Уровни коммутаторов

Уровни коммутаторов (L1, L2, L3, L4) соответствуют уровням сетевой модели OSI: уровень показывает, по каким данным коммутатор решает, куда отправить трафик. Коммутатор L2 пересылает кадры по MAC-адресам внутри одной сети или VLAN. Коммутатор L3 вдобавок маршрутизирует трафик между VLAN и подсетями по IP-адресам. L2+ стоит между ними: это L2 со статической маршрутизацией и фильтрацией по IP, но без протоколов динамической маршрутизации.

Есть и вторая классификация, которую часто путают с первой, - по роли в сети: коммутаторы доступа, распределения и ядра. Ей посвящён отдельный раздел ближе к концу. А деление по управляемости (неуправляемые, SMART и управляемые) - третья тема, её мы разобрали в статье о том, что такое SMART-коммутатор и чем он отличается от управляемого.

Коммутаторы L2

Коммутатор L2 работает на втором, канальном уровне OSI. Он читает MAC-адрес получателя во входящем кадре, находит его в таблице MAC-адресов и отправляет кадр только в нужный порт. Таблицу коммутатор заполняет сам: запоминает, с какого порта пришёл кадр от каждого устройства. Если адрес получателя ещё неизвестен, кадр уходит во все порты своей VLAN.

Неуправляемый L2-коммутатор этим и ограничивается. Управляемый коммутатор 2 уровня добавляет настройки: VLAN для разделения сети на сегменты, STP против петель, агрегацию портов (LACP) для резерва и ширины канала, зеркалирование порта для диагностики, базовый QoS. Между VLAN такой коммутатор трафик не передаёт, для этого нужен роутер или L3.

Уровень OSI - не единственное деление: существуют ещё виды коммутации - каналов, пакетов и сообщений, с них начинается теория сетей.

Коммутаторы L2+

L2+ - маркетинговое обозначение, единого стандарта у него нет. Разные вендоры пишут Layer 2+, L3 Lite или «L2 с функциями L3», но набор похожий. Это управляемый L2-коммутатор, который вдобавок умеет:

• статическую маршрутизацию между VLAN: на коммутаторе создают интерфейс для каждой VLAN, и трафик между ними идёт без роутера;
• списки доступа (ACL) по IP-адресам и портам TCP/UDP;
• DHCP snooping и привязку IP-MAC-порт - защиту от чужого DHCP-сервера и подмены адресов;
• IGMP snooping, чтобы мультикаст (IP-телевидение, часть систем видеонаблюдения) не заливал все порты.

Протоколов динамической маршрутизации (OSPF, BGP) у L2+ нет, маршруты прописывают вручную. Для офиса с тремя-пятью VLAN (рабочие места, телефоны, камеры, гостевой Wi-Fi) этого хватает с запасом. Сеть для офиса обычно планируют вместе с серверами, и про то, как правильно выбрать сервер для офиса, у нас есть разбор. Для аплинков у управляемых коммутаторов обычно есть порты SFP/SFP+, и модули к ним подбирают отдельно: как подобрать SFP-модули и совместимость с коммутатором, мы рассказали отдельно.

Коммутаторы L3

Коммутатор L3 работает на третьем, сетевом уровне OSI: кроме коммутации по MAC-адресам, он маршрутизирует трафик между VLAN и подсетями по IP-адресам. Для каждой VLAN на нём создают виртуальный интерфейс (SVI) с IP-адресом, и этот адрес становится шлюзом по умолчанию для устройств VLAN. Такие устройства ещё называют многоуровневыми (multilayer) коммутаторами.

От L2+ коммутатор L3 отличается протоколами динамической маршрутизации: OSPF, BGP, у части моделей RIP и EIGRP. Коммутатор сам узнаёт маршруты от соседних устройств, а при отказе канала переводит трафик на резервный путь без участия админа. У ряда вендоров полный набор протоколов открывается старшей лицензией или есть только в старших сериях. Например, у Cisco Catalyst 9200 с базовой лицензией Network Essentials OSPF работает в урезанном режиме для уровня доступа, до 1 000 маршрутов, а BGP в этой серии есть только у компактных 9200CX.

Маршрутизацию L3-коммутатор выполняет в специализированном чипе (ASIC), а не на центральном процессоре, поэтому трафик между VLAN идёт на скорости портов. Плюс можно создавать виртуальные интерфейсы и назначать несколько IP-адресов на один порт - удобно для сложных сетевых конфигураций. Коммутатор ядра обычно стоит в серверной рядом с серверами, поэтому на него распространяются те же требования к серверным помещениям: питание, охлаждение, ограниченный доступ.

Коммутатор L3 имеет большую пропускную способность чем L2?

Нет. Пропускная способность зависит от железа: скорости портов, коммутационной ёмкости (сколько Гбит/с одновременно проходит через коммутатор) и производительности пересылки в миллионах пакетов в секунду. Эти цифры есть в спецификации любой модели. L3-коммутатор с гигабитными портами медленнее L2-коммутатора с портами 10 Гбит/с, хотя функций у него больше.

Маршрутизация между VLAN на L3-коммутаторе тоже заметно не тормозит трафик: её делает тот же чип, что и коммутацию. Узкое место появляется в другой схеме, когда между VLAN маршрутизирует внешний роутер и весь межсегментный трафик упирается в его порт и процессор.

Коммутаторы L3 - более современные, чем L2?

Смотря что понимать под словом «современные». L3 функциональнее: работает с IP-адресами IPv4 и IPv6 и маршрутизирует трафик между подсетями. Но L2 от этого не устарели. В большинстве офисных сетей рабочие места подключают к L2-коммутаторам: они дешевле, проще в настройке и справляются со своей задачей. L3 нужен там, где маршрутизация между VLAN должна идти внутри сети, без похода к роутеру. Выбор определяет задача, мода тут ни при чём.

Откуда взялись эти названия L2, L3?

«L2» и «L3» - сокращения от Layer 2 и Layer 3, уровней сетевой модели OSI. Модель делит передачу данных на семь уровней, каждый из которых решает свою задачу.

L2 - канальный уровень, он отвечает за передачу данных внутри сегмента сети по MAC-адресам. L3 - сетевой уровень, где трафик маршрутизируется между разными сетями по IP-адресам. Всё просто: L2 знает, как доставить кадр внутри сети, а L3 - как переправить пакет между сетями. Обычный коммутатор работает на втором уровне OSI, L3-коммутатор - на втором и третьем.

Сама модель OSI учебная: реальные сети работают на стеке TCP/IP, где уровней меньше, но нумерацию OSI сохранили как общий язык сетевиков. Где в этой схеме находятся другие устройства, мы разбирали в статье о том, на каком уровне модели OSI работает маршрутизатор.

Уровни коммутаторов 1, 2, 3, 4: значение и отличие

• Уровень 1 - физический. Это кабели, разъёмы, электрические и оптические сигналы. Устройства этого уровня не читают адреса: концентратор (хаб) повторяет сигнал во все порты, медиаконвертер переводит его из меди в оптику. «Коммутатором L1» называют разве что матричный коммутатор, который физически соединяет порты, не разбирая трафик.
• Уровень 2 - канальный. Здесь коммутаторы переключают трафик по MAC-адресам и связывают устройства внутри одной сети.
• Уровень 3 - сетевой. Коммутаторы этого уровня маршрутизируют пакеты между подсетями по IP-адресам.
• Уровень 4 - транспортный, протоколы TCP и UDP и их порты. Отдельного класса «коммутаторов L4» в офисных сетях нет: так называют управляемые коммутаторы, которые фильтруют трафик и расставляют приоритеты по номерам портов (ACL и QoS уровня 4). «Коммутаторами L4-7» исторически называли балансировщики нагрузки, которые распределяют соединения между серверами.

Типы взаимодействия систем по сетевой модели OSI

Семь уровней модели OSI сверху вниз по стеку, от кабеля до приложения:

• Физический уровень - передача битов по кабелям, оптике или радиоканалу.
• Канальный уровень - доставка данных между устройствами в одном сегменте сети.
• Сетевой уровень - маршрутизация пакетов между разными сетями по IP-адресам.
• Транспортный уровень - контроль потоков данных, протоколы TCP и UDP.
• Сеансовый уровень - управление сеансами связи, синхронизация, восстановление после сбоев.
• Уровень представления - кодирование данных, чтобы системы с разными форматами понимали друг друга.
• Прикладной уровень - здесь работают приложения и сервисы, с которыми взаимодействуют пользователи.

Что означают уровни коммутаторов L1, L2, L3, L4?

Коротко, в одной таблице: с чем работает каждый уровень и какие устройства на нём находятся.

Отличия коммутаторов 2 и 3 уровня

Главное отличие - в умении маршрутизировать трафик. L2 пересылает кадры внутри одной сети по таблице MAC-адресов. L3 вдобавок передаёт пакеты между сетями по таблице маршрутизации. Грубо говоря, L2 - это почтальон, который разносит письма внутри одного района, а L3 - курьерская служба, которая возит их между городами.

Ниже - типичный набор функций. У конкретной модели он может отличаться, так что перед покупкой сверяйтесь со спецификацией.

Разница между L2 и L2+

L2+ умеет всё, что управляемый L2, и добавляет статическую маршрутизацию между VLAN, ACL по IP-адресам и портам и защиту от подмены адресов. Динамической маршрутизации у него нет, этим он и отличается от L3. Практический смысл L2+ в небольшой сети - заменить связку «L2-коммутатор плюс роутер для маршрутизации между VLAN»: трафик между отделами больше не ходит через роутер и не нагружает его.

Схема сети на L2 и L3: где происходит маршрутизация

Схемы сети L2 и L3 различаются одним: какое устройство служит шлюзом между VLAN. Коммутаторы доступа, кабели и сами VLAN могут быть одинаковыми.

Схема L2: между VLAN маршрутизирует роутер

Все коммутаторы работают на втором уровне, а VLAN доходят до роутера по одному транковому кабелю. Такую схему называют router-on-a-stick. Путь пакета от компьютера бухгалтерии до сервера 1С в другой VLAN:

1. Компьютер отправляет пакет на свой шлюз - IP-адрес роутера в VLAN бухгалтерии.
2. Коммутатор доступа передаёт кадр по транку на роутер.
3. Роутер отправляет пакет обратно по тому же транку, уже в VLAN серверов.
4. Коммутатор доставляет кадр серверу.

Схема дешёвая и простая, но весь трафик между VLAN дважды проходит по кабелю до роутера и упирается в его производительность. Для офиса на 20-30 рабочих мест с небольшим трафиком между сегментами этого хватает.

Схема L3: между VLAN маршрутизирует коммутатор ядра

Шлюзы всех VLAN настроены на L3-коммутаторе в центре сети, коммутаторы доступа остаются L2. Путь того же пакета:

1. Компьютер отправляет пакет на шлюз - виртуальный интерфейс своей VLAN на L3-коммутаторе.
2. L3-коммутатор маршрутизирует пакет в VLAN серверов внутри своего чипа, на скорости портов.
3. Пакет уходит к серверу, не покидая коммутатор.

Роутер в этой схеме остаётся только на границе с интернетом, и L3-коммутатор отправляет к нему всё, что предназначено для внешних сетей. Схема нужна, когда VLAN много и трафик между ними большой: например, рабочие места весь день обращаются к файловому серверу и 1С в серверной VLAN.

Доступ, распределение, ядро: уровни по роли в сети

Вторая классификация уровней описывает место коммутатора в сети. Её называют иерархической, или трёхуровневой, моделью:

• Уровень доступа - коммутаторы, к которым подключают рабочие места, телефоны, камеры и точки доступа. Обычно это L2 или L2+, часто с PoE.
• Уровень распределения (агрегации) собирает коммутаторы доступа этажа или здания. На нём настраивают шлюзы VLAN и правила доступа, поэтому здесь нужен L3.
• Ядро - быстрая магистраль между узлами распределения и серверной. Его задача - пересылать трафик с минимальной задержкой, это тоже L3.

В малом и среднем офисе три отдельных уровня почти не строят. Типичная схема для сети до нескольких сотен мест - свёрнутое ядро (collapsed core): один L3-коммутатор или стек из двух выполняет роль и ядра, и распределения, к нему подключены коммутаторы доступа и серверы. Отдельные уровни появляются в кампусах на несколько зданий. Как подключать коммутаторы доступа к центральному - каскадом, стеком или звездой, - рассказали в статье о том, как соединить коммутаторы L2 между собой.

L3-коммутатор или маршрутизатор

L3-коммутатор маршрутизирует трафик внутри сети, но на границу с интернетом его обычно не ставят. У большинства моделей нет того, что нужно на выходе из сети: трансляции адресов (NAT), VPN, полноценного межсетевого экрана, интерфейсов под разных провайдеров. Например, Cisco Catalyst 9200 NAT не поддерживает совсем, а у Catalyst 9300 он работает только со старшей лицензией Network Advantage.

Отсюда стандартное разделение ролей: L3-коммутатор маршрутизирует между внутренними VLAN, где важна скорость, а маршрутизатор или межсетевой экран стоит на выходе в интернет. Остальные различия собраны в материале о том, чем отличается коммутатор от маршрутизатора.

Какой уровень коммутатора нужен офису

Уровень зависит от того, сколько у вас VLAN и сколько трафика ходит между ними, число сотрудников тут вторично. Ориентиры:

В небольшой сети частая ошибка - ставить L3 «на вырост» на каждый этаж. Маршрутизацию всё равно настраивают в одной точке, и остальные L3-коммутаторы работают как L2, только дороже. Деньги разумнее вложить в один надёжный коммутатор ядра и PoE на доступе. Другие параметры выбора - число и скорость портов, PoE, конструктив - собраны в статье про виды коммутаторов.

Частые вопросы

Что такое L2 и L3 в сетях?

Это второй и третий уровни модели OSI. L2, канальный уровень, отвечает за доставку кадров внутри одной сети по MAC-адресам. L3, сетевой уровень, отвечает за маршрутизацию пакетов между сетями по IP-адресам.

На каком уровне модели OSI работает коммутатор?

Обычный коммутатор работает на втором, канальном уровне. Коммутатор L3 работает на втором и третьем уровнях. Концентратор (хаб), который часто путают с коммутатором, работает на первом, физическом уровне.

Можно ли заменить роутер L3-коммутатором?

Внутри сети - да, маршрутизацию между VLAN L3-коммутатор обычно делает быстрее офисного роутера. На границе с интернетом обычно нет: большинству L3-коммутаторов не хватает NAT, VPN и функций межсетевого экрана.

Что такое L2+ коммутатор?

Это управляемый L2-коммутатор со статической маршрутизацией между VLAN, списками доступа по IP-адресам и портам и защитными функциями вроде DHCP snooping. Протоколов динамической маршрутизации у него нет.

Как узнать уровень коммутатора?

По спецификации. Если из маршрутизации в списке функций есть только Static Routing, это L2+. Если есть протоколы динамической маршрутизации (RIP, OSPF, BGP), это L3. Если маршрутизации в списке нет вовсе, коммутатор работает на втором уровне.