Переключатель перенаправляет входной сигнал на все выходные порты

Обновлено: 21.11.2024

<р>1. Повторитель — повторитель работает на физическом уровне. Его задача состоит в том, чтобы регенерировать сигнал по той же сети до того, как сигнал станет слишком слабым или искаженным, чтобы увеличить длину, на которую сигнал может передаваться по той же сети. Важный момент, который следует отметить в отношении повторителей, заключается в том, что они не усиливают сигнал. Когда сигнал становится слабым, они копируют сигнал по крупицам и восстанавливают его с исходной силой. Это двухпортовое устройство.

<р>2. Концентратор — концентратор — это, по сути, многопортовый повторитель. Концентратор соединяет несколько проводов, идущих от разных ответвлений, например, разъем в звездообразной топологии, соединяющий разные станции. Концентраторы не могут фильтровать данные, поэтому пакеты данных отправляются на все подключенные устройства. Другими словами, домен коллизий всех хостов, подключенных через Hub, остается единым. Кроме того, у них недостаточно интеллекта, чтобы найти лучший путь для пакетов данных, что приводит к неэффективности и потерям.

Активный концентратор. Это концентраторы с собственным источником питания, которые могут очищать, усиливать и передавать сигнал вместе с сетью. Он служит как ретранслятором, так и центром коммутации. Они используются для увеличения максимального расстояния между узлами.
Пассивный концентратор. Это концентраторы, которые собирают проводку от узлов и источник питания от активного концентратора. Эти концентраторы передают сигналы в сеть без их очистки и усиления, и их нельзя использовать для увеличения расстояния между узлами.
Интеллектуальный концентратор. Работает как активные концентраторы и включает возможности удаленного управления. Они также обеспечивают гибкие скорости передачи данных для сетевых устройств. Это также позволяет администратору отслеживать трафик, проходящий через концентратор, и настраивать каждый порт в концентраторе.

<р>3. Мост. Мост работает на канальном уровне. Мост — это повторитель с дополнительными функциями фильтрации содержимого путем считывания MAC-адресов источника и получателя. Он также используется для соединения двух локальных сетей, работающих по одному и тому же протоколу. Он имеет один входной и один выходной порт, что делает его двухпортовым устройством.

Типы мостов

Прозрачные мосты: это мосты, в которых станции совершенно не знают о существовании моста, т. е. независимо от того, добавлен или удален мост из сети, реконфигурация станций не требуется. Эти мосты используют два процесса: переадресацию моста и обучение моста.
Мосты исходной маршрутизации. В этих мостах операция маршрутизации выполняется исходной станцией, а кадр указывает, по какому маршруту следовать. Хост может обнаружить кадр, отправив специальный кадр, называемый кадром обнаружения, который распространяется по всей сети, используя все возможные пути к месту назначения.

<р>4. Коммутатор. Коммутатор представляет собой многопортовый мост с буфером и конструкцией, которая может повысить его эффективность (большое количество портов означает меньший трафик) и производительность. Коммутатор — это устройство канального уровня. Коммутатор может выполнять проверку на наличие ошибок перед пересылкой данных, что делает его очень эффективным, поскольку он не пересылает пакеты с ошибками и выборочно пересылает хорошие пакеты только на правильный порт. Другими словами, коммутатор делит коллизионный домен хостов, но широковещательный домен остается прежним.

<р>5. Маршрутизаторы. Маршрутизатор — это устройство, похожее на коммутатор, который маршрутизирует пакеты данных на основе их IP-адресов. Маршрутизатор в основном является устройством сетевого уровня. Маршрутизаторы обычно соединяют локальные и глобальные сети вместе и имеют динамически обновляемую таблицу маршрутизации, на основе которой они принимают решения о маршрутизации пакетов данных. Маршрутизатор разделяет широковещательные домены хостов, подключенных через него.

<р>6. Шлюз. Шлюз, как следует из названия, представляет собой проход для соединения двух сетей, который может работать с разными сетевыми моделями. В основном они работают как агенты обмена сообщениями, которые берут данные из одной системы, интерпретируют их и передают в другую систему. Шлюзы также называются преобразователями протоколов и могут работать на любом сетевом уровне. Шлюзы обычно более сложны, чем коммутаторы или маршрутизаторы. Шлюз также называют преобразователем протоколов.

<р>7. Броутер — он также известен как мостовой маршрутизатор — это устройство, которое сочетает в себе функции моста и маршрутизатора. Он может работать либо на канальном уровне, либо на сетевом уровне. Работая в качестве маршрутизатора, он может маршрутизировать пакеты по сетям, а в качестве моста он может фильтровать трафик локальной сети.

<р>8. Сетевая карта — сетевая карта или сетевая карта — это сетевой адаптер, который используется для подключения компьютера к сети. Он устанавливается на компьютер для создания локальной сети. Он имеет уникальный идентификатор, который написан на чипе, и имеет разъем для подключения к нему кабеля. Кабель действует как интерфейс между компьютером и маршрутизатором или модемом.Сетевая карта — это устройство уровня 2, что означает, что оно работает как на физическом, так и на канальном уровне сетевой модели.

Пожалуйста, напишите комментарии, если обнаружите что-то неправильное или хотите поделиться дополнительной информацией по теме, обсуждавшейся выше.

Мартин Уильямс/IDGNS

Сегодня сети необходимы для поддержки бизнеса, обеспечения связи и развлечений — этот список можно продолжать и продолжать. Основным общим элементом сетей является сетевой коммутатор, который помогает подключать устройства для совместного использования ресурсов.

Что такое сетевой коммутатор?

Сетевой коммутатор — это устройство, работающее на канальном уровне модели OSI — уровне 2. Он принимает пакеты, отправляемые устройствами, подключенными к его физическим портам, и снова отправляет их, но только через порты. которые ведут к устройствам, для которых предназначены пакеты. Они также могут работать на сетевом уровне — уровне 3, где происходит маршрутизация.

Коммутаторы являются распространенным компонентом сетей на основе Ethernet, Fibre Channel, асинхронного режима передачи (ATM) и InfiniBand, среди прочих. Однако в большинстве современных коммутаторов используется Ethernet.

Как работает сетевой коммутатор?

После того как устройство подключается к коммутатору, коммутатор записывает свой адрес управления доступом к среде (MAC) — код, встроенный в карту сетевого интерфейса (NIC) устройства, которая подключается к кабелю Ethernet, подключенному к коммутатору. Коммутатор использует MAC-адрес, чтобы определить, с какого подключенного устройства отправляются исходящие пакеты и куда доставлять входящие пакеты.

Таким образом, MAC-адрес идентифицирует физическое устройство, а не IP-адрес сетевого уровня (уровень 3), который может динамически назначаться устройству и изменяться со временем.

Когда устройство отправляет пакет другому устройству, он поступает на коммутатор, и коммутатор считывает его заголовок, чтобы определить, что с ним делать. Он сопоставляет адрес или адреса назначения и отправляет пакет через соответствующие порты, ведущие к устройствам назначения.

Чтобы снизить вероятность коллизий между сетевым трафиком, входящим и исходящим от коммутатора и подключенным устройством, большинство коммутаторов поддерживают полнодуплексный режим, при котором пакеты, поступающие от устройства и направляющиеся к нему, имеют доступ к полной полосе пропускания. соединения коммутатора. (Представьте, что два человека разговаривают по мобильному телефону, а не по рации).

Несмотря на то, что коммутаторы действительно работают на уровне 2, они также могут работать на уровне 3, что необходимо им для поддержки виртуальных локальных сетей (VLAN), логических сетевых сегментов, которые могут охватывать подсети. Чтобы трафик попадал из одной подсети в другую, он должен проходить между коммутаторами, и этому способствуют встроенные в коммутаторы возможности маршрутизации.

Коммутаторы и концентраторы

Концентратор также может соединять несколько устройств вместе для совместного использования ресурсов, а совокупность устройств, подключенных к концентратору, называется сегментом локальной сети.

Концентратор отличается от коммутатора тем, что пакеты, отправляемые с одного из подключенных устройств, транслируются на все устройства, подключенные к концентратору. При использовании коммутатора пакеты направляются только на тот порт, который ведет к устройству, которому адресованы пакеты.

Коммутаторы обычно соединяют сегменты локальной сети, поэтому к ним подключаются концентраторы. Коммутаторы отфильтровывают трафик, предназначенный для устройств в том же сегменте локальной сети. Благодаря этому интеллекту коммутаторы более эффективно используют собственные вычислительные ресурсы, а также пропускную способность сети.

Коммутаторы и маршрутизаторы

Коммутаторы иногда путают с маршрутизаторами, которые также обеспечивают переадресацию и маршрутизацию сетевого трафика, отсюда и их название. Но делают они это с другой целью и в другом месте.

Маршрутизаторы работают на уровне 3 — сетевом уровне — и используются для соединения сетей с другими сетями.

Простой способ понять разницу между коммутаторами и маршрутизаторами – это представить себе локальные и глобальные сети. Устройства подключаются локально через коммутаторы, а сети подключаются к другим сетям через маршрутизаторы. Если вы подумаете об общем пути, по которому пакет может добраться до Интернета, например: устройство > концентратор > коммутатор > маршрутизатор > Интернет, это тоже должно помочь.

Конечно, бывают случаи, когда функции коммутации встроены в аппаратное обеспечение маршрутизатора, и маршрутизатор также выполняет функции коммутатора.

Проще всего представить себе домашний беспроводной маршрутизатор. Он направляет широкополосное соединение через свой порт WAN, но обычно также имеет дополнительные порты Ethernet, которые можно использовать для подключения кабеля Ethernet к компьютеру, телевизору, принтеру или даже игровой консоли. В то время как другие устройства в сети, такие как другие ноутбуки и телефоны, подключаются через маршрутизатор Wi-Fi, он по-прежнему предлагает функции переключения через локальную сеть.Таким образом, маршрутизатор, по сути, также является коммутатором. Вы даже можете подключить к маршрутизатору отдельный коммутатор, чтобы обеспечить доступ к Интернету и локальной сети для дополнительных устройств.

Типы переключателей

Коммутаторы различаются по размеру в зависимости от того, сколько устройств вам нужно подключить в определенной области, а также от типа скорости/пропускной способности сети, требуемой для этих устройств. В небольшом офисе или домашнем офисе обычно достаточно четырех- или восьмипортового коммутатора, но для более крупных развертываний обычно используются коммутаторы до 128 портов. Форм-фактор меньшего коммутатора — это устройство, которое можно разместить на рабочем столе, но коммутаторы также можно монтировать в стойку для размещения в коммутационном шкафу, центре обработки данных или ферме серверов. Размеры устанавливаемых в стойку коммутаторов варьируются от 1U до 4U, но также доступны коммутаторы большей площади.

Коммутаторы также различаются по предлагаемой скорости сети: Fast Ethernet (10/100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (10/100/1000 Мбит/с), 10 Gigabit (10/100/1000/10000 Мбит/с) и даже 40 /100 Гбит/с скорости. Выбор скорости зависит от пропускной способности, необходимой для поддерживаемых задач.

Коммутаторы также различаются по своим возможностям. Вот три типа.

Неуправляемый

Неуправляемые коммутаторы — это самые простые коммутаторы с фиксированной конфигурацией. Как правило, они работают по принципу plug-and-play, что означает, что у пользователя практически нет вариантов выбора. У них могут быть настройки по умолчанию для таких функций, как качество обслуживания, но их нельзя изменить. Положительным моментом является то, что неуправляемые коммутаторы относительно недороги, но отсутствие функций делает их непригодными для большинства корпоративных целей.

Управляемый

Управляемые коммутаторы предлагают больше функций и возможностей для ИТ-специалистов и чаще всего используются в бизнесе или на предприятии. Управляемые коммутаторы имеют интерфейсы командной строки (CLI) для их настройки. Они поддерживают агенты простого протокола управления сетью (SNMP), предоставляющие информацию, которую можно использовать для устранения неполадок в сети.

Они также могут поддерживать виртуальные локальные сети, параметры качества обслуживания и IP-маршрутизацию. Безопасность также лучше, защищая все типы трафика, который они обрабатывают.

Благодаря расширенным функциям управляемые коммутаторы стоят намного дороже, чем неуправляемые коммутаторы.

Умные или интеллектуальные коммутаторы

Интеллектуальные или интеллектуальные коммутаторы – это управляемые коммутаторы, некоторые функции которых выходят за рамки возможностей неуправляемого коммутатора, но их меньше, чем у управляемого коммутатора. Таким образом, они более сложны, чем неуправляемые коммутаторы, но при этом дешевле, чем полностью управляемые коммутаторы. Как правило, они не поддерживают доступ через telnet и имеют веб-интерфейс, а не интерфейс командной строки. Другие варианты, такие как VLAN, могут иметь не так много функций, как те, которые поддерживаются полностью управляемыми коммутаторами. Но поскольку они дешевле, они могут хорошо подойти для небольших сетей с меньшими финансовыми ресурсами и меньшими потребностями в функциях.

Функции управления

Полный список функций и функций сетевого коммутатора зависит от производителя коммутатора и предоставленного дополнительного программного обеспечения, но в целом коммутатор предлагает профессионалам следующие возможности:

Включать и отключать определенные порты на коммутаторе.
Настройте параметры дуплекса (половинного или полного), а также пропускную способность.
Установите уровни качества обслуживания (QoS) для определенного порта.
Включите фильтрацию MAC-адресов и другие функции контроля доступа.
Настройте SNMP-мониторинг устройств, включая состояние канала.
Настройте зеркальное отображение портов для мониторинга сетевого трафика.

Другое использование

В больших сетях коммутаторы часто используются для разгрузки трафика в аналитических целях. Это может быть важно для безопасности, поскольку коммутатор может быть размещен перед маршрутизатором глобальной сети до того, как трафик пойдет в локальную сеть. Это может облегчить обнаружение вторжений, анализ производительности и межсетевой экран. Во многих случаях зеркалирование портов используется для создания зеркального отображения данных, проходящих через коммутатор, перед их отправкой, например, в систему обнаружения вторжений или анализатор пакетов.

Однако, по сути, сетевому коммутатору достаточно просто быстро и эффективно доставить пакеты с компьютера А на компьютер Б, независимо от того, расположены ли эти компьютеры в другом конце коридора или на другом конце света. Несколько других устройств вносят свой вклад в эту доставку по пути, но коммутатор является важной частью сетевой архитектуры.

Присоединяйтесь к сообществам Network World на Facebook и LinkedIn, чтобы комментировать самые важные темы.

Кит Шоу – независимый цифровой журналист, который пишет о мире ИТ более 20 лет.

Переключатель может относиться к одной из множества разных вещей. Например, это может относиться к части компонентов физической схемы, которые управляют потоком сигналов. Это может быть кнопка или рычаг для включения или выключения устройства.Однако коммутатор, который мы обсуждали в этом посте, является коммутатором или оптоволоконным коммутатором в сети. Тогда что такое коммутатор в сети? Каково назначение переключателя? Давайте узнаем вместе в следующем тексте.

Что такое коммутатор в сети?

Коммутатор – это аппаратное устройство, фильтрующее и пересылающее сетевые пакеты с одного сетевого устройства (коммутатора, маршрутизатора, компьютера, сервера и т. д.) на другое. Он широко используется в локальных сетях (LAN) для отправки каждого входящего кадра сообщения, просматривая адрес физического устройства, известный как адрес управления доступом к среде (MAC-адрес).

На самом деле коммутатор рассматривается как многопортовый сетевой мост, использующий аппаратные адреса для обработки и пересылки данных на канальном уровне (уровень 2) модели OSI. Некоторые коммутаторы также могут обрабатывать данные на сетевом уровне (уровень 3), комбинируя функции маршрутизации. Такие коммутаторы часто называют коммутаторами уровня 3 или многоуровневыми коммутаторами.

Какова цель коммутатора в сети?

У вас может быть смутное представление о функции коммутатора в сети просто из его определения. Тогда какова цель переключателя на земле? Ниже перечислены основные цели или функции переключателей:

Подключение нескольких хостов. Обычно коммутатор предоставляет большое количество портов для кабельных соединений, что позволяет использовать маршрутизацию по топологии «звезда». Обычно он используется для подключения нескольких компьютеров к сети.
Перенаправляет сообщение на определенный хост. Как и мост, коммутатор использует одинаковую логику пересылки или фильтрации для каждого порта. Когда какой-либо узел в сети или коммутатор отправляет сообщение другому узлу в той же сети или тому же коммутатору, коммутатор получает и декодирует кадры, чтобы прочитать часть сообщения, содержащую физический (MAC) адрес.
Управление трафиком. Коммутатор в сети может управлять трафиком, входящим или исходящим из сети, и может легко подключать такие устройства, как компьютеры и точки доступа.
Сохраняйте электрический сигнал неискаженным. Когда коммутатор пересылает кадр вперед, он восстанавливает неискаженный прямоугольный электрический сигнал.
Увеличение пропускной способности локальной сети. Коммутатор делит локальную сеть на несколько доменов конфликтов с независимым широкополосным доступом, что значительно увеличивает пропускную способность локальной сети.

Применение коммутаторов в сети

В настоящее время коммутаторы используются практически везде, от небольших офисов/домашних офисов (SOHO) до крупных интернет-провайдеров (интернет-провайдеров). Вы можете использовать их в домашнем офисе или на небольшом участке по своему усмотрению. Для этих мест достаточно коммутатора 10/100/1000BASE-T Gigabit Ethernet. Кроме того, существует множество коммутаторов с высокоскоростными портами восходящей связи, обеспечивающими скорость 10 Гбит/с, 40 Гбит/с или даже 100 Гбит/с! Эти высокоскоростные коммутаторы обычно используются предприятиями для строительства центров обработки данных. В таких случаях вам может понадобиться коммутатор 10GbE или коммутатор 40/100G.

Заключение

Из всего вышеизложенного у вас может сложиться общее представление о том, «какова цель коммутатора в сети?». Помимо подключения сетевых устройств, коммутатор играет важную роль в управлении трафиком, пересылке сообщений, увеличении пропускной способности и т. д.

Концентраторы и коммутаторы: компромиссы

Обратите внимание, что эта статья была перенесена из предыдущей системы, и не все изображения могут быть перенесены.

Введение

Поскольку Ethernet развивался, чтобы включать кабели с витой парой и звездообразную топологию, для соединения различных сегментов канала между собой потребовался повторяющийся концентратор. С введением коммутационных концентраторов в качестве замены повторяющихся концентраторов производительность сети была повышена за счет разбиения одного домена коллизий на несколько доменов коллизий. Однако необходимо ли современным сетям Ethernet включать только коммутаторы? Ответ - нет. Повторяющиеся концентраторы имеют свое место, но вы должны понимать компромиссы, когда не выбираете технологию коммутатора.

Повторяющиеся концентраторы

Поскольку современный Ethernet имеет звездообразную топологию, для расширения сети за пределы двух станций требуется концентратор. Повторяющийся концентратор предназначен для общего Ethernet или полудуплексного Ethernet, где одновременно может передавать только одна станция, в противном случае случаются коллизии. Коллизии должны обнаруживаться всеми станциями в сети, чтобы отбрасывать переданный кадр, который был поврежден, и уведомлять все станции о том, что происходит арбитраж шины. На основе алгоритма отсрочки одна станция выиграет арбитраж шины; таким образом, получая единоличный доступ к сети и, следовательно, позволяя ей передавать без ошибок. Повторяющийся концентратор должен быть прозрачным для сети и, следовательно, усиливать коллизии, чтобы станции, подключенные к портам повторяющегося концентратора, могли продолжать участвовать в сетевом арбитраже, как если бы повторяющийся концентратор отсутствовал. Повторяющие концентраторы должны работать другими способами в соответствии с требованиями IEEE 802.3 для наборов повторителей. Они должны:

Восстановить амплитуду сигнала
Восстановить симметрию сигнала
Изменить время сигнала
Перестроить преамбулу
Использовать коллизии для всех сегментов
Расширить фрагмент

Повторители и повторяющиеся концентраторы — это устройства физического уровня, работающие с символами, отправляемыми по сети. Повторители не понимают кадры или протоколы Ethernet. Их роль состоит в том, чтобы просто увеличить расстояние и облегчить топологию звезды.

Переключение концентраторов

Гораздо более сложным хабом является коммутационный хаб. Коммутирующий концентратор или «коммутатор» — это не повторитель, а фактически мост, который воздействует на содержимое кадра Ethernet, который он получает, и пересылает кадр на соответствующий порт коммутатора. Например, если станция A подключена к порту 1 коммутатора, а станция B и C подключены соответственно к портам 2 и 3, сообщение от A к B должно требовать передачи данных только от портов 1 к 2, но не к порту. 3. Коммутатор мог бы это сделать, если бы знал расположение всех станций. Коммутатор узнает эти местоположения, наблюдая за исходными адресами кадров Ethernet, отправляемых на его порты. Он создает таблицу адресов станций для каждого порта и изучает эту таблицу перед отправкой кадра. Если коммутатор не знает местонахождение определенного адреса станции, он рассылает кадр на все порты, кроме порта, на который был получен кадр. Как только неизвестная станция объявит о своем местоположении, инициировав кадр, коммутатор соответствующим образом обновит свою таблицу. Как и повторитель, коммутационный концентратор также эффективен при расширении сети за пределы двух станций. Однако, в отличие от повторителя, порт коммутатора становится конечной точкой сегмента канала, подключенного к его порту. Каждый порт коммутатора функционирует так же, как и любая другая станция Ethernet, за исключением того, что он передает данные и адреса станций, сгенерированные исходными станциями. Следовательно, каждый порт коммутатора должен соблюдать одни и те же правила арбитража для обнаружения коллизий и разрешения доступа, но ему не нужно передавать информацию о коллизиях другим портам коммутатора, поскольку эти порты находятся в отдельных доменах коллизий. Концентраторы-коммутаторы принципиально отличаются от концентраторов-повторителей, поэтому их производительность также может различаться.

Увеличение расстояния

Длина сегмента витой пары не может превышать 100 м, поэтому часто возникает необходимость увеличить протяженность сети. Если есть необходимость расширить сеть Ethernet, коммутатор может обеспечить преимущество перед ретрансляционным концентратором. Повторяющиеся концентраторы считаются частью домена коллизий, и для надежной работы общей сети Ethernet диаметр сети не должен превышать домена коллизий (см. Рисунок 1). Этот предел расстояния основан на задержке распространения туда и обратно между двумя самыми дальними станциями в сети, и не может быть так, чтобы коллизии не обнаруживались всеми станциями в течение заданного времени. Хотя повторяющиеся концентраторы могут быть каскадированы для увеличения сетевого расстояния, существуют ограничения, которые обычно ограничивают количество повторяющихся концентраторов до четырех. Упрощенное правило — это правило 5-4-3, согласно которому не может быть более пяти сегментов, четырех повторителей и трех сегментов микширования. Сегмент микширования представляет собой сегмент шины, такой как коаксиальный кабель с толстыми и тонкими проводами. Поскольку в современном Ethernet используются только сегменты каналов, состоящие либо из витой пары, либо из оптоволокна, правило смешивания можно отбросить. Таким образом, иметь пять сегментов витой пары по 100 м и четыре ретранслятора — это нормально. Поскольку оптоволоконные сегменты могут иметь длину до 2 км, нам необходимо наложить ограничения на это правило. Вместо четырех повторителей мы можем иметь три с двумя соединяющими оптоволоконными сегментами, каждый длиной всего 1 км. Правила расширения для повторяющихся концентраторов действительно сбивают с толку, но они необходимы для того, чтобы диаметр сети не превышал домен коллизий. Еще больше сбивает с толку то, что эти правила применяются только к работе со скоростью 10 Мбит/с.

Рис. 1. При использовании общего Ethernet все устройства и соответствующие кабели должны находиться в одном домене коллизий.

Один из способов упростить правила расширения — избежать ограничений домена коллизий. Концентраторы коммутации не являются частью домена коллизий, поскольку они являются конечными устройствами в сети (см. рис. 2). Таким образом, добавление одного коммутатора в сеть без коммутаторов может фактически позволить удвоить диаметр сети без превышения области коллизий. Дополнительные коммутаторы могут быть подключены каскадом без ограничений, накладываемых на повторяющиеся концентраторы. Другими словами, если с самого начала нет проблемы домена коллизий (диаметр сети не превышает домена коллизий), то при добавлении коммутатора проблема домена коллизий не возникнет. Фактически, коммутаторы могут продолжать добавляться за пределы четырех повторяющихся концентраторов независимо от скорости передачи данных. Это значительно упрощает правила расширения. Однако необходимо соблюдать правила домена коллизий для каждого сегмента канала на конкретном порту, поскольку возможно, что повторяющиеся концентраторы подключены к портам коммутатора. Ограничения домена коллизий остаются, но они не усугубляются добавлением коммутаторов. Также возможно восстановить 2-километровую длину сегмента в оптоволоконных портах, если оптоволоконный сегмент находится между двумя портами коммутатора. Это верно при 10 Мбит/с и возможно при 100 Мбит/с. Для достижения больших диаметров сети, особенно на более высоких скоростях, коммутаторы могут быть единственным вариантом.

Рис. 2. Поскольку коммутаторы разбивают сеть на несколько доменов коллизий, физический размер сети практически неограничен.

Задержка данных

Задержка данных — это временная задержка, возникающая при отправке данных из одной точки в другую. Вкладом в задержку данных является время, необходимое электрическому сигналу для распространения по проводу. Хотя электричество распространяется быстро, его скорость все же конечна и по проводу медленнее, чем в вакууме. Для витой пары она составляет около 5,5 нс/метр. Поскольку для подключения повторяющегося концентратора или коммутационного концентратора используется одна и та же проводка, эта задержка одинакова для обеих реализаций. Однако наибольший вклад в задержку данных вносит сам концентратор, и величина задержки зависит от того, используем ли мы коммутатор или ретранслирующий концентратор. Одним из требований повторяющегося концентратора является перестроение преамбулы в случае, если получен кадр с меньшим количеством битов преамбулы, чем требуется. При скорости 10 Мбит/с для отправки одного бита требуется 100 нс, поэтому повторяющийся концентратор должен иметь возможность ставить в очередь по крайней мере несколько битов на случай, если ему потребуется заполнить больше битов преамбулы. Теперь ретранслирующий концентратор не ожидает получения полных 64 битов преамбулы, прежде чем начать пересылку кадра, однако возникает задержка. По нашим собственным измерениям в Contemporary Controls, задержка через повторяющийся концентратор может варьироваться от 625 нс до 840 нс. Эта задержка незначительна для общей производительности сети.

Как упоминалось ранее, повторяющийся концентратор работает на физическом уровне и обрабатывает символы в сети. Символ — это форма волны на проводе, которая отличает логическую 1 от логического 0. Кадр — это набор символов, представляющих одну единицу передачи, передаваемую по проводу. Кадр Ethernet содержит поля, начинающиеся с преамбулы и заканчивающиеся последовательностью контрольных кадров, как показано на Рис. 3. Действительный кадр Ethernet должен содержать все поля, включая преамбулу, начало кадра, адрес назначения, адрес источника, длину, данные и последовательность проверки кадра. Каждое поле имеет фиксированную длину, за исключением поля данных, длина которого может варьироваться. Поскольку протокол Ethernet требует минимальной длины кадра, поле данных не может быть меньше 46 байт. Максимальное поле данных может иметь размер до 1500 байт. Поскольку другие поля имеют фиксированный размер в общей сложности 18 байтов, минимальный размер кадра Ethernet составляет 64 байта, а максимальный размер кадра Ethernet составляет 1518 байтов. Преамбула исключается из этого расчета. Эта информация необходима для расчета задержки через коммутатор.

Рис. 3. Коммутатор с промежуточным хранением должен прочитать весь кадр Ethernet перед пересылкой.

Переключить операцию

Для обсуждения предположим, что у нас есть двухпортовый коммутатор. Некоторые люди назвали бы это мостом. С каждой стороны коммутатора находится трансивер. Каждый приемопередатчик Ethernet обеспечивает физический конец сегмента проводки Ethernet и фактический конец диаметра сети. Таким образом, один двухпортовый коммутатор Ethernet связывает две отдельные сети Ethernet.Поскольку нет различий между одним устройством в одной сети и другим устройством в другой сети, две сети функционируют как одна большая сеть. В этом случае коммутационный концентратор и ретранслирующий концентратор функционируют аналогичным образом. Однако есть одно большое отличие. Порт коммутатора сохраняет полный кадр перед передачей его на другой порт. Он делает это, потому что ему необходимо знать адресата полученного кадра и убедиться, что был получен допустимый кадр, наблюдая за последовательностью проверки кадра. Если кадр недействителен, его следует отбросить вместо пересылки ошибочного кадра. Поскольку коммутатор должен сохранить один полный кадр перед пересылкой, задержка при просмотре кадра на другом порту составляет минимум один кадр. Поскольку размеры кадров могут различаться, задержка может варьироваться. При 10 Мбит/с и самом коротком кадре задержка составляет 51,2 мс, а при самом длинном кадре задержка составляет 1,21 мс. Это проблема? Не обязательно.

Предположим, что мы собираемся отправить сообщение, состоящее из 1000 кадров Ethernet, и нам повезло, что мы можем отправить их вплотную друг к другу с минимальным промежутком между кадрами. Какова будет задержка данных из-за переключения? Ответ по-прежнему стоит только одного кадра. Таким образом, отправляя либо один кадр, либо 1000 кадров, коммутатор в нормальных условиях ставит в очередь данные только на один кадр. Таким образом, может показаться, что задержка переключения не является проблемой. Давайте изучим ситуацию поближе.

Предположим, у нас есть один контроллер, работающий как ведущий, и одно устройство ввода/вывода (I/O), работающее как подчиненное. Ведомый отвечает только на запросы ведущего и никогда не инициирует запрос сам. Далее предположим, что два устройства разделены коммутатором. Если ведущий инициирует однокадровое сообщение, конечно, будет задержка в один кадр, прежде чем ведомый получит сообщение. Ведомое устройство действует в соответствии с запросом и инициирует однокадровый ответ, который также вызывает задержку в один кадр. Следовательно, при сеансе с одной командой/ответом в процесс вводится задержка на два кадра, просто путем добавления переключателя. Если оба кадра были длинными, к процессу можно добавить всего 2,4 мс. Теперь, если мы заменим коммутатор концентратором, у нас не будет задержки в 2,4 мс, что свидетельствует о том, что при определенных условиях ретранслирующий концентратор может превзойти коммутирующий концентратор.

Теперь кто-то может не согласиться с моим примером, заявив, что, используя повторяющийся концентратор, я потенциально могу вызвать коллизии в сети, которые снизят производительность. Это правда, но давайте изучим протокол. Как только ведущий обнаруживает тихую линию, он инициирует передачу, а затем ожидает ответа от ведомого. Единственным ответившим рабом был опрошенный. Ведущее устройство получает ответ, а затем инициирует другую команду другому подчиненному устройству. Это действие продолжается без коллизий, поскольку коллизии избегаются ритмичными командами и ответами протокола ведущий/ведомый. Так работают ваши самые популярные промышленные протоколы, такие как Modbus и Optomux. Поэтому мой пример верен.

Теперь давайте немного изменим протокол. Вместо того, чтобы мастер подавал одну команду ведомому, он отправляет несколько команд каждому отдельному ведомому, не дожидаясь ответов ведомого. В конце концов, каждый ведомый будет действовать по своей команде и генерировать ответ. В зависимости от сложности команды и сложности ведомого устройства ответы начнут поступать примерно в одно и то же время, и вероятность коллизий возрастет, что снизит пропускную способность. Будет ли переключатель работать лучше в этой ситуации? Коммутатор устранит коллизии, но это не значит, что он не будет отбрасывать пакеты. Один из портов коммутатора подключается к ведущему, а каждый ведомый имеет свой порт коммутатора. Весь трафик будет направляться на мастер-порт из-за многочисленных ответов, которые могут затопить выходной буфер порта, подключенного к мастеру. При переполнении буфера пакеты просто теряются.

Уменьшение задержки данных

Один из способов уменьшить задержку данных в коммутаторе — использовать скорость 100 Мбит/с вместо 10 Мбит/с. Это может уменьшить задержку в десять раз. Другой подход заключается в использовании сквозной операции. При сквозной операции коммутатор не ожидает получения полного кадра перед пересылкой. Коммутатору нужно знать только адрес получателя перед пересылкой, и этот адрес доступен в начале кадра. Поэтому нет необходимости ждать получения полного кадра. Проблема с этим подходом заключается в том, что фрейм может иметь ошибочную последовательность проверки фрейма (FCS) или может быть рантовым фреймом. Эти кадры не должны пересылаться. Проблему с рант-фреймом можно решить, немного подождав перед пересылкой, но проблема с ошибкой FCS не может быть решена с помощью сквозной операции.

Работа со скоростью 100 Мбит/с

Если у станций есть достаточная вычислительная мощность, работа со скоростью 100 Мбит/с должна повысить производительность сети.Однако проблема на скорости 100 Мбит/с заключается в том, что диаметр области коллизий уменьшается примерно в десять раз. Использование ретрансляционных узлов на такой скорости не очень практично и, конечно, не очень популярно, поскольку уменьшение диаметра сети составляет около 205 м. Таким образом, использование коммутаторов со скоростью 100 Мбит/с вместо повторяющихся концентраторов является очевидным выбором.

Полнодуплексный режим

Первоначальная технология Ethernet, работавшая в полудуплексном режиме, называлась Shared Ethernet. Одновременно может передавать только одна станция. Благодаря полнодуплексной технологии и технологии коммутации станция может одновременно принимать и передавать данные по сегменту канала, например, по витой паре или оптоволокну. Поскольку одновременная передача обычно вызывает коллизию, схема обнаружения коллизий отключена, что исключает область коллизий. При отсутствии домена коллизий единственным ограничением длины сегмента является затухание сигнала в сегменте. Таким образом, в полнодуплексном режиме между двумя коммутаторами, работающими на скорости 100 Мбит/с, возможна длина оптоволоконного сегмента длиной 2 км или более, тогда как в полудуплексном режиме она ограничена 412 м. Полный дуплекс еще больше упрощает правила расширения и может повысить производительность в некоторых сетях. Однако с традиционными промышленными протоколами master/slave вы, скорее всего, не заметите улучшения производительности.

Широкие и многоадресные рассылки

Широковещательная рассылка — это передача на все станции, а многоадресная рассылка — это передача на выбранную группу станций. Поскольку коммутатор не знает всех потенциальных широковещательных и многоадресных станций, он должен залить все порты коммутатора этими кадрами. В этой ситуации коммутатор работает так же, как концентратор. Современные протоколы производителя/потребителя используют широковещательную и многоадресную рассылку, поэтому производительность сети не обязательно улучшается при использовании коммутаторов.

Использование сетевых анализаторов

Сетевой анализатор – полезный инструмент при устранении неполадок в сетях. Эти инструменты наблюдают за всем трафиком в сети и захватывают части трафика для целей анализа. Сетевой анализатор подключается к неиспользуемому порту на одном из коммутаторов или повторяющихся концентраторов. С повторяющимся концентратором проблем не возникает, поскольку весь трафик можно просмотреть на любом повторяющемся порту концентратора. Проблема существует с переключателями. Поскольку коммутаторы фильтруют трафик на разные свои порты, сетевой анализатор не обнаружит одинаковый трафик на всех портах. Чтобы решить эту проблему, коммутатор может предоставить функцию, называемую зеркалированием портов, при которой весь трафик коммутатора будет направляться на определенный порт. Обычно эту функцию можно найти только в более дорогих управляемых коммутаторах.

Когда использовать концентраторы и коммутаторы

Выдать рекомендацию

Концентраторы для сокращения задержки данных

Простые концентраторы приложений

Переключатели для работы со скоростью 100 Мбит/с

Полнодуплексный режим работы

Переключение на большие расстояния

Концентраторы или коммутаторы протокола Master/Slave

Переключатели одноранговых протоколов

Концентраторы сетевого анализатора

Обзор

Как видите, в использовании переключателей есть как преимущества, так и недостатки. Для простых систем повторяющийся концентратор может быть достаточно эффективным, поэтому его использование не следует сразу исключать.

Эта статья подготовлена компанией Contemporary Controls и написана Джорджем Томасом, президентом Contemporary Controls. Компания Contemporary Controls опирается на 27-летний опыт разработки и производства сетевых интерфейсных модулей, концентраторов проводки, повторителей, мостов, маршрутизаторов, шлюзов и анализаторов — все с определенным жизненным циклом и долгосрочной доступностью. Для получения дополнительной информации о современных элементах управления посетите их веб-сайт.

Читайте также: