать. Чтобы выбрать устройство, оптимально отвечающее вашим целям, и не переплатить лишних денег, рассмотрим основные параметры коммутаторов:

• Вид коммутатора – управляемый, неуправляемый и настраиваемый.

1. Неуправляемые коммутаторы – не поддерживают протоколы сетевого управления. Наиболее просты, не требуют особых настроек, стоят недорого: от 440 до 2990 рублей. Оптимальное решение для маленькой локальной сети. Со сборкой локальной сети на их основе справится даже человек, далекий от этих дел – требуется лишь купить сам коммутатор, кабели необходимой длины для подключения оборудования (лучше, в виде атч-корда , т.е. «с вилками» в сборе – не забудьте перед покупкой осмотреть оборудование, к которому будет подключаться кабель, и уточнить, какой именно тип разъема вам понадобится), ну и собрать саму сеть. Простейшая настройка описана в документации к устройству.
2. Управляемые коммутаторы – поддерживают протоколы сетевого управления, обладают более сложной конструкцией, предлагают более широкий функционал – с помощью WEB-интерфейса или специализированных программ ими можно управлять, прописывая параметры подключенной к ним сети, приоритеты отдельных устройств и пр. Именно этот тип коммутаторов может заменять маршрутизаторы. Цена на такие устройства колеблется в диапазоне от 2499 до 14490 рублей. Данный вид коммутаторов представляет интерес для специализированных локальных сетей – видеонаблюдение, промышленная сеть, офисная сеть.
3. Настраиваемые коммутаторы – устройства, которые поддерживают некоторые настройки (к примеру – конфигурирование VLAN (создание подгрупп)), но все равно во многом уступают управляемым коммутаторам. Настраиваемые коммутаторы могут быть как управляемыми, так и неуправляемыми.

• Размещение коммутатора – может быть трех типов:

1. Настольный – компактное устройство, которое можно просто разместить на столе;
2. Настенный – небольшое устройство, которое, как правило, можно расположить как на столе, так и на стене – для последнего предусмотрены специальные пазы/крепления;
3. Монтируемый на стойку – устройство с предусмотренными пазами для монтажа в стойку сетевого оборудования, но которое, как правило, также можно расположить на столе.

• Базовая скорость передачи данных – скорость, с которой работает каждый из портов устройства. Как правило, в параметрах коммутатора указывается сразу несколько цифр, к примеру: 10/100Мбит/сек – это означает, что порт может работать и со скоростью 10Мбит/сек, и 100Мбит/сек, автоматически подстраиваясь под скорость источника данных. Представлены модели с базовой скоростью:

• Общее количество портов коммутатора – один из основных параметров, в принципе именно он больше всего влияет конфигурацию локальной сети, т.к. от него зависит, какой количество оборудования вы сможете подключить. Диапазон лежит в пределах от 5 до 48 портов. Коммутаторы с количеством портов 5-15  наиболее интересны для построения маленькой домашней сети, устройства с количеством портов от 15 до 48  ориентированы уже на более серьезные конфигурации.

• – порты, поддерживающие скорость 100Мбит/сек, бывает до 48 ;
• Количество портов со скоростью 1Гбит/сек – порты, поддерживающие скорость 1Гбит/сек – что особенно актуально для высокоскоростной передачи данных, бывает до 48 ;
• Поддержка РоЕ – если такой параметр есть , то означает, что подключенное к порту с этой опцией устройство можно питать по сетевому кабелю (витой паре), при этом никакого влияния на передающийся сигнал информации не оказывается. Функция особенно привлекательна для подключения устройств, к которым нежелательно, либо невозможно подводить дополнительный кабель питания – к примеру, для WEB-камер.
• SFP-порты  – порты коммутатора для связи с устройствами более высокого уровня, либо с другими коммутаторами. По сравнению с обычными портами могут поддерживать передачу данных на более дальние расстояния (стандартный порт с RJ-45 разъемом и подключенным кабелем «витая пара» поддерживает передачу в пределах 100м). Такой порт не оснащен приемо-передатчиком, это только слот, к которому можно подключить SFP-модуль, представляющий из себя внешний приемо-передатчик для подключения нужного кабеля – оптического, витой пары.

• Скорость обслуживания пакетов – характеристика, обозначающая производительность оборудования, и измеряющаяся в миллионах пакетов в секунду – Мррs. Как правило, подразумеваются пакеты размеров 64 байта (уточняется производителем). Величина этой характеристики различных устройств лежит в пределах от 1,4 до 71,4 Мррs .

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Область применения коммутаторов широка, самые распространенные сферы применения:

• маленькая домашняя локальная сеть , включающая, к примеру, несколько компьютеров, принтер, телевизор и музыкальный центр (при условии, что все оборудование поддерживает сетевое подключение);

Неуправляемый коммутатор подходит для построения домашней сети или сети малого офиса. Его отличие от остальных - "коробочная" версия. Т. е., после покупки достаточно настроить подключение к серверу провайдера и можно раздавать интернет.

При работе с таким коммутатором стоит учитывать, что возможны кратковременные задержки при использовании пейджеров голосовой связи (Skype, Vo-IP) и невозможность распределения ширины канала интернета. Т. е., при включении программы Torrent на одном из компьютеров в сети - она будет потреблять почти всю ширину канала, а остальные компьютеры в сети - пользоваться остатками пропускной способности.

Управляемый коммутатор - это лучшее решение для построение сети в офисах и компьютерных клубах. Данный вид продается в стандартной комплектации и стандартными настройками.

Для настройки такого коммутатора придется попотеть - большое количество настроек может вскружить голову, но при правильном подходе принести замечательные результаты. Главная особенность - распределение ширины канала и настройка пропускной способности каждого порта. Возьмем в пример канал интернета 50 Mbps/s, 5 компьютеров в сети, IP-TV приставку и ATC. Мы можем поступить несколькими вариантами, но рассмотрю я всего один.

Далее - только Ваша фантазия и нестандартное мышление. В общей сложности мы имеем относительно большой канал. Почему относительно? Эту информацию Вы узнаете далее, если внимательно вникнете в суть. Забыл уточнить - я собираю сеть для малого офиса. IP-TV используется для телевизора в комнате ожидания, компьютеры - для работы с электронной почтой, передачей документов, просмотров сайтов, ATC - для подключения стационарных телефонов к основной линии для приема звонков с Skype, QIP, сотовых телефонов и пр.

Управляемый коммутатор представляет собой модификацию обычного, неуправляемого коммутатора.

Кроме чипа ASIC в нем присутствует микропроцессор, способный выполнять дополнительные операции над фреймами, такие как фильтрация, модификация и приоритезация, а так же другие, не связанные с пересылкой фреймов, действия. Например, предоставлять пользовательский интерфейс.

В практическом плане отличия управляемых коммутаторов от неуправляемых заключаются, во-первых, в списке поддерживаемых стандартов - если обычный, неуправляемый коммутатор поддерживает только стандарт Ethernet (IEEE 802.3) в различных его разновидностях, то управляемые коммутаторы поддерживают гораздо более широкий список стандартов: 802.1Q.802.1X, 802.1AE, 802.3ad (802.1AX) и так далее, которые требуют настройки и управления.

Есть еще один вид - SMART-коммутаторы.

Появление смарт-коммутаторов было обязано маркетинговому ходу - устройства поддерживают значительно меньшее количество функций, чем свои старшие собратья, но тем не менее являются управляемыми.

Что бы не смущать и не вводить потребителей в заблуждение, первые модели выпускались с обозначением intelligent или web-managed.

Эти устройства по значительно меньшей цене предлагали базовую функциональность управляемых коммутаторов - организация VLAN, административное включение и отключение портов, фильтрация по MAC-адресу или ограничение скорости. Традиционно, единственным способом управления являлся web-интерфейс, так что за смарт-коммутаторами прочно закрепилось название web-eуправляемых.

Коммутатор хранит в ассоциативной памяти таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он начинает работать в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (frame) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу.

Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не привязан к какому-либо порту коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты.

Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется.

Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Способы коммутации в коммутаторе.

Существует три способа коммутации. Каждый из них - это комбинация таких параметров, как время ожидания «принятием коммутатором решения» (латентность) и надёжность передачи.

С промежуточным хранением (Store and Forward).

«Напролет» (cut-through).

«Бесфрагментный» (fragment-free) или гибридный.

С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю поступившую информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него проверенный кадр.

«Напролет» (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.

«Бесфрагментный» (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией режима «Напролет». Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through). Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Характеристики производительности коммутаторов.

Основными характеристиками коммутатора, измеряющими его производительность, являются:

• - скорость фильтрации (filtering);
• - скорость маршрутизации (forwarding);
• - пропускная способность (throughput);
• - задержка передачи кадра.

Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:

• - размер буфера (буферов) кадров;
• - производительность внутренней шины;
• - производительность процессора или процессоров;
• - размер внутренней адресной таблицы.

Скорость фильтрации и продвижения кадров - это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.

Скорость фильтрации определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

• - прием кадра в свой буфер;
• - уничтожение кадра, так как его порт назначения совпадает с портом-источником.

Скорость продвижения определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

• - прием кадра в свой буфер;
• - просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;
• - передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в секунду.

Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров длиной 64 байта (без преамбулы), с полем данных в 46 байт.

Применение в качестве основного показателя скорости работы коммутатора кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной пропускной способности переносимых пользовательских данных.

Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании для него параметров трафика.

Кроме того, для пакетов минимальной длины скорость фильтрации и продвижения имеют максимальное значение, что имеет немаловажное значение при рекламе коммутатора.

Пропускная способность коммутатора измеряется количеством переданных в единицу времени через его порты пользовательских данных.

Так как коммутатор работает на канальном уровне, то для него пользовательскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня - Ethernet, Token Ring, FDDI и т. п.

Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом и доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров минимальной длины, и время выполнения коммутатором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской информации, существенно меньше.

Зависимость пропускной способности коммутатора от размера передаваемых кадров хорошо иллюстрирует пример протокола Ethernet, для которого при передаче кадров минимальной длины достигается скорость передачи в 14880 кадров в секунду и пропускная способность 5.48 Мб/с, а при передаче кадров максимальной длины - скорость передачи в 812 кадров в секунду и пропускная способность 9.74 Мб/c.

Пропускная способность падает почти в два раза при переходе на кадры минимальной длины, и это еще без учета потерь времени на обработку кадров коммутатором.

Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на выходном порту коммутатора.

Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором - просмотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продвижении и получения доступа к среде выходного порта. Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется "на лету", то задержки обычно невелики и составляют от 10 мкс до 40 мкс, а при полной буферизации кадров - от 50 мкс до 200 мкс (для кадров минимальной длины). Коммутатор - это многопортовое устройство, поэтому для него принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки передачи кадра) давать в двух вариантах:

• - первый вариант - суммарная производительность коммутатора при одновременной передаче трафика по всем его портам;
• - второй вариант - производительность, приведенная в расчете на один порт.

Так как при одновременной передаче трафика несколькими портами существует огромное количество вариантов трафика, отличающегося размерами кадров в потоке, распределением средней интенсивности потоков кадров между портами назначения, коэффициентами вариации интенсивности потоков кадров и т. д., и т. п.

Тогда, при сравнении коммутаторов по производительности необходимо принимать во внимание, для какого варианта трафика получены публикуемые данные производительности. Некоторые лаборатории, постоянно проводящие тестирование коммуникационного оборудования, разработали детальные описания условий тестирования коммутаторов и используют их в своей практике, однако общепромышленными эти тесты пока не стали. В идеальном случае коммутатор, установленный в сети, передает кадры между узлами, подключенными к его портам, с той скоростью, с которой узлы генерируют эти кадры, не внося дополнительных задержек и не теряя ни одного кадра.

В реальной практике коммутатор всегда вносит некоторые задержки при передаче кадров, а также может некоторые кадры терять, то есть не доставлять их адресатам. Из-за различий во внутренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкретного образца трафика. Лучшим критерием по-прежнему остается практика, когда коммутатор ставится в реальную сеть и измеряются вносимые им задержки и количество потерянных кадров. Суммарная производительность коммутатора обеспечивается достаточно высокой производительностью каждого его отдельного элемента - процессора порта, коммутационной матрицы, общей шины, соединяющей модули и т. п.

Независимо от внутренней организации коммутатора и способов конвейеризации его операций, можно определить достаточно простые требования к производительности его элементов, которые являются необходимыми для поддержки заданной матрица трафика. Так как производители коммутаторов стараются сделать свои устройства как можно более быстродействующими, то общая внутренняя производительность коммутатора часто с некоторым запасом превышает среднюю интенсивность любого варианта трафика, который можно направить на порты коммутатора в соответствии с их протоколами.

Такой тип коммутаторов называют неблокирующими, т. е., любой вариант трафика передается без снижения его интенсивности. Кроме пропускных способностей отдельных элементов коммутатора, таких как процессоры портов или общая шина, на производительность коммутатора влияют такие его параметры как размер адресной таблицы объем общего буфера или отдельных буферов портов.

Размер адресной таблицы влияет на максимальную емкость адресной таблицы и определяет максимальное количество MAC-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор.

Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт.

Экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей не обязательно содержат одну и ту же адресную информацию - скорее всего повторяющихся адресов будет не так много, если только распределение трафика каждого порта не полностью равновероятное между остальными портами. Каждый порт хранит только те наборы адресов, которыми он пользуется в последнее время. Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей - до нескольких тысяч, обычно 4000 - 8000 адресов. Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, то он должен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из адресной таблицы.

Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем необязательны. Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом.

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика.

Ведь даже если трафик хорошо сбалансирован и производительность процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений трафика, то это не гарантирует, что их производительности хватит при очень больших пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты. Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполниться.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт.

Хорошо, когда эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.

Любой системный администратор рано или поздно сталкивается с задачей построения или модернизации локальной сети предприятия. К такому вопросу следует подходить очень серьезно и основательно, т.к. от этого зависит дальнейшая беззаботная работа.

Как выбрать коммутатор под свои задачи, чтобы потом не покупать новый?

Коммутатор или в простонародье свитч - это сетевое устройство, которое соединяет несколько компьютеров в одну единую локальную сеть. Современные свитчи обладают очень большим рядом функций, которые очень сильно могут облегчить дальнейшую работу админа. От правильного выбора свитчей зависит функционирование всей локальной сети и работа предприятия в целом.

При выборе сетевого оборудования начинающий системный администратор сталкивается с большим количеством непонятных обозначений и поддерживаемых протоколов. Данное руководство написано с целью восполнить этот пробел знаний у начинающих.

Вводная информация

Многие до сих пор не видят разницы между свичом и хабом. Понимая, что тема уже много раз обсуждалась, все же хотелось начать именно с нее.

Для свитчей это правило уже не актуально, т.к. современные свитчи даже начального уровня в ходе работы формируют таблицу коммутации, набирая список MAC-адресов, и согласно нее осуществляют пересылку данных. Каждый свитч, после непродолжительного времени работы, "знает" на каком порту находится каждый компьютер в сети.

При первом включении, таблица коммутации пуста и коммутатор начинает работать в режиме обучения. В режиме обучения работа свича идентична работе хаба: коммутатор, получая поступающие на один порт данные, пересылает их на все остальные порты. В это время коммутатор производит анализ всех проходящих портов и в итоге составляет таблицу коммутации.

Особенности, на которые следует обратить внимание при выборе коммутатора

Чтобы правильно сделать выбор при покупке коммутатора, нужно понимать все обозначения, которые указываются производителем. Покупая даже самое дешевое устройство, можно заметить большой список поддерживаемых стандартов и функций. Каждый производитель сетевого оборудования старается указать в характеристиках как можно больше функций, чтобы тем самым выделить свой продукт среди конкурентов и повысить конечную стоимость.

Распространенные функции коммутаторов:

• Количество портов . Общее количество портов, к которым можно подключить различные сетевые устройства.

  Количество портов лежит в диапазоне от 5 до 48.

• Базовая скорость передачи данных . Это скорость, на которой работает каждый порт коммутатора. Обычно указывается несколько скоростей, к примеру, 10/100/1000 Мб/сек . Это говорит о том, что порт умеет работать на всех указанных скоростях. В большинстве случаев коммутатор поддерживает стандарт IEEE 802.3 Nway автоопределение скорости портов.

  При выборе коммутатора следует учитывать характер работы подключенных к нему пользователей.

• Внутренняя пропускная способность . Этот параметр сам по себе не играет большого значения. Чтобы правильно выбрать коммутатор, на него следует обращать внимание только в паре с суммарной максимальной скоростью всех портов коммутатора (это значение можно посчитать самостоятельно, умножив количество портов на базовую скорость порта). Соотнося эти два значения можно оценить производительность коммутатора в моменты пиковой нагрузки, когда все подключенные пользователи максимально используют возможности сетевого подключения.

  К примеру, Вы используете 16-портовый коммутатор на скорости 100 Мб/сек, имеющий пропускную способность в 1Гб/сек. В моменты пиковой нагрузки 16 портов смогут передавать объем информации равный:

  16x100=1б00(Мб/сек)=1.6(Гб/сек)

  Полученное значение меньше пропускной способности самого коммутатора. Такой коммутатор подойдет в большинстве случаев небольшой организации, где на практике приведенную ситуацию можно встретить крайне редко, но не подойдет для организации, где передаются большие объемы информации.

  Для правильного выбора коммутатора следует учитывать, что в действительности внутренняя пропускная способность не всегда соответствует значению, которое заявлено производителем.

• Автосогласование между режимами Full-duplex или Half-duplex . В режиме Full-duplex данные передаются в двух направлениях одновременно. При режиме Half-duplex данные могут передаваться только в одну сторону одновременно. Функция автосогласования между режимами позволяет избежать проблем с использованием разных режимов на разных устройствах.
• Автоопределение типа кабеля MDI/MDI-X . Это функция автоматически определят по какому стандарту был "обжат" кабель витая пара, позволяя работать этим 2 стандартам в одной ЛВС.

Стандарт MDI :


Стандарт MDI-X:


• Наличие порта Uplink . Порт Uplink предназначен для каскадирования коммутаторов, т.е. объединение двух коммутаторов между собой. Для их соединения использовался перекрестный кабель (Crossover). Сейчас такие порты можно встретить только на старых коммутаторах или на специфическом оборудовании. Грубо говоря, в современных коммутаторах все порты работают как Uplink.
• Стекирование . Под стекированием коммутаторов понимается объединение нескольких коммутаторов в одно логическое устройство. Стекирование целесообразно производить, когда в итоге требуется получить коммутатор с большим количеством портов (больше 48 портов). Различные производители коммутаторов используют свои фирменные технологии стекирования, к примеру, Cisco использует технологию стекирования StackWise (шина между коммутаторами 32 Гбит/сек) и StackWise Plus (шина между коммутаторами 64 Гбит/сек).

  При выборе коммутатора следует отдавать предпочтение устройствам поддерживающим стекирование, т.к. в будущем эта функция может оказаться полезной.

• Возможность установки в стойку . Это означает, что такой коммутатор можно установить в стойку или в коммутационный шкаф. Наибольшее распространение получили 19 дюймовые шкафы и стойки, которые стали для современного сетевого оборудования неписанным стандартом.

  Большинство современных устройств имеют такую поддержку, поэтому при выборе коммутатора не стоит акцентировать на этом большого внимания.

• Количество слотов расширения . Некоторые коммутаторы имеют несколько слотов расширения, позволяющие разместить дополнительные интерфейсы. В качестве дополнительных интерфейсов выступают гигабитные модули, использующие витую пару, и оптические интерфейсы, способные передавать данные по оптоволоконному кабелю.
• Размер таблицы MAC-адресов . Это размер коммутационной таблицы, в которой соотносятся встречаемые MAC-адреса с определенным портом коммутатора. При нехватке места в коммутационной таблице происходит затирание долго не используемых MAC-адерсов. Если количество компьютеров в сети много больше размера таблицы, то происходит заметное снижение производительности коммутатора, т.к. при каждом новом MAC-адресе происходит поиск компьютера и внесение отметки в таблицу.

  При выборе коммутатора следует прикинуть примерное количество компьютеров и размер таблицы MAC-адресов коммутатора.

• Flow Control (Управление потоком). Управление потоком IEEE 802.3x обеспечивает защиту от потерь пакетов при их передаче по сети. К примеру, коммутатор во время пиковых нагрузок, не справляясь с потоком данных, отсылает отправляющему устройству сигнал о переполнении буфера и приостанавливает получение данных. Отправляющее устройство, получая такой сигнал, останавливает передачу данных до тех пор, пока не последует положительного ответа от коммутатора о возобновлении процесса. Таким образом два устройства как бы "договариваются" между собой когда передавать данные, а когда нет.

  Так как эта функция присутствует почти во всех современных коммутаторах, то при выборе коммутатора на ней не следует акцентировать особого внимания.

• Jumbo Frame . Наличие этой функции позволяет коммутатору работать с более большим размером пакета, чем это оговорено в стандарте Ethernet.

  После приема каждого пакета тратится некоторое время на его обработку. При использовании увеличенного размера пакета по технологии Jumbo Frame, можно существенно сэкономить на времени обработки пакета в сетях, где используются скорости передачи данных от 1 Гб/сек и выше. При меньшей скорости большого выигрыша ждать не стоит.

  Технология Jumbo Frame работает только между двумя устройствами, которые оба ее поддерживают.

  При подборе коммутатора на этой функции не стоит заострять внимание, т.к. она присутствует почти во всех устройствах.

• Power over Ethernet (PoE) . Эта технология передачи электрического тока для питания коммутатора по неиспользуемым проводам витой пары. Стандарт IEEE 802.af.
• Встроенная грозозащита . Некоторые производители встраивают в свои коммутаторы технологию защиты от гроз. Такой коммутатор следует обязательно заземлить, иначе смысл этой дополнительной функции отпадает.

Читайте о новинках железа, новости компьютерных компаний и будите всегда в курсе последних достижений.

Какие коммутаторы бывают?

Помимо того, что все существующие коммутаторы различаются количеством портов (5, 8, 16, 24 и 48 портов и т.д.) и скоростью передачи данных (100Мб/сек, 1Гб/сек и 10Гб/сек и т.д.), коммутаторы можно так же разделить на:

1. Неуправляемые свичи - это простые автономные устройства, которые управляют передачей данных самостоятельно и не имеющие инструментов ручного управления. Некоторые модели неуправляемых свичей имеют встроенные инструменты мониторинга (например некоторые свичи Compex).

   Такие коммутаторы получили наибольшее распространение в "домашних" ЛВС и малых предприятиях, основным плюсом которых можно назвать низкую цену и автономную работу, без вмешательства человека.

   Минусами у неуправляемых коммутаторов является отсутствие инструментов управления и малая внутренняя производительность. Поэтому в больших сетях предприятий неуправляемые коммутаторы использовать не разумно, так как администрирование такой сети требует огромных человеческих усилий и накладывает ряд существенных ограничений.

2. Управляемые свичи - это более продвинутые устройства, которые также работают в автоматическом режиме, но помимо этого имеют ручное управление. Ручное управление позволяет очень гибко настроить работу коммутатора и облегчить жизнь системного администратора.

   Основным минусом управляемых коммутаторов является цена, которая зависит от возможностей самого коммутатора и его производительности.

Абсолютно все коммутаторы можно разделить по уровням. Чем выше уровень, тем сложней устройство, а значит и дороже. Уровень коммутатора определяется слоем на котором он работает по сетевой модели OSI .

Для правильного выбора коммутатора Вам потребуется определиться на каком сетевом уровне необходимо администрировать ЛВС.

Разделение коммутаторов по уровням:

1. Коммутатор 1 уровня (Layer 1). Сюда относятся все устройства, которые работают на 1 уровне сетевой модели OSI - физическом уровне . К таким устройствам относятся повторители, хабы и другие устройства, которые не работают с данными вообще, а работают с сигналами. Эти устройства передают информацию, словно льют воду. Если есть вода, то переливают ее дальше, нет воды, то ждут. Такие устройства уже давно не производят и найти их довольно сложно.
2. Коммутатор 2 уровня (Layer 2). Сюда относятся все устройства, которые работают на 2 уровне сетевой модели OSI - канальном уровне . К таким устройствам можно отнести все неуправляемые коммутаторы и часть управляемых.

   Коммутаторы 2 уровня работают с данными ни как с непрерывным потоком информации (коммутаторы 1 уровня), а как с отдельными порциями информации - кадрами (frame или жарг. фреймами ). Умеют анализировать получаемые кадры и работать с MAC-адресами устройств отправителей и получателей кадра. Такие коммутаторы "не понимают" IP-адреса компьютеров, для них все устройства имеют названия в виде MAC-адресов.

   Коммутаторы 2 уровня составляют коммутационные таблицы, в которых соотносят MAC-адреса встречающихся сетевых устройств с конкретными портами коммутатора.

   Коммутаторы 2 уровня поддерживают протоколы:

   
   
3. Коммутатор 3 уровня (Layer 3). Сюда относятся все устройства, которые работают на 3 уровне сетевой модели OSI - сетевом уровне . К таким устройствам относятся все маршрутизаторы, часть управляемых коммутаторов, а так же все устройства, которые умеют работать с различными сетевыми протоколами: IPv4, IPv6, IPX, IPsec и т.д. Коммутаторы 3 уровня целесообразнее отнести уже не к разряду коммутаторов, а к разряду маршрутизаторов, так как эти устройства уже полноценно могут маршрутизировать, проходящий трафик, между разными сетями. 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: pptp, pppoe, vpn и т.д.
4. Коммутатор 4 уровня (Layer 4). Сюда относятся все устройства, которые работают на 4 уровне сетевой модели OSI - транспортном уровне . К таким устройствам относятся более продвинутые маршрутизаторы, которые умеют работать уже с приложениями. Коммутаторы 4 уровня используют информацию, которая содержится в заголовках пакетов и относится к уровню 3 и 4 стека протоколов, такую как IP-адреса источника и приемника, биты SYN/FIN, отмечающие начало и конец прикладных сеансов, а также номера портов TCP/UDP для идентификации принадлежности трафика к различным приложениям. На основании этой информации, коммутаторы уровня 4 могут принимать интеллектуальные решения о перенаправлении трафика того или иного сеанса.

Чтобы правильно подобрать коммутатор Вам нужно представлять всю топологию будущей сети, рассчитать примерное количество пользователей, выбрать скорость передачи данных для каждого участка сети и уже под конкретную задачу начинать подбирать оборудование.

Управление коммутаторами

Интеллектуальными коммутаторами можно управлять различными способами:

• через SSH-доступ . Подключение к управляемому коммутатору осуществляется по защищенному протоколу SSH, применяя различные клиенты (putty, gSTP и т.д.). Настройка происходит через командную строку коммутатора.
• через Telnet-доступ к консольному порту коммутатора. Подключение к управляемому коммутатору осуществляется по протоколу Telnet. В результате мы получаем доступ к командной строке коммутатора. Применение такого доступа оправданно только при первоначальной настройки, т. к. Telnet является незащищенным каналом передачи данных.
• через Web-интерфейс . Настройка производится через WEB-браузер. В большинстве случаев настройка через Web-интерфейс не дает воспользоваться всеми функциями сетевого оборудования, которые доступны в полном объеме только в режиме командной строки.
• через протокол SNMP . SNMP - это протокол простого управления сетями.

  Администратор сети может контролировать и настраивать сразу несколько сетевых устройств со своего компьютера. Благодаря унификации и стандартизации этого протокола появляется возможность централизованно проверять и настраивать все основные компоненты сети.

Чтобы правильно выбрать управляемый коммутатор стоит обратить внимание на устройства, которые имеют SSH-доступ и протокол SNMP. Несомненно Web-интерфейс облегчает первоначальную настройку коммутатора, но практически всегда имеет меньшее количество функций, чем командная строка, поэтому его наличие приветствуется, но не является обязательным.

Случайные 7 статей.