Что такое сетевой коммутатор и как он работает

Сети передачи данных необходимы любому современному бизнесу, без них невозможно использование сетевых или мультимедийных приложений, передача данных удаленными пользователями. Коммутаторы являются ключевым компонентом любой компьютерной сети, соединяя между собой ее сегменты и устройства для совместного использования ресурсов локальной сети (LAN). Они обеспечивают полнодуплексную передачу данных по сети, а также позволяют собирать информацию о производительности сети и эффективно использовать ее пропускную способность.

Сетевой коммутатор – это физическое устройство, которое работает на уровне «Передача данных» (Data Link) сетевой модели Open Systems Interconnection (OSI), т. е. на втором уровне (Layer 2). Коммутатор принимает пакеты данных от устройств, которые подключены к его физическим портам, и перенаправляет их тем устройствам, которые являются адресатом каждого пакета. Некоторые коммутаторы могут работать и на сетевом уровне (Layer 3) модели OSI, если они также выполняют маршрутизацию пакетов.

Коммутаторы могут работать в сетях передачи данных, построенных на основе технологий Ethernet, Fibre Channel, Asynchronous Transfer Mode (ATM) и InfiniBand, однако подавляющее большинство современных коммутаторов использует Ethernet.

Как работает сетевой коммутатор

Сразу после подключения устройства к коммутатору тот определяет адрес Media Access Control (MAC) сетевой карты устройства, которое подключено к одному из портов коммутатора. С помощью MAC-адреса коммутатор определяет для каждого проходящего через него пакета, какое устройство отправило пакет и какому устройству его нужно доставить. MAC-адрес идентифицирует физическое устройство, и его нельзя изменить – в отличие IP-адреса, который является адресом для третьего уровня OSI и может назначаться динамически. Получив пакет, коммутатор читает заголовок этого пакета, чтобы определить, какому устройству (устройствам) нужно его доставить, и затем пересылает пакет через свой соответствующий порт.

Чтобы уменьшить вероятность коллизии исходящего и входящего сетевого трафика, большинство коммутаторов поддерживают функцию полного дуплекса, обеспечивающую предоставление всей полосы пропускания как для входящих, так и исходящих пакетов.

Коммутаторы с расширенным функционалом (так называемые коммутаторы третьего уровня) могут работать не только на втором уровне модели OSI, но и на третьем, пересылая пакеты по IP-адресам и обеспечивая разбиение локальной сети LAN на виртуальные логические подсети VLAN. Для передачи трафика из одной VLAN в другую коммутатор использует функции маршрутизации, относящиеся к третьему уровню OSI.

Чем отличаются коммутаторы от маршрутизаторов

Коммутаторы иногда путают с маршрутизаторами (рутерами), которые в соответствии со своим названием выполняют перенаправление и маршрутизацию сетевого трафика. Однако у этих двух типов устройств разное назначение, поэтому они занимают разное место в сетевой инфраструктуре. Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI (Level 3) и используются для соединения локальных сетей (LAN) с глобальными сетями WAN. В некоторых маршрутизаторах поддерживаются функции коммутации второго уровня, поэтому они могут выполнять и функцию коммутатора.

Классификация коммутаторов

Коммутаторы отличаются по числу портов и поддерживаемой скорости Ethernet. Коммутатора начального уровня с 4 или 8 портами обычно достаточно для небольшого офиса или домашней сети, однако для сети крупного предприятия может потребоваться коммутатор с 48, 96 и даже 128 портами. Коммутаторы начального уровня – это небольшие устройства, обычно устанавливаемые на столе или на стене, более мощные модели корпоративного класса предназначены для размещения в 19-дюйм стойке, установленной в серверной комнате, в дата-центре предприятия либо в распределительном шкафу. Обычно стоечные коммутаторы выполняются в форм-факторе высотой от 1U до 4U, хотя самые мощные модели могут иметь высоту более 4U.

По поддерживаемым скоростям Ethernet коммутаторы делятся на модели для дата-центров (DC), способные работать на скоростях 25, 40, 100, 400 и 800 Гбайт/с, и модели не для дата-центров (non-DC), обычно применяемые для обслуживания локальных/кампусных сетей и использующие классический гигабитный Ethernet или более быстрый 10-гигабитный. Кроме того, к классу non-DC относятся и мультигигабитные коммутаторы, которые поддерживают как классический Ethernet 1 Гбит/с, так и скорости 2,5 и 5 Гбит/с (некоторые мультигигабитные поддерживают и Ethernet 10 Гбит/с). Основное преимущество мультигигабитных коммутаторов – это возможность повысить скорость старой одногигабитной сети до 2,5 или 5 Гбит/с без замены кабельной инфраструктуры сети.

По функционалу управления коммутаторы делятся на три типа:

• неуправляемые
• управляемые
• смарт-коммутаторы, или Web-управляемые.

Неуправляемые коммутаторы имеют минимальный функционал, и их параметры конфигурации нельзя менять. Это самый дешевый тип коммутаторов, обычно это простые устройства plug-and-play, которые нельзя настраивать, они используют значения конфигурации по умолчанию. Из-за своей ограниченной функциональности они плохо подходят для корпоративной ИТ-инфраструктуры и обычно применяются для обслуживания небольшой локальной сети, к которой подключено только несколько компьютеров.

Управляемые коммутаторы обладают мощным функционалом и чаще всего используются в сетевой инфраструктуре крупных предприятий. Они имеют расширенные возможности настройки параметров сети, обеспечивают управление с помощью командной строки (Command-Line Interface, CLI) и использование агентов Simple Network Management Protocol (SNMP), позволяющих эффективно контролировать состояние сетевого оборудования и быстро устранять сбои в работе сети. Управляемые коммутаторы обычно поддерживают организацию VLAN, функции качества сервиса QoS и IP-маршрутизации, а также расширенный функционал безопасности, включая и функции межсетевого экрана. Из-за своего богатого функционала они намного дороже неуправляемых. Кроме того, управление с помощью CLI – это достаточно сложная процедура, требующая специального обучения пользователя.

Смарт-коммутаторы по своему функционалу и стоимости занимают промежуточное положение между неуправляемыми и управляемыми. Они поддерживают только базовые функции настройки параметров сети, но управлять ими с помощью Web-интерфейса намного проще, чем с помощью CLI. Чаще всего смарт-коммутаторы используются в компаниях малого бизнеса, где ограничен бюджет на ИТ и нет ИТ-специалиста, который умеет пользоваться CLI, а для обслуживания сети не нужен весь мощный функционал управляемых коммутаторов.

Кроме того, коммутаторы делятся на три типа по своему расположению в топологии сети:

Коммутаторы уровня доступа – развертываются на границе сети и обрабатывают входящие и исходящие из сети пакеты. К ним обычно подключают периферийные сетевые устройства (ПК, беспроводные точки доступа, камеры наблюдения, принтеры и т.п.).

Коммутаторы уровня агрегирования – обслуживают промежуточный уровень топологии большой сети с трехуровневой архитектурой и устанавливаются между ее ядром и периферией.

Коммутаторы ядра сети – мощные устройства, соединяющие между собой коммутаторы уровня доступа, либо, если сеть большая и построена в трехуровневой архитектуре, коммутаторы уровня агрегирования.

По своему конструктиву коммутаторы делятся на настольные (обычно это коммутаторы начального уровня), стоечные, включая стекируемые модели, позволяющие объединить несколько коммутаторов в один большой коммутатор (стек), и модульные, в которых в стоечное шасси устанавливается несколько коммутационных плат. Модульные коммутаторы благодаря гибкости своей конфигурации позволяют постепенно наращивать мощность коммутации. В настольный коммутаторах обычно от 5 до 16 портов, в стоечных – от 8 до 52 портов, а модульные могут масштабироваться свыше 52 портов в зависимости от числа слотов для плат коммутации (обычно таких слотов от 4 до 10).

Основной функционал сетевого коммутатора

Чаще всего в управляемых коммутаторах с настраиваемым функционалом реализованы следующие основные функции:

• включение или отключение отдельных портов;
• настройка параметров дуплекса (half или full), а также полосы пропускания;
• настройка качества сервиса QoS определенных портов;
• фильтрация пакетов по MAC-адресу и другим параметрам;
• настройка мониторинга SNMP состояния сетевых устройств и соединений;
• настройка зеркалирования портов для мониторинга сетевого трафика.

Многие коммутаторы уровня доступа также поддерживают технологию Power over Ethernet (PoE), позволяющую через порт коммутатора подавать на подключенное к нему устройство по кабелю Ethernet не только данные, но и питание. Использование PoE значительно упрощает монтаж в труднодоступных местах, где поблизости нет электрической розетки, таких компонентов сети, как беспроводные точки доступа, камеры системы видеонаблюдения, VoIP-телефоны и другие периферийные устройства, а также позволяет при необходимости дистанционно выполнять перезагрузку или включение/выключение этих устройств.