Co je spínač: funkce, princip činnosti, spínací zařízení

Jak jste se dozvěděli v předchozí části, přepínače používají tabulky MAC adres k určení, který port použít k předávání rámců. V přepínačích Cisco existují dva způsoby předávání rámců a v závislosti na situaci existují dobré důvody, proč používat jeden přes druhého.

Přepínače používají k přepínání dat mezi síťovými porty jednu ze dvou metod předávání:

• Přepínání Store-and-forward — Při této metodě předávání rámců přijímá přepínač celý rámec a vypočítává kontrolu cyklické redundance (CRC). CRC používá matematický vzorec založený na počtu bitů (jedniček) v rámci k určení, zda jsou v přijatém rámci nějaké chyby. Pokud je hodnota CRC platná, přepínač hledá cílovou adresu, která identifikuje výstupní rozhraní. Rámec je poté přesměrován na správný port.
• Přepínací spínání — V tomto režimu přepínač posouvá daný snímek dopředu, dokud není plně přijat. Před předáním rámce se doporučuje na začátku zadat cílovou adresu rámce.

Velkou výhodou přepínání store-and-forward je, že před přenosem rámce určí, zda má rámec chyby. Pokud je v rámci detekována chyba, přepínač ji odmítne. Odmítnutí rámců s chybami snižuje šířku pásma spotřebovanou poškozenými daty. Přepínání Store-and-forward je vyžadováno pro analýzu kvality služeb (QoS) v konvergovaných sítích, kde je vyžadována klasifikace rámců pro upřednostnění procházejícího provozu. Například při přenosu hlasu přes IP by datové toky měly mít vyšší prioritu než provoz používaný k procházení webu.

Kliknutím na Přehrát zobrazíte přepínání mezi obchody a vpřed v akci.

Animace ukazuje, že zdrojový hostitelský server posílá rámec end-to-end přepínači. Animace má topologii sestávající ze zdrojového hostitele připojeného k přepínači. Přepínač je přidružen k cílovému hostiteli a serveru. V animaci předá zdrojový hostitel snímek přepínači. Přepínač přijme rámec a podívá se do své přepínací tabulky, aby určil rozhraní pro předání rámce. Přepínač pak předá rámec cílovému hostiteli.

Proříznutí

S přepínáním cut-through switch zpracovává data tak, jak přicházejí, i když přenos ještě není dokončen. Přepínač přidá do vyrovnávací paměti pouze tu část rámce, která je nutná ke čtení cílové MAC adresy, aby mohl určit, na který port má data přeposlat. Cílová MAC adresa je specifikována v prvních 6 bajtech rámce po preambuli. Přepínač vyhledá cílovou MAC adresu ve své přepínací tabulce, určí odchozí port rozhraní a předá rámec do cílového uzlu přes zadaný port přepínače. Přepínač nekontroluje, zda rám neobsahuje žádné chyby.

Přehrajte si animaci demonstrující princip přepínání proříznutí.

Animace ukazuje, že zdrojový hostitelský server posílá rámec do přepínače úložiště a dále. Přepínač vypočítá CRC a pokud je správný, odešle rámec cílovému hostiteli. Animace má topologii sestávající ze zdrojového hostitele připojeného k přepínači. Přepínač je přidružen k cílovému hostiteli a serveru. V animaci zdrojový hostitel zobrazuje obsah rámce, který se skládá z cílové adresy, zdrojové adresy, dat a CRC. Rámec je předán do přepínače ze zdrojového hostitele. Přepínač přijímá rámec a vypočítává CRC na rámci. CRC v paketu je 435869123 a vypočtené CRC je 435869123, oba jsou stejné. Přepínač řekne, že rámec je platný, a poté se podívá do své přepínací tabulky, aby určil, na které rozhraní má rámec předat. Přepínač pak předá rámec do cílového uzlu.

K dispozici jsou dvě možnosti přepínání.

• Rychlé přepínání vpřed. Rychlé přepínání vpřed poskytuje nejnižší úroveň latence. U tohoto typu přepínání je paket předán ihned po přečtení cílové adresy. Protože rychlé přepínání vpřed zahájí přenos dříve, než byl přijat celý paket, mohou nastat situace, kdy jsou pakety znovu vysílány s chybami. K tomu dochází zřídka a cílový síťový adaptér po přijetí paket s chybami zahodí. V režimu rychlého převíjení se latence měří od okamžiku přijetí prvního bitu do okamžiku odeslání prvního bitu. Rychlé přepínání vpřed je typickou metodou přepínání.
• Přepínání s eliminací fragmentů. Při přepínání bez fragmentů si přepínač před odesláním uloží prvních 64 bajtů rámce. Přepínání s eliminací fragmentů lze považovat za kompromis mezi přepínáním ukládání a vpřed a přepínáním rychlým vpřed. Důvod, proč přepínání bez fragmentů ukládá pouze prvních 64 bajtů rámce, je ten, že k většině síťových chyb a kolizí dochází v prvních 64 bytech. Přepínání proti fragmentům zlepšuje účinnost rychlého přepínání vpřed tím, že provádí malou kontrolu chyb na prvních 64 bytech rámce, aby se zajistilo, že před předáním rámce nedojde ke kolizi. Přepínání bez fragmentů představuje kompromis mezi vysokou latencí s vysokou integritou (přepínání ukládání a vpřed) a nízkou latencí s nižší integritou (přepínání rychlého vpřed).

Některé přepínače jsou nakonfigurovány tak, aby používaly přepínání mezi jednotlivými porty, dokud není dosaženo uživatelem určeného limitu chyb, po kterém je automaticky přijato přepínání typu store-and-forward. Jakmile chybovost klesne na nakonfigurovaný limit, port se automaticky přepne na přerušované přepínání.

Ukládání do vyrovnávací paměti na přepínačích

Ethernetový přepínač může použít techniku ​​ukládání do vyrovnávací paměti k uložení rámců před jejich předáním. Ukládání do vyrovnávací paměti lze také použít, když je cílový port zaneprázdněn z důvodu přetížení. Přepínač uloží rámec, dokud není přenesen.

Jak je uvedeno v tabulce, existují dvě metody ukládání do vyrovnávací paměti: ukládání do vyrovnávací paměti založené na portu a ukládání do vyrovnávací paměti sdílené paměti.

Metody ukládání do vyrovnávací paměti

• Rámce jsou uloženy ve frontách spojených s konkrétními příchozími a odchozími porty.
• Rámec je přenášen na odchozí port pouze tehdy, když byly úspěšně přeneseny všechny rámce ve frontě.
• U jednoho rámce je možné zpozdit přenos všech rámců v paměti z důvodu obsazeného cílového portu.
• Toto zpoždění také nastane, pokud lze na otevřené cílové porty přenést jiné rámce.

• Umístí všechny rámce do společné vyrovnávací paměti sdílené všemi porty na přepínači a množství vyrovnávací paměti požadované na port je přidělováno dynamicky.
• Rámce ve vyrovnávací paměti jsou dynamicky přidruženy k cílovému portu. umožňuje, aby byl paket přijat na jednom portu a poté odeslán na jiný port, aniž by se přesunul do jiné fronty.

Ukládání do vyrovnávací paměti sdílené paměti má také za následek možnost ukládat větší snímky s potenciálně menším počtem vynechaných snímků. To je důležité pro asymetrické přepínání, které poskytuje různé rychlosti přenosu dat na různých portech, například při připojení serveru k portu přepínače 10 Gbps a PC k portům 1 Gbps.

Nastavení duplexního režimu a rychlosti

Dva základní parametry přepínače jsou propustnost a duplexní režim, které se nastavují pro každý jednotlivý port přepínače. Je důležité, aby se duplexní režim a nastavení propustnosti portu přepínače a připojených zařízení, jako je počítač nebo jiný přepínač, shodovaly.

K výměně dat v sítích Ethernet se používají dva typy nastavení duplexního režimu.

• Plně duplexní režim : současné odesílání a přijímání dat v obou směrech.
• Poloduplexní režim : odesílání dat pouze z jedné strany.

Automatická detekce je volitelná funkce, kterou najdete u většiny ethernetových přepínačů a síťových karet. Automatická detekce umožňuje dvěma zařízením automaticky si vyměňovat informace o rychlosti a duplexních možnostech. Pokud obě zařízení podporují plně duplexní režim, je pro provoz vybrán tento režim spolu s maximální propustností sdílenou mezi oběma zařízeními.

Například síťová karta Ethernet v PC-A zobrazená na obrázku může pracovat v plně nebo polovičně duplexním režimu při rychlosti 10 nebo 100 Mb/s.

Počítač PC-A je připojen přes port 1 k přepínači S1, který může pracovat v plně nebo polovičně duplexním režimu při 10, 100 nebo 1 Mbps (000 Gbps). Pokud mají obě zařízení automatickou detekci, bude vybrán plně duplexní režim a rychlost 1 Mb/s.

Poznámka: Většina ethernetových přepínačů a síťových karet Cisco používá automatické vyjednávání rychlosti a nastavení duplexu. Porty Gigabit Ethernet fungují pouze v plně duplexním režimu.

Duplexní nesoulad je nejčastější příčinou špatného výkonu na ethernetových spojích. K tomu dochází, když jeden port kanálu pracuje v poloduplexním režimu a druhý v plně duplexním režimu.

Spínač S1 je spojen se spínačem S2. S1 pracuje v plně duplexním režimu a S2 pracuje v polovičním duplexním režimu. Popisek nad S1 říká: Jsem plně duplexní připojení, takže mohu odesílat, kdykoli chci. Jsem poloviční duplexní přepínač, takže mohu posílat data pouze tehdy, když je kanál volný, a také mám spoustu kolizí! Obrázek ukazuje, jak oba přepínače odesílají data současně, což má za následek kolizi.

Přepínač S2 bude nadále docházet ke kolizím, protože přepínač S1 nepřetržitě odesílá existující rámce.

K tomu dochází, když jsou jeden nebo oba porty na kanálu resetovány, což způsobí, že autodetekce nevede ke stejné konfiguraci pro obě komunikační zařízení. To se také může stát, když uživatelé změní konfiguraci na jedné straně kanálu a zapomenou na druhou. Automatická detekce musí být povolena nebo zakázána na obou stranách kanálu. Doporučuje se nakonfigurovat oba porty ethernetového přepínače do plně duplexního režimu.

Funkce Auto-MDIX

Připojení zařízení kdysi vyžadovalo použití kříženého nebo přímého kabelu. Typ požadovaného kabelu závisí na typu připojovaných zařízení.

Obrázek například ukazuje správný typ kabelu potřebný pro připojení zařízení typu switch-to-switch, switch-to-router, switch-to-host nebo router-to-host. Křížený kabel se používá při připojování podobných zařízení, zatímco přímý kabel se používá při připojování rozdílných zařízení.

Poznámka: Přímé spojení mezi routerem a uzlem vyžaduje křížové propojení.

Diagram ukazuje správný typ kabelu, který se má použít při připojování různých typů síťových zařízení. Shora dolů, zařízení a typy kabelů: od přepínače k ​​přepínači je křížený kabel; přepínač k routeru je rovný kabel; přepínač k hostiteli je rovný kabel; a router k hostiteli je křížený kabel.

Většina zařízení nyní podporuje automatickou detekci přechodu na rozhraní závislém na médiu (Auto-MDIX). Když je povolena funkce Auto-MDIX, přepínač detekuje požadovaný typ kabelu připojeného k portu a podle toho nakonfiguruje rozhraní. Proto pro připojení k měděným portům 10/100/1000 Mb/s na přepínači můžete použít křížený nebo přímý kabel, bez ohledu na typ zařízení na druhém konci připojení.

Funkce Auto-MDIX je ve výchozím nastavení povolena na přepínačích se systémem Cisco IOS Software Release 12.2(18)SE nebo novějším. Tuto funkci však lze zakázat. Z tohoto důvodu byste měli vždy používat správný typ kabelu a nespoléhat se na funkci Auto-MDIX. Funkci Auto-MDIX lze znovu povolit pomocí příkazu pro konfiguraci rozhraní. mdix auto.

Těžko vymyslet vtipný úvod, když je článek o vypínači. Vypadá to jako tak složitá věc, že ​​stojí za to o tom diskutovat při pravidelném upravování monoklu. Ale ve skutečnosti není všechno tak děsivé, jak se zdá. Nyní si vysvětlíme, co je komutátor, co je spínač, uvedeme popis komutátoru a zodpovíme všechny otázky, které se k zařízení mohou vyskytnout.

Ptáte se: „K čemu je přepínač?“ a proč zní způsob, jakým je tato otázka formulována, tak divně? Funkce spínače a princip činnosti spínače – výrazy jsou ve vzduchu, jako by je mazaný specialista z oddělení SEO požádal o jejich doplnění do textu. Dost toho, jak řekl klasik. Pojďme zjistit vše, co můžeme o zařízení síťového přepínače.

Definice

Přepínač je zařízení, které spojuje několik počítačů do jedné sítě za účelem výměny dat. Můžete připojit stolní počítače, notebooky, servery, síťové tiskárny, fotoaparáty, chytrá zařízení a dokonce i další přepínače. Přepínače vypadají jako ty divné věci ze sci-fi filmů z 80. let: blikají různými světly a mají spoustu otvorů, do kterých se lze zapojit (technici jim říkají LAN porty). Zařízení se nejčastěji připojují pomocí krouceného párového kabelu, ale někdy se používá koaxiální kabel nebo vláknová optika.

Pokud za vámi přijde váš přítel a zeptá se: „Proč čteš o vypínačích?“, nespěchejte s rozhořčením a zeptejte se, o jakém druhu „svíčky“ to mluví. Komutátory se někdy nazývají „spínače“ (hovorově – „spínač“, bez písmene „t“). Toto módní slovo k nám přišlo z angličtiny, kde switch je název komutátoru.

Princip činnosti, možnosti a funkce

Představme si, že jste při ucházení se o práci trochu zalhal a řekl, že od narození pracujete jako správce systému. „Porodník se na mě při porodu podíval a řekl: ‚Určitě budoucí specialista na ústřednu!‘“ – řekl jsi při rozhovoru. A když vám přinesli tuto podivnou věc, byl jste zmatený a začal jste se rozhlížet kolem sebe a hledat pomoc. Co dělají podivné spínače? Podívejme se na příklad.

Máte switch (nezapomínejme, že jde o komutátor, jen v cizím jazyce) s velkým množstvím portů. Vaším úkolem je propojit pět zařízení do jedné sítě. Vezmeme kroucenou dvojlinku (LAN kabel), připojíme ji k PC a spustíme do switche. Připojíme jej ke konektoru. Opakujeme to se všemi zařízeními, která je potřeba zkombinovat pro vytvoření lokální sítě.

Co dělá spínač?

Přepínač distribuuje informační pakety mezi síťová zařízení. V jeho paměti je tabulka s adresami těchto zařízení (říká se jim také MAC adresy). Jakmile přepínač přijme data ze zařízení, poznamená si, odkud informace pocházejí, přečtením adresy odesílajícího zařízení.

Dále, pokud je přepínač nový, nejprve odešle datové pakety všem účastníkům sítě a čeká na odpověď od nich. Jakmile pochopí, které zařízení mělo informace přijímat, zapíše všechna data do tabulky uložené v jeho paměti a již nedělá „zbytečné pohyby“. To znamená, že v budoucnu nebude posílat datový paket všem a zatěžovat síť. Proto se přepínačům říká „chytrá“ zařízení, na rozdíl od rozbočovače, o kterém si povíme později.

Pokud jste četli všechna tato chytrá slova a ničemu jste nerozuměli, nezoufejte. Stačí se podívat na následující příklad. Pracujete v malé firmě, která má několik oddělení: HR, bezpečnost, účetní a právníky. Aby se zabránilo tomu, že by k sobě pobíhali, předávali si papírky a natahovali si čísla aktivit na své Apple (nebo ne Apple) Watch, lze počítače těchto oddělení spojit do jedné lokální počítačové sítě. Jakmile to chytrý správce systému udělá, můžete do dokumentu Microsoft Word napsat velkými písmeny: „Kde je mzda?“, soubor uložit a vložit do složky „Pro účetnictví“, která je přístupná zaměstnancům tohoto oddělení. Přepínač nebude odesílat data o vašem souboru a souboru samotném všem účastníkům sítě, čímž síť zatíží nepotřebnými daty. Přepínač pochopí, že jste tento soubor odeslali do zařízení s konkrétní adresou. Účetní otevře váš spis, napíše, že jejich pracovní den už skončil, protože pracují jen do dvou, a jdou domů. Ale to je, jak říká Leonid Kanevsky, úplně jiný příběh.

Schopnosti a funkce přepínače jsou popsány jednoduchou větou – je určen k připojení několika zařízení do sítě, která si může vyměňovat data.

Rozdíl oproti koncentrátoru

Váš přítel říká, že přepínač a rozbočovač jsou to samé? Klidně popadněte vařečku a praštit kamaráda do čela. Rozbočovač, známý také jako koncentrátor, je jako předchozí verze přepínače. Hlavní rozdíl je v tom, že hub není příliš chytrý. Místo toho, aby zaznamenával MAC adresy zařízení v síti a posílal data jen těm, kteří to potřebují, hub je jako ruská továrna na čokoládu – štědrá duše, posílá data všem. Jedná se o tzv. broadcast přenos dat. Hub jej používá, protože nemá funkci určení cíle. To je hlavní rozdíl mezi rozbočovačem a přepínačem.

Proč je to špatné? Za prvé, náhodná připojení nejsou příliš dobrá nejen pro reálný život, ale ani pro síťovou aktivitu zařízení. Hub posílá data všem: nezná konečného příjemce, takže zatěžuje síť. To může způsobit zpomalení. Jakmile se navíc v síti objeví nové počítače, zvýší se riziko různých chyb přenosu dat. Proto dnes přepínače téměř nahradily rozbočovače. Taková je divoká počítačová příroda.

Rozdíl oproti routeru

Přepínač, rozbočovač. Nebudete tomu věřit, ale router má i jiný název. Říká se mu také router. I když nejste světový počítačový expert, pravděpodobně jste toto slovo slyšeli. Router je mega zařízení pro distribuci datových paketů. Přepínač připojuje počítače do místní sítě a router je připojuje do globální sítě.

Přepínač při přenosu dat v síti bere v úvahu pouze MAC adresy ze své tabulky a nemůže přenášet vaše data řekněme do počítače vašeho souseda, pokud není připojen k přepínači. Router bere v úvahu externí IP adresu (tj. adresu na internetu), analyzuje data, filtruje, kóduje a v případě potřeby posílá přes globální sítě. Router může propojit celé sítě (například vaši místní síť a globální internet), zatímco přepínač může připojit pouze několik počítačů, které jsou k němu připojeny kabelem.

Přepínač není schopen připojit PC k internetu, ale router to dokáže. Router má také vyšší rychlost přenosu dat.

Odrůdy

„Podívejme se, jaké přepínače jsou ve volné přírodě,“ napsali jsme tuto frázi a napodobili hlas Nikolaje Drozdova v našich hlavách. Existují řízené (programovatelné) a neřízené spínače.

• Řízené přepínače Jedná se o zařízení, která mají systém konfigurace portů. Správce systému, který si upravil svůj oblíbený svetr s kočkami, může nastavit flexibilní síťový provoz. Například k oddělení přístupu různých oddělení k informacím dostupným v síti. Bezpečnostní oddělení tak bude mít přístup k některým složkám, manažeři k jiným a účetní oddělení k dalším. Někteří lidé budou mít přístup k některým informacím, zatímco jiní ne. Řízení přístupu je charakteristickým znakem řízených (programovatelných) přepínačů.
• Neřízená Takové přepínače poskytují přístup k informacím v jediné síti všem jejím účastníkům a neumožňují jejich konfiguraci. Taková zařízení nemají žádné jasné omezení a v případě potřeby mohou všichni účastníci sítě vzájemně přistupovat ke svým datům.

Profesionálové také rozdělují přepínače na další typy – podle úrovní síťové adresy. Existují přepínače vrstvy 2 – fungují pouze s MAC adresami. Přepínače vrstvy 3 – pracují s IP adresami různých verzí, jako jsou IPv4, IPv6, IPX a IPSec. Tyto přepínače také pracují s protokoly PPTP, PPPoE a VPN, což z přepínače efektivně udělá router. Konečně jsou tu přepínače vrstvy 4, které lze v podstatě také považovat za routery. Tyto typy zařízení totiž nejen kombinují možnosti přepínačů 2. a 3. úrovně, ale umožňují také velmi flexibilní konfiguraci adresování.

Dříve jsme řekli:

Parametry

• Rychlost Existují přepínače se vstupními porty 1000 Mbit za sekundu a existují přepínače se 100 Mbit za sekundu. Velké organizace fungují na přepínačích s rychlostmi 1-2 Gbps.
• PoE Jedná se o speciální port, který přenáší nejen data, ale i napájení – to vše po jediném síťovém kabelu. Máte například kameru, kterou nelze připojit k elektrické zásuvce. PoE port nejen udrží zařízení „naživu“, ale umožní mu také přenášet potřebná data.

• SFP Toto spojení umožňuje použití optických vláken. Tento typ kabelu je lepší než kroucená dvoulinka – je spolehlivěji chráněn před elektromagnetickými vlivy, má menší průměr a delší dosah (přes 100 metrů).
• Mpps Jedná se o milion paketů za sekundu – tato písmena skrývají definici rychlosti paketové služby. Kolik milionů paketů dokáže přepínač zpracovat za sekundu? V malé síti stačí rychlost 2 až 10 Mpps. Ve velkých, s velkým počtem počítačů – až 71,4 Mpps.
• Velikost stolu Přepínače, jak jsme již zjistili, využívají tabulku, do které zadávají MAC adresy účastníků sítě. Pokud je místní síť velká, přepínač přepíše adresy. Tím se zvýší zatížení sítě a zpomalí se její rychlost.
• Typ držáku Vypínač lze umístit (na stůl) nebo zavěsit (na stěnu). Často se ve velkých firmách, kde jsou k síti připojeny desítky PC, používá nástěnný vypínač, který se instaluje pod strop – usnadňuje to připojení k němu z různých pater a místností.

Provozní režimy

Přepínač může přenášet data v několika režimech, které se liší mírou spolehlivosti a dobou přenosu.

• Režim Cut-Through Přepínač přijme data, přečte adresu příjemce, nekontroluje soubory a odešle je na místo určení. Jedná se o rychlý režim s minimálním čekáním. Při jeho použití existuje možnost přijímat data s chybami, protože přepínač nekontroluje soubory.
• Režim Store a Forward Přepínač přijímá data a analyzuje soubory na chyby. Po kontrole souboru (tedy jeho uložení na chvíli) jej předá přijímacímu uzlu. Kontrola samozřejmě nějakou dobu trvá.
• Bez fragmentů nebo Hybrid Tento režim kombinuje dva předchozí režimy. Přepínač přijme data, přečte adresu příjemce, zkontroluje pouze prvních 64 bajtů informací a poté je předá dál.

Odborníci poznamenávají, že nejlepší přepínače jsou ty, které se přizpůsobují pracovním podmínkám. Nejprve zařízení pracuje v průchozím režimu. Pokud konkrétní port přijme velké množství dat s chybami, přepínač se přepne do hybridního režimu. Pokud se počet chyb nesníží, začne pracovat v režimu přechodného úložiště.

Aplikace

• Дома Dříve byl tento typ připojení velmi běžný. Přátelé žijící spolu, sousedé – spojili se v místní síti, aby hráli Counter-Strike, Warcraft, Starcraft nebo měli společný chat a sdíleli soubory. Dnes se pro tyto účely používá router, který zajišťuje i připojení k internetu.
• Malé společnosti Jak jsme již zmínili, v malých korporacích je možné propojit do jedné sítě více oddělení, která budou vzájemně komunikovat a přenášet důležitá data. Router se nepoužívá, aby nikdo neměl touhu přistupovat na sociální síť (možná i zakázanou v Ruské federaci).
• Inteligentní dům Spínače dostaly nový život od systémů chytré domácnosti. K jednomu spínači lze připojit senzory (vlhkost, úniky, kouř, vibrace, dveře, okna), měřiče, sledovací kamery a tak dále.
• Video dohled Ve složitém systému mnoha kamer se používají přepínače. K zařízení můžete připojit kamery, alarmová čidla a monitory.