Přepínání paketů

Síťová zařízení se do sítí přidávají za účelem řešení různých problémů, včetně připojování různých typů médií a škálování sítě přenášením paketů pouze tam, kam potřebují. Směrovače a přepínače jsou však samy o sobě složitá zařízení. Síťoví inženýři mohou budovat celou kariéru tím, že se specializují na řešení pouze malého souboru problémů, které vznikají, když pakety procházejí síťovým zařízením.

Obrázek 1 se používá k diskuzi o přehledu problémového prostoru.

Na obrázku 1 jsou čtyři samostatné kroky:

1. Balíček musí být zkopírován z fyzického média do paměti zařízení; Někdy se tomu říká synchronizace paketů přes síť.
2. Paket musí být zpracován, což obvykle znamená určit správné odchozí rozhraní a paket jakýmkoli způsobem upravit. Například ve směrovači je hlavička nižší úrovně odstraněna a nahrazena novou; Ve stavovém paketovém filtru lze paket zahodit na základě vnitřního stavu atd.
3. Paket musí být zkopírován z příchozího rozhraní na odchozí. To často zahrnuje pohyb po vnitřní síti nebo sběrnici. Některé systémy tento krok přeskakují a používají jeden paměťový fond pro příchozí i odchozí rozhraní; Říká se jim systémy sdílené paměti.
4. Balíček musí být zkopírován zpět na odchozí fyzické médium; To se někdy nazývá synchronizace paketů po drátě.

Poznámka. Malé systémy, zejména ty zaměřené na rychlé a konzistentní přepínání paketů, často využívají sdílenou paměť k přenosu paketů z jednoho rozhraní na druhé. Čas potřebný ke zkopírování paketu do paměti často překračuje rychlost, kterou rozhraní pracují; Systémy se sdílenou pamětí se tomu vyhýbají kopírováním paketů do paměti.

Níže diskutovaný problémový prostor tedy obsahuje následující:

Jak se pakety, které je třeba předat síťovým zařízením, přenášejí z příchozího na odchozí fyzické médium a jak se pakety během cesty zpracovávají? Část řešení tohoto problému je diskutována níže.

Fyzické médium – paměť

Prvním krokem při zpracování paketu přes síťové zařízení je zkopírování paketu z drátu do paměti. Obrázek 2 se používá k ilustraci tohoto procesu Obrázek 2 ukazuje dvě fáze:

Krok 1: Čip fyzického úložiště (čip PHY) zkopíruje každý (nebo logický) slot z fyzického úložiště, které představuje jeden bit dat, do paměťové buňky. Tato paměťová buňka je ve skutečnosti mapována na přijímací kruh, což je sada paměťových buněk (paměťová vyrovnávací paměť) vyhrazených pro jediný účel příjmu paketů synchronizovaných přes síť. Přijímací kruh a veškerá vyrovnávací paměť paketů se obvykle skládá z jediného typu paměti, která je přístupná (sdílená) všemi přepínacími komponenty na přijímací straně linkové karty nebo zařízení.

Poznámka. Kruhová vyrovnávací paměť se používá na základě jediného ukazatele, který se zvýší pokaždé, když je do vyrovnávací paměti vložen nový paket. Například v kruhu zobrazeném na obrázku 2 by ukazatel začínal na slotu 1 a zvyšoval by se přes sloty, jak jsou pakety kopírovány do kruhové vyrovnávací paměti. Pokud ukazatel dosáhne slotu 7 a dorazí nový paket, bude paket zkopírován do slotu 1 bez ohledu na to, zda byl obsah slotu 1 zpracován nebo ne.

Při přepojování paketů je nejnáročnějším a nejobtížnějším úkolem kopírování paketů z jednoho místa na druhé; Tomu se lze pokud možno vyhnout pomocí ukazatelů. Namísto přesunutí paketu v paměti je ukazatel na paměťové místo předán z procesu do procesu v rámci přepínací cesty.

Krok 2: Jakmile je paket synchronizován v paměti, některý místní procesor je přerušen. Během tohoto přerušení lokální procesor odstraní ukazatel na paketovou vyrovnávací paměť obsahující paket z přijímacího kruhu a umístí ukazatel na prázdnou vyrovnávací paměť paketů na přijímací kruh. Ukazatel je umístěn do samostatného seznamu nazývaného vstupní fronta.

Zpracování balíčku

Jakmile je paket ve vstupní frontě, může být zpracován. Na zpracování lze nahlížet spíše jako na řetězec událostí než na jednu událost. Obrázek 3 to ilustruje. Před přepnutím paketu musí dojít k určitému zpracování, jako je překlad síťových adres, protože to změní některé informace o paketu použitém ve skutečném procesu přepínání. Po přepnutí může dojít k jinému zpracování.

Přepínání paketů je poměrně jednoduchá operace:

1. Proces přepínání vyhledá cílovou adresu Media Access Control (MAC) nebo fyzické zařízení v tabulce přesměrování (v přepínačích se tomu někdy říká tabulka přemostění nebo jednoduše tabulka přemostění).
2. Odchozí rozhraní je určeno na základě informací v této tabulce.
3. Paket se přesune ze vstupní fronty do výstupní fronty.

Paket se během procesu přepínání žádným způsobem nemění; je zkopírován ze vstupní fronty do výstupní fronty.

Směrování

Směrování je složitější proces než přepínání. Obrázek 4 to ukazuje.

Na obrázku 4 paket začíná ve vstupní frontě. Potom přepínací procesor:

1. Odstraní (nebo ignoruje) záhlaví nižší vrstvy (např. ethernetové rámce) v paketu. Tato informace se používá k určení, zda má směrovač přijmout paket, ale nepoužívá se během skutečného procesu přepínání.
2. Vyhledá cílovou adresu (a případně další informace) v tabulce přesměrování. Přesměrovací tabulka spojuje cíl paketu s dalším skokem paketu. Dalším skokem může být další směrovač na cestě k cíli nebo samotný cíl.
3. Přepínací procesor pak zkontroluje tabulku pro zjišťování mezivrstvy, aby určil správnou fyzickou adresu, na kterou se má poslat paket, aby se paket doručil o jeden skok blíže k jeho cíli.
4. Pomocí této nové cílové adresy nižší vrstvy se vytvoří nová hlavička nižší vrstvy a zkopíruje se do paketu. Cílová adresa nižší úrovně se obvykle ukládá do místní mezipaměti spolu s celým záhlavím nižší úrovně. Celá hlavička je přepsána v procesu zvaném přepisování MAC hlavičky.

Nyní se celý paket přesune ze vstupní fronty do výstupní.

Proč směrování?

Protože směrování je složitější proces než přepínání, proč směrování? Obrázek 5 bude použit pro ilustraci. Existují alespoň tři konkrétní důvody pro směrování spíše než přepínání v síti. Obrázek 5 ukazuje malou síť jako příklad:

• Pokud je linka [B,C] jiný fyzický typ média než dvě linky spojující hostitele, s různým kódováním, záhlavím, adresováním atd., pak směrování umožní A a D komunikovat bez obav z těchto rozdílů v typech spojení. To by se dalo překonat v čistě přepínané síti pomocí překladu hlaviček, ale překlad hlaviček ve skutečnosti nesnižuje množství práce potřebné pro směrování v přepínací cestě, takže k vyřešení tohoto problému nemá smysl nesměrovat. Dalším řešením může být, že se každý typ fyzického média dohodne na jediném adresování a formátu paketů, ale vzhledem k neustálému vývoji fyzických médií a mnoha různým typům fyzických médií se to zdá nepravděpodobné řešení.
• Pokud by byla přepnuta celá síť, pak by B musely znát úplné informace o dosažitelnosti, konkrétně pro D a E, D a E by musely znát fyzické adresy nebo adresy nižší vrstvy každého zařízení připojeného k hostitelskému segmentu mimo C. V malé síti to nemusí být velký problém, ale ve velkých sítích se stovkami tisíc uzlů nebo globálním internetu by se to neškálovalo – je tu prostě příliš mnoho stavu na správu. Je možné agregovat informace o dosažitelnosti pomocí adresování na nízké úrovni, ale je to složitější než použití adresy vyšší úrovně přiřazené na základě topologického bodu připojení zařízení, spíše než adresy přiřazené výrobcem, která jednoznačně identifikuje čipovou sadu rozhraní.
• Pokud D odešle vysílání do “všech zařízení v segmentu”, A bude přijímat vysílání, pokud B a C jsou přepínače, ale ne, pokud B a C jsou směrovače. Vysílací pakety nelze eliminovat, protože jsou nedílnou součástí téměř každého transportního protokolu, ale v čistě přepínaných sítích představuje vysílání velmi obtížně řešitelný problém škálování. Vysílání je blokováno (nebo spíše konzumováno) na routeru.

Poznámka. Ve světě komerčních sítí se termíny směrování a přepínání často používají zaměnitelně. Důvodem je především historie marketingu. Původně směrování vždy znamenalo „přepnuto v softwaru“, zatímco přepínání vždy znamenalo „zapnuto v hardwaru“. Když byly k dispozici mechanismy přepínání paketů, které dokázaly přepsat hlavičku MAC v hardwaru, byly nazývány „přepínače vrstvy 3“, které byly nakonec zkráceny na jednoduché přepínání. Například většina „přepínačů“ datových center jsou ve skutečnosti směrovače, protože ve skutečnosti provádějí přepisování MAC hlaviček na předaných paketech. Pokud někdo o určitém zařízení hovoří jako o přepínači, je nejlepší se zeptat, zda se jedná o přepínač na 3. vrstvě (správněji nazývaný router) nebo přepínač na 2. vrstvě (správněji komutátor).

Poznámka. Pojmy komunikační kanál a spojení se zde používají jako synonyma. Komunikační kanál je fyzické nebo virtuální kabelové nebo bezdrátové spojení mezi dvěma zařízeními.

Vícecestné stejné náklady

U některých návrhů sítí zavádějí správci sítě paralelní kanály mezi dvěma uzly sítě. Za předpokladu, že tyto paralelní spoje mají stejnou šířku pásma, latenci atd., jsou považovány za stejné co do nákladů. V našem případě jsou kanály považovány za rovnocenné vícecestné cesty (ECMP).

V síťových technologiích se v produkčních sítích často setkáváme se dvěma možnostmi. Chovají se stejně, ale liší se tím, jak jsou kanály seskupeny a spravovány síťovým operačním systémem.

Pokud jste někdy zakládali domácí síť, bojovali s routerem o internet nebo narazili na dráty ve tmě, pak jste pravděpodobně slyšeli o takovém pojmu jako switch. A bez ohledu na to, kolik času uplynulo, je stále zaměňováno s rozbočovačem nebo směrovačem. A pokud neznáte rozdíl, pojďme na to společně přijít. A zároveň si povíme, jak vypínač funguje a k čemu je určen.

2021-03-03 2021-10-18 Marvel market K čemu je přepínač: účel, typy a princip fungování

Co je to jednoduše spínač, rozbočovač, komutátor

Síťový prostor má také své „distributory“, kde uživatelé místo napájení aktivně přenášejí provoz, datové pakety a obrázky koček. Počkej, říkáš. Nedělají se tyto věci přes routery? Proč potom potřebuješ vypínač? Odpověď je celkem jednoduchá. Router je zařízení schopné vyměňovat data s externí sítí, vybavené systémem kódování provozu, IP televizí, WPS a řadou dalších užitečných funkcí. Hlavní rozdíl mezi směrovačem a přepínačem spočívá v tom, že přepínač se zabývá pouze místní sítí: domácí nebo firemní. Pojem „internetový přepínač“ tedy v zásadě neexistuje. Uživatelé místní sítě mají přístup k World Wide Web pouze v případě, že připojí router k hlavnímu portu přepínače. A takhle to většinou funguje.

K čemu je přepínač a k čemu slouží?

Jmenování přepínač při sjednocení mnoha různých zařízení (počítačů, tiskáren, serverů, multifunkčních zařízení atd.) do jedné společné místní sítě, která umožňuje uživatelům vyměňovat si informace. V každé, i té nejmenší síti, kde je několik zařízení, jejichž společnou práci je třeba organizovat, je nutný switch, který slouží jako jakýsi přijímací a třídící bod, přeposílající datové pakety od zdroje k příjemci.

Jaký je rozdíl mezi switchem a hubem?

Koncentrátor (neboli rozbočovač) dělá to samé jako switch – přenáší data přes lokální síť. Rozdíl je v tom, že hub posílá provoz z centrálního stroje (PC, server) na všechny počítače najednou. Ti, kteří to potřebují číst, ti, kteří ne, to ignorují. Pravděpodobnost zachycení paketů je však maximální a zatížení sítě nepřiměřeně vysoké, proto tento „broadcast“ způsob přenosu dat postupně upadá. V případě přepínače se přenos dat provádí na základě adresy. Pokud v prvním případě byl paket s informacemi přijat všemi počítači v síti (5, 10, 100, 1000), pak je v druhém případě vše personalizováno. Nikdo kromě Vasyi nebude moci číst data určená jemu. Odtud druhý název stavědla – výhybka – nebo “výhybka”, protože jako výhybkář na železničním uzlu mění výhybky a směruje “vlak” s informacemi do konkrétního cíle.

Princip činnosti spínače

Základní principy jsme probrali, pojďme tedy ke konkrétním úkolům. Algoritmus přepínačů je založen na samoučícím se systému, aby se pokaždé zlepšil adresní přenos souborů mezi všemi zařízeními v systému (počítače, notebooky, kancelářské vybavení, tiskárny). Před zahájením práce si switch vytvoří přepínací tabulku, kde každému portu přiřadí MAC adresu, ze které je konkrétní zařízení napájeno. Při prvním připojení je tabulka prázdná a přepínač se učí procesy, současně zapisuje data do tabulky a určuje hlavního hostitele (hlavní systém). Pokud se v budoucnu na některém z portů přijme signál pro konkrétní MAC, která je spojena s jedním z portů na přepínači, informace okamžitě poletí ke konečnému příjemci. Pokud MAC a port nejsou propojeny, ale rámeček dorazí, bude rozptýlen po všech volných portech a tím se určí ten správný. Čím více portů přepínače je obsazeno, tím nižší je zatížení, vyšší přenosová rychlost a nižší latence.

Typy přepínačů

• nezvládnutelné (Nespravováno);
• přizpůsobitelné (Smart);
• podařilo se (Spravováno).

Neřízená, jak je patrné z názvu, funguje podle schématu „zapnout, připojit a zapomenout“. Jinými slovy fungují jako klasické síťové extendery a majiteli přidají chybějící počet ethernetových portů. Toto řešení dobře funguje v domácím prostředí (organizace sítě, připojení chytrých technologií, distribuce IP kamer) a malých kancelářích do 10 strojů. Technologie je nenáročná, ale nezvládá hustý provoz. A nebude snadné zkontrolovat systém, pokud se někde na lince něco stane.

Přizpůsobitelné vyvinutý speciálně pro firemní segment se schopností sledovat provoz pro každý konkrétní port. Díky nim můžete sledovat a udržovat topologické protokoly, trunk a konfigurovat různé parametry VLAN, pokud to hardware umožňuje. Kalibrace je základní, ale často to stačí.

Podařilo se, jak jste pochopili, technologicky nejpokročilejší a nejinteligentnější. Jsou vybaveny automatickým i manuálním ovládáním. Správce systému může monitorovat každý port, shromažďovat statistiky provozu a sledovat počet chyb na konkrétním zařízení. Pro velkou síťovou společnost je to obrovské plus. Zvláště pokud někdo rád sedí u torrentů a nepřizná to.

Ve skutečnosti je typologie přepínačů mnohem složitější. Spínače jsou také rozděleny podle úrovní a pozici v hierarchii sítě. A mohou mít různé Funkce и funkce. Ale to vše jsou témata pro samostatné recenze.

Pokud máte stále dotazy ohledně vlastností a funkcí spínačů, můžete se vždy zeptat našich specialistů. Objednejte se na konzultaci a my vám poskytneme všechny potřebné informace.