Коммутатор в компьютерных сетях¶

Коммутатор (сетевой коммутатор, switch, от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов и передачи данных между ними на основе MAC-адресов. В отличие от концентратора (хаба), который ретранслирует входящие кадры во все порты, коммутатор анализирует адрес назначения и направляет данные только на тот порт, к которому подключён получатель. Коммутатор функционирует на втором (канальном) уровне модели OSI, хотя существуют модели, работающие на третьем (сетевом) уровне и совмещающие функции маршрутизатора.

¶История развития

Предшественниками коммутаторов были концентраторы, работавшие на физическом уровне и создававшие общую среду передачи данных. При подключении нескольких устройств к концентратору общая пропускная способность делилась между всеми узлами, а коллизии (одновременная передача данных несколькими устройствами) приводили к снижению производительности сети.

Первые коммутаторы появились в начале 1990-х годов. Компания Kalpana (впоследствии приобретена Cisco Systems) в 1990 году выпустила первый коммерческий Ethernet-коммутатор, который позволял сегментировать сеть и обеспечивал выделенную полосу пропускания для каждого порта. Это решение позволило существенно повысить общую производительность локальных сетей по сравнению с концентраторами.

В 1990-е годы коммутаторы активно вытесняли концентраторы из локальных сетей благодаря снижению стоимости и росту скоростей передачи данных. Развитие технологий VLAN (виртуальных локальных сетей), управление трафиком и появление гигабитных скоростей закрепили коммутаторы в качестве основного активного оборудования локальных вычислительных сетей.

¶Принцип работы

Коммутатор хранит таблицу коммутации (также называемую таблицей MAC-адресов), в которой каждому порту сопоставляются MAC-адреса подключённых к нему устройств. При получении кадра на одном из портов коммутатор выполняет следующие действия:

1. Записывает MAC-адрес отправителя и номер порта, с которого пришёл кадр, в таблицу коммутации.
2. Ищет MAC-адрес получателя в таблице коммутации.
3. Если адрес получателя найден, кадр передаётся только на соответствующий порт (адресная передача).
4. Если адрес получателя неизвестен или является широковещательным, кадр передаётся на все порты, кроме порта-источника (лавинная рассылка).

Таблица коммутации заполняется динамически по мере прохождения кадров через устройство. Записи имеют ограниченное время жизни (обычно несколько минут), после чего удаляются для актуализации информации.

¶Классификация коммутаторов

¶По уровню модели OSI

• Коммутаторы второго уровня (L2) — наиболее распространённый тип, работает с MAC-адресами, поддерживает VLAN, агрегацию портов и функции качества обслуживания (QoS).
• Коммутаторы третьего уровня (L3) — дополнительно выполняют функции маршрутизации между VLAN и подсетями на основе IP-адресов, что позволяет снизить нагрузку на отдельные маршрутизаторы.
• Коммутаторы четвёртого уровня (L4) — способны анализировать информацию о портах транспортного уровня, применяются для приоритизации трафика приложений.

¶По способу коммутации

• Store-and-forward (с промежуточным хранением) — коммутатор получает кадр полностью, проверяет контрольную сумму и только затем передаёт его дальше. Обеспечивает высокую надёжность, но вносит задержку.
• Cut-through (сквозная коммутация) — коммутатор начинает передачу кадра после чтения только адреса назначения, не дожидаясь полного приёма. Снижает задержку, но пропускает повреждённые кадры.
• Fragment-free (бесфрагментная коммутация) — компромиссный режим: кадр читается до 64 байт (минимальная длина Ethernet-кадра), что позволяет отсекать большинство коллизий.

¶По управляемости

• Неуправляемые коммутаторы — работают автоматически, не имеют интерфейса настройки, применяются в домашних сетях и небольших офисах.
• Управляемые коммутаторы — поддерживают настройку через веб-интерфейс, командную строку, SNMP. Позволяют конфигурировать VLAN, QoS, зеркалирование портов, протоколы резервирования (STP) и другие параметры.

¶Основные характеристики

Ключевыми характеристиками коммутаторов являются:

• Количество портов — от 5–8 в малых моделях до 48–96 в коммутаторах уровня предприятия.
• Скорость портов — 100 Мбит/с, 1 Гбит/с, 10 Гбит/с, 40/100 Гбит/с в магистральных моделях.
• Производительность коммутации — измеряется в миллионах пакетов в секунду (Mpps) или гигабитах в секунду (Gbps).
• Размер таблицы MAC-адресов — определяет максимальное количество записей, которые может хранить устройство.
• Поддержка PoE (Power over Ethernet) — возможность подачи питания на подключённые устройства (камеры видеонаблюдения, точки доступа, IP-телефоны) по сетевому кабелю.
• Форм-фактор — настольные, монтируемые в стойку, модульные коммутаторы.

¶Применение

Коммутаторы являются основой современных локальных вычислительных сетей. Они применяются:

• В корпоративных сетях для подключения компьютеров, серверов, принтеров и другой офисной техники.
• В центрах обработки данных для построения высокопроизводительных сетей хранения и передачи данных.
• В домашних сетях для объединения нескольких устройств при недостатке портов на маршрутизаторе.
• В системах видеонаблюдения для подключения IP-камер, в том числе с использованием технологии PoE.
• В промышленных сетях — специализированные коммутаторы с защищённым исполнением корпуса и расширенным температурным диапазоном.

В иерархии корпоративной сети коммутаторы подразделяются на коммутаторы ядра (core), распределения (distribution) и доступа (access). Коммутаторы ядра обеспечивают высокоскоростную передачу между сегментами сети, коммутаторы доступа подключают конечные устройства, а коммутаторы распределения агрегируют трафик от устройств доступа.

¶Современные тенденции

Современные коммутаторы развиваются в направлении увеличения пропускной способности, поддержки технологий виртуализации и программно-определяемых сетей (SDN). Коммутаторы центров обработки данных поддерживают скорости 400 Гбит/с и выше, технологии VXLAN для построения виртуальных сетей поверх физической инфраструктуры. Управляемые коммутаторы получают программные интерфейсы (API), позволяющие автоматизировать конфигурирование и мониторинг сети.