Виды коммутаторов. Основные типы коммутаторов. Изменения в структуре ЛВС и картине трафика

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис.2.18.

Рис. 2.18.Структура коммутатора EtherSwitch компании Kalpona

Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ether­net - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммута­тором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных комму­таторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 пор­тов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полу­дуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколь­ко первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожида­ясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к сис­темному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслу­живая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.

После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.

Если же кадр нужно передать на другой.порт, то процессор обращается к ком­мутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная мат­рица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.

Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, мат­рица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется про­цессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра.

При свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил назва­ние коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично со­вмещаются во времени несколько этапов его передачи.

1. Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.

2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

3. Коммутация матрицы.

4. Прием остальных байт кадра процессором входного порта.

5. Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через ком­мутационную матрицу.

6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

7. Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходно­го порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

Однако главной причиной повышения производительности сети при использо­вании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Этот эффект иллюстрирует рис.2.19. На рисунке изображена идеальная в отно­шении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, при­чем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфлик­туя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведен­ном примере составит 4x10 = 40 Мбит/с, а" при обобщении примера для N портов - (N/2)xl0 Мбит/с.

Рис.2.19.Параллельная передача кадров коммутатором

Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоя­тельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установлен­ного в сетях оборудования - сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы.

Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети, если они там имелись.

Конструктивное исполнение коммутаторов

В конструктивном отношении коммутаторы делятся на следующие типы:

Ø автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов;

Ø модульные коммутаторы на основе шасси;

Ø коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек.

Первый тип коммутаторов обычно предназначен для организации небольших рабочих групп.

Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего предназначены для применения на магистрали сети. Поэтому они выполняются на основе какой-либо комбинированной схемы, в которой взаимодействие модулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема. Модули такого коммутатора выполняются на основе технологии «hot swap», то есть опускают замену на ходу, без выключения коммутатора, так как центральное коммуникационное устройство сети не должно иметь перерывов в работе. Шасси обычно снабжается резервированными источниками, питания и резервированными вентиляторами в тех же целях.

С технической точки зрения определенный интерес представляют стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работатъ автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему, работающую как единый коммутатор. Говорят, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек. Структура стека коммутаторов, соединяемых по скоростным специальным пор­там, показана на рис.2.20.

Рис.2.20.Стек коммутаторов, объединяемых по высокоскоростным каналам

В подавляющем числе домашних локальных сетей из активного оборудования используется только беспроводной роутер. Однако в случае, если вам нужно более четырех проводных подключений потребуется добавить сетевой коммутатор (хотя сегодня есть роутеры и на семь-восемь портов для клиентов). Второй распространенной причиной для приобретения этого оборудования является более удобная разводка сети. Например, вы можете установить коммутатор около ТВ, подключить к нему один кабель от роутера, а в другие порты — сам телевизор, медиаплеер, игровую приставку и другое оборудование.

Простейшие модели сетевых коммутаторов имеют всего буквально пару ключевых характеристик — число портов и их скорость. А учитывая современные требования и развитие элементной базы, можно говорить о том, что если не стоит цели экономии любой ценой или каких-то специфических требований, стоит покупать модели с гигабитными портами. Сети FastEthernet со скоростью 100 Мбит/с сегодня конечно используются, но маловероятно, что их пользователи столкнутся с проблемой нехватки портов на роутере. Хотя конечно и это возможно, если вспомнить продукты некоторых известных производителей на один или два порта для локальной сети. Тем более здесь будет уместно применение гигабитного коммутатора для увеличения производительности всей проводной локальной сети.

Кроме этого, при выборе можно также учитывать бренд, материал и дизайн корпуса, вариант реализации блока питания (внешний или внутренний), наличие и расположение индикаторов и другие параметры. Что удивительно, привычная по многим другим устройствам характеристика скорости работы в данном случае практически не имеет смысла, о чем недавно вышел . В тестах передачи данных модели совершенно разных категорий и стоимости показывают одинаковые результаты.

В этой статье мы решили коротко рассказать о том, что же может быть интересного и полезного в «настоящих» коммутаторах второго уровня (Level 2). Конечно, этот материал не претендует на максимально подробное и глубокое изложение темы, но, хочется надеяться, будет полезен тем, кто встретился с более серьезными задачами или требованиями при построении своей локальной сети в квартире, доме или офисе, чем поставить роутер и настроить Wi-Fi. Кроме того, многие темы будут изложены в упрощенном формате, отражающем только основные моменты в интересной и разнообразной теме коммутации сетевых пакетов.

Прошлые статьи серии «Строим домашнюю сеть« доступны по ссылкам:

Кроме того, полезная информация о построении сетей доступна в этом подразделе.

Теория

Для начала вспомним, как работает «обычный» сетевой коммутатор.

Эта «коробочка» имеет небольшие размеры, несколько портов RJ45 для подключения сетевых кабелей, набор индикаторов и вход питания. Она работает согласно запрограммированным производителем алгоритмам и не имеет каких-либо доступных для пользователя настроек. Используется принцип «подключил кабели — включил питание — работает». Каждое устройство (точнее его сетевой адаптер) в локальной сети имеет уникальный адрес — MAC-адрес. Он состоит из шести байтов и записывается в формате «AA:BB:CC:DD:EE:FF» с шестнадцатеричными цифрами. Узнать его можно программным способом или подсмотреть на информационной табличке. Формально считается, что этот адрес выдан производителем на этапе производства и является уникальным. Но в некоторых случаях это не так (уникальность требуется только в пределах локального сегмента сети, а поменять адрес можно без труда во многих операционных системах). Кстати, по первым трем байтам иногда можно название создателя чипа или даже всего устройства.

Если для глобальной сети (в частности Интернет), адресация устройств и обработка пакетов производится на уровне IP-адресов, то в каждом отдельном локальном сегменте сети для этого применяются MAC-адреса. Все устройства в одной локальной сети должны иметь разные MAC-адреса. Если это не так — будут проблемы с доставкой сетевых пакетов и работой сети. При этом данный низкий уровень обмена информацией реализован внутри сетевых стеков операционных систем и пользователю не требуется с ним взаимодействовать. Пожалуй, в реальности распространены буквально пара ситуаций, где может использоваться MAC-адрес. Например, при замене роутера на новом устройстве указать тот же MAC-адрес порта WAN, что был на старом. Второй вариант — включение на роутере фильтров по MAC-адресу для блокировки доступа к Интернет или Wi-Fi.

Обычный сетевой коммутатор позволяет объединить несколько клиентов для реализации обмена между ними сетевым трафиком. Причем к каждому порту может быть подключен не только один компьютер или другое устройство-клиент, но и другой коммутатор со своими клиентами. Грубо схема работы коммутатора выглядит следующим образом: при поступлении на порт пакета он запоминает MAC отправителя и записывает его в таблицу «клиенты на этом физическом порту», адрес получателя проверяется по другим таким же таблицам и при его нахождении в одной из них, пакет отправляется в соответствующий физический порт. Дополнительно предусмотрены алгоритмы для исключения петель, поиска новых устройств, проверки смены устройством порта и другие. Для реализации этой схемы не требуется какой-либо сложной логики, все работает на достаточно простых и недорогих процессорах, так что, как мы говорили выше, даже младшие модели способны показать максимальные скорости.

Управляемые или называемые иногда «умными» (Smart) коммутаторы существенно сложнее. Они способны использовать больше информации из сетевых пакетов для реализации более сложных алгоритмов их обработки. Некоторые из этих технологий могут оказаться полезными и домашним пользователям «высокого уровня» или с повышенными требованиями, а также для решения некоторых специальных задач.

Коммутаторы второго уровня (Level 2, уровень канала данных) способны учитывать при коммутации пакетов информацию, находящуюся внутри некоторых полей сетевых пакетов, в частности VLAN, QoS, мультикаст и некоторых других. Именно о таком варианте мы и поговорим в этой статье. Более сложные модели третьего уровня (Level 3) могут считаться уже маршрутизаторами, поскольку они оперируют IP-адресами и работают с протоколами третьего уровня (в частности RIP и OSPF).

Обратим внимание, что единого универсального и стандартного набора возможностей управляемых коммутаторов нет. Каждый производитель составляет собственные линейки продуктов исходя из своего представления о требованиях потребителей. Так что в каждом случае стоит обращать внимание на спецификации конкретного продукта и их соответствие поставленным задачам. Ни о каких «альтернативных» прошивках с более широкими возможностями здесь, конечно, речи нет.

В качестве примера, мы используем устройство Zyxel GS2200-8HP. Эта модель давно представлена на рынке, но вполне подойдет для данной статьи. Современные продукты этого сегмента от Zyxel в целом обеспечивают сходные возможности. В частности, актуальное устройство такой же конфигурации предлагается под артикулом GS2210-8HP.

Zyxel GS2200-8HP представляет собой восьмипортовый (в серии есть версия и на 24 порта) управляемый гигабитный коммутатор Level 2, в котором также есть поддержка PoE и совмещенные порты RJ45/SFP, а также некоторые функции более высоких уровней коммутации.

По формату его можно назвать настольной моделью, но в комплекте поставки предусмотрен дополнительный крепеж для установки в стандартную 19″ стойку. Корпус изготовлен из металла. На правом торце мы видим решетку вентиляции, а с противоположной стороны установлены два небольших вентилятора. Сзади присутствуют только вход сетевого кабеля для встроенного блока питания.

Все подключения традиционно для такого оборудования осуществляются с лицевой стороны для удобства применения в стойках с патч-панелями. Слева находится вставка с логотипом производителя и подсвечиваемым названием устройства. Далее идут индикаторы — питание, система, тревога, светодиоды статуса/активности и подачи питания для каждого порта.

Следом установлены основные восемь сетевых разъемов, а после них два RJ45 и два дублирующих их SFP с собственными индикаторами. Подобные решения являются еще одной характерной особенностью подобных устройств. Обычно SFP применяется для подключения оптических линий связи. Основным их отличием от привычной витой пары является возможность работы на существенно больших расстояниях — до десятков километров.

Из-за того, что здесь могут использоваться разные типы физических линий, непосредственно в коммутаторе установлены порты стандарта SFP, в которые необходимо доустанавливать специальные модули-трансиверы, а уже к ним подключаются оптические кабели. При этом получаемые порты не отличаются по своим возможностям от остальных, конечно если не считать отсутствия поддержки PoE. Их тоже можно использовать в режиме объединения портов, сценариях с VLAN и другими технологиями.

Завершает описание консольный последовательный порт. Он применяется для сервисного обслуживания и других операций. В частности отметим, что привычной для домашнего оборудования кнопки сброса настроек здесь нет. В сложных случаях потери контроля придется подключаться через последовательный порт и в режиме отладки перезагружать весь файл конфигурации.

Решение поддерживает администрирование через Web и командную строку, обновление прошивки, протокол 802.1x для защиты от несанкционированных подключений, SNMP для интеграции в системы мониторинга, пакеты с размером до 9216 байт (Jumbo Frames) для увеличения производительности сети, сервисы коммутации второго уровня, возможность стекирования для удобства администрирования.

Из восьми основных портов половина поддерживает PoE+ с подачей до 30 Вт на порт, а остальные четыре — PoE с 15,4 Вт. Максимальная потребляемая мощность составляет 230 Вт, из которых до 180 Вт может отдаваться через PoE.

Электронная версия руководства пользователя насчитывает более трех сотен страниц. Так что описанные в этой статье функции представляют собой лишь небольшую часть возможностей данного устройства.

Управление и контроль

В отличие от простых сетевых коммутаторов, «умные» имеют средства для удаленной настройки. В их роли чаще всего выступает привычный Web-интерфейс, а для «настоящих админов» предусмотрен доступ к командной строке со своим интерфейсом по telnet или ssh. Аналогичную командную строку можно получить и через подключение к последовательному порту на коммутаторе. Кроме привычки, работа с командной строкой имеет преимущество в виде удобной возможности автоматизации с применением скриптов. Есть также поддержка протокола FTP, что позволяет оперативно загружать файлы новых прошивок и управлять конфигурациями.

Например, вы можете проверять статус подключений, управлять портами и режимами, разрешать или запрещать доступ и так далее. Кроме того, этот вариант менее требователен к полосе пропускания (требует меньше трафика) и используемому для доступа оборудованию. Но на скриншотах конечно более красиво выглядит Web-интерфейс, так что в этой статье для иллюстраций будем использовать его. Защита обеспечивается традиционным именем/паролем администратора, есть поддержка HTTPS, а также можно настроить дополнительные ограничения на доступ к управлению коммутатором.

Заметим, что в отличие от многих домашних устройств, в интерфейсе есть явная кнопка сохранения текущей конфигурации коммутатора в его энергонезависимую память. Также на многих страницах можно использовать кнопку «Help» для вызова контекстной подсказки.

Еще один вариант контроля за работой коммутатора — использование протокола SNMP. С применением специализированных программ, вы можете получить информацию об аппаратном состоянии устройства, например температуре или пропадании линка на порту. Для крупных проектов будет полезна реализация специального режима управления несколькими коммутаторами (кластером коммутаторов) из единого интерфейса — Cluster Management.

Минимальные начальные действия при запуске устройства обычно включают в себя обновление прошивки, изменение пароля администратора и настройку собственного IP-адреса коммутатора.

Кроме того, обычно стоит обратить внимание на такие опции, как сетевое имя, синхронизация встроенных часов, отправку журнала событий на внешний сервер (например, Syslog).

При планировании схемы сети и настроек коммутатора, рекомендуется заранее просчитать и продумать все моменты, поскольку устройство не имеет встроенных средств контроля блокировок и противоречий. Например, если вы «забудете», что ранее настраивали агрегацию портов, то VLAN с их же участием могут вести себя совсем не так, как требуется. Не говоря уже о возможности потери связи с коммутатором, что особенно неприятно при удаленном подключении.

Одной из базовых «умных» функций коммутаторов является поддержка технологий агрегации (объединения) сетевых портов. Также для этой технологии применяются такие термины, как транкинг (trunking), склейка адаптеров (bonding), сопряжение (teaming). В этом случае клиенты или другие коммутаторы подключаются к этому коммутатору не одним кабелем, а сразу несколькими. Конечно, для этого требуется иметь и несколько сетевых карт на компьютере. Сетевые карты могут быть как отдельными, как и выполненными в виде одной платы расширения с несколькими портами. Обычно в данном сценарии речь идет о двух или четырех линках. Основные решаемые таким образом задачи — увеличение скорости сетевого подключения и увеличение его надежности (дублирование). Коммутатор может поддерживать сразу несколько подобных соединений в зависимости от своей аппаратной конфигурации, в частности, числа физических портов и мощности процессора. Одним из вариантов является соединение по такой схеме пары коммутаторов, что позволит увеличить общую производительность сети и исключить узкие места.

Для реализации схемы желательно использовать сетевые карты, явно поддерживающие эту технологию. Но в общем случае, реализация агрегации портов может быть выполнена и на программном уровне. Данная технология чаще всего реализуется через открытый протокол LACP/802.3ad, который применяется для контроля состояния линков и управления ими. Но встречаются и частные варианты отдельных вендоров.

На уровне операционной системы клиентов после соответствующей настройки обычно просто появляется новый стандартный сетевой интерфейс, который имеет свои MAC- и IP-адреса, так что все приложения могут работать с ним без каких-либо специальных действий.

Отказоустойчивость обеспечивается наличием нескольких физических соединений устройств. При отказе соединения, трафик автоматически перенаправляется по оставшимся линкам. После восстановления линии она снова включится в работу.

Что касается увеличения скорости, то здесь ситуация немного сложнее. Формально можно считать, что производительность умножается согласно числу используемых линий. Однако реальный рост скорости приема-передачи данных зависит от конкретных задач и приложений. В частности, если речь идет о такой простой и распространенной задаче, как чтение файлов с сетевого накопителя на компьютере, то от объединения портов она ничего не выиграет, даже если оба устройства подключены к коммутатору несколькими линками. А вот если объединение портов будет настроено на сетевом накопителе и к нему будут обращаться одновременно несколько «обычных» клиентов, то этот вариант уже получит существенный выигрыш в общей производительности.

Некоторые примеры использования и результаты тестирования приводятся в статье . Таким образом, можно говорить о том, что применение технологий объединения портов в домашних условиях будет полезным только при наличии нескольких быстрых клиентов и серверов, а также достаточно высокой нагрузки на сеть.

Настройка агрегации портов в коммутаторе обычно несложная. В частности, на Zyxel GS2200-8HP нужные параметры находятся в меню Advanced Application — Link Aggregation. Всего данная модель поддерживает до восьми групп. При этом ограничений по составу групп нет — вы можете использовать любой физический порт в любой группе. Коммутатор поддерживает как статическую схему объединения портов, так и LACP.

На странице статуса можно проверить текущие назначения по группам.

На странице настроек указываются активные группы и их тип (применяется для выбора схемы распределения пакетов по физическим линкам), а также назначение портов в нужные группы.

При необходимости включаем LACP для требуемых групп на третьей странице.

Далее нужно настроить аналогичные параметры на устройстве с другой стороны линка. В частности на сетевом накопителе QNAP это делается следующим образом — заходим в настройки сети, выбираем порты и тип их объединения.

После этого можно проверить статус портов на коммутаторе и оценить эффективность решения в ваших задачах.

VLAN

При обычной конфигурации локальной сети «гуляющие» по ней сетевые пакеты используют общую физическую среду, как потоки людей на станциях пересадок в метро. Конечно, коммутаторы в определенном смысле исключают попадание «чужих» пакетов на интерфейс вашей сетевой карты, однако некоторые пакеты, например широковещательные, способны проникнуть в любые уголки сети. Несмотря на простоту и высокую скорость работы данной схемы, встречаются ситуации, когда по некоторым причинам вам необходимо разделить определенные виды трафика. Это может быть вызвано требованиями безопасности или необходимостью обеспечения требований производительности или приоритезации.

Конечно, данные вопросы можно решить созданием отдельного сегмента физической сети — со своими коммутаторами и кабелями. Но не всегда это возможно реализовать. Здесь может пригодиться технология VLAN (Virtual Local Area Network) — логической или виртуальной локальной компьютерной сети. Для нее также может встречаться обозначение 802.1q.

В грубом приближении можно описать работу данной технологии, как использование дополнительных «меток» для каждого сетевого пакета при его обработке в коммутаторе и на конечном устройстве. При этом обмен данными работает только в пределах группы устройств с одинаковыми VLAN. Поскольку не все оборудование использует VLAN, то в схеме также используются такие операции как добавление и удаление тегов сетевого пакета при их проходе через коммутатор. Соответственно добавляется он при получении пакета с «обычного» физического порта для отправки через сеть VLAN, а удаляется при необходимости передачи пакета из сети VLAN на «обычный» порт.

В качестве примера использования данной технологии можно вспомнить мультисервисные подключения операторов — когда по одному кабелю вы получаете доступ к Интернет, IPTV и телефонию. Это встречалось ранее в ADSL-подключениях, а сегодня применяется в GPON.

Рассматриваемый коммутатор поддерживает упрощенный режим «Port-based VLAN», когда разделение на виртуальные сети проводится на уровне физических портов. Эта схема менее гибкая, чем 802.1q, но может быть удобна в некоторых конфигурациях. Отметим, что этот режим взаимоисключающий с 802.1q, а для выбора предусмотрен соответствующий пункт в Web-интерфейсе.

Для создания VLAN по стандарту 802.1q нужно на странице Advanced Applications — VLAN — Static VLAN указать имя виртуальной сети, ее идентификатор, а потом выбрать участвующие в работе порты и их параметры. Например, при подключении обычных клиентов стоит убирать из отправляемых к ним пакетов метки VLAN.

В зависимости от того, является ли это подключением клиентов или же соединением коммутаторов, на странице Advanced Applications — VLAN — VLAN Port Settings нужно настроить требуемые опции. В частности это касается добавления меток к поступающим на вход порта пакетам, разрешении трансляции через порт пакетов без тегов или с другими идентификаторами и изоляции виртуальной сети.

Контроль доступа и аутентификация

Технология Ethernet первоначально не поддерживала средств контроля доступа к физической среде. Достаточно было включить устройство в порт коммутатора — и оно начинало работать в составе локальной сети. Во многих случаях этого достаточно, поскольку защита обеспечивается сложностью прямого физического подключения к сети. Но сегодня требования к сетевой инфраструктуре существенно изменились и реализация протокола 802.1x все чаще встречается в сетевом оборудовании.

В этом сценарии при подключении к порту коммутатора клиент предоставляет свои аутентификационные данные и без подтверждения со стороны сервера контроля доступа никакой обмен информацией с сетью не происходит. Чаще всего, схема подразумевает наличие внешнего сервера, такого как RADIUS или TACACS+. Использование 802.1x обеспечивает также дополнительные возможности по контролю сетевой работы. Если в стандартной схеме «привязаться» можно только к аппаратному параметру клиента (MAC-адресу), например, для выдачи IP, установки ограничений скорости и прав доступа, то работа с аккаунтами пользователей будет более удобна в крупных сетях, поскольку позволяет обеспечить мобильность клиентов и другие возможности верхнего уровня.

Для проверки использовался сервер RADIUS на сетевом накопителе QNAP. Он выполнен в виде отдельно устанавливаемого пакета и имеет собственную базу пользователей. Для указанной задачи он вполне подходит, хотя в целом возможностей у него немного.

В качестве клиента выступал компьютер с Windows 8.1. Для использования 802.1x на нем нужно включить один сервис и после этого в свойствах сетевой карты появляется новая закладка.

Заметим, что речь в данном случае идет исключительно о контроле доступа к физическому порту коммутатора. Кроме того, не забываем, что необходимо обеспечить постоянный и надежный доступ коммутатора к серверу RADIUS.

Для реализации этой возможности в коммутаторе есть две функции. Первая, наиболее простая, позволяет ограничить входящий и исходящий трафик на указанном физическом порту.

Также этот коммутатор позволяет использовать приоритезацию для физических портов. В этом случае жестких границ для скорости нет, но можно выбрать устройства, трафик которых будет обрабатываться в первую очередь.

Вторая входит в более общую схему с классификацией коммутируемого трафика по различным критериям и является только одним из вариантов ее использования.

Сначала на странице Classifier нужно определить правила классификации трафика. В них применяются критерии Level 2 — в частности MAC-адреса, а также в данной модели можно применять и правила Level 3 — включая тип протокола, IP-адреса и номера портов.

Далее на странице Policy Rule вы указываете необходимые действия с «отобранным» по выбранным правилам трафиком. Здесь предусмотрены следующие операции: установка метки VLAN, ограничение скорости, вывод пакета на заданный порт, установка поля приоритета, отбрасывание пакета. Данные функции позволяют, например, ограничить скорости обмена данными для данных клиентов или сервисов.

Более сложные схемы могут использовать поля приоритета 802.1p в сетевых пакетах. Например, вы можете указать коммутатору сначала обрабатывать трафик телефонии, а просмотру страниц в браузерах выставить наименьший приоритет.

PoE

Еще одна возможность, которая не относится к непосредственно процессу коммутации пакетов — обеспечение питания клиентских устройств через сетевой кабель. Часто это используется для подключения IP-камер, телефонных аппаратов и беспроводных точек доступа, что позволяет сократить число проводов и упростить коммутацию. При выборе такой модели важно учитывать несколько параметров, основной из которых — используемый клиентским оборудованием стандарт. Дело в том, что некоторые производители используют собственные реализации, которые несовместимы с другими решениями и могут даже привести к поломке «чужого» оборудования. Также стоит выделять «пассивный PoE», когда осуществляется передача питания с относительно низким напряжением без обратной связи и контроля получателя.

Более правильным, удобным и универсальным вариантом будет использование «активного PoE», работающего по стандартам 802.3af или 802.3at и способного передать до 30 Вт (в новых версиях стандартов встречаются и более высокие значения). В этой схеме передатчик и получатель обмениваются между собой информацией и согласуют необходимые параметры питания, в частности потребляемую мощность.

Для проверки мы подключили к коммутатору камеру Axis, совместимую с PoE 802.3af. На лицевой панели коммутатора зажегся соответствующий индикатор подачи питания на этот порт. Далее через Web-интерфейс мы сможем проконтролировать статус потребления по портам.

Также интересна возможность управления подачей питания на порты. Поскольку если камера подключена одним кабелем и находится в труднодоступном месте, для ее перезагрузки при необходимости потребуется отключать этот кабель или на стороне камеры или в коммутационном шкафу. А здесь вы можете зайти удаленно на коммутатор любым доступным способом и просто снять галочку «подавать питания», а потом поставить ее обратно. Кроме того, в параметрах PoE можно настроить систему приоритетов для предоставления питания.

Как мы писали ранее, ключевым полем сетевых пакетов в данном оборудовании является MAC-адрес. Управляемые коммутаторы часто имеют набор сервисов, ориентированных на использование этой информации.

Например, рассматриваемая модель поддерживает статическое назначение MAC-адресов на порт (обычно эта операция происходит автоматически), фильтрацию (блокировку) пакетов по MAC-адресам отправителя или получателя.

Кроме того, вы можете ограничить число регистраций MAC-адресов клиентов на порту коммутатора, что также можно считать дополнительной опцией повышения безопасности.

Большинство сетевых пакетов третьего уровня обычно однонаправленные — идут от одного адресата одному получателю. Но некоторые сервисы применяют технологию мультикаст, когда получателей у одного пакета сразу несколько. Наиболее известный пример — это IPTV. Использование мультикаст здесь позволяет существенно сократить требования к полосе пропускания при необходимости доставки информации большому числу клиентов. Например, мультикаст 100 ТВ каналов с потоком 1 Мбит/с потребует 100 Мбит/с при любом числе клиентов. Если же использовать стандартную технологию, то 1000 клиентов потребовали бы 1000 Мбит/с.

Не будем вдаваться в подробности работы IGMP, отметим только возможность тонкой настройки коммутатора для эффективной работы при большой нагрузке данного типа.

В сложных сетях могут применяться специальные протоколы для контроля за путем прохождения сетевых пакетов. В частности, они позволяют исключить топологические петли («зацикливание» пакетов). Рассматриваемый коммутатор поддерживает STP, RSTP и MSTP и имеет гибкие настройки их работы.

Еще одной востребованной в крупных сетях функцией является защита от ситуаций типа «широковещательный шторм». Это понятие характеризует существенное увеличение широковещательных пакетов в сети, блокирующих прохождение «обычного» полезного трафика. Наиболее простым способом борьбы с этим является установка ограничений на обработку определенного числа пакетов в секунду для портов коммутатора.

Дополнительно в устройстве есть функция Error Disable. Она разрешает коммутатору отключать порты в случае обнаружения на них чрезмерного служебного трафика. Это позволяет сохранить производительность и обеспечить автоматическое восстановление работы после исправления проблемы.

Еще одна задача, связанная скорее с требованиями безопасности, — мониторинг всего трафика. В обычном режиме коммутатор реализует схему отправки пакетов только непосредственно их получателям. «Поймать» на другом порту «чужой» пакет невозможно. Для реализации этой задачи используется технология «зеркалирования» портов — на выбранных порт коммутатора подключается контрольное оборудование и настраивается отправка на этот порт всего трафика с указанных других портов.

Функции IP Source Guard, DHCP Snooping ARP Inspection также ориентированы на повышение безопасности. Первая позволяет настроить фильтры с участием MAC, IP, VLAN и номера порта, через которые будут проходить все пакеты. Вторая защищает протокол DHCP, третья автоматически блокирует неавторизованных клиентов.

Заключение

Безусловно, описанные выше возможности составляют лишь толику от доступных сегодня на рынке технологий сетевой коммутации. И даже из этого небольшого списка найти реальное применение у домашних пользователей могут далеко не все из них. Пожалуй, наиболее распространенными можно назвать PoE (например, для питания сетевых видеокамер), объединение портов (в случае крупной сети и необходимости быстрого обмена трафиком), контроль трафика (для обеспечения работы потоковых приложений при высокой нагрузке на канал).

Конечно, совсем не обязательно для решения этих задач использовать именно устройства бизнес-уровня. Например, в магазинах можно найти обычный коммутатор с PoE, объединение портов есть и в некоторых топовых роутерах, приоритезация также начинает встречаться в некоторых моделях с быстрыми процессорами и качественным программным обеспечением. Но, на наш взгляд, вариант приобретения более профессионального оборудования, в том числе и на вторичном рынке, вполне можно рассматривать и для домашних сетей с повышенными требованиями к производительности, безопасности и управляемости.

Кстати, на самом деле есть еще один вариант. Как мы говорили выше во всех «умных» коммутаторах непосредственно «ума» может быть разное количество. А у многих производителей есть серии продуктов, которые вполне укладываются в домашний бюджет и при этом способны обеспечить многие из описанных выше возможностей. В качестве примера можно упомянуть Zyxel GS1900-8HP.

Эта модель имеет компактный металлический корпус и внешний блок питания, в ней установлено восемь гигабитных портов с PoE, а для настройки и управления предусмотрен Web-интерфейс.

Прошивка устройства поддерживает агрегацию портов с LACP, VLAN, ограничение скорости портов, 802.1x, зеркалирование портов и другие функции. Но в отличие от описанного выше «настоящего управляемого коммутатора», настраивается это все исключительно через Web-интерфейс и, при необходимости, даже с использованием помощника.

Конечно, речи не идет о близости этой модели описанному выше устройству по своим возможностям в целом (в частности, здесь отсутствуют средства классификации трафика и функции Level 3). Скорее это просто более подходящий для домашнего пользователя вариант. Аналогичные модели можно найти в каталогах и других производителей.

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.

Локальные мосты - предшественники коммутаторов

Принципы коммутации сегментов и узлов локальных сетей, использующих традиционные технологии

Полнодуплексные (full-duplex) протоколы локальных сетей - ориентация исключительно на коммутацию кадров

ATM-коммутация

Особенности коммутаторов локальных сетей

Техническая реализация коммутаторов

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутаторы с общей шиной

Коммутаторы с разделяемой памятью

Комбинированные коммутаторы

Модульные и стековые коммутаторы

Характеристики производительности коммутаторов

Скорость фильтрации и скорость продвижения

Оценка необходимой общей производительности коммутатора

Размер адресной таблицы

Объем буфера

Дополнительные возможности коммутаторов

Трансляция протоколов канального уровня

Поддержка алгоритма Spanning Tree

Способы управления потоком кадров

Возможности коммутаторов по фильтрации трафика

Коммутация "на лету" или с буферизацией

Использование различных классов сервиса (class-of-service)

Поддержка виртуальных сетей

Управление коммутируемыми сетями

Типовые схемы применения коммутаторов в локальных сетях

Коммутатор или концентратор?

Коммутатор или маршрутизатор?

Стянутая в точку магистраль на коммутаторе

Распределенная магистраль на коммутаторах

Обзор моделей коммутаторов

Коммутаторы Catalyst компании Cisco Systems

Коммутатор EliteSwitch ES/1 компании SMC

Коммутаторы локальных сетей компании 3Com

Примеры АТМ-коммутаторов для локальных сетей

Введение. Тенденция вытеснения концентраторов и маршрутизаторов коммутаторами

Транспортная система локальных сетей масштаба здания или кампуса уже достаточно давно стала включать разнообразные типы активного коммуникационного оборудования - повторители, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, соединенные в сложные иерархические структуры, вроде той, которая изображена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Типичная структура сети здания или кампуса

Активное оборудование управляет циркулирующими в сети битами, кадрами и пакетами, стараясь организовать их передачу так, чтобы данные терялись как можно реже, а попадали к адресатам как можно быстрее, в соответствии с потребностями трафика работающих в сети приложений.

Описанный подход стал нормой при проектировании крупных сетей и полностью вытеснил сети, построенные исключительно на основе пассивных сегментов кабеля, которыми совместно пользуются для передачи информации компьютеры сети. Преимущества сетей с иерархически соединенным активным оборудованием не раз проверены на практике и сейчас никем не оспариваются.

И, если не обращать внимание на типы используемого оборудования, а рассматривать их просто как многопортовые черные ящики, то может сложиться впечатление, что никаких других изменений в теории и практике построения локальных сетей нет - предлагаются и реализуются очень похожие схемы, отличающиеся только количеством узлов и уровней иерархии коммуникационного оборудования.

Однако, качественный анализ используемого оборудования говорит об обратном. Изменения есть, и они существенны. За последние год-два коммутаторы стали заметно теснить другие виды активного оборудования с казалось бы прочно завоеванных позиций. Несколько лет назад в типичной сети здания нижний уровень иерархии всегда занимали повторители и концентраторы, верхний строился с использованием маршрутизаторов, а коммутаторам отводилось место где-то посередине, на уровне сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного - их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подключения сверхпроизводительных серверов.

Коммутаторы стали вытеснять маршрутизаторы из центра сети на периферию (рисунок 1.2), где они использовались для соединения локальной сети с глобальными.

Рис. 1.2. Совместное использование коммутаторов и маршрутизаторов

Центральное место в сети здания занял модульный корпоративный коммутатор, который объединял на своей внутренней, как правило, очень производительной, магистрали все сети этажей и отделов. Коммутаторы потеснили маршрутизаторы потому, что их показатель "цена/производительность", рассчитанный для одного порта, оказался гораздо ниже при приближающихся к маршрутизаторам функциональным возможностям по активному воздействию на передаваемый трафик. Сегодняшние корпоративные коммутаторы умеют многое из того, что несколько лет назад казалось исключительной прерогативой маршрутизаторов: транслировать кадры разных технологий локальных сетей, например Ethernet в FDDI, осуществлять фильтрацию трафика по различным условиям, в том числе и задаваемым пользователем, изолировать трафик одного сегмента от другого и т.п. Коммутаторы ввели также и новую технологию, которая до их появления не применялась - технологию виртуальных сегментов, позволяющих перемещать пользователей из одного сегмента в другой чисто программным путем, без физической перекоммутации разъемов. И при всем при этом стоимость за один порт при равной производительности у коммутаторов оказывается в несколько раз ниже, чем у маршрутизаторов.

После завоевания магистрального уровня корпоративной сети коммутаторы начали наступление на сети рабочих групп, где до этого в течение последних пяти лет всегда использовались многопортовые повторители (концентраторы) для витой пары, заменившие пассивные коаксиальные сегменты. Появились коммутаторы, специально предназначенные для этой цели - простые, часто неуправляемые устройства, способные только быстро передавать кадры с порта на порт по адресу назначения, но не поддерживающие всей многофункциональности корпоративных коммутаторов. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт быстро снижается и, хотя порт концентратора по-прежнему стоит меньше порта коммутатора рабочей группы, тенденция к сближению их цен налицо.

Подтверждением этой тенденции могут служить данные исследовательских компаний InStat и Dell"Oro Group за 1996 год и их прогноз на 1998 год:

1996	1998Процент снижения за два года
Средняя цена за порт концентратора
Ethernet	$101	$946.9%
Fast Ethernet	$200	$14527.5%
Средняя цена за порт коммутатора
Ethernet	$427	$20053%
Fast Ethernet	$785	$50036.3%
Отношение порт коммутатора/порт концентратора
Ethernet	4.22	2.1
Fast Ethernet	3.9	3.4

Эти данные собраны по всем классам коммутаторов, от уровня рабочей группы до магистрального уровня, где концентраторы не применяются, поэтому сопоставление концентраторов только с коммутаторами рабочих групп дало бы еще более близкие в стоимостном отношении результаты, так как стоимость за порт Ethernet у отдельных коммутаторов доходит до $150, то есть всего в полтора раза превышает стоимость порта концентратора Ethernet.

В то же время производительность сети, построенной на коммутаторе, обычно в несколько раз превышает производительность аналогичной сети, построенной с использованием концентратора. Так как плата за повышение производительности не так уж велика и постоянно снижается, то многие сетевые интеграторы все чаще соглашаются с ней для снижения задержек в своей сети. С распространением работающих в реальном времени приложений ущерб от транспортных задержек становится все ощутимее, а нагрузка на транспортную систему возрастает, что еще больше стимулирует приближение таких высокопроизводительных устройств, как коммутаторы, к пользовательским компьютерам.

Естественно, тенденция повышения роли коммутаторов в локальных сетях не имеет абсолютного характера. И у маршрутизаторов, и у концентраторов по-прежнему имеются свои области применения, где их применение более рационально, чем коммутаторов. Маршрутизаторы остаются незаменимыми при подключении локальной сети к глобальной. Кроме того, маршрутизаторы хорошо дополняют коммутаторы при построении виртуальных сетей из виртуальных сегментов, так как дают испытанный способ объединения сегментов в сеть на основании их сетевых адресов.

Концентраторы также имеют сегодня свою нишу. По-прежнему существует большое количество случаев, когда трафик в рабочей группе невелик и направлен к одному серверу. В таких случаях высокая производительность коммутатора мало что дает конечному пользователю - при замене концентратора на коммутатор он ее практически не почувствует.

Тем не менее, в локальных сетях появляется все больше коммутаторов, и эта ситуация вряд ли коренным образом изменится в ближайшем будущем. Некоторые новые технологии, такие как ATM, вообще используют коммутацию как единственный способ передачи данных в сети, другие, например, Gigabit Ethernet - рассматривают ее в качестве, хотя и не единственного, но основного способа связи устройств в сети.

Технологии коммутации кадров (frame switching) в локальных сетях

Ограничения традиционных технологий (Ethernet, Token Ring), основанных на разделяемых средах передачи данных

Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Классическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры разделяют во времени единственный канал связи, образованный сегментом коаксиального кабеля (рисунок 2.1).