Коммутатор это в автоматизации

Обновлено: 06.07.2024

Сетевой коммутатор — это электронный прибор, объединяющий несколько компьютеров и/или других цифровых устройств в локальную сеть и позволяющий им обмениваться данными. Имеет ещё одно распространённое название — свитч, которое происходит от английского слова switch (коммутатор, переключатель).

Что такое свитч простыми словами

С каждым годом нас окружает всё больше и больше компьютеров, ноутбуков, мобильных и других цифровых устройств. Они используются дома, в офисах, административных и многих других помещениях. Становится всё более актуальной проблема их соединения для передачи данных — такого, которое избавило бы от необходимости переносить информацию, например, на USB-флешке. В недавнем прошлом её решали с помощью концентраторов, но к настоящему моменту их почти вытеснили более интеллектуальные устройства — сетевые коммутаторы, или свитчи. Говоря простыми словами, это — устройства, позволяющие объединить несколько компьютеров в сеть и играющие в ней роль её ядра. Это действительно удобно, причём в самых разных ситуациях:

на предприятии или в офисе, в котором установлено большое количество компьютеров, сетевых принтеров и другой цифровой техники;

в небольшой домашней локальной сети — к примеру, состоящей из нескольких компьютеров, ноутбука и современного телевизора;

в составе масштабной системы видеонаблюдения с большим количеством камер;

в промышленной сети с многочисленными датчиками, контролирующими техпроцессы и передающими данные на диспетчерский пункт;

вомногих других случаях.

Принцип работы коммутатора

За вопросом о том, что такое коммутатор, закономерно следует ещё один: по какому принципу он работает? Всё одновременно и просто, и сложно. Свитч получает данные от обращающихся к нему устройств и постепенно заполняет таблицу коммутации их MAC-адресами. При последующих обращениях коммутатор считывает адрес устройства-отправителя, анализирует таблицу коммутации и определяет по ней, на какое устройство нужно переслать данные. Прочие компьютеры при этом не «знают» о факте передачи информации, поскольку она не имеет к ним отношения. Благодаря этому обеспечивается работа сети в так называемом полнодуплексном (full duplex) режиме.

Выше был описан принцип действия так называемого неуправляемого коммутатора, который работает на втором (канальном) уровне OSI. Помимо таких, существуют более продвинутые модели, работающие на третьем и четвёртом уровнях. Они значительно функциональнее, поскольку допускают ручное управление (в частности, через интерфейс командной строки), поддерживают QoS, VLAN, зеркалирование, обнаружение штормов трафика, ограничение скоростей передачи данных для разных портов и многие другие полезные функции. Такие устройства включают в состав сложных и разветвлённых сетей — в частности, тех, что развёрнуты на больших предприятиях.

Режимы коммутации

Есть три режима, в которых свитч передаёт данные узлам-адресатам. Ключевые особенности каждого режима — степень надёжности передачи и связанное с ней время ожидания.

Первый режим называется Cut-Through — сквозной. Свитч принимает данные, считывает из них только адрес узла-получателя и без каких-либо дополнительных проверок отправляет их по назначению. Время ожидания в этом случае минимально, но возникает вероятность передачи данных с ошибками.

Второй режим называется Store and Forward — с промежуточным хранением. Коммутатор не только считывает адрес получателя, но и анализирует всю поступившую информацию с целью поиска ошибок. Лишь после этого данные передаются по назначению. Время ожидания в сравнении с предыдущим режимом увеличивается — оно необходимо свитчу для проверки.

Третий режим называется Fragment-Free — бесфрагментный, или гибридный. Он представляет собой сочетание двух описанных выше режимов. Коммутатор принимает кадр данных, считывает адрес получателя, а затем проверяет информацию на предмет ошибок, но не всю, а лишь первые 64 байта. После проверки свитч отправляет данные получателю.

Условия передачи данных непостоянны — они меняются со временем. Полезно иметь коммутатор, в котором реализована адаптивная подстройка под эти условия. В начале работы такое устройство включает сквозной режим коммутации для всех портов. Затем те порты, на которых появляется слишком много ошибок, автоматически переводятся в гибридный (бесфрагментный) режим. Наконец, если и после этого ошибок остаётся слишком много, порты переводятся в режим с промежуточным хранением данных.

Отличие коммутатора (switch) от концентратора (hub)

В недавнем прошлом были широко распространены концентраторы (hub). Эти устройства работают на основе широковещательной модели. Выражаясь проще, концентратор, принимая сетевой трафик, просто рассылает его всем без исключения подключенным к нему устройствам. Функция определения адресата, которая есть в коммутаторе, в нём не реализована, и в этом — основное отличие hub от switch. Широковещательная передача данных таит как минимум два подводных камня: во-первых, она сильно загружает сеть и заметно замедляет передачу данных, во-вторых, она влечёт риск появления большого количества ошибок, особенно — при добавлении в сеть новых компьютеров. Использование сетевых коммутаторов избавляет от этих проблем — и именно поэтому эти устройства к настоящему времени почти вытеснили собой концентраторы.

Отличие коммутатора (switch) от маршрутизатора (router)

Коммутатор более функционален, чем концентратор, но ещё больше функций реализовано в маршрутизаторе (или, как его ещё называют, роутере). Это устройство работает на третьем уровне OSI и отвечает не только за распределение трафика по узлам-адресатам, но и за связь между разными сетями с отличающимися архитектурами. В его память записана таблица маршрутизации, на основе данных из которой router решает, куда следует переслать поступивший пакет данных. Пересылка выполняется в соответствии с правилами, заданными администратором при настройке маршрутизатора.

Роутер позволяет снизить загрузку сети, разделяя её на широковещательные домены и фильтруя пакеты. Он даёт возможность объединить Ethernet-сеть и соединения WAN — например, для организации выхода в Интернет. В этом случае маршрутизатор не только транслирует адреса, но и играет роль межсетевого экрана, обеспечивая тем самым информационную безопасность. По сути, любой маршрутизатор — это миниатюрный компьютер с большим количеством настраиваемых параметров. К слову, именно поэтому роль роутера может играть любой персональный компьютер — при условии, что на нём установлено и настроено специализированное программное обеспечение для маршрутизации.

Как выбрать коммутатор

В продаже представлено великое множество моделей коммутаторов, которые существенно отличаются друг от друга как по функциональности, так и по цене. IT-специалисту нужно знать основные характеристики свитчей (читай — критерии выбора).

Базовая скорость передачи

В большинстве случаев в характеристиках коммутаторов указано сразу несколько значений скорости (пример записи — 10/100 Мбит/сек). Нужно ориентироваться на высшее значение — это максимум для данного устройства. Если данные будут поступать на свитч со скоростью меньшей, чем этот максимум, он автоматически подстроится под неё. Модели верхнего ценового диапазона могут работать на скоростях 10/20/100/200/1000/2000Мбит/сек. Принимайте во внимание особенности вашей сети и характеристики входящих в неё устройств и делайте правильный выбор.

Количество портов

В продаже представлены модели с количеством портов от 5 до 48. Выбирайте свитч с учётом не только фактического количества устройств, которые будут к нему подключены немедленно, но и перспективы расширения сети в будущем. Опыт показывает, что для сетей, развёрнутых дома и в небольших офисах, оптимальны коммутаторы с количеством портов от 5 до 15. Для предприятия подойдёт устройство с количеством портов от 15 до 48.

Исполнение (способ установки)

настольные коммутаторы. Это — компактные модели для небольших сетей. Они не вызывают ни малейших сложностей при установке — их можно просто положить на стол;

настенные модели. Также сравнительно компактны, однако имеют специальные пазы, позволяющие зафиксировать их на стене. Как показывает опыт, многие настенные свитчи можно и не крепить на вертикальном основании, а просто положить на стол;

стоечные коммутаторы. В эту категорию входят наиболее продвинутые модели для предприятий, которые устанавливаются в стандартную 19-дюймовую стойку для телекоммуникационного оборудования.

Возможность управления

Одну категорию образуют неуправляемые коммутаторы. Они не позволяют выполнить тонкую настройку, что минус для крупного предприятия, но плюс для использования дома или в небольшом офисе. Неуправляемые модели, как правило, компактны и имеют невысокую стоимость.

Ко второй категории относятся управляемые модели. Они допускают гибкую настройку с помощью специализированного ПО или web-интерфейса. Администратор может менять многочисленные параметры управляемого коммутатора — приоритеты подключенных устройств, общие параметры сети и другие. Такие модели хорошо подходят для использования в сложных и разветвлённых сетях, однако для их настройки нужны специальные познания и определённый опыт.

Поддержка PoE

Выбирайте коммутатор с этой функцией, если вам нужна подача питания к устройствам непосредственно по сетевому кабелю (витой паре). Один из возможных примеров — IP-камеры, включенные в локальную сеть. PoE (Power over Ethernet) — очень удобная функция: она избавляет от необходимости использовать силовые кабели, нисколько не снижая качество передачи данных.

Наличие портов SFP

Свитч с такими портами понадобится, если нужно соединить его с другими коммутаторами или устройствами более высокого уровня. Обратите внимание: SFP — это лишь порт, в него нужно предварительно установить специальный модуль, который, в свою очередь, даст возможность нестандартного подключения (например, по оптоволокну).

Наличие функции энергосбережения

Коммутаторы с такой функцией становятся всё более востребованными — играет роль растущий интерес к защите экологии. Эти интеллектуальные модели следят за подключенными к ним устройствам, выявляют неактивные порты и временно переводят их в спящий режим. Производители утверждают, что функция энергосбережения, реализованная в свитчах, позволяет сэкономить до 80% (!) электроэнергии.

Поддержка VLAN

Выбирайте модель с такой функцией, если нуждаетесь в логическом разграничении отдельных участков локальной сети. Вы сможете создать свои сегменты для разных отделов, подразделений и филиалов компании, организовать сеть общего доступа.

Наличие функции сегментации трафика

Коммутаторы с такой функцией позволяют настраивать порты или их группы так, чтобы они были полностью отделены друг от друга, но при этом имели доступ к серверу.

Поддержка стекирования

Устройство с такой функцией понадобится, если вам нужно создать единый логический коммутатор с количеством портов большим, чем 48. Несложно понять, что поддержка стекирования требуется в масштабных, разветвлённых сетях, развёрнутых на крупных предприятиях.

Наличие защиты от широковещательного шторма

Одно из частных проявлений такого шторма — DDoS-атака на локальную сеть. Если в последнюю входит обычный коммутатор без защиты от широковещательного шторма, в результате атаки вся сеть может попросту «лечь». Модели, в которых такая защита реализована, выявляют флуд и своевременно отсекают его, благодаря чему сеть остаётся стабильной.

В сетевом пространстве тоже есть свои «распределители», где вместо электропитания пользователи активно передают трафик, пакеты данных и картинки с котиками. Погодите, скажете вы. Разве такие вещи делаются не через роутеры? Зачем тогда нужен коммутатор? Ответ достаточно прост. Роутер (или маршрутизатор) — это устройство, способное обмениваться данными с внешней сетью, оснащенное системой кодировки трафика, IP-телевидением, WPS, и еще массой полезных функций.

Основное, чем отличается роутер от коммутатора, — тем что последний имеет дело только с локальной сетью: домашней либо корпоративной. Таким образом понятия «свитч для интернета» в принципе не существует. Доступ к всемирной паутине пользователи локальной сети могут получить лишь в том случае, если к главному порту коммутатора присоединить роутер. И примерно так это обычно и работает.

Для чего нужен коммутатор и что он делает

Назначение коммутатора в том, чтобы объединять множество разных устройств (компьютеров, принтеров, серверов, МФУ и прочих) в одну общую локальную сеть, позволяя её пользователям обмениваться информацией. В любой сети, даже самой маленькой, где есть несколько устройств, чью совместную работу нужно организовать, требуется коммутатор, который служит своеобразным приемно-сортировочным пунктом, переправляющим пакеты данных от источника к адресату.

Чем отличается коммутатор от концентратора

Концентратор (иначе хаб) занимается тем же самым, что и коммутатор — передает данные по локальной сети. Отличие состоит в том, что хаб рассылает трафик от центральной машины (ПК, сервер) сразу всем компьютерам. Кому надо, тот читает, кому не надо — игнорирует. Однако при этом вероятность перехвата пакетов максимальна и неоправданно высока нагрузка на сеть, из-за чего подобный «широковещательный» способ передачи данных постепенно выходит из употребления.

В случае с коммутатором передача данных ведется адресно. Если в первом случае пакет с информацией получали все ПК в сети (5, 10, 100, 1000), то во втором — всё персонифицировано. Данные, предназначенные для условного Васи, никто кроме него прочесть не сможет. Отсюда второе название коммутатора — switch — или «переключатель», поскольку он, как стрелочник на железнодорожной развязке, переводит стрелки, направляя «состав» с информацией в конкретный пункт назначения.

Принцип работы коммутатора

Основные принципы мы разобрали, так что переходим к конкретным задачам. Алгоритм работы свитчей построен на системе самообучения, чтобы с каждым разом улучшать адресную передачу файлов между всеми устройствами в системе (компьютеры, ноутбуки, оргтехника, принтеры).

Перед началом работы свитч создает таблицу коммутации, привязывая каждому порту тот MAC-адрес, от которого запитывается конкретное устройство. При первичном подключении таблица пустая, а коммутатор обучается процессам, параллельно записывая данные в табличку и определяя основной хост (головную систему).

В дальнейшем, если на один из портов поступит сигнал для определенного MAC, который ассоциируется у свитча с одним из портов, информация сразу же полетит конечному адресату. Если же MAC и порт не связаны, а фрейм прилетел — его разбросают по всем свободным портам, таким образом определив нужный. Чем больше портов коммутатора занято, тем ниже загрузка, выше скорость передачи, меньше задержки.

Типы коммутаторов

Современные устройства можно разделить на три ключевых категории:

неуправляемые (Unmanaged);
настраиваемые (Smart);
управляемые (Managed).

Неуправляемые, как можно определить из названия, работают по схеме «включил, подключил и забыл». Иным словами, они работают как классические сетевые удлинители, добавляя владельцу недостающее число Ethernet-портов. Такое решение отлично показывает себя в домашних условиях (организация сети, подключение умной техники, разводка IP-камер) и небольших офисах до 10 машин. Техника нетребовательна, но выдержать большой трафик неспособна. Да и проверить систему, если что-то где-то произойдет на линии, будет непросто.

Настраиваемые разработаны как раз под корпоративный сегмент с возможностью отслеживания трафика для каждого конкретного порта. Благодаря им можно отслеживать и поддерживать протоколы топологии, транковать и настраивать различные параметры VLAN, если железо это позволяет. Калибровка базовая, но зачастую и этого хватает.

Управляемые, как вы поняли, самые технологичные и умные. Для них предусмотрено автоматическое и ручное управление. Системный администратор может мониторить каждый порт, снимать статистику по трафику, отслеживать количество ошибок до определенного устройства. Для крупной сетевой компании это огромный плюс. Особенно, если кто-то любит посидеть на торрентах, и не признается в этом.

В действительности, типология коммутаторов значительно сложнее. Коммутаторы также подразделяются по уровням и положению в иерархии сети. И могут иметь разные характеристики и функции. Но всё это — темы для отдельных обзоров.

Если у вас еще остались вопросы по характеристикам и функциям коммутаторов, вы всегда можете задать их нашим специалистам. Закажите консультацию, и мы предоставим вам всю требуемую информацию.

Устройства серии ProView обладают преимуществами как управляемых, так и неуправляемых коммутаторов, и представляют собой простое и экономически выгодное решение, позволяющее централизованно управлять всеми системами и диагностировать неполадки в сетях (рис. 1).

Рис. 1. Использование коммутатора ProView в промышленной сети

Коммутаторы ProView поддерживают протоколы Modbus/TCP и SNMP, которые дают возможность программному обеспечению систем автоматизации и ИТ-приложений контролировать состояние устройств. Программные пакеты SCADA, такие как Wonderware InTouch, Advantech WebAccess, WinCC, iFix, а также системы сетевого управления (NMS), например SNMPc и OpenNMS, могут следить за состоянием коммутатора в режиме реального времени. Устройства серии ProView поддерживают технологию QoS на портах для детерминированной передачи данных, что позволяет данным от выделенных VIP-портов иметь более высокий приоритет по сравнению с обычными портами.

В коммутаторах используются только высококачественные компоненты, которые позволяют устройству работать в широком температурном диапазоне –40…75 °С и гарантируют высокий уровень защиты от электромагнитного излучения.

Реализуемые устройствами функции:

связь с программным обеспечением HMI и SCADA с помощью Modbus/TCP;
связь с системами сетевого управления NMS с помощью SNMP;
технология QoS на портах для детерминированной передачи данных;
высокий уровень защиты от электромагнитного излучения в жестких внешних условиях;
экономия энергии по стандарту технологии энергосбережения для Ethernet IEEE 802.3az;
jumbo-кадры с размером до 9,216 байт;
резервированное питание с двумя входами для источников номинала 12–48 В VDC и P-Fail реле;
обнаружение петель в сети.

Рассмотрим подробнее, каким образом реализованы и какие преимущества предоставляют указанные возможности.

Связь с программным обеспечением HMI и SCADA с помощью Modbus/TCP

Коммутатор ProView поддерживает протокол Modbus/TCP, что позволяет большому количеству SCADA-систем, таких как InTouch, InduSoft, WinCC и iFIX, получать информацию и данные о состоянии устройства. Это дает возможность приложениям HMI/SCADA контролировать и управлять всем оборудованием, включая коммутаторы ProView и устройства ввода/вывода.

В приведенном ниже примере используется сервер SCADA (TPC-651H) с установленным программным обеспечением InTouch компании Wonderware, а также коммутатор ProView (EKI-5526) с подключенными аналоговым (ADAM-6017) и дискретным (ADAM-6050) модулями ввода/вывода Modbus/TCP. Топология сети отображена на рис. 2.

Рис. 2. Типичная топология промышленной сети

Для обращения к нужному адресу памяти в коммутаторе ProView сервер SCADA использует протокол Modbus/TCP. Подключаясь таким образом, можно получить различную информацию, например имя устройства, версию прошивки, MAC- и IP-адреса, а также данные о количестве подключенных и отключенных портов, о скорости передачи данных. В дальнейшем, используя эти данные, инженер может продиагностировать любые неполадки в системе. В случае потери сигнала от конечного устройства, согласно отображаемой в SCADA информации о состоянии сети и устройств, можно установить, была ли причина потери сигнала связана с неполадками в сети или с ошибкой в работе конечного устройства. К примеру, как показано на рис. 2 и 3, считывая с коммутатора ProView состояние 4-го порта с помощью протокола Modbus/TCP по адресу памяти 34100, можно установить, что связь была потеряна. В результате на экране SCADA индикатор состояния 4-го порта будет отображаться красным. Таким образом, можно предположить, что причина пропажи сигнала была вызвана отключением сетевого кабеля, неисправностью вольтметра или ошибкой работы модуля ADAM (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Информация о состоянии портов коммутатора, входов и выходов модулей, отображаемая в SCADA-системе. Красный прямоугольник указывает на то, что 4-й порт отключился

Кроме отображения базовой информации о состоянии устройств и портов, коммутатор ProView предоставляет подробную статистику работы порта, включая данные о количестве подключенных устройств, одноадресных и многоадресных пакетов, скорости передачи данных, а также числа возникших ошибок. Такие данные позволяют инженерам контролировать состояние и отслеживать подробную статистику работы сети с любого программного обеспечения HMI/SCADA, поддерживающего протокол Modbus /TCP. Информация, которую можно получить с помощью коммутатора ProView, указана в таблице 1.

Рис. 4. Информация о состоянии сети в SCADA-системе InTouch компании Wonderware, получаемая с помощью EKI-5526

В программных продуктах HMI/SCADA, таких как InTouch, отображение адресов и подключение протокола Modbus/TCP является первоначальным шагом в настройке системы.

Связь с системами сетевого управления NMS с помощью SNMP

Коммутаторы ProView поддерживают протокол SNMP (Simple Network Management Protocol), который используется в работе с системами управления сетями NMS (Network Management System), такими как SNMPc, SusuAccess NMS и OpenNMS, осуществляющими контроль состояния, управление и конфигурацию устройства, а также формирующими уведомление о происходящих событиях. Это позволяет ИТ-специалистам осуществлять контроль и управление в сетях и устранять неисправности в случае возникновения неполадок.

В промышленных условиях, таких как производство, где тысячи сенсорных устройств ежесекундно обмениваются данными между собой, самым важным требованием является стабильная и быстрая работа сети. Протокол SNMP широко используется инженерами для мониторинга сетевых устройств, а системы управления сетями NMS предоставляют интуитивно понятную топологию сети и позволяют контролировать состояния всех устройств в режиме реального времени, аналогично примеру на рис. 5.

Рис. 5. Система управления сетями SNMPc

Чтобы получить внутреннюю информацию о конкретном устройстве, которая не поддерживается стандартными базами данных MIB, Advantech предоставляет дополнительный файл MIB, который позволяет программному обеспечению NMS получать нужные данные. Для добавления частной базы MIB в систему управления сетями необходимо скомпилировать данный файл в базу данных, например с помощью SNMPs, как показано на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Добавление частной базы MIB в стандартные базы данных программного обеспечения NMS

Кроме мониторинга устройства, коммутаторы серии ProView позволяют управлять или настраивать конфигурацию через протокол SNMP. Установка и конфигурация расположения, режима и IP-адреса устройства, маски подсети, шлюза по умолчанию, чтение и запись названия группы могут быть настроены непосредственно с помощью программного обеспечения NMS.

Рис. 7. Информация об устройстве, предоставленная собственными и стандартными базами данных MIB

Коммутаторы ProView предоставляют статическую информацию о состоянии портов, включая подсчет количества одноадресных, многоадресных и широковещательных пакетов для каждого порта Ethernet (табл. 2).

Таблица 2. Состояние портов коммутатора ProView со статистикой, полученные с помощью программного обеспечения SNMPc

Технология QoS на портах для детерминированной передачи данных

Коммутатор имеет два выделенных VIP-порта с высоким приоритетом, которые могут использоваться для детерминированной передачи данных. Соотношение приоритетов между выделенным и обычным портами составляет 1,5:1. Принцип действия приоритетов можно рассмотреть на примере, когда два потока данных поступают на порт коммутатора в одно и то же время. Как показано на рис. 9, поток данных 1 поступает от 1-го VIP-порта в 5-й порт, и в то же время поток данных 2 отправляет данные с обычного 3-го на 5-й порт. В этом случае поток данных 1 получает на 50% больше доли пропускной способности 5-го порта, чем поток 2. Таким образом, порты, поддерживающие технологию QoS, предоставляют более важным данным высокий приоритет для их передачи в загруженной сети.

Рис. 9. Порт коммутатора с поддержкой технологии QoS

Экономия энергии с энергоэффективным стандартом Ethernet IEEE 802.3az

Коммутаторы ProView полностью отвечают требованиям стандарта Energy-Efficient Ethernet (IEEE 802.3az).

Поддержка стандарта IEEE 802.3az позволяет портам коммутаторов серии ProView переключаться между состояниями более высокого потребления питания (режим передачи данных) и пониженного энергопотребления (режим бездействия) в зависимости от количества проходящих через них данных. Это позволяет экономить до 60% электроэнергии, что уменьшает энергозатраты и обеспечивает производительность промышленного класса и стабильность (рис. 10).

Рис. 10. Стандарт IEEE 802.3az позволяют коммутаторам ProView экономить до 60% электроэнергии

Jumbo-кадры с размером до 9,216 байт

Все коммутаторы ProView поддерживают jumbo-кадры с размером до 9,216 байт. Сверхдлинные Ethernet-кадры значительно увеличивают пропускную способность, уменьшая при этом нагрузки на центральный процессор.

Обнаружение петель в сети

Все коммутаторы ProView имеют встроенную функцию обнаружения петель со светодиодной индикацией.
Это позволяет предотвратить неполадки в случае ошибок при создании сложных сетей, когда существует вероятность случайного подключения устройства неверным кабелем, что может привести к образованию петли и, следовательно, к возникновению широковещательного шторма, что в худшем случае может вывести устройства из строя (рис. 11).

Светодиод индикации Loop на коммутаторе ProView в случае возникновения петли оповещает инсталлятор, и только что сделанное подключение удаляется.

Рис. 11. Индикация обнаружения петли

Заключение

Благодаря поддержке протоколов Modbus/TCP и SNMP, устройства серии ProView являются первыми в мире коммутаторами, которые объединяют управление промышленными и информационными сетями в единое целое. Серия ProView обладает свойствами как управляемых, так и неуправляемых коммутаторов и представляет собой простое и экономически выгодное решение для создания сложных промышленных сетей.

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.

– 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. – 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.

Читайте также: