В чём разница между коммутатором и маршрутизатором

Что такое коммутатор, хаб, свитч простым языком

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.

Принцип работы коммутатора

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

1. С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
2. Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
3. Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные — по технологии cut-through).

Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Симметричная и асимметричная коммутация

Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зрения ширины полосы пропускания для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с.

Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мб/с и 100 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.

Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединен сервер, с целью предотвращения переполнения на этом порте. Для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.

Асимметричный коммутатор также необходим для обеспечения большей ширины полосы пропускания каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения, или каналов между сегментами магистрали.

Буфер памяти

Для временного хранения пакетов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.

Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки пакетов: буферизация по портам и буферизация с общей памятью. При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передается на выходной порт только тогда, когда все пакеты, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, когда один пакет задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка может происходить даже в том случае, когда остальные пакеты могут быть переданы на открытые порты их пунктов назначения.

При буферизации в общей памяти все пакеты хранятся в общем буфере памяти, который используется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого пакеты, находившиеся в буфере, динамически распределяются по выходным портам. Это позволяет получить пакет на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.

Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить пакеты. Очистка этой карты происходит только после того, как пакет успешно отправлен.

Поскольку память буфера является общей, размер пакета ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные пакеты могут быть переданы с меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.

Возможности и разновидности коммутаторов

Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые).

Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например «Layer 3 Switch» или сокращенно «L3 Switch». Управление коммутатором может осуществляться посредством Web-интерфейса, протокола SNMP, RMON и т. п.

Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование.

Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство — стек — с целью увеличения числа портов. Например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с 90 ((4*24)-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).

Для чего нужен свитч если есть роутер

• Не достаточно LAN портов у роутера для подключения всех устройств. Их может быть всего два. Тогда Вы сможете подключить только компьютер и SIP-телефон. Если же потребуется дополнительно использовать сетевой принтер, то тут уже не хватит двух портов.
• Если Ethernet устройства сосредоточены в нескольких местах. Например, в разных комнатах офиса. Тогда для каждой комнаты можно выделить свой свитч.

Так же возможность использования некоторого функционала, если он поддерживается:

• Для создания узла сети, по которому будет отслеживаться статистика.
• Дополнительная настройка приоритетов (QoS)
• Наличие функции зеркалирования портов.
• Наличие PoE который необходим для подключения некоторых устройств.
• И другие.

Какой свитч выбрать? Самые важные особенности, на которые стоит обратить внимание

• Количество портов — это, конечно же, основной параметр, который следует указывать и учитывать при поиске коммутатора. В нашем распоряжении есть 4-портовые, 8-портовые и 24-портовые коммутаторы. Однако помните, что помимо количества пользователей, которое планируется подключить, стоит оставить два резервных порта и порт для связи с вышестоящим устройством, например, с маршрутизатором или коммутатором более высокого уровня.
• Тип портов — для домашних пользователей важны только порты RJ45. Однако в более крупных сетях последовательные коммутаторы популярно соединять друг с другом с помощью кабелей SFP (+).
• Пропускная способность разъемов — в настоящее время 1GbE (1 Гбит/с) по-прежнему является стандартом для дома и постепенно заменяется более современным 2,5GbE (2,5 Гбит/с). Выбор полосы пропускания в конечном итоге должен определяться спросом.
  Для типичной офисной работы или домашнего использования скорость 1 Гбит/с и гигабитный коммутатор прослужат очень долго. Однако для работы непосредственно на корпоративном NAS*, ввиду большой загруженности, может быть рекомендована пропускная способность до 10 Гбит/с. Здесь также необходимо проверить стандарт, по которому работают наши принимающие устройства, чтобы не переплачивать за производительность, которую мы все равно не будем использовать.
  *NAS — сетевое хранилище, прим. автора
• Управление — этот параметр в основном зависит от роли коммутатора в нашей сети. Дома, если мы просто хотим подключить больше компьютеров, чем позволяет количество портов в нашем роутере, достаточно самого обычного коммутатора, не требующего обслуживания. Управляемый коммутатор — это решение, скорее, только для крупных компаний.
• PoE — это сокращение означает Power over Ethernet, то есть питание по сети. Это функция, которая широко используется в индустрии видеонаблюдения и при планировании сети точек доступа Wi-Fi. Порт коммутатора PoE 8 позволяет подавать электроэнергию напрямую от сетевого кабеля к принимающему устройству — например, к точке доступа Wi-Fi при условии, конечно, что он также соответствует этому стандарту. Выбирая коммутатор PoE, стоит убедиться в версии этого стандарта — есть варианты на 15, 30 и 60 Вт.
• Производительность — в случае рассматриваемых устройств этот параметр не так просто найти в характеристиках. Вы должны убедиться, что скорость передачи данных соответствует удвоенной сумме скоростей всех доступных портов. Ситуация несколько усложняется, когда количество соединений, одновременно обслуживаемых коммутатором, значительно увеличивается. Тогда вам придется полагаться на независимые обзоры и отраслевые тесты.
• Конструкция, способ установки — этот параметр может показаться несущественным, ведь в конечном итоге даже коммутатор, предназначенный для установки в коммутационный шкаф, можно разместить на обычной стене рядом с роутером. Однако на практике промышленные коммутаторы часто оснащены очень шумной системой охлаждения, что исключает их использование на рабочем месте.
• Цена — менее проблемный параметр. Однако стоит иметь в виду, что при покупке промышленного или бизнес-коммутатора в эту цену часто входит очень долгий и сложный объем технической поддержки, что значительно увеличивает цену и не обязательно означает, что сетевой коммутатор, который стоит в два раза дороже будет быстрее или функциональнее.

Конечно, есть еще много параметров, но они зависят от специфики нашей сети — например, от размера таблицы MAC-адресов.

Когда нужно покупать свитч для дома

Растущее в наших домах количество устройств, которым требуется доступ к сети, означает, что нескольких портов на нашем маршрутизаторе скоро будет недостаточно. Если мы находимся на стадии планирования сети у себя дома и решили использовать Wi-Fi Mesh, одного маршрутизатора тоже не будет достаточно. Обязательно стоит учесть прокладку кабеля к каждой точке доступа. Для основных домашних решений обычно достаточно гигабитного 8-портового коммутатора.

В ситуации, когда мы хотим в полной мере использовать продвинутый домашний NAS, а маршрутизатор предлагает только 1GbE, покупка даже многопортового коммутатора 2.5GbE станет отличным решением. После установки выбранные устройства могут быть подключены друг к другу в более современном стандарте, и только после этого коммутатор может быть подключен к маршрутизатору.

Свитчи для компании или корпорации

Использование коммутаторов просто необходимо для больших локальных сетей. В крупных компаниях за сеть обычно отвечает сетевой администратор, который очень хорошо знает, что такое коммутатор (и вам не нужно объяснять ему, для чего нужен коммутатор). Именно этому человеку следует предоставить возможность выбирать подходящее оборудование для расширенной сети. Это позволит избежать проблем с работой компьютерной сети.

Теперь вы знаете, что из себя представляет сетевой коммутатор, какие существуют типы свитчей и, конечно же, основные функции и структуру коммутатора. Надеюсь, статья была для вас полезной.

Как подключить коммутатор к роутеру

Если у Вас не управляемый коммутатор, то подключение очень простое – следует соединить один из LAN портов роутера с портом коммутатора с помощью патч-корда (Ethernet кабеля). Если есть на коммутаторе VIP порт, то соединение с роутером, обычно, следует осуществлять через него. Точно так же осуществляется и подключение хаба к роутеру. Сейчас хабы или, как их иначе называют, сетевые концентраторы, уже не производятся, так как заполняют сеть не нужным трафиком. Полученные пакеты данных они просто передают по всем портам. В то время как свитчи, даже не управляемые, отправляют трафик только через порт, где находится адресат.

Если же коммутатор управляемый, то так просто все, скорее всего не получится. У него может быть IP адрес по умолчанию такой же, как и у роутера или как у другого сетевого оборудования. Может так случиться, что на нем настроена другая подсеть. Так же на нем может быть включен DHCP сервер.

Таким образом, подключение такого коммутатора без предварительной его настройки, может положить всю локальную сеть.

Настройка свитча

Коммутатор следует подключить напрямую к компьютеру с помощью Ethernet кабеля и зайти в его настройки через веб браузер. Для этого, возможно потребуется перенастроить сетевое подключение компьютера.

Для подключения по умолчанию обычно используются:

• IP адрес 192.168.0.1
• логин admin
• пароль admin.

Эту информацию отображают на корпусе прибора. Скорее всего, она на наклейке с тыльной стороны устройства.

Если свитч был перенастроен, и Вы не знаете его точных настроек, то его можно сбросить к заводским настройкам. Сброс осуществляется аналогично сбросу роутера.

Устанавливаем статический IP адрес компьютеру из той же подсети, что и у коммутатора. IP адреса должны отличаться.

После подключения к коммутатору через веб интерфейс следует выполнить следующие действия.

Проверить, что отключен DHCP сервер

Эта функция редко присутствует у коммутаторов, но, если она есть, то надо проверить, что сервер отключен. Если этого не предусмотреть, то при наличии DHCP сервера на роутере, у разных узлов сети могут оказаться одинаковые адреса. Это приведет, к сбоям, которые если не сразу, но возникнут. И будет не понятно, почему все не работает.

Настройка IP адреса

Для задания этих настроек свитчу, заходим в соответствующий пункт. На изображении настройка коммутатора TP-Link с англоязычным интерфейсом.

Здесь в пункте «System» подпункт «Port Settings».

Теперь о этих настройках подробнее:

• DHCP Settings. Получение IP адреса от DHCP сервера отключаем (Disable).
• IP Address. Выбираем свободный IP адрес в локальной сети. Если на роутере включен DHCP сервер, то следует выбрать IP адрес, не входящий в диапазон раздаваемых им адресов (пулл).
• Subnet Mask. Маску подсети задаем такую же, как и на роутере.
• Default Gateway. Шлюз по умолчанию – сюда прописываем IP адрес роутера.

После этого жмем кнопку применения настроек (Apply).

Восстанавливаем сетевые настройки компьютера. Подключаем роутер через свитч с помощью патч-корда: соединяем их LAN порты.

Функции маршрутизатора

Основная функция маршрутизатора заключается в считывании и анализе служебной информации пакетов по каждому порту с целью принятия решения о дальнейшем направлении данных по сети.Также на устройство возложены следующие функции:
— создание и ведение таблиц маршрутизации;
— определение маршрутов;
— фильтрация пакетов;
— ведение очередей;
— преобразование сетевых адресов в локальные;
— распределение данных по портам.

В соответствии с сетевой моделью взаимодействия OSI, место маршрутизатора — на сетевом уровне и он призван организовать соединение подсетей в составе единой сети между собой. Применительно к компаниям малого и среднего бизнеса, использование устройств маршрутизации востребовано при организации сетей с требованием по выделению нескольких подсетей и разделению доступа к ним. Например, при организации сети в гостинице маршрутизатор позволяет разграничить доступ администрации и гостей. На предприятиях маршрутизаторы могут объединить несколько локальных сетей и предоставить доступ к сети провайдера, в частности, по разным каналам. При этом подсети будут логически отделены друг от друга.

Функции коммутатора

Что же касается коммутатора, то, во-первых, он призван работать на канальном, т.е. втором уровне согласно модели OSI и, во-вторых, его основная задача — анализ MAC- адреса порта-отправителя и отправка данных на другой порт, при этом таблица коммутации формируется им же самим. Конструктивно коммутатор — это концентратор, работающий как многопортовый мост. Он позволяет сегментировать сеть, предоставлять каждой рабочей станции в подсети канал и выделять полосу пропускания для передачи данных. Коммутатор предоставляет не только доступ пользовательским устройствам к сети, но и может служить устройством агрегирования трафика при передаче в сеть, тем самым, занимая место внутри локальной сети или на ее границе.

Организация локальной сети без такого устройства невозможна, ведь именно он призван подключить пользовательские устройства к глобальной сети. Коммутаторы находят широкое применение в домашних сетях и небольших офисах для совместного подключения нескольких компьютеров к одной линии провайдера, а также востребованы в средних и крупных компаниях для построения каскадных сетевых архитектур, имеющих целью укрупнение (агрегацию) потоков, прежде чем передать их в сеть.

Что отличает маршрутизатор от коммутатора?

Сходство и различия сетевых устройств определяются реализованным функционалом в соответствии с уровнями моделей OSI. Так коммутаторы 3 уровня максимально схожи по функционалу с маршрутизаторами, в то время как коммутаторы уровня доступа работают больше, как концентраторы потоков. Между тем, есть ряд функций, которые присущи только одним. Сравнение устройств представлено в таблице ниже.

Таблица – Функционал сетевого оборудования

Функционал Маршрутизатор Коммутатор

• Поддержка интерфейсов
  Маршрутизатор поддерживает различные наборы физических интерфейсов, которые, в свою очередь, реализуют весь функционал физического и канального уровней по передаче данных, т.е. обеспечивают доступ к среде, согласовывают уровни электрических сигналов, реализуют линейное и логическое кодирование, формируют битовые сигналы и осуществляют передачу данных на верхний уровень. Коммутатор является узкоспециализированным устройством и ориентирован на работу в сетях Ethernet, реже АТМ. Фильтрация трафика
  Данным функционалом наделены только маршрутизаторы. ПО содержит модуль сетевого протокола, который позволяет выполнять разбор и анализ отдельных полей пакетов и на основе полученной информации принимать решение о дальнейшем пропуске. Более того, интерфейс пользователя позволяет производить настройки его работы. Тем самым, администратор сети имеет право на задание правил пропуска трафика, например, для возможности оградить сеть от стороннего трафика пользователей, не принадлежащих сети предприятия.
• Дифференцированное обслуживание
  При обслуживании в сети разнородного трафика именно функционал маршрутизатора позволяет настроить различные схемы обслуживания, в том числе и приоритетную передачу (функция QoS и поддержка протокола IEEE802.1p). При работе в сильно загруженных сетях это позволяет добиться качественной обработки голосового и видео трафика, что востребовано при работе в приложениях реального времени. Даже 4-х портовый маршрутизатор D-Link серии DVG-5400 в небольших сетях обеспечит и качественную SIP-телефонию, и работу факсимильных устройств, без снижения производительности LAN-сети.

Коммутаторы Cisco для корпоративных сетей

• ПроизводительностьКоммутатор работает, оперируя такими параметрами, как время ожидания и надежность передачи. Соответственно, отличается высокой производительностью. Маршрутизатор отслеживает время жизни пакета и на основании его значения может управлять скоростью передачи данных, отбрасывая или пропуская пакеты в сеть. Просмотр и содержимого пакета, и таблиц маршрутизации существенно замедляют обработку данных, что не лучшим образом складывается на производительности устройства.
• Конфигурирование и настройкаВозможность конфигурирования параметров устройств и настройки режимов работы реализованы в управляемых коммутаторах. Ряд таких моделей, могут работать не только на канальном втором уровне, но и на сетевом. Здесь доступны управление доступом и настройка VLAN, агрегация и зеркалирование портов. То же самое касается и маршрутизаторов, сервис доступен для управляемых устройств. Здесь возможна настройка VPN-каналов и средств безопасности.
• Полоса пропусканияНастройка полосы пропускания реализована в управляемых моделях коммутаторов и в маршрутизаторах, поддерживающих сервис QoS. По умолчанию, в сетевых устройствах Ethernet она будет равномерно распределяться между всеми активными пользователями сети.
• Количество портовДля возможности увеличения числа портов коммутаторы должны поддерживать функцию стекирования. При этом если максимальное количество и ограничено характеристикой устройства, например до 4 устройств в стеке, следует разумно подходить к полосе пропускание. В сетях Ethernet она разделяется между всеми пользователями. Для маршрутизаторов наращивание портов актуально при организации зоны DMZ и подключения сетевых периферийных устройств, например, принтеров или сетевых хранилищ данных.

Маршрутизаторы Cisco для решения задач малого и среднего бизнеса

Краткая сравнительная таблица

Когда вы понимаете организационную структуру каждого устройства, выбор кажется очевидным. Вы можете сравнивать роутеры с коммутаторами по основным критериям.

Отличие от концентратора

Раньше в качестве сетевого устройства использовались концентраторы. Они получают сетевые данные на один порт и просто рассылают информацию на все подключенные к нему гаджеты. Такая широковещательная передача данных имеет недостатки:

• большая нагрузка на сеть (данные рассылаются на все компьютеры сети сразу);
• большое количество ошибок, особенно при появлении новых компьютеров;
• невозможно разделить потоки информации, отправлять ее адресно.

Коммутатор (свитч) лишен этих недостатков, он отсылает информацию только целевому устройству.

Гибридные сетевые устройства

• Маршрутизирующий коммутатор – это некий компромисс между маршрутизатором и коммутатором, когда от первого оставлены только основные функции, а пакеты обрабатываются в одном модуле. При этом процессы коммутации и маршрутизации логически распределены по уровням, т.е. сетевому и канальному. Для устройства характерны высокая производительность при низкой стоимости владения. Оптимально для использования в корпоративных и ISP сетях.
• Коммутирующий маршрутизатор – работает на сетевом уровне и используется для снижения нагрузки на модули расчета маршрута. За счет известной по более ранним операциям информации о получателе, пакеты пересылаются без просмотра таблиц маршрутизации. Коммутирующие маршрутизаторы Cisco имеют функцию переключения устройства в режим только коммутатор или маршрутизатор. За счет этого они являются универсальными устройствами для корпоративных сетей, магистралей ISP и WAN-сетей.
• Коммутатор потоков — при обнаружении продолжительных потоков на сетевом уровне, функции маршрутизации отключаются, и осуществляется коммутация на канальном уровне. За счет этого удается снизить время обработки данных и увеличить производительность платформы. Эффективны устройства на магистралях ISP и WAN-сетях.

Стекируемые маршрутизирующие коммутаторы Cisco серии Catalyst WS-C3750

Вместо послесловия

Мы кратко рассмотрели назначение и характеристики двух устройств, используемых для создания локальной сети: коммутаторов и маршрутизаторов. Мы надеемся, что теперь у вас есть четкое представление о различиях между этим оборудованием.