Уровни сетевых коммутаторов

Классификация сетевых коммутаторов по уровням происходит согласно модели Open System Interconnection. В сфере сетевого оборудования речь идёт об уровнях, начиная с L1 и до L4, где в каждом уровне предусмотрены собственный функционал и возможности обработки данных.

• Коммутаторы L1 взаимодействуют с физическими сигналами и передают биты данных.
• L2 оперируют на канальном уровне, применяя MAC-адреса, чтобы пересылать кадры между отдельными видами оборудования.
• L3 функционируют на сетевом уровне, применяя IP-адреса для маршрутизации пакетов данных.
• L4 занимаются управлением трафиком на транспортном уровне, для чего пользуются протоколами Transmission Control Protocol и User Datagram Protocol.

Как взаимодействуют системы по модели Open System Interconnection

Модель OSI в простом понимании — это абстрактное описание слоёв сетевых взаимодействий. С её помощью происходит разделение сетевого стека на 7 уровней. Все они выполняют определённые функции в процессе передачи данных между сетевыми устройствами.

Взаимодействие между уровнями происходит вертикально, где каждый служит услугами для вышестоящего уровня и зависит от услуг нижестоящего. Это обеспечивает модульность и упрощает интеграцию различных технологий.

Отличия коммутаторов 2 и 3 уровня

Коммутаторы L2 и L3 отличаются по функциональным возможностям. L2 функционируют на канальном уровне, применяя MAC-адреса, чтобы идентифицировать оборудование и пересылать кадра в рамках одного сегмента сети/VLAN. Они не способны самостоятельно маршрутизировать трафик между разными сетями.

В отличие от них, L3 имеют функционал и коммутаторов, и маршрутизаторов, предоставляя возможности маршрутизации пакетов по IP между сегментами сети/VLAN.

Разница между L2 и L2+

Разница между L2 и улучшенными L2+ состоит в расширенных функциональных возможностях, которые имеют последние. Стандартные L2 ограничиваются пересылкой данных на базе MAC-адресов внутри сегмента сети/VLAN, L2+ имеют дополнительные возможности в сфере поддержки ряда функционала маршрутизации, что обычно относится к уровню L3. Это статическая маршрутизация, маршрутизация между VLAN, поддержка протоколов маршрутизации.

Таким образом, L2+ — это некое промежуточное решение между L3 и базовыми L2-устройствами.

Сетевое оборудование L1

Оборудование L1 работает на физическом уровне OSI, обеспечивая передачу электрических, оптических или любых других разновидностей сигналов. Основной задачей L1 является передача битов данных между устройствами сети без обработки адресов или исправления ошибок. Примеры такого оборудования:

• хабы (репитеры);
• кабели;
• оптоволокно и т.п.

Хабы, например, просто усиливают сигнал и ретранслируют его на все порты, не анализируя содержимое данных. Такое оборудование играет важную роль в построении сетевой инфраструктуры.

Коммутаторы L2

Коммутаторы L2, работающие на канальном уровне OSI, предназначены для пересылки кадров данных внутри локальной сети на основе MAC-адресов. В отличие от оборудования первого уровня, L2 анализируют полученные кадры, читают MAC-адреса и принимают решение о пересылке кадра на конкретный порт.

Это позволяет эффективно использовать пропускную способность сети, поскольку трафик направляется только на необходимые порты, в отличие от хабов, которые рассылают данные на все порты.

Коммутаторы L3

Оборудование такого типа имеет интегрированные функции традиционных коммутаторов L2 и маршрутизаторов, функционируют на сетевом уровне. Они способны не только пересылать данные с учетом MAC-адресов, но и маршрутизировать пакеты по IP. Такой подход позволяет им соединять различные сегменты сети/VLAN, обеспечивая межсетевое взаимодействие.

L3 используют таблицы маршрутизации, что устанавливать подходящие пути передачи данных, что значительно увеличивает производительность сети за счёт уменьшения задержек и повышения эффективности обработки трафика.

Коммутаторы L4

Оборудование функционирует на транспортном уровне, предоставляя углубленный анализ и управление сетевым трафиком. Они способны идентифицировать, классифицировать и обрабатывать трафик на основе портов TCP и UDP, а также других параметров сеанса. Это позволяет L4-устройствам выполнять балансировку нагрузки, приоритизацию трафика и обеспечение качества обслуживания (QoS) на основе типа приложений, используемых пользователями.

Что такое уровень коммутатора?

Уровень коммутатора определяет сложность и способность устройства к обработке сетевого трафика в соответствии с OSI. Уровни L1-L4 отражают их функциональные возможности и область применения в IT-инфраструктуре, начиная от простой отправки данных на физическом уровне (L1) до сложной маршрутизации и управления трафиком на остальных уровнях (L3, L4). Выбор уровня коммутатора зависит от требований к сети:

• необходимая скорость передачи данных;
• уровень безопасности;
• способность к маршрутизации между сегментами сети;
• поддержку высокоуровневых функций управления трафиком.

Особенности L1

Коммутаторы L1 являются самыми базовыми устройствами в иерархии сетевого оборудования, работающими на физическом уровне модели OSI. Основная их задача — передача электрических или оптических сигналов между устройствами без какой-либо обработки адресов или других данных. Устройства L1 не различают кадры данных или пакеты и не участвуют в процессе маршрутизации трафика.

Их применение ограничивается созданием простых соединений в сети, например, подключением компьютеров внутри одного офиса.

Особенности L2

Коммутаторы L2 осуществляют пересылку данных в пределах одной локальной сети на базе MAC-адресов, содержащихся в кадрах Ethernet. Они анализируют приходящие кадры, определяют их целевые MAC-адреса и перенаправляют их к соответствующему порту.

Одной из ключевых особенностей L2 является их способность к обучению: устройство запоминает MAC-адреса, ассоциированные с каждым из своих портов, что позволяет оптимизировать процесс пересылки данных и снизить нагрузку на сеть. Коммутаторы также поддерживают создание виртуальных локальных сетей (VLAN).

Особенности L3

Оборудование такого типа объединяет в себе функциональность L2 с возможностями маршрутизации, поэтому они управляют трафиком между подсетями в рамках одной организации. Эти устройства используют не только MAC-адреса для доставки данных в LAN, но и IP для маршрутизации пакетов на высоком уровне.

Эти устройства могут выполнять динамическую маршрутизацию с использованием протоколов, таких как RIP, OSPF или BGP, адаптируясь к изменениям в сетевой топологии и оптимизируя пути передачи данных.

Дополнительные уровни

Некоторые коммутаторы могут предлагать функции глубокого анализа пакетов (Deep Packet Inspection, DPI) для улучшенного контроля безопасности или поддержку протоколов автоматического распределения видеотрафика. Хотя эти функции не вписываются непосредственно в классическую модель OSI, они расширяют возможности коммутаторов, позволяя адаптировать сетевую инфраструктуру под специфические потребности организации.

Принцип работы коммутатора

Принцип работы коммутатора основан на приеме, обработке и перенаправлении кадров данных между устройствами в сети. Коммутатор получает входящий кадр данных на одном из своих портов, анализирует заголовок кадра для определения целевого MAC-адреса и использует таблицу MAC-адресов для определения порта, на который необходимо переслать кадр.

Если целевой адрес неизвестен, кадр может быть разослан на все порты, за исключением порта приёма. Этот процесс позволяет эффективно управлять трафиком внутри сети, минимизируя коллизии и оптимизируя использование пропускной способности в конкретной сети. Устройства работают в различных режимах, включая store-and-forward, где кадры полностью сохраняются и проверяются на ошибки перед пересылкой, и cut-through, который минимизирует задержку, пересылая кадр сразу после обработки его заголовка.

Режимы коммутации

В работе коммутаторов сети используются различные режимы коммутации, определяющие способ обработки и пересылки кадров данных. Основные режимы коммутации включают:

• Store-and-Forward. В этом режиме устройства выполняет приём всего кадра на входе, выполняет проверку на ошибки, используя контрольную сумму кадра (CRC), и только после этого отправляет его на выход. Этот режим обеспечивает высокую надёжность передачи за счёт уменьшения количества ошибок, но вносит задержку из-за необходимости полной обработки кадра.
• Cut-Through. Коммутатор начинает пересылку кадра на выход почти сразу после того, как определяется его целевой MAC-адрес, не дожидаясь приёма всего кадра. Это снижает задержку передачи данных, но увеличивает вероятность пересылки ошибочных кадров, так как не происходит проверка на ошибки.
• Fragment-Free. Является модификацией режима Cut-Through, где коммутатор читает первые 64 байта кадра перед его пересылкой, что помогает исключить пересылку кадров, повреждённых из-за коллизий, поскольку большинство ошибок происходит в начале кадра.

Симметричная и асимметричная коммутация

Симметричная коммутация предполагает, что коммутатор имеет одинаковую пропускную способность для всех своих портов, обеспечивая равную скорость передачи данных для всех подключённых устройств. Это идеально подходит для сетей, где трафик распределён равномерно и нет необходимости в выделенной большей пропускной способности для определённых узлов.

Асимметричная коммутация обеспечивает различную пропускную способность для разных портов коммутатора. Это позволяет адаптироваться к сетевым условиям, где некоторые устройства или группы устройств требуют большей скорости передачи данных по сравнению с другими. Асимметричная коммутация используется для оптимизации ресурсов сети и повышения её эффективности.

Буфер памяти

Буфер памяти в коммутаторе используется для временного хранения кадров данных перед их пересылкой. Буферизация необходима для обработки ситуаций, когда скорость приёма данных превышает скорость их пересылки, что может происходить из-за разницы в пропускной способности портов или из-за занятости целевого порта. Коммутаторы могут иметь различные стратегии управления буфером, включая статическое и динамическое распределение памяти между портами. Динамическое распределение позволяет более эффективно использовать доступную память, адаптируясь к изменяющимся условиям трафика.

Возможности и разновидности коммутаторов

Коммутаторы могут значительно отличаться по своим возможностям и предназначению:

• Коммутаторы уровня доступа предназначены для подключения конечных устройств к сети. Они обычно имеют большое количество портов с низкой или средней скоростью передачи данных.
• Коммутаторы агрегации (или распределения) используются для увеличения пропускной способности путём агрегации трафика от нескольких коммутаторов уровня доступа.
• Коммутаторы ядра (или основные коммутаторы) предназначены для обработки большого объёма трафика в крупных сетях. Они обеспечивают высокую скорость передачи данных и поддерживают расширенные функции маршрутизации.

Каждая категория коммутаторов обладает уникальными характеристиками и предлагает различные функции управления сетью, безопасности и оптимизации трафика, что позволяет создавать гибкие и масштабируемые сетевые архитектуры.

Специалисты ittelo.ru готовы проконсультироваться вас по всем вопросам выбора, рассказать подробно о характеристиках конкретного устройства, помочь подобрать оптимальный вариант по бюджету и требованиям.