Казалось бы, что может быть легче, чем объединение компьютеров в информационных сетях? Но не всё так просто: для их работоспособности необходимо, чтобы функционировало достаточно много аппаратуры. Она весьма разнообразна. В данной статье будут рассмотрены представители второго уровня. Итак, что такое коммутатор? Зачем он необходим и как функционирует?

Для чего он необходим? Коммутатор сети - это устройство, которое используется, чтобы соединять несколько узлов компьютерной сети. Он работает на канальном уровне. Технология коммутаторов была разработана с использованием мостового принципа. Особенностью данного прибора является то, что он направляет данные исключительно получателю. Это позитивно сказывается на производительности сети и её безопасности, ведь в таком случае данные не могут попасть не в те руки.

Сколько же стоит коммутатор? Цена на самый дешевый составляет 800 рублей, самый дорогой - 24000.

Принцип работы

У данного прибора существует так называемая ассоциативная память, где хранится таблица коммутации. В ней указывается соответствие узла компьютера определённому порту. Когда сетевой коммутатор только включается, таблица пустая. Сам прибор в таком случае работает только в режиме обучения. Так, если ему передать какие-то данные, то он поочередно передаст их на все свои порты. Во время этого процесса осуществляется анализ полученной информации, а адрес отправителя заносится в таблицу. И если будут получены данные, которые необходимо передать уже идентифицированному пользователю, то всё придёт через указанный ранее порт. Со временем сетевой коммутатор создаст таблицу, в которой будет информация обо всех активных адресах. Также следует выделить то, что данный прибор отличается малой задержкой и высокой скоростью пересылки данных на каждый порт.

Режимы коммутации

Что такое коммутатор, вам уже известно. Но работают ли они по одному принципу или существует несколько подходов их реализации? Ясное дело, что такой сложный механизм может иметь несколько особенных режимов своей работы. Всего их существует три. Каждый из них является комбинацией двух параметров: надёжность передачи данных и время ожидания.

1. С промежуточным хранением. Прибор читает всю информацию, которая есть в пакете. Затем она проверяется на отсутствие ошибок, выбирается порт коммутации, и только после этого осуществляется пересылка данных.
2. Сквозной. Коммутатор читает только адрес, куда необходимо отправить данные, и после этого сразу же коммутирует их. Это очень быстрый режим передачи, но существенным недостатком является то, что может быть отправлен пакет, в котором есть ошибки.
3. Гибридный. В этом режиме анализируются только первые 64 байта пакета данных на наличие ошибок. Если они здесь отсутствуют, то данные отправляются.

Асимметрическая и симметрическая коммутация

Что такое коммутатор, и какой функционал он исполняет, вы уже знаете. Давайте поговорим про передачу данных. Симметрия при коммутации необходима, чтобы дать характеристику самому прибору с точки зрения полосы пропуска, её возможностей для каждого порта устройства. Он позволяет обеспечить одинаковую ширину, когда все порты могут передавать 100 Мб/с или 10 Мб/с.

Асимметричный коммутатор может обеспечить соединение, если у портов различная пропускная способность. Так он спокойно обработает данные, которые идут со скоростью 10, 100 и 1000 Мб/с. Асимметричную коммутацию можно использовать при наличии больших потоков сетевых данных, которые устроены по принципу «клиент-сервер». Чтобы направлять данные с порта, на котором существенно крупнее массив информации, на меньший, используют буфер памяти. Он необходим для того, чтобы не возникало опасности переполнения, и, соответственно, потери данных. Также асимметричные коммутаторы необходимы для поддержания работоспособности вертикальных кросс-соединений и каналов между отдельными сегментами магистралей.

Заключение

Развитие не стоит на месте, и уже на момент написания этой статьи коммутаторы считаются устаревшими устройствами. Конечно, применять их с чисто технической стороны вопроса ещё можно, но сейчас, когда существуют роутеры, которые вобрали в себя их функционал и дополнительно могут обеспечивать передачу данных по беспроводной сети, коммутаторы выглядят довольно бледно.

Организация компьютерной сети невозможна без такого устройства как свитч или подобного ему сетевого оборудования. Существуют различные сетевые устройства, при помощи которых становится возможным формирование локальной сети, организация доступа в Интернет для нескольких компьютеров и прочие задачи сетевой коммутации. Наиболее популярные из таких устройств — это хаб, роутер и свитч. Не все знают, как настроить такого рода устройства, чтобы работа была более комфортной.

Сетевой коммутатор необходим для создания компьютерной сети.

Если роутер (маршрутизатор) служит для соединения и маршрутизации различных сетей, то хаб и свитч — для объединения различных узлов в единую сеть. Выгодное отличие свитча (коммутатора) от хаба (концентратора) в том, что в первом пакеты данных передаются строго по адресу на указанный узел, а не транслируются на все устройства сети. Таким образом, посредством свитча реализуется прямая адресная передача данных между двумя узлами сети, при этом сетевой ресурс используются максимально эффективно. По этой причине в настоящий момент концентраторы практически нигде не используются, они были вытеснены более производительными и безопасными коммутаторами.

Основы работы свитча

Рисунок 1. Схема работы свитча.

Итак, сетевой коммутатор, он же свитч или свич («switch» — переключатель), это вид сетевого оборудования, соединяющего определенное количество узлов (компьютеров) в единый сегмент вычислительной сети и осуществляющего пакетную передачу информации и данных между отельными элементами этой сети.

Свитч имеет в распоряжении несколько портов — разъемов, в которые подключаются компьютеры и прочие сетевые узлы, оборудование и т.д. Связь между портом и узлом осуществляется с использованием обжатого кабеля, так называемой витой пары.

Для такого устройства как свитч 8 портов это норма, но встречаются и более внушительные цифры вплоть до 48 и даже 96. (РИС. 1) В рамках модели OSI данное устройство функционирует на уровне канала, поэтому, как правило, лишь объединяет другие устройства в один сегмент сети, ориентируясь на их идентификационные MAC-адреса.

Объединить несколько отдельных сетей стандартный свитч не может. Для маршрутизации на уровне сетей, например, для организации доступа в интернет на нескольких компьютерах, что является примером включения локальной сети в глобальную, необходим маршрутизатор или же свитч роутер.

Таким образом, в сетевой иерархии OSI коммутатор занимает промежуточное звено между концентратором и маршрутизатором:

1. Концентратор — Физический уровень. Транслирует входящие данные, дублируя их на все используемые интерфейсы.
2. Коммутатор — Канальный уровень. Распределяет данные сугубо адресованным получателям.
3. Маршрутизатор — Сетевой уровень. Связывает различные сетевые сегменты.

Работа коммутатора построена следующим образом. В памяти устройства хранится виртуальная таблица соответствий между MAC-адресами и портами свитча.

MAC-адрес («Media Access Control» — управление доступом к среде), он же Hardware Address — это специальный идентификатор, который присваивается каждому активному элементу или узлу в сети, причем для каждого из них он уникален.

В момент сразу после включения коммутатора его MAC-таблица еще пуста и ее необходимо заполнить, поэтому свитч входит в режим первичного обучения.

Особенность этого режима в том, что данные, поступившие на любой из портов, как и в концентраторе, передаются всем подключенным к устройству узлам в совокупности.

Путем анализа пакетов данных определяется MAC-адрес устройства-отправителя, затем этот адрес привязывается к номеру конкретного порта, из которого эти данные были отправлены. Таким образом, выясняется, к какому порту подключен тот или иной элемент сети, затем эти данные заносятся в таблицу.

Теперь при поступлении данных на любой из портов свитча пакеты, адресованные узлу, имеющемуся в этой таблице, будут направлены на конкретный порт, соответствующий этому узлу, а не транслироваться на все интерфейсы сразу, как это происходит в концентраторе.

Если же в отправляемых данных содержится неизвестный адрес получателя, отсутствующий в таблице, создаются дубликаты пакетов и отправляются на все интерфейсы.

Параллельно с этим новые незнакомые адреса отправителей продолжают записываться в таблицу.

Впоследствии свитч постепенно заполняет свою маршрутную таблицу, включая в нее все связи между внешними компьютерами и собственными интерфейсами, благодаря чему происходит локализация трафика.

Основные типы коммутаторов

Рисунок 2. Примерная схема подключения свитча через модем.

Простейший сетевой коммутатор — это неуправляемый. Такой свитч хоть и может быть настраиваемым непосредственно, но он не имеет поддержки сетевых протоколов управления. Разница между управляемым и неуправляемым коммутатором в том, что благодаря поддержке простого протокола сетевого менеджмента SNMP управляемый свитч позволяет по сети с помощью специализированных программ удаленно конфигурировать себя и управлять своей работой.

Управляемый коммутатор наиболее часто устанавливается в участках сети с осложненной топологией, где требуется особенно тщательный контроль. Наиболее характерные задачи, выполняемые такими устройствами:

• мониторинг сетевого трафика;
• управление конфигурацией интерфейсов (портов);
• организация виртуальных сетей (VLAN);
• объединение группы каналов.

Управляемые свитчи особенны тем, что способны обеспечить широкий спектр функционирования как на канальном, так и на сетевом уровне. Доступ к управлению таким коммутатором можно получить через специальный Web интерфейс, а также посредством командной строки либо различных протоколов (SNMP, Telnet). Помимо всего прочего свитч может использовать различные методы коммутации, разница между которыми обусловлена временем и надежностью передачи информации:

Порядок расположения проводов при «обжиме» кабеля «витая пара».

1. Store and Forward — когда коммутатором производится полное чтение всей информации в кадре данных с целью проверки на наличие ошибок, и лишь затем пакет передается на выбранный порт.
2. Cut-through — процесс коммутации происходит сразу после чтения заголовка кадра данных, где хранится адрес получателя. Благодаря этому удается сократить задержку по времени передачи, однако становится невозможным обнаружить ошибки, что снижает надежность.
3. Fragment-free — усовершенствованный сквозной (Cut-through) режим, при котором пакеты передаются после их предварительной фильтрации.

Такой типа свитча редко используется в домашних условиях, т.к. предназначен прежде всего для коммутации крупных и сложных структур таких, как сети интернет провайдеров, корпоративные локальные сети, центры технической поддержки клиентов и т.д.

Примером такого устройства является гигабитный свитч TL-SG2424 на 24 порта фирмы TP-Link, обладающий массой полезных функций, среди которых: защита от сетевого шторма и распределенных атак, расширенная приоритезация данных QoS, высочайшая скорость работы портов до 1 Гбит/с и другие.

Как сделать настройку свитча и создать свою сеть

Допустим, вы решили создать локальную сеть из нескольких компьютеров в вашем доме и для этой цели выбрали сетевой коммутатор. Перед тем, как настроить свитч и осуществить конфигурацию сети, ее нужно развернуть на физическом уровне, т.е. обеспечить связь каждого компьютера с коммутатором посредством сетевого кабеля. Все соединения между узлами производятся с помощью патч-корда — сетевого коммутационного кабеля на основе витой пары.

Рисунок 3. Примерная схема подключения свитча без модема.

Такой кабель можно сделать и самому, но лучше купить в магазине. Есть два способа, как подключить свитч для его настройки, в зависимости от наличия соответствующих интерфейсов: через специальный консольный порт, через который производится в основном лишь первичная настройка свитча, либо через более универсальный Ethernet порт.

Во втором случае для получения доступа к конфигурации требуется ввести IP-адрес, указанный в документации к устройству.

Подключение к консольному порту не расходует полосу пропускания коммутатора, в чем есть определенное преимущество. Для непосредственной настройки свитча с помощью данного способа нужно запустить эмулятор терминала VT100 (подойдет и стандартный HyperTerminal).

Параметры подключения выбираются соответственно документации. После соединения вводится имя пользователя и пароль.

Настройка осуществляется путем ввода команд и параметров, которые зависят от конкретной модели устройства и должны быть указаны в документации.

Выход в интернет через свитч

Следующим шагом после создания сети и настройки коммутатора является обеспечение всем компьютерам этой сети доступа в интернет. Имея в наличии свитч, можно сделать это быстро, просто и выгодно, без дополнительного подключения к провайдеру отдельно каждого компьютера, даже если интернет подведен всего лишь одним кабелем. В случае, когда услуга интернет предоставлена провайдером стационарной телефонной связи, доступ к всемирной паутине осуществляется посредством ADSL-модема, наиболее распространенные модели которого не имеют более одного порта Ethernet. Соответственно, подключить к нему можно только один компьютер. Для решения этой проблемы не обязательно приобретать дорогостоящий маршрутизатор со встроенным коммутатором, вполне достаточно и обычного свитча. Примерная схема подключения изображена на рисунке. (РИС. 2)

https://сайт/

Из схемы видно, ADSL-модем подключается не к компьютеру, а непосредственно к коммутатору. К нему же подсоединены все компьютеры локальной сети. Очень важный момент здесь — это правильная настройка свитча и параметров соединения компьютеров. У каждого устройства, включая модем, должен быть свой адрес IP внутри единой подсети, повторяться они не должны.

Сейчас, во время всевозможных гаджетов и электронных девайсов, которые переполняют среду обитания обычного человека, актуальна проблема – как эти все интеллектуальные устройства увязать между собой. Почти в любой квартире есть телевизор, компьютер/ноутбук, принтер, сканер, звуковая система, и хочется как-то скоординировать их, а не перекидывать бесконечное количество информации флешками, и при этом не запутаться в бесконечных километрах проводов. Та же самая ситуация касается офисов – с немалым количеством компьютеров и МФУ, или других систем, где нужно увязать разных представителей электронного сообщества в одну систему. Вот тут и возникает идея построения локальной сети. А основа грамотно организованной и структурированной локальной сети – сетевой коммутатор.



ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коммутатор , или свитч - прибор, объединяющий несколько интеллектуальных устройств в локальную сеть для обмена данными. При получении информации на один из портов, передает ее далее на другой порт, на основании таблицы коммутации или таблицы MAC-адресов . При этом процесс заполнения таблицы идет не пользователем, а самим коммутатором, в процессе работы – при первом сеансе передачи данных таблица пуста, и изначально коммутатор ретранслирует пришедшую информацию на все свои порты. Но в процессе работы он запоминает пути следования информации, записывает их к себе в таблицу и при последующих сеансах уже отправляет информацию по определенному адресу. Размер таблицы может включать от 1000 до 16384 адресов.

Для построения локальных сетей используются и другие устройства – концентраторы (хабы) и маршрутизаторы (роутеры). Сразу, во избежание путаницы, стоит указать на различия между ними и коммутатором.

Концентратор (он же хаб) – является прародителем коммутатора. Время использования хабов фактически ушло в прошлое, из-за следующего неудобства: если информация приходила на один из портов хаба, он тут же ретранслировал ее на другие, «забивая» сеть лишним трафиком. Но изредка они еще встречаются, впрочем, среди современного сетевого оборудования выглядят, как самоходные кареты начала 20-го века среди электрокаров современности.

Маршрутизаторы – устройства, с которыми часто путают коммутаторы из-за похожего внешнего вида, но у них более обширный спектр возможностей работы, и ввиду с этим более высокая стоимость. Это своего рода сетевые микрокомпьютеры, с помощью которых можно полноценно настроить сеть, прописав все адреса устройств в ней и наложив логические алгоритмы работы – к примеру, защиту сети.

Коммутаторы и хабы чаще всего используются для организации локальных сетей, маршрутизаторы – для организации сети, связанной с выходом в интернет. Однако следует заметить, что сейчас постепенно размываются границы между коммутаторами и маршрутизаторами – выпускаются коммутаторы, которые требуют настройки и работают с прописываемыми адресами устройств локальной сети. Они могут выполнять функции маршрутизаторов, но это, как правило, дорогостоящие устройства не для домашнего использования.
Самый простой и дешевый вариант конфигурации домашней локальной сети средних размеров (с количеством объектов более 5), с подключением к интернету, будет содержать и коммутатор, и роутер:

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

При покупке коммутатора нужно четко понимать – зачем он вам, как будете им использоваться, как будете его обслуживать. Чтобы выбрать устройство, оптимально отвечающее вашим целям, и не переплатить лишних денег, рассмотрим основные параметры коммутаторов:

• Вид коммутатора – управляемый, неуправляемый и настраиваемый.

1. Неуправляемые коммутаторы – не поддерживают протоколы сетевого управления. Наиболее просты, не требуют особых настроек, стоят недорого: от 440 до 2990 рублей. Оптимальное решение для маленькой локальной сети. Со сборкой локальной сети на их основе справится даже человек, далекий от этих дел – требуется лишь купить сам коммутатор, кабели необходимой длины для подключения оборудования (лучше, в виде атч-корда , т.е. «с вилками» в сборе – не забудьте перед покупкой осмотреть оборудование, к которому будет подключаться кабель, и уточнить, какой именно тип разъема вам понадобится), ну и собрать саму сеть. Простейшая настройка описана в документации к устройству.
2. Управляемые коммутаторы – поддерживают протоколы сетевого управления, обладают более сложной конструкцией, предлагают более широкий функционал – с помощью WEB-интерфейса или специализированных программ ими можно управлять, прописывая параметры подключенной к ним сети, приоритеты отдельных устройств и пр. Именно этот тип коммутаторов может заменять маршрутизаторы. Цена на такие устройства колеблется в диапазоне от 2499 до 14490 рублей. Данный вид коммутаторов представляет интерес для специализированных локальных сетей – видеонаблюдение, промышленная сеть, офисная сеть.
3. Настраиваемые коммутаторы – устройства, которые поддерживают некоторые настройки (к примеру – конфигурирование VLAN (создание подгрупп)), но все равно во многом уступают управляемым коммутаторам. Настраиваемые коммутаторы могут быть как управляемыми, так и неуправляемыми.

• Размещение коммутатора – может быть трех типов:

1. Настольный – компактное устройство, которое можно просто разместить на столе;
2. Настенный – небольшое устройство, которое, как правило, можно расположить как на столе, так и на стене – для последнего предусмотрены специальные пазы/крепления;
3. Монтируемый на стойку – устройство с предусмотренными пазами для монтажа в стойку сетевого оборудования, но которое, как правило, также можно расположить на столе.

• Базовая скорость передачи данных – скорость, с которой работает каждый из портов устройства. Как правило, в параметрах коммутатора указывается сразу несколько цифр, к примеру: 10/100Мбит/сек – это означает, что порт может работать и со скоростью 10Мбит/сек, и 100Мбит/сек, автоматически подстраиваясь под скорость источника данных. Представлены модели с базовой скоростью:

• Общее количество портов коммутатора – один из основных параметров, в принципе именно он больше всего влияет конфигурацию локальной сети, т.к. от него зависит, какой количество оборудования вы сможете подключить. Диапазон лежит в пределах от 5 до 48 портов. Коммутаторы с количеством портов 5-15  наиболее интересны для построения маленькой домашней сети, устройства с количеством портов от 15 до 48  ориентированы уже на более серьезные конфигурации.

• – порты, поддерживающие скорость 100Мбит/сек, бывает до 48 ;
• Количество портов со скоростью 1Гбит/сек – порты, поддерживающие скорость 1Гбит/сек – что особенно актуально для высокоскоростной передачи данных, бывает до 48 ;
• Поддержка РоЕ – если такой параметр есть , то означает, что подключенное к порту с этой опцией устройство можно питать по сетевому кабелю (витой паре), при этом никакого влияния на передающийся сигнал информации не оказывается. Функция особенно привлекательна для подключения устройств, к которым нежелательно, либо невозможно подводить дополнительный кабель питания – к примеру, для WEB-камер.
• SFP-порты  – порты коммутатора для связи с устройствами более высокого уровня, либо с другими коммутаторами. По сравнению с обычными портами могут поддерживать передачу данных на более дальние расстояния (стандартный порт с RJ-45 разъемом и подключенным кабелем «витая пара» поддерживает передачу в пределах 100м). Такой порт не оснащен приемо-передатчиком, это только слот, к которому можно подключить SFP-модуль, представляющий из себя внешний приемо-передатчик для подключения нужного кабеля – оптического, витой пары.

• Скорость обслуживания пакетов – характеристика, обозначающая производительность оборудования, и измеряющаяся в миллионах пакетов в секунду – Мррs. Как правило, подразумеваются пакеты размеров 64 байта (уточняется производителем). Величина этой характеристики различных устройств лежит в пределах от 1,4 до 71,4 Мррs .

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Область применения коммутаторов широка, самые распространенные сферы применения:

• маленькая домашняя локальная сеть , включающая, к примеру, несколько компьютеров, принтер, телевизор и музыкальный центр (при условии, что все оборудование поддерживает сетевое подключение);

Сетевой коммутатор или свитч (с англ. switch - переключатель) - это устройство, выполняющее функцию “умного” соединения нескольких узлов локальной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно адресату. Исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Коммутатор работает на втором канальном уровне модели OSI, и в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

Принцип работы коммутатора

Свитч хранит в энергонезависимой памяти таблицу коммутации, где содержатся пары соответствий MAC-адреса узлу порта коммутатора. При первом запуске коммутатора эта таблица пуста, и утройство работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. Затем свитч анализирует фреймы и, выяснив MAC-адрес отправителя, сохраняет его в таблицу.

В будущем, если на один из портов свитча приходит фрейм для конкретного адресата, MAC-адрес которого уже есть в таблице, посылка отправляет через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес получателя не связан с каким-либо портом коммутатора, то кадр направляется на все порты. Через некоторое время у коммутатора строится полная таблица для всех портов, в результате чего трафик локализуется. Стоит отметить малую задержку и высокую скорость пересылки на каждом порте интерфейса.

Сетевой коммутатор (network switch) – это устройство, используемое в сетях передачи пакетов, предназначенное для объединения нескольких сегментов. В отличие от (router) коммутатор работает на модели , что и определяет главные различия между ними. Коммутатор не занимается расчетом маршрута для дальнейшей передачи пакетов по сети, анализируя различные факторы, как это делает . Switch только передает данные от одного порта к другому на основе содержащейся в пакете информации. Обычно признаком выбора выходного порта служит MAC-адрес устройства, к которому передаются данные. В свою очередь коммутатор в отличие от или не просто транслирует порты ко всем выходам, которые у него есть, а к одному, заранее выбранному.

Пример сети с коммутатором

Сетевые коммутаторы применяются в нескольких , но наибольшее распространение нашли в . Главной их задачей в сети является разделение сети на сегменты. Это особенно актуально в сетях с большим числом рабочих станций, т.к. чем больше оконечных устройств работают одновременно с единой средой передачи данных тем выше вероятность возникновения коллизии (одновременной передачи данных несколькими устройствами) и, следовательно, ниже эффективность работы сети. Коммутатор позволяет разбить единую сеть на несколько сегментов и увеличить число одновременно работающих устройств.

Существую управляемые и неуправляемые коммутаторы. Неуправляемые коммутаторы самонастраиваются после включения в сеть. Они анализируют MAC-адреса всех устройств, подключенных к ним и будут осуществлять коммутацию между портами на основе анализа заголовка пакета, в котором содержится MAC-адресом устройства-получателя. Управляемые коммутаторы предоставляют интерфейс для администратора, который может выполнить его настройку для работы в конкретной сети. Например, есть возможность выбора режима защиты от отказа (в случае работы в паре с резервным коммутатором), объединения нескольких портов в единое направление, настройки приоритетов и резервирования портов и мн. др. Обычно управляемые коммутаторы дороже и используются в емких сетях, с дополнительными требованиями по надежности.

Switch может быть выполнен и в виде небольшой платы на 4 порта и многополочного штатива с возможность интеграции дополнительных устройств и расширения емкости. Также в зависимости от назначения сетевой коммутатор может снабжаться автономным питанием, портами управления и резервирования, охлаждением.