Как работает коммутатор сети

При формировании компьютерной сети, установке инженерного оборудования или других систем электроники требуется обеспечить корректное взаимодействие отдельных элементов между собой – коммутацию. Для этого ИТ-специалисты используют вспомогательные сетевые устройства – коммутаторы, которые распределяют пакетные данные между оборудованием и отправляют информацию о состоянии системы на центральную машину.

Понятие коммутатора

Сетевой коммутатор – вторичное устройство сети, которое объединяет основное и вспомогательное оборудование в единую систему. В зависимости от особенностей ИТ-архитектуры, целей и задач системы коммутаторы выполняют различные функции. В примитивном случае оборудование отправляет пакеты данных по «правильному» пути от одного устройства к другому. Но современные ИТ-системы подразумевают и расширенный функционал подобных сетевых устройств, которые дополнительно контролируют параметры системы и обеспечивают нужный уровень защиты данных.

Сетевые коммутаторы требуются при подключении оборудования вне зависимости от масштаба локальной сети: их используют как в коммерческих, так и в домашних системах. Однако в последних чаще в роли коммутатора выступает обычный роутер, если после подключения всех нужных элементов еще остаются свободные порты. При этом с помощью коммутации объединяют не только персональные компьютеры или сетевое оборудование: ИТ-инженеры внедряют эти вспомогательные элементы также при формировании системы видеонаблюдения, контроля задымления и пожаротушения, вентиляции с электроприводом и других инженерных решений.

Типы коммутаторов

При выборе сетевого коммутатора ИТ-специалист должен ориентироваться на специфику системы, ее эргономику и условия работы. Коммутатор представляет собой прямоугольный пластиковый элемент-коробку с несколькими портами для проводного подключения нужных устройств. От количества портов зависит производительность сетевого элемента. Однако одновременно важно учитывать и локацию установки оборудования. К примеру, для уличных инженерных систем необходимо позаботиться не только о технических характеристиках оборудования, но и об условиях их размещения для защиты от непогоды.

Во время работы над проектом серверной комнаты ИТ-архитектор заранее определяет оптимальное количество и функционал коммутатора для отельных подсетей системы. Чем больше размер локальной сети, тем большее количество вспомогательных элементов потребуется. В рамках сервера коммутаторы обычно объединяют в стеки – последовательно подключенные четыре коммутатора. Такая система позволяет единовременно контролировать все участки сети.

Различают управляемые и неуправляемые коммутаторы. Неуправляемые экономичнее в цене, но подходят только для простых сетей, где единственная функция такого устройства – передача пакета данных от одного элемента системы к другому. Если же ИТ-инженер заинтересован в индивидуальных настройках и дополнительных параметрах, то нужно использовать управляемые коммутаторы. Именно такие элементы используют при проектировании коммерческих серверов.

Параметры

Первично коммутаторы выбирают по числу встроенных портов на устройстве. Для коммерческих серверов их количество варьируют от 10 до 52 в зависимости от масштаба локальной сети и задач на отдельных участках подсистемы. При этом важно иметь в виду не только текущий размер ИТ-системы, но подбирать устройства с учетом  возможного расширения бизнеса и подключения дополнительного сетевого оборудования.

Одновременно с количеством портов на производительность сервера влияет и скорость работы коммутатора – базовая скорость передачи данных. IT-инженеры всегда стремятся оптимизировать сервер и сократить количество кабелей, поэтому преимущественно выбирают оборудование с поддержкой PoE – питания через кабель интернета.

Также при выборе коммутатора следует учитывать и скорость обработки отдельного пакета информации. Этот параметр характеризует время, в течение которого устройство оценивает один пакет информации и распределяет его в соответствии с таблицей коммутации. Чем выше показатель, тем выше производительность локальной сети.

Режимы работы

Кроме технических параметров и настройки управления, коммутаторы разделяют также и на четыре ключевых уровня – L1-L4. Каждый из них характеризуется различным режимом работы. Разделение на уровни связано с канальным распределением данных по МАС-протоколу. Но часто от управляемых коммутаторов требуют также и привязки к IP-адресу устройства, что особенно актуально для бизнес-систем с повышенным требованием к защите информации. Коммутаторы типа L1 реже используют при проектировании сервера, поскольку это устройства неуправляемого типа, но IT-инженеры внедряют их для простого обмена пакетами данных на локальных участках подсетей.

Коммутаторы L2 и L3 различаются по степени защиты данных и уровню анализа файлов. Оба типа активно используют для стеков сервера. Чем выше уровень коммутатора, тем выше его функционал. К примеру, модернизированный тип L3 за счет дополнительной привязки к IP-адресу можно использовать и в качестве маршрутизатора и ускорить работу системы благодаря выбору оптимального пути для передачи данных с точки зрения времени и безопасности.

При этом наряду со стандартным режимом работы сетевого коммутатора, где устройство обеспечивает обмен данными между элементами сети, выделяют и дополнительные. Например, режим энергосбережения, диагностики системы и защиты от внешних атак. Коммутаторы высокого уровня автоматически переключатся в актуальный режим в зависимости от состояния ИТ-системы.

Область применения

Хотя наибольшее значение сетевые коммутаторы имеют при построении масштабных коммерческих серверов, такие устройства применяют в любых электронных системах вне зависимости от их размера. Специфика применения и подключения всегда зависит от задач ИТ-специалиста и доступного бюджета. Например, для небольшой домашней локальной сети нет смысла покупать коммутатор высокого уровня, потому что ежедневные задачи не связаны с дополнительными настройками безопасности и привязки устройства к IP. В этом случае логичнее использовать неуправляемый коммутатор или выбрать для объединения оборудования в единую систему обычный роутер.

В домашних условиях коммутаторы чаще используют не для компьютерной сети, а при проектировании инженерных систем, безопасности и видеонаблюдения. Здесь уже важно ориентироваться на скорость работы устройства и возможность настройки индивидуальных параметров.

Какой коммутатор выбрать

Чтобы корректно выбрать сетевой коммутатор для домашних или коммерческих нужд, лучше обратиться к опытному IT-инженеру, который оценит оптимальную производительность системы и подберет оборудование с соответствующими параметрами. Так, при выборе коммутатора важно оценивать несколько характеристик:

• Текущий и плановый размер локальной сети;
• Мощность основного и связанного оборудования;
• Потребность в повышенной защите информации;
• Потребность в настройке индивидуальных параметров;
• Дополнительные режимы работы.

При формировании сервера ИТ-специалисты обычно подключают несколько видов коммутаторов различного уровня – как управляемые, так и неуправляемые. Их размещают в соответствии с задачами подсистемы или объединяют в стеки в серверном шкафу. Для последовательного подключения коммутаторов при стекировании важно сопоставлять их уровни и технические параметры для предупреждения сбоев в работе системы. Чтобы снизить мощность участка и обеспечить высокий контроль коммутации, в стеки объединяют максимум четыре коммутатора.

Настройка устройства в сети

Любой сетевой коммутатор можно подключить к локальной сети, руководствуясь базовыми настройками. Все производители сетевого оборудования прилагают к коммутаторам необходимый пакет документов с характеристиками устройства, а также кабель для подключения к компьютеру. Процедура подключения включает в себя как кабельное подсоединение элементов, так и программную настройку. Выполнять ее лучше при помощи квалифицированного ИТ-инженера, но можно настроить и самостоятельно через консоль управления на компьютере. При этом в документации к оборудованию должна быть указана все необходимые команды для выполнения базовой настройки.

Выставить индивидуальные параметры обмена данными и безопасности можно как для сетевого элемента в целом, так и для его отдельных портов. В некоторых случаях требуется объединить два или несколько портов в единый канал коммутации. Для упрощения задачи ИТ-специалиста каждый порт сетевого устройства пронумерован. Однако процедура требует навыков настройки сетевого оборудования. Выполняют ее с помощью специального программного обеспечения, тип которого зависит от установленной на компьютере операционной системы. Скачать нужную программу можно на сайте производителя оборудования.

Механика работы коммутатора

Порядок работы коммутатора определяется по таблице коммутации, которую устройство составляет в процессе первичной настройки. В зависимости от типа коммутатора оборудование предлагает базовую или адаптированную таблицу коммутации. Во втором случае устройство автоматически выполняет анализ оптимального маршрута передачи пакета данных в зависимости от особенностей протокола. Если выбран настраиваемый тип коммутатора, ИТ-специалист может самостоятельно изменять отдельные параметры для управления системой.

При этом таблица коммутации сформирована на основе MAC-адресов, которые индивидуальны для каждого элемента ИТ-структуры. При использовании коммутаторов второго уровня таблицу коммутации можно сформировать и в привязке к IP отдельных устройств. Коммутаторы высокого уровня могут не просто передавать данные на основе таблицы коммутации, но и менять маршрут пакета данных в зависимости от текущего состояния системы, выбранного режима работы, оптимальной длины пути и других факторов.

Режимы коммутации

На основе задач на конкретном участке подсети ИТ-специалист использует подходящий режим работы коммутатора – дуплексный или полудуплексный. В первом случае передача данных по зафиксированным MAC-адресам происходит как от одного устройства к другому и обратно, во втором случае – только в одну сторону. Также возможен режим полнодуплексной связи, который наиболее характерен для современных коммутаторов высокого уровня. Здесь устройства передают данные от одного к другому одновременно, что увеличивает производительность системы, но требует усиленной проверки трафика для обеспечения безопасности. Сетевое оборудование может работать в одном из режимов коммутации:

• Сквозной – характерен для неуправляемых простых коммутаторов, которые не анализируют пакеты данных, а лишь перенаправляют их между конкретными элементами сети;
• Промежуточное хранение – коммутатор использует внутренний буфер памяти для временного хранения пакетов данных с целью анализа безопасности и выбора оптимального пути передачи;
• Гибридный – анализирует часть пакета данных, чтобы в дальнейшем отправить его по оптимальному маршруту на принимающее устройство.

Чем выше уровень коммутатора, тем больше эффективность анализа трафика и скорость выявления ошибок в файле. Однако это пропорционально влияет и на стоимость сетевого элемента.

Симметричная и асимметричная коммутация

Поскольку в некоторых случаях требуется индивидуальная настройка отдельных портов, коммутаторы могут работать в симметричном или асимметричном режиме. Симметричная коммутация предполагает стандартную скорость обработки пакетов данных для всех портов устройства. Асимметричная же позволяет адаптировать эту скорость для каждого порта в соответствии с потребностями пользователя. Такой процесс возможен за счет расширения полосы пропускания данных. Так, например, при проектировании сервера лучше выбирать именно коммутаторы с асимметричным типом коммутации. Это связано с большой нагрузкой на коммутатор и потребностью в увеличении его пропускной способности. При этом чем больше масштаб коммерческого предприятия, тем большая пропускная способность нужна сетевому оборудованию. Для ее обеспечения сетевой коммутатор включает буфер памяти.

Буфер памяти асимметричного коммутатора

Возможность временного хранения пакетных данных во внутренней памяти – дополнительная функция коммутатора, которая повышает производительность системы и позволяет избежать задержек коммутации. Так, например, сетевое устройство анализирует безопасность трафика и оценивает возможные ошибки конкретного файла. При этом остальные пакеты данных беспрепятственно передаются в соответствии с MAC-протоколом или IP-адресами. Объем буфера памяти зависит от количества портов коммутатора, но он может быть единым или выделенным. Данные с каждого порта хранятся в буфере памяти в соответствии с программными настройками и скоростью обработки отдельного пакета данных, выставленной для каждого порта. Оценить пропускную способность коммутатора или его отдельного порта можно с помощью команды пинг на консоли компьютера при программной настройке оборудования.

Дополнительные функции коммутаторов

Наряду с основной функцией передачи пакетов данных для ряда коммутаторов характерны и второстепенные задачи. Например, иногда ИТ-инженеры используют такие сетевые устройства для подключения элементов ИТ-структуры к интернету. Но в большинстве случаев коммутатор выступает в качестве роутера временно или на тех участках подсети, где нерационально внедрение дополнительных вспомогательных устройств.

Наиболее значимая второстепенная функция коммутатора в рамках сервера – контроль трафика и временное хранение потенциально ошибочных или небезопасных пакетов. Особенно она важна в тех случаях, когда устройство используют для доступа к внешней сети. При этом коммутаторы могут обеспечивать как безопасность внутри сети, так и предоставлять доступ к отдельным доменам каждому участку подсистемы. Это удобно при формировании сервера коммерческого предприятия и установления ограничений для разных подразделений предприятия.

Сетевые коммутаторы – незаменимые элементы объединения составляющих локальной сети в единую ИТ-структуру. При проектировании сервера необходимо ориентироваться не только на количество портов, но учитывать цели и задачи коммутаторов, а также их пропускную способность. Преимущественно для бизнес-проектов выбирают коммутаторы L2 или L2+, которые обеспечивают высокую скорость передачи данных, но также контролируют трафик за счет буфера памяти.

Для корректного выбора сетевого оборудования лучше обратиться к опытным специалистам, которые оценят производительность системы. ИТ-инженеры ittelo.ru помогут выбрать и настроить сетевые коммутаторы для домашних и коммерческих серверов на основе специфики и масштаба ИТ-системы, а также доступного бюджета и планов по масштабированию локальной сети.