Co nowego w przełącznikach?

Trudno wyobrazić sobie współczesne sieci komputerowe bez przełączników. Ewolucję sieci komputerowych w dużej mierze wyznaczał postęp w dziedzinie przełączania pakietów. Gdy sieci komputerowe raczkowały, większość rozwiązań była realizowana w oparciu o koncentratory. Przełączniki były sprzętem drogim, ale koncentratory pracowały wolno i nie zapewniały odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa sieci. Pojawienie się przełączników zrewolucjonizowało rynek sieci komputerowych. Pojawiały się coraz tańsze i coraz szybsze urządzenia. Ilość technologii wprowadzonych do metod przełączania, zamieniła proste urządzenia w zaawansowane systemy, zapewniające szybki i bezpieczny dostęp do sieci.

Rozwój usług sieciowych, chmury, wirtualizacja powoduje, że architektura przełączników na przestrzeni lat musiała ewoluować. Aktualnie mówimy już nie tylko o zaawansowanych przełącznikach sprzętowych, ale wirtualizacji przełączników i powiązaniach z sieciami definiowanymi programowo. Rozwój przełączników jest szczególnie widoczny na poziomie dostosowania do wymagań nowych technologii poprzez modyfikację mechanizmów STP, czy wprowadzania rozwiązań SDN/NFV.

Jak działa przełącznik?

Przełączniki sieciowe mogą pracować jako urządzenia warstwy L2 lub L3. Pierwsza warstwa L1 zapewnia fizyczną, optyczną i elektryczną specyfikację połączeń, sygnalizację na poziomie bitów, itp. Warstwa druga L2 określana nazwą łącza danych umożliwia wymianę ramek węzłom sąsiadującym w sieci. Warstwa trzecia L3 zapewnia opcję tworzenia ścieżki pomiędzy węzłami źródłowymi i docelowymi. Większość popularnych przełączników pracuje w warstwie L2. Cześć bardziej zaawansowanych urządzeń wspiera warstwę L3. Proste funkcjonalności każdego przełącznika sieciowego to odbieranie informacji z dowolnego źródła i przekazanie tej informacji do określonego miejsca przeznaczenia. Źródło i przeznaczenie to interfejsy/porty przełącznika.

Zobacz również:

Budowa ramki Ethernet

Budowa ramki Ethernet

Pierwowzorem przełącznika był koncentrator sieciowy (hub). Koncentrator przesyłał ramki na wszystkie porty, nie sprawdzał i nie przetwarzał każdej ramki. W dużym uproszczeniu można stwierdzić, że przełącznik sieciowy sprawdza i przetwarza każdą ramkę. Przełącznik mapuje adresy MAC w ramach węzłów każdego przyłączonego segmentu sieci. W przypadku gdy ramka pojawia się na porcie przełącznika, początkowo określany jest adres sprzętowy źródłowy oraz docelowy. Uzyskane adresy są porównywane z tablicą realizującą powiązania segmentów sieci (portów przełącznika) i adresów sprzętowych. Jeżeli adres docelowy widnieje w tablicy powiązań danego segmentu sieci, ramka jest przesyłana w to miejsce. Dodatkowo przełącznik sprawdza czy segmenty sieci źródłowy i docelowy są różne. Przełącznik odrzuca także błędne ramki.

Proste przekazywanie informacji jest spotykane wyłącznie w najstarszych urządzeniach lub najprostszych dostępnych aktualnie urządzeniach. Tego typu urządzenia pracują na poziomie warstwy łącza danych, a każdy port urządzenia stanowi niezależną domenę kolizyjną. Transmisja między dwoma portami nie zakłóca pracy innych portów, nie ma konieczności realizacji retransmisji. W większości przypadków nowoczesne przełączniki wspierają szereg funkcji dostępowych, bezpieczeństwa, diagnozy i monitorowania. Coraz częściej do zaawansowanych funkcjonalności niezbędne jest także wsparcie warstwy L3.

Metody przekazywania pakietów

Przekazywanie pakietów w przełączniku odbywa się w oparciu o kilka podstawowych mechanizmów. Rozwiązania zostały bardzo dobrze opracowane już na etapie założeń i w zasadzie ich rozwój oparty jest głównie o niezależne mechanizmy producentów. Generalnie wyróżniamy cztery metody przekazywania pakietów: store-and-forward, cut-through, forward-free, adaptive-switching.

Mechanizm "store-and-forward" umożliwia weryfikację i sprawdzenie każdej ramki, zanim podjęta zostanie decyzja o jej przekazaniu. Mechanizm ten buforuje na krótki przedział czasowy ramkę i sprawdza pole CRC. Jeżeli ramka nie zawiera błędów jest przekazywana, w przeciwnym przypadku jest odrzucana. Mechanizm "store-and-forward" jest idealny w przypadku, gdy zamierzamy pozbyć się błędów w sieci. Wydajność urządzeń pracujących w tym trybie niestety jest niższa, niż przy wykorzystaniu innych metod.

Właściwości metod przekazywania pakietów

Właściwości metod przekazywania pakietów

Mechanizm "cut-through" powoduje, że przełącznik sprawdza tylko część nagłówka ramki (14 pierwszych bajtów) przed przekazaniem. Metoda ta jest idealna w przypadku konieczności bardzo szybkiego przekazywania ramek, z minimalnymi opóźnieniami. Przykładem mogą być aplikacje multimedialne (wideo, głos), gdzie nawet błędne ramki w niewielkiej ilości nie wpływają na odbiór usługi przez użytkownika.

Połączeniem wymienionych metod jest technologia "fragment-free", która sprawdza pierwsze 64 bajty ramki, co stanowi minimalną wielkość wiadomości zgodnie ze specyfikacją IEEE 802.3. Ramki mniejsze niż 64 bajty nie są przekazywane, ponieważ uznane zostają za błędne. Rozwiązanie "fragment-free" pozwala na dużo szybszą transmisję niż metoda "store-and-forward", a jednocześnie pozwala na uniknięcie wielu błędów występujących w metodzie "cut-through".

Istnieje także metoda "adaptive-switching", która może dynamicznie zmieniać metodę przekazywania ramek. Jeżeli początkowo zostanie wykorzystana metoda "cut-through", a liczba błędów CRC będzie rosła, przełącznik automatycznie rozpocznie pracę z wykorzystaniem metod "forward-free" lub "store-and-forward". W przypadku obniżenia się stopy błędów CRC, przełącznik może powrócić do pierwotnej metody przekazywania. Podobnie można wykorzystać to rozwiązanie to rozwiązania problemów z dużymi opóźnieniami.

Każdy z portów przełącznika, może mieć niezależnie konfigurowaną metodę przełączania. Jeżeli ruch przekazywany jest pomiędzy portem nadawcy i odbiorcy, zawsze wykorzystywana jest bezpieczniejsza metoda przekazywania pakietów. Warto pamiętać, że transmisja pomiędzy portami pracującymi z różnymi prędkościami połączeń (przykładowo 100 i 1000 Mb/s), wymaga zawsze zastosowania metody przekazywania "store-and-forward".

W przypadku architektury przełącznika mamy do czynienia z kilkoma typami rozwiązań. Najprostszym rozwiązaniem jest niezależne urządzenie ze stałą konfiguracją portów. Kolejny poziom zaawansowania są niezależne urządzenia ze stałą konfiguracją portów, które można łączyć w stos. Najwyższy poziom zaawansowania stanowią modularne przełączniki, które mogą być rozbudowywane o karty zawierające określone typy i ilości portów.


TOP 200