Что такое хаб, свитч и роутер? Что такое свитч и для чего нужны подобные устройства? Выбираем коммутатор с нужными нам функциями для работы с трафиком

Эта глава представляет технологии, работающие в устройствах, которые неточно именуют мостами (bridge) и коммутаторами (switch) . Темы, которые здесь подытожены, включают в себя обобщённые принципы работы канальных устройств, локальные и удалённые мосты, коммутацию ATM и локальных сетей. Последующие главы Части 4, "Мосты и Коммутаторы", этой книги посвящены специфике этих технологий более детально.

Что такое Мосты и Коммутаторы?

Мосты и коммутаторы – это устройства коммуникации данных, которые работают принципиально на Уровне 2 эталонной модели OSI. Как таковые, они в целом относятся к устройствам канального уровня.

Мосты стали коммерчески доступны в начале 1980-х. На момент их введения мосты соединяли и позволяли пересылку пакетов между гомогенными сетями. В более недавние времена наведение мостов между различными сетями было также определено и стандартизировано.

Некоторые типы мостов стали важны в качестве интерсетевых устройств. Прозрачные мосты (transparent bridge) встречаются в первую очередь в среде Ethernet, тогда как мосты с премаршрутизацией (source-route bridge) появляются в первую очередь в среде Маркерного Кольца (Token Ring). Транслирующие мосты (Translational Bridge) обеспечивают трансляцию между форматами и принципы транзита различных типов среды (обычно Token Ring и Ethernet). Наконец, прозрачные мосты с премаршрутизацией (source-route transparent bridge) комбинируют алгоритмы прозрачного и премаршрутизированного мостов, чтобы сделать возможными коммуникации в смешанных средах Ethernet/Token Ring.

На сегодняшний день технология коммутации появилась как эволюционный преемник интерсетевых решений, основанных на мостах. Применение коммутаторов сейчас доминирует в приложениях, где в ранних разработках сети применялись мосты. Превосходная пропускная производительность, большая плотность портов, меньшая стоимость в пересчёте на один порт и большая гибкость внесли свой вклад в появление коммутаторов, как заменяющей технологии для мостов и дополнения к технологии маршрутизации.

Обзор Устройств Канального Уровня

Коммутаторы и мосты работают на канальном уровне, который управляет потоком данных, обрабатывает ошибки передачи, обеспечивает физическую (в противовес логической) адресацию и распоряжается доступом к физической среде. Мосты обеспечивают эти функции посредством использования различных канальных протоколов, которые диктуют специфическое управление потоком, обработку ошибок, адресацию и алгоритмы доступа к среде. Примеры популярных канальных протоколов включают в себя Ethernet, Token Ring и FDDI.

Мосты и коммутаторы не являются сложными устройствами. Они анализируют входные кадры, принимают решения о пересылке, основанные на информации, которая содержится в этих кадрах, и пересылают эти кадры по назначению. В некоторых случаях, таких как мосты с премаршрутизацией, весь путь к месту назначения содержится в каждом кадре. В других случаях, таких как прозрачные мосты, кадры пересылаются по назначению поэтапно.

Прозрачность по отношению к протоколам является первоочерёдным преимуществом как мостов, так и коммутаторов. Поскольку оба типа устройств оперируют на канальном уровне, от них не требуется проверять информацию высшего уровня. Это означает, что они могут быстро пересылать поток данных, представляющий любой сетевой протокол. Для моста не является необычным перемещать данные AppleTalk, DECnet, TCP/IP, XNS и других протоколов между двумя или более сетями.

Мосты способны фильтровать кадры на основе полей Уровня 2. Мост, например, может быть запрограммирован отбрасывать (не пересылать) все кадры, исходящие из отдельно взятой сети. Поскольку информация канального уровня часто включает в себя ссылку на протокол высшего уровня, мосты обычно фильтруют по этому параметру. Более того, фильтры могут помочь в разборе нежелательных пакетов широковещания (broadcast) и группового (multicast) вещания.

Путём деления больших сетей на самодостаточные блоки, мосты и коммутаторы обеспечивают отдельные преимущества. Поскольку пересылается только некоторый процент потока данных, мост или коммутатор снижает поток, получаемый устройствами во всех подключённых сегментах. Мост или коммутатор будет работать брандмауэром (firewall) для некоторых потенциально разрушительных сетевых ошибок, и оба они обеспечивают коммуникации между большим числом устройств, нежели может быть поддержано одной локальной сетью, подключённой к мосту. Мосты и коммутаторы расширяют эффективную длину локальной сети, позволяя присоединение удалённых станций, которые прежде не позволяла присоединить дистанция.

Хотя мосты и коммутаторы разделяют большинство характерных черт, некоторые особенности отличают эти технологии. Коммутаторы работают значительно быстрее, поскольку коммутируют аппаратно, тогда как мосты коммутируют программно, а также могут соединять локальные сети с неравной полосой пропускания. Например, с помощью коммутатора могут быть соединены локальные сети 10- и 100-мегабитного Ethernet. Коммутаторы также поддерживают большие плотности портов, чем мосты. Некоторые коммутаторы поддерживают усечённую (cut-through) коммутацию, что снижает запаздывание и задержки в сети, тогда как мосты поддерживают только пересылочную (store-and-forward) коммутацию. Наконец, коммутаторы снижают коллизии в сетевых сегментах, поскольку обеспечивают выделенную полосу пропускания каждому сегменту сети.

Типы мостов

Мосты могут быть сгруппированы по категориям на основе разнообразных характеристик продукта. Используя одну популярную схему классификации, мосты бывают либо локальными , либо удалёнными . Локальные мосты обеспечивают прямое соединение между множественными сегментами локальной сети на одной и той же площадке. Удалённые мосты соединяют множественые сегменты локальной сети на различных площадках, обычно через телекоммуникационные линии.

Как выбрать коммутатор при существующеи разнообразии? Функциональность современных моделей очень разная. Можно приобрести как простейший неуправляемый свитч, так и многофункциональный управляемый коммутатор, немногим отличающийся от полноценного роутера. В качестве примера последнего можно привести Mikrotik CRS125-24G-1S-2HND-IN из новой линейки Cloud Router Switch. Соответственно, и цена таких моделей будет гораздо выше.

Поэтому при выборе коммутатора прежде всего нужно определиться, какие из функций и параметров современных свитчей вам необходимы, а за какие не стоит переплачивать. Но сначала - немного теории.

Виды коммутаторов

Однако если раньше управляемые коммутаторы отличались от неуправляемых, в том числе, более широким набором функций, то сейчас разница может быть только в возможности или невозможности удаленного управления устройством. В остальном - даже в самые простые модели производители добавляют дополнительный функционал, частенько повышая при этом их стоимость.

Поэтому на данный момент более информативна классификация коммутаторов по уровням.

Уровни коммутаторов

Для того, чтобы выбрать коммутатор, оптимально подходящий под наши нужды, нужно знать его уровень. Этот параметр определяется на основании того, какую сетевую модель OSI (передачи данных) использует устройство.

  • Устройства первого уровня , использующие физическую передачу данных, уже практически исчезли с рынка. Если кто-то еще помнит хабы - то это как раз пример физического уровня, когда информация передается сплошным потоком.
  • Уровень 2 . К нему относятся практически все неуправляемые коммутаторы. Используется так называемая канальная сетевая модель. Устройства разделяют поступающую информацию на отдельные пакеты (кадры, фреймы), проверяют их и направляют конкретному девайсу-получателю. Основа распределения информации в коммутаторах второго уровня - MAC-адреса. Из них свитч составляет таблицу адресации, запоминая, какому порту какой MAC-адрес соответствует. IP-адреса они не понимают.

  • Уровень 3 . Выбрав такой коммутатор, вы получаете устройство, которое уже работает с IP-адресами. А также поддерживает множество других возможностей работы с данными: преобразование логических адресов в физические, сетевое протоколы IPv4, IPv6, IPX и т.д., соединения pptp, pppoe, vpn и другие. На третьем, сетевом уровне передачи данных, работают практически все маршрутизаторы и наиболее "продвинутая" часть коммутаторов.

  • Уровень 4 . Сетевая модель OSI, которая здесь используется, называется транспортной . Даже не все роутеры выпускаются с поддержкой этой модели. Распределение трафика происходит на интеллектуальном уровне - устройство умеет работать с приложениями и на основании заголовков пакетов с данными направлять их по нужному адресу. Кроме того, протоколы транспортного уровня, к примеру TCP, гарантируют надежность доставки пакетов, сохранение определенной последовательности их передачи и умеют оптимизировать трафик.

Выбираем коммутатор - читаем характеристики

Как выбрать коммутатор по параметрам и функциям? Рассмотрим, что подразумевается под некоторыми из часто встречающихся обозначений в характеристиках. К базовым параметрам относятся:

Количество портов . Их число варьируется от 5 до 48. При выборе коммутатора лучше предусмотреть запас для дальнейшего расширения сети.

Базовая скорость передачи данных . Чаще всего мы видим обозначение 10/100/1000 Мбит/сек - скорости, которые поддерживает каждый порт устройства. Т. е. выбранный коммутатор может работать со скоростью 10 Мбит/сек, 100 Мбит/сек или 1000 Мбит/сек. Достаточно много моделей, которые оснащены и гигабитными, и портами 10/100 Мб/сек. Большинство современных коммутаторов работают по стандарту IEEE 802.3 Nway, автоматически определяя скорость портов.

Пропускная способность и внутренняя пропускная способность. Первая величина, называемая еще коммутационной матрицей - это максимальный объем трафика, который может быть пропущен через коммутатор в единицу времени. Вычисляется очень просто: кол-во портов х скорость порта х 2 (дуплекс). К примеру, 8-портовый гигабитный коммутатор имеет пропускную способность в 16 Гбит/сек.
Внутренняя пропускная способность обычно обозначается производителем и нужна только для сравнения с предыдущей величиной. Если заявленная внутренняя пропускная способность меньше максимальной - устройство будет плохо справляться с большими нагрузками, тормозить и зависать.

Автоматическое определение MDI/MDI-X . Это автоопределение и поддержка обоих стандартов, по которым была обжата витая пара, без необходимости ручного контроля соединений.

Слоты расширения . Возможность подключения дополнительных интерфейсов, например, оптических.

Размер таблицы MAC-адресов . Для выбора коммутатора важно заранее просчитать необходимый вам размер таблицы, желательно с учетом будущего расширения сети. Если записей в таблице не будет хватать, коммутатор будет записывать новые поверх старых, и это будет тормозить передачу данных.

Форм-фактор . Коммутаторы выпускаются в двух разновидностях корпуса: настольный/настенный вариант размещения и для стойки. В последнем случае принят стандартный размер устройства -19-дюймов. Специальные ушки для крепления в стойку могут быть съемными.

Выбираем коммутатор с нужными нам функциями для работы с трафиком

Управление потоком (Flow Control , протокол IEEE 802.3x). Предусматривает согласование приема-отправки данных между отправляющим устройством и коммутатором при высоких нагрузках, во избежание потерь пакетов. Функция поддерживается почти каждым свитчом.

Jumbo Frame - увеличенные пакеты. Применяется для скоростей от 1 гбит/сек и выше, позволяет ускорить передачу данных за счет уменьшения количества пакетов и времени на их обработку. Функция есть почти в каждом коммутаторе.

Режимы Full-duplex и Half-duplex . Практически все современные свитчи поддерживают автосогласование между полудуплексом и полным дуплексом (передача данных только в одну сторону, передача данных в обе стороны одновременно) во избежание проблем в сети.

Приоритезация трафика (стандарт IEEE 802.1p) - устройство умеет определять более важные пакеты (например, VoIP) и отправлять их в первую очередь. Выбирая коммутатор для сети, где весомую часть трафика будет составлять аудио или видео, стоит обратить внимание на эту функцию

Поддержка VLAN (стандарт IEEE 802.1q ). VLAN - удобное средство для разграничения отдельных участков: внутренней сети предприятия и сети общего пользования для клиентов, различных отделов и т.п.

Для обеспечения безопасности внутри сети, контроля или проверки производительности сетевого оборудования, может использоваться зеркалирование (дублирование трафика). К примеру, вся поступающая информация отправляется на один порт для проверки или записи определенным ПО.

Перенаправление портов . Эта функция вам может понадобиться для развертывания сервера с доступом в интернет, или для онлайн-игр.

Защита от "петель" - функции STP и LBD . Особенно важны при выборе неуправляемых коммутаторов. В них обнаружить образовавшуюся петлю - закольцованный участок сети, причину многих глюков и зависаний - практически невозможно. LoopBack Detection автоматически блокирует порт, на котором произошло образование петли. Протокол STP (IEEE 802.1d) и его более совершенные потомки - IEEE 802.1w, IEEE 802.1s - действуют немного иначе, оптимизируя сеть под древовидную структуру. Изначально в структуре предусмотрены запасные, закольцованные ветви. По умолчанию они отключены, и коммутатор запускает их только тогда, когда происходит разрыв связи на какой-то основной линии.

Агрегирование каналов (IEEE 802.3ad) . Повышает пропускную способность канала, объединяя несколько физических портов в один логический. Максимальная пропускная способность по стандарту - 8 Гбит/сек.

Стекирование . Каждый производитель использует свои собственные разработки стекирования, но в общем эта функция обозначает виртуальное объединение нескольких коммутаторов в одно логическое устройство. Цель стекирования - получить большее количество портов, чем это возможно при использовании физического свитча.

Функции коммутатора для мониторинга и диагностики неисправностей

Многие коммутаторы определяют неисправность кабельного соединения, обычно при включении устройства, а также вид неисправности - обрыв жилы, короткое замыкание и т.п. Например, в D-Link предусмотрены специальные индикаторы на корпусе:

Защита от вирусного трафика (Safeguard Engine) . Методика позволяет повысить стабильность работы и защитить центральный процессор от перегрузок "мусорным" трафиком вирусных программ.

Функции электропитания

Энергосбережение. Как выбрать коммутатор, который будет экономить вам электроэнергию? Обращайте внимани е на наличие функций энергосбережения. Некоторые производители, например D-Link, выпускают коммутаторы с регулировкой потребления электроэнергии. Например, умный свитч мониторит подключенные к нему устройства, и если в данный момент какое-то из них не работает, соответствующий порт переводится в "спящий режим".

Power over Ethernet (PoE, стандарт IEEE 802.af) . Коммутатор с использованием этой технологии может питать подключенные к нему устройства по витой паре.

Встроенная грозозащита . Очень нужная функция, однако надо помнить, что такие коммутаторы должны быть заземлены, иначе защита не будет действовать.


сайт

Логическая топология сети Ethernet - это шина с множественным доступом, в которой все устройства используют общий доступ к одной и той же среде передачи данных. Эта логическая топология определяет, как узлы в сети просматривают и обрабатывают кадры, отправляемые и получаемые в этой сети. Тем не менее, в настоящее время практически во всех сетях Ethernet используется физическая топология типа «звезда» или «расширенная звезда». Это означает, что в большинстве сетей Ethernet оконечные устройства, как правило, подключаются к коммутатору LAN уровня 2 по принципу «точка-точка».

Коммутатор LAN уровня 2 осуществляет коммутацию и фильтрацию только на основе МАС-адреса канального уровня модели OSI. Коммутатор полностью прозрачен для сетевых протоколов и пользовательских приложений. Коммутатор уровня 2 создаёт таблицу МАС-адресов, которую в дальнейшем использует для принятия решений о пересылке пакетов. В процессе передачи данных между независимыми IP-подсетями коммутаторы уровня 2 полагаются на маршрутизаторы.

Коммутаторы используют MAC-адреса для передачи данных по сети через свою коммутирующую матрицу на соответствующий порт в направлении узла назначения. Коммутирующая матрица представляет собой интегрированные каналы и дополняющие средства машинного программирования, что позволяет контролировать пути прохождения данных через коммутатор. Чтобы коммутатор смог понять, какой порт необходимо использовать для передачи кадра одноадресной рассылки, сначала ему необходимо узнать, какие узлы имеются на каждом из его портов.

Коммутатор определяет способ обработки входящих кадров, используя для этого собственную таблицу МАС-адресов. Он создаёт собственную таблицу MAC-адресов, добавляя в нее MAC-адреса узлов, которые подключены к каждому из его портов. После внесения MAC-адреса для того или иного узла, подключённого к определённому порту, коммутатор сможет отправлять предназначенный для этого узла трафик через порт, который сопоставлен с узлом для последующих передач.

Если коммутатор получает кадр данных, для которого в таблице нет MAC-адреса назначения, он пересылает этот кадр на все порты, за исключением того, на котором этот кадр был принят. Если от узла назначения поступает ответ, коммутатор вносит MAC-адрес узла в таблицу адресов, используя для этого данные из поля адреса источника кадра. В сетях с несколькими подключёнными коммутаторами в таблицы MAC-адресов вносятся несколько MAC-адресов портов, соединяющих коммутаторы, которые отражают элементы за пределами узла. Как правило, порты коммутатора, используемые для подключения двух коммутаторов, имеют несколько MAC-адресов, внесённых в соответствующую таблицу.

В прошлом коммутаторы использовали один из следующих способов пересылки для коммутации данных между сетевыми портами:

    Коммутация с буферизацией

    Коммутация без буферизации

При коммутации с буферизацией, когда коммутатор получает кадр, он хранит данные в буфере до тех пор, пока не будет получен весь кадр. Во время сохранения коммутатор анализирует кадр, чтобы получить информацию о его адресате. При этом коммутатор также выполняет проверку на наличие ошибок, используя концевую часть кадра Ethernet циклического контроля избыточности (CRC).

При использовании коммутации без буферизации коммутатор обрабатывает данные по мере их поступления даже в том случае, если передача ещё не завершена. Коммутатор добавляет в буфер именно такое количество кадра, которое требуется для чтения MAC-адреса назначения, чтобы он смог определить, на какой порт пересылать данные. MAC-адрес назначения указан в 6 байтах кадра после преамбулы. Коммутатор ищет MAC-адрес назначения в своей таблице коммутации, определяет порт исходящего интерфейса и направляет кадр на свой узел назначения через выделенный порт коммутатора. Коммутатор не проверяет кадр на наличие каких-либо ошибок. Поскольку коммутатору не нужно ждать добавления в буфер всего кадра целиком, и при этом он не выполняет проверку ошибок, коммутация без буферизации происходит быстрее, чем коммутация с буферизацией. Тем не менее, так как коммутатор не проверяет ошибки, он пересылает повреждённые кадры по всей сети. При пересылке повреждённые кадры уменьшают пропускную способность. В конечном итоге сетевая плата назначения отклоняет повреждённые кадры.

Модульные коммутаторы предлагают большую гибкость конфигурации. Как правило, они поставляются с шасси различного размера, что позволяет устанавливать несколько модульных линейных плат. Порты фактически располагаются на линейных платах. Линейная плата вставляется в шасси коммутатора подобно платам расширения, устанавливаемым в ПК. Чем больше шасси, тем больше модулей оно поддерживает. Как показано на рисунке, на выбор предлагается множество различных размеров шасси. Если вы приобрели модульный коммутатор с 24-портовой линейной платой, вы можете легко установить еще одну такую же плату, в результате чего общее количество портов будет увеличено до 48.

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.