Технологии коммутаторов

Основная задача коммутатора - соединение большого количества устройств — компьютеров, ноутбуков, сетевых принтеров, телевизоров с функцией Smart TV, игровых приставок — в одну локальную сеть. Но в зависимости от требований пользователя, размера и типа сети, объема передаваемых данных и других факторов необходимо использовать коммутатор с определенной технологией. Существует несколько наиболее распространенных технологий коммутаторов, которые используются для обеспечения более быстрого и эффективного обмена данными в сетях. Расскажем о них подробнее:

Ethernet – технология локальных сетей, отвечающая за передачу данных по кабелю, доступную для устройств компьютерных и промышленных сетей. Данная технология располагается на канальном (подуровни LLC и MAC) и физическом уровнях модели OSI. По скорости передачи данных её можно поделить на следующие подвиды:

• Ethernet – 10 Мб/с
• Fast Ethernet – 100 Мб/с
• Gigabit Ethernet – 1 Гб/с
• 10G Ethernet – 10 Гб/с

Но и на этом список не заканчивается: cовременное оборудование позволяет достигать и более высоких скоростей в 40 Гб/с и 100 Гб/с: такие технологии получили название 40GbE и 100GbE. Но в связи с высокой стоимостью и узкой направленностью, используются немного реже.

Что в итоге мы получаем, соединяя коммутатор и данную технологию? Устройства, предназначенные для управления трафиком в сетях Ethernet. Они производят коммутацию (или пересылку) пакетов данных между устройствами в сети по принципу точка-точка.

В итоге мы получаем достаточно простую и понятную схему работы: коммутатор принимает кадр, анализирует заголовок, извлекает из него адрес получателя и сопоставляет его с таблицей коммутации (она уже заложена в данное устройство), определяя порт, к которому подключено устройство. Таким образом, кадр передается на конкретный порт получателя

Если же адрес не найден в таблице, коммутатор работает как хаб. Эти условия позволяют сети быть гибкой и подстраиваться под требования пользователей. Наиболее распространен в офисных и клиентских сервисах, медицинских и продовольственных учреждениях, а также для личного пользования - то есть в местах, территориально ограниченных локальной сетью.

PoE (Power over Ethernet) — технология, способная передавать по одному Ethernet-кабелю одновременно и данные, и питание устройств через витую пару. Таким образом, PoE применятся для других устройств, к которым затруднительно провести отдельный кабель и позволяет управлять им удаленно. К примеру, это может быть закрепленная на столбе система видеонаблюдения.

Существует три типа стандарта PoE:

• IEEE 802.3af - обеспечивает питание до 15,4 Вт постоянного тока для каждого подключенного устройства.
• IEEE 802.3at - мощность на выходе питающего оборудования достигает 30 Вт.
• IEEE 802.3bt - позволяют обеспечить электропитание мощностью до 90 Вт.

Дальность подключаемых PoE-потребителей разнится в зависимости от стандарта: в среднем это значение варьируется от 3- до 250 м.

Технология PoE на данный момент очень востребована: сложно найти в предприятие, которое не применяло бы данное решение. Ведь оно отлично себя зарекомендовало в таких направлениях, как IP-видеонаблюдение, IP-телефония, охранные системы и видеонаблюдение, а также беспроводные сети для питания точек доступа.

VLAN — это технология, которая позволяет строить виртуальные сети с независимой от физических устройств топологией. Например, можно объединить в одну сеть отдел компании, сотрудники которого работают в разных зданиях и подключены к разным коммутаторам. Или наоборот, создать отдельные сети для устройств, подключённых к одному коммутатору, если этого требует политика безопасности.

Все устройства, подключённые к портам одного коммутатора, могут взаимодействовать, обмениваясь сетевыми пакетами. Но их количество может достигнуть такого значения, что это сильно влияет на эффективность работы сети. Этого можно избежать, разделив сеть на изолированные сегменты. При этом каждый сетевой пакет будет распространяться только в пределах своего сегмента, к которому подключен компьютер-отправитель. Именно VLANы позволяют изолировать сегменты сети с помощью одного коммутатора.

Даже если пользователь меняет кабинет или рабочее место, администратору не нужно разбираться с кабелями, достаточно со своего рабочего места перенастроить сетевое оборудование.

Используя виртуальные локальные сети, можно создавать конфигурации для решения различных задач: объединить в единую сеть группы компьютеров, подключённых к разным коммутаторам; разделить на разные сети компьютеры, подключённые к одному коммутатору; разделить гостевую и корпоративную беспроводную сеть компании; обеспечить взаимодействие территориально распределённых отделов компании как единого целого.

В коммутаторах могут быть реализованы следующие типы VLAN:

• на основе портов - каждый порт назначается в определенную VLAN, независимо от того, какой пользователь или компьютер подключен к этому порту
• на основе стандарта IEEE 802.1Q - локальная сеть использует дополнительные поля кадра для хранения информации о принадлежности к VLAN при его перемещении по сети.
• на основе портов и протоколов IEEE 802.1v - тип протокола используется для определения членства в VLAN.
• на основе MAC-адресов - необходимо создать привязку MAC-адресов всех устройств к VLAN.
• асимметричные - один порт может быть в нескольких VLAN

Использование технологии VLAN позволяет экономить финансовый бюджет компании, а также упрощает жизнь системным администраторам, позволяя быстро вносить изменения в структуру сети.

Агрегирование каналов связи (Link Aggregation) — это объединение нескольких физических портов в одну логическую магистраль на канальном уровне модели OSI с целью образования высокоскоростного канала передачи данных и повышения отказоустойчивости.

Он не только увеличивает пропускную способность, но и обеспечивает резервирование на уровне канала при отказе сети и балансировке нагрузки трафика. Даже если одна связь выйдет из строя, остальные связи между двумя коммутаторами все равно будут работать. Они также принимают на себя тот трафик, который должен проходить через вышедшего из строя, поэтому пакет данных не будет потерян.

Включённые в агрегированный канал порты называются членами группы агрегирования (Link Aggregation Group). Один из портов в группе выступает в качестве мастера-порта (master port). Так как все порты агрегированной группы должны работать в одном режиме, конфигурация мастера-порта распространяется на все порты в группе.

Важным моментом при реализации объединения портов в агрегированный канал является распределение трафика по ним. Выбор порта для конкретного сеанса выполняется на основе выбранного алгоритма агрегирования портов, то есть на основании некоторых признаков поступающих пакетов.

STP (Spanning Tree Protocol) - это технология второго уровня, выполняемый на мостах и коммутаторах. Задача STP состоит в предотвращении создания петель при наличии в сети избыточных путей, которые могут привести к серьезным сбоям в сети.

Для обеспечения необходимой избыточности путей, а также во избежание возникновения петли STP определяет дерево, развертывающее все коммутаторы в расширенной сети. STP вводит некоторые избыточные пути данных в состояние ожидания (заблокированные), а другие пути оставляет в состоянии пересылки. Если в состоянии пересылки канал становится недоступным, STP перенастраивает сеть и перенаправляет потоки данных, используя для этого соответствующий резервный путь.

Использование технологии STP предусматривает для всех коммутаторов в сети выбор корневого моста, который становится центральным узлом в сети. Все другие решения, касающиеся данной сети, в том числе блокировка порта или для какого порта необходимо использовать режим пересылки, принимаются в соответствии с установками корневого моста.

Среда коммутации, которая отличается от среды мостового соединения, обычно используется с несколькими VLAN. Обычно, при внедрении корневого моста в коммутируемую сеть, он считается корневым коммутатором. У каждой VLAN, поскольку они являются отдельными доменами широковещательной рассылки, должен быть свой корневой мост. Маршрут для различных VLAN может находиться как в одном, так и нескольких коммутаторах.

QoS (Quality of Service) - технология приоритизации трафика, т.е. предоставление различным классам трафика различных приоритетов в обслуживании. Это означает, что более важный трафик будет обработан коммутатором быстрее, и задержки при его прохождении по сети будут минимальны.

Для контроля механизма QoS существуют параметры, помогающие в работе передачи пакетов. Их список следующий:

• Bandwidth – полоса пропускания, описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации (определяет ширину канала).
• Delay – задержка при передаче пакета.
• Jitter – колебание задержки при передаче пакетов.
• Packet Loss – потери пакетов, определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.

Зачем необходима приоритезация трафика? Трафик в сети бывает нескольких видов: данные от web-приложений, электронной почты, видео, голоса, мессенджеров, телеметрии и т.д. К примеру, голосовой и видео трафик чувствителен к задержкам, а трафик телеметрии нет, но требует гарантированной доставки. Чтобы учесть и обеспечить все эти требования, каждому типу трафика присваивается свой приоритет, который и определяет очередность обработки его коммутатором.

Использование технологии QOS позволит улучшить производительность сети, дает контроль над всем трафиком, позволяет управлять потоком данных в моменты перегрузки.