Коммутаторы: что это такое, для чего нужны, чем отличаются

Список современного оборудования, использующегося при прокладке сетей достаточно обширен, но «базовыми» устройствами в нем, особенно если речь идет о сетях с большим количеством клиентов, можно считать маршрутизаторы и коммутаторы. О первых мы достаточно подробно рассказали в прошлом материале, поэтому на этот раз поговорим о том, что такое коммутаторы, что делают эти сетевые узлы, а также какие отличия есть между их моделями.

Коммутаторы – что это такое?

Коммутатор (он же Ethernet Switch или просто «свитч») – это отдельный узел, служащий для объединения нескольких устройств в локальную сеть. В отличие от маршрутизатора, подключение производится исключительно по кабелю, то есть, устройство не обеспечивает развертывание беспроводной сети. Собственно, в связи с этим на его панели и располагается большое количество стандартных сетевых разъемов RJ45.

На первый взгляд эта особенность может показаться минусом, так как подключение по Wi-Fi, во-первых, гораздо удобнее, а, во-вторых, позволяет использовать даже такое оборудование, которое не имеет порта для проводного подключения (смартфоны, ультрабуки). На практике же, коммутаторы существуют параллельно с маршрутизаторами и решают несколько другие проблемы. В частности, они могут использоваться:

• Для организации сетевого подключения в тех случаях, когда требуется высокая стабильность и скорость, которую не всегда могут обеспечить беспроводные сети.
• При подключении большого числа пользователей, например, в крупном офисе, где Wi-Fi сеть может быть «зашумлена».
• При создании системы видеонаблюдения с большим количеством камер, передающих изображение на один основной компьютер.
• На промышленных объектах, например, для подключения серии датчиков на разных этапах техпроцесса и сбором данных с них на диспетчерском пульте.
• Для использования провайдерами в качестве центрального узла при подключении отдельных абонентов к единому интернет-каналу, подведенному к многоквартирному дому.

Это далеко не полный список возможных вариантов. Например, в нем отсутствует использование в домашней сети, когда портов на роутере не достаточно для подключения всех основных устройств по проводу. Использовать сетевой свитч можно и в этом случае, но чаще всего здесь ему на смену приходит концентратор или, как его еще называют, хаб. На самом деле, в контексте данного материала разница между ними не очень важна, но именно на ней можно проще всего объяснить, за что отвечает коммутатор.

Принцип работы

Визуально, как и хаб, он отвечает за подключение нескольких устройств к одной сети, однако «внутри», на уровне логики передачи сигнала, он работает иначе.

В локальной сети все данные передаются кадрами (фреймами) – условными единицами информации, состоящими из двух частей: «кусочка» передаваемого файла и сервисной информации (в частности адреса «получателя»). В итоге из серии фреймов и формируется непрерывный поток – трафик. Самый простой пример – изображение с камеры наблюдения, транслируемое на пульт охраны.

Сетевой коммутатор или хаб в данном случае играют роль промежуточного звена, усиливающего сигнал и перенаправляющего кадры от передающего устройства к конкретному получателю. Подобный процесс именуется forwarding или, по-русски, ретрансляция.

Хаб принятый с одного из портов кадр ретранслирует на все остальные порты, «не разбираясь», кому он на самом деле предназначен, поскольку конечное устройство по сервисным данным само определит, нужно ему обработать поступивший фрейм или можно его проигнорировать. Основным минусом в данном случае является загрузка каналов «лишними» данными и сопутствующее снижение пропускной способности, возрастающее вместе с числом подключенных устройств, потому как к каждому из них постоянно будет направляться непрерывный поток кадров. Во многом по этой причине максимальное количество портов на хабе ограничивается 12.

Коммутатор можно назвать более «умным» устройством. В его внутренней памяти содержится матрица MAC-адресов всех подключенных устройств. Изначально она пуста, но во время работы автоматически заполняется, позволяя свитчу точно знать, к какому порту, какое устройство в данный момент подключено. Соответственно, при ретрансляции данных каждый фрейм не передается одновременно на все порты, а направляется исключительно от источника к получателю, не нагружая остальные каналы. Таким образом можно получить существенный прирост скорости передачи данных, а точнее, избежать ее ненужного падения даже при большом количестве клиентов и внушительных объемах передаваемых данных. Число стандартных RJ45-портов в свитчах может достигать 48, но во многих случаях одними ими узел не ограничивается и также оснащается дополнительными типами разъемов для подключения, например, оптического кабеля.

Виды свитчей

Итак, что делают и для чего нужны коммутаторы, разобрались, теперь стоит поговорить об их различиях. Их достаточно много, и по большинству ключевых характеристик устройства делятся на несколько групп.

По управляемости:

• Неуправляемые – работают в полностью автоматическом режиме без необходимости и возможности воздействия со стороны пользователя. Хорошо подходят для небольших сетей, но в случае большого количества подключенных клиентов коммутатор может стать «бутылочным горлышком», ограничивающим пропускную способность.
• Управляемые – поддерживают пользовательское управление через собственный сетевой интерфейс. Оптимальны для крупных компаний.

По классификации в соответствии с эталонной моделью сетевых коммуникаций Open System Interconnect (OSI):

• 2-го уровня – работают только в одном сегменте локальной сети и только с MAC-адресами.
• 3-го уровня – обеспечивают бóльшие возможности подключения за счет поддержки сетевых протоколов IPv4, IPv6, IPX, PPTP, PPPoE, VPN и других.
• 4-го уровня – самые производительные и «мощные» устройства, автоматически анализирующие передаваемые данные и опознающие IP-адреса, протоколы TCP/UDP и прочие параметры.

По типу коммутации:

• Store-and-Forward – полученный кадр получается полностью, проверяется на ошибки и передается далее.
• Cut-through – сквозная передача данных. Считывается только адрес назначения, файл не проверяется на ошибки, поэтому скорость передачи гораздо выше.
• Fragment-free – гибридный режим, в котором считывается адрес и только часть (64 байта) фрейма для проверки.

По ширине пропускания каждого порта:

• Симметричные – все порты имеют одинаковую полосу пропускания, например, строго 100Mbps или 1Gbps.
• Ассиметричные – модели, комбинирующие сразу несколько портов с разной пропускной способностью.

Это далеко не все, чем отличаются коммутаторы, но наиболее основные параметры. Собственно, ими и следует руководствоваться при подборе конкретной модели в соответствии с планируемым вариантом использования.