Для чего используют коммутатор?

Коммутатор является устройством сетевого и серверного оборудования, использующимся для соединения всех компонентов, подключенных к сети. Он обеспечивает соединение компьютеров, принтеров, серверов и передачу данных в сети. Данная техника осуществляет маршрутизацию трафика, пересылая информацию только требуемым устройствам.

Что такое сетевой коммутатор?

Это электронный прибор, который принимает передаваемые данные, отправленные от объекта в сети, направляет их на целевое оборудование. Таким образом, исключается передача этих данных другой технике в сети. Коммутаторы используются для улучшения производительности. Это достигается отсутствием повторной передачи данных, уменьшением нагрузки на сеть и повышением скорости передачи данных. Также они выполняют другие функции:

• управление трафиком;
• контроль доступа;
• настройка параметров сети.

В зависимости от требований и задач сети устройства используются в качестве центрального элемента, соединяющего всю технику в сети.

Режимы коммутации

Современные коммутаторы используют усовершенствованные методы обработки пакетов данных, которые значительно эволюционировали за последние годы:

1. Adaptive Switching – интеллектуальный режим, автоматически выбирающий оптимальный способ коммутации в зависимости от типа трафика и загруженности сети. Система анализирует качество соединения, тип данных и приоритизирует критически важный трафик.
2. Smart Cut-Through – усовершенствованная версия классического Cut-Through с продвинутым обнаружением ошибок. Коммутатор начинает пересылку пакета после получения заголовка, но параллельно проверяет целостность данных, прерывая передачу при обнаружении ошибок. Это обеспечивает минимальную задержку без потери надежности.
3. Zero-Latency Processing – режим с нулевой задержкой для чувствительных к задержкам приложений (финансовые операции, виртуальная реальность, облачные игры). Использует аппаратные ускорители и предварительный анализ трафика.
4. AI-Enhanced Forwarding – режим с искусственным интеллектом, который изучает шаблоны сетевого трафика и заранее подготавливает оптимальные маршруты для передачи данных, существенно снижая задержки и повышая надежность.

Отличие коммутатора (switch) от концентратора (hub)

Сравнение коммутаторов с концентраторами сегодня имеет преимущественно историческое значение, поскольку концентраторы практически полностью вытеснены из современных сетей. Современные коммутаторы – это многофункциональные интеллектуальные устройства, которые не только перенаправляют пакеты по назначению, но и обеспечивают:

• микросегментацию сети с использованием виртуальных частных сетей (VLAN);
• приоритизацию трафика с поддержкой различных классов обслуживания (QoS);
• расширенную сетевую аналитику в реальном времени;
• интеграцию с системами безопасности и обнаружения вторжений;
• поддержку программно-определяемых сетей (SDN) и автоматизацию через API.

В отличие от примитивных концентраторов, современные коммутаторы способны обрабатывать данные на скоростях от 10 Гбит/с до 400 Гбит/с с минимальной задержкой и высокой производительностью даже при максимальной нагрузке.

Как выбрать коммутатор

Выбор устройства зависит от нескольких факторов. Одним из них является количество портов. необходимо определить, сколько портов вам нужно для соединения всех устройств в вашей сети. Также важна скорость портов. В зависимости от данных вы передаете по сети, вам может потребоваться устройство, поддерживающее 10 Гбит/с. Следует учесть тип портов. Для соединения устройств разных типов нужна поддержка разных портов. Устройство может быть управляемым или неуправляемым. Управляемые модели позволяют настраивать и контролировать сеть. Это полезно для крупных сетей. Ели сеть небольшая, то неуправляемая модель будет более выгодней.

Базовая скорость передачи

Базовая скорость передачи современных коммутаторов значительно выросла для удовлетворения постоянно растущих требований к пропускной способности сетей. Для проводного Ethernet актуальными стандартами являются:

• 10 Гбит/с (10GBASE-T) – минимальный стандарт для магистральных соединений и серверных подключений;
• 25/40 Гбит/с – стандартное решение для центров обработки данных и высоконагруженных серверных сред;
• 100 Гбит/с – широко используется для магистральных соединений и высокопроизводительных кластеров;
• 200/400 Гбит/с – применяется в крупных дата-центрах и облачных средах;
• 800 Гбит/с – новейший стандарт для сверхвысокоскоростных магистралей.

Для корпоративных беспроводных сетей Wi-Fi 6E (802.11ax в диапазоне 6 ГГц) и Wi-Fi 7 предлагают скорости от 2,4 Гбит/с до 46 Гбит/с в зависимости от конфигурации. Современные коммутаторы PoE++ способны подавать питание до 100 Вт на порт для поддержки высокопроизводительных точек доступа и IoT-устройств.

Количество портов коммутатора

Этот параметр может варьироваться в зависимости от модели и производителя. Простые модели имеют несколько портов (4 или 8), тогда как более дорогие будут иметь более чем 48 портов. Техника может быть классифицирована по количеству портов следующим образом:

• микрокоммутаторы: 4-8 портов;
• небольшие: 8-16 портов;
• средние: 24-48 портов;
• крупные: 48+ портов.

Нужное количество портов зависит от нужд сети, которую он будет обслуживать. Для домашней сети может быть достаточно 8 или 16 портов, тогда как для большого офиса может понадобиться коммутатор с 48 или более портами.

Исполнение (способ установки)

Существует несколько способов установки коммутатора в зависимости от того, какая сеть и какие цели должны быть достигнуты:

1. Прямое подключение. Устройство будет обнаруживать и соединять каждое подключенное устройство в локальную сеть.
2. Подключение через маршрутизатор. Здесь маршрутизатор выполняет функции маршрутизации и фильтрации трафика, а коммутатор управляет его распределением.
3. Использование стека. В больших сетях можно объединить несколько устройств в стек для более эффективного управления трафиком и повышения производительности.
4. Подключение через консольный порт. Он может быть использован для удаленного управления и настройки через терминал.
5. Использование VLAN. В данном случае устройство быть настроено на создание нескольких виртуальных сетей, каждая из которых представляет собой отдельную среду с уникальной конфигурацией.

Возможность управления

Современные методы управления коммутаторами существенно эволюционировали в сторону автоматизации и централизованного управления:

• Облачное управление – полное управление через защищенные облачные платформы с единой панелью мониторинга для всех сетевых устройств, доступное из любой точки мира;
• API-интерфейсы – программные интерфейсы для интеграции с системами автоматизации, оркестрации и мониторинга;
• Intent-Based Networking – управление на основе намерений, когда администратор указывает желаемый результат, а система сама настраивает необходимые параметры;
• AI/ML-управление – интеллектуальные системы, использующие искусственный интеллект для оптимизации конфигурации и автоматического устранения неполадок;
• Zero-Touch Provisioning – автоматическое развертывание с нулевым вмешательством человека;
• Традиционные интерфейсы – по-прежнему доступны классические методы (веб-интерфейс, SSH, RESTful API) для прямого управления, но они интегрированы с современными системами безопасности и аутентификации.

Современные коммутаторы поддерживают декларативные языки конфигурации и автоматизацию на основе GitOps, что позволяет управлять инфраструктурой как кодом.

Наличие функции энергосбережения

Энергосбережения – это способность управлять энергопотреблением, чтобы снизить затраты на электроэнергию. Устройства могут использовать несколько методов, таких как отключение неиспользуемых портов, автоматическая настройка скорости, возможность выключения, чтобы не тратить электроэнергию во время нерабочих часов. Функция энергосбережения помогает уменьшить затраты на электроэнергию и может быть полезна для организаций, желающих улучшить экономическую эффективность и снизить воздействие на окружающую среду.

Наличие функции сегментации трафика

Она позволяет разделять локальную сеть на несколько виртуальных сетей, которые могут работать независимо друг от друга. Это дает возможность повысить безопасность, производительность и управляемость сети. С помощью VLAN можно разделить сеть на группы по функциональному назначению. Также это открывает возможности для группирования устройства схожей сетевой конфигурацией, чтобы упростить их управление. Наличие функции сегментации трафика в коммутаторе является очень полезным и важным для построения безопасной, масштабируемой и управляемой сети.

Поддержка стекирования

Технологии стекирования значительно эволюционировали, предоставляя гибкие возможности для построения крупномасштабных сетей:

• Виртуальное шасси – объединение географически распределенных коммутаторов в единое логическое устройство через стандартные сетевые подключения, что устраняет ограничения по расстоянию;
• Кластерное стекирование – технология, позволяющая объединять до 128 устройств в единый управляемый кластер с общей конфигурацией и автоматической синхронизацией;
• Fabric-технологии – построение самоорганизующихся сетевых фабрик с автоматическим обнаружением топологии и распределением нагрузки;
• Мультивендорное стекирование – поддержка открытых протоколов для создания стеков из устройств разных производителей;
• Горячая замена – возможность добавления и извлечения устройств из стека без остановки работы сети.

Современные технологии стекирования также обеспечивают выравнивание нагрузки между всеми устройствами стека и интеллектуальное перенаправление трафика при отказе каких-либо компонентов.

Наличие защиты от широковещательного шторма

Это явление возникает в сетях компьютеров, когда одно сообщение, отправленное одним устройством, начинает циклически передаваться по всей сети, вызывая перегрузку и отказы в работе устройств. Защита от этого часто включена в коммутаторы. Этот защитный механизм называется "блокировка порта при переполнении". Он применяется для предотвращения передачи широковещательных пакетов на порт, который уже перегружен и не может обрабатывать новые пакеты. При использовании блокировки порта при переполнении отслеживается количество широковещательных пакетов, прошедших через каждый порт. Когда количество пакетов достигает заданного порога, порт автоматически блокируется.

Симметричная и асимметричная коммутация

Симметричная коммутация – это процесс передачи данных, при котором обе стороны взаимодействия используют одинаковые ключи для шифрования и расшифровки сообщений. Отправитель и получатель используют одинаковый ключ для защиты данных, и эти ключи симметричны между ними. Примером такой коммутации может быть использование протокола обмена файлами по протоколу FTP.

Асимметричная коммутация – это процесс передачи данных, при котором каждая сторона использует разные ключи для шифрования и расшифровки сообщений. Это означает, что отправитель и получатель используют различные ключи для защиты информации, и эти ключи являются асимметричными между ними.

Буфер памяти

Это область памяти, которая используется для временного хранения и обработки сетевых данных. Он может использоваться для буферизации непрерывного потока данных, чтобы избежать потерь пакетов данных в случае, если приемник не может обработать информацию в режиме реального времени. Когда устройство получает пакет данных, оно помещает его в буфер, где оно хранится до тех пор, пока не будет передан на выходной порт. Буфер памяти имеет ограниченный размер, поэтому, если проходит большое количество данных, может произойти переполнение буфера, что может привести к потере данных.

Возможности и разновидности коммутаторов

Современный ландшафт коммутаторов существенно расширился, предлагая специализированные решения под различные сценарии применения:

• Программно-определяемые коммутаторы (SDN) – поддерживают разделение плоскости управления и передачи данных, интегрируются с контроллерами SDN для централизованного управления;
• Коммутаторы граничных вычислений (Edge) – оптимизированы для обработки данных на периферии сети, поддерживают локальную аналитику и минимальные задержки;
• SmartNIC-коммутаторы – интеллектуальные сетевые карты с функциями коммутации, разгружающие основные процессоры серверов;
• Гибридные коммутаторы – сочетают функции маршрутизации, коммутации и безопасности в едином устройстве;
• Коммутаторы для Интернета вещей – специализированные решения с расширенной поддержкой протоколов IoT и повышенной безопасностью;
• AI-коммутаторы – оснащены аппаратными ускорителями для обработки AI-трафика и низкоуровневой аналитики;
• Квантово-безопасные коммутаторы – поддерживают постквантовые криптографические алгоритмы для защиты от квантовых вычислений;
• Сверхмалой задержки – специализированные коммутаторы для высокочастотной торговли и других сценариев, где критична минимальная задержка.

Передовые коммутаторы также поддерживают технологии телеметрии, потоковой аналитики и интеграцию с системами машинного обучения для проактивного выявления проблем.

Области применения

Устройства разных типов используются в таких сферах как:

1. Локальные сети (LAN) – используются для связи устройств в локальной сети, обеспечивая быстрый доступ к ресурсам и обеспечивая высокую производительность.
2. Кампусные сети – широко применяются в сетях кампуса, связывают здания и объекты на территории вузов, больниц, предприятий.
3. Мультисервисные сети – используются для поддержки мультисервисных сетей, включая голосовую и видеосвязь, промышленные сети.
4. Центры обработки данных – являются важным элементом, обеспечивая связь между серверами, хранилищами данных.
5. Облачные сети – являются ключевым элементом в инфраструктуре облачных сетей, обеспечивая подключение к серверам.
6. Индустриальные сети – применяются для связи устройств в промышленной автоматизации и управлении производственным оборудованием.

Типы коммутаторов

Современная классификация коммутаторов отражает их функциональное разнообразие и специализацию:

1. Интеллектуальные ядерные коммутаторы – сверхвысокопроизводительные устройства (до 51,2 Тбит/с) для обработки агрегированного трафика в крупных сетях с поддержкой телеметрии и мониторинга в реальном времени.
2. Программируемые коммутаторы – устройства с языками программирования data plane (P4), позволяющие создавать кастомизированные сетевые функции на аппаратном уровне.
3. Конвергентные коммутаторы – объединяют функции сетевой, вычислительной и хранилищной инфраструктуры, поддерживая NVMe-oF, RoCE v2 и другие современные протоколы.
4. Квантово-защищенные коммутаторы – обеспечивают шифрование на уровне физического канала с использованием постквантовых алгоритмов.
5. Нейросетевые коммутаторы – содержат встроенные нейронные процессоры для оптимизации маршрутизации и обработки трафика AI-приложений.
6. Гипермасштабируемые коммутаторы – разработаны для облачных провайдеров с поддержкой виртуализации, микросегментации и распределенных архитектур.
7. Энергоэффективные коммутаторы – оптимизированы для минимального энергопотребления при сохранении высокой производительности, используют динамическое управление питанием.
8. Edge-коммутаторы – специализированы для работы на периферии сети с поддержкой локальной обработки данных и интеграцией с IoT-платформами.

Чем отличается коммутатор от концентратора

В современных сетях концентраторы практически полностью вытеснены и остались лишь в музеях сетевого оборудования. Коммутаторы давно стали стандартом, эволюционировав в интеллектуальные устройства, выполняющие сложные функции управления трафиком.

Современные коммутаторы работают не только на канальном уровне OSI, но и выполняют функции более высоких уровней, включая:

• глубокий анализ пакетов (DPI) для обнаружения угроз безопасности;
• микросегментацию трафика с применением контекстно-зависимых политик;
• интеграцию с облачными сервисами и системами оркестрации;
• автоматическое обнаружение и классификацию устройств в сети;
• поддержку протоколов программно-определяемых сетей для централизованного управления.

Вместо устаревшего сравнения с концентраторами, при выборе коммутатора сегодня нужно ориентироваться на его интеграционные возможности, производительность и поддержку современных сетевых технологий. IT-инженеры ittelo.ru помогут подобрать решение, оптимальное для ваших конкретных задач, учитывая такие факторы как масштабируемость, перспективы роста и совместимость с существующей инфраструктурой.