Miten kytkin välittää kehyksiä

Kytkin on nykyaikainen laite, joka yhdistää lähiverkon (LAN) laitteet, ja se on huomattavasti hubia älykkäämpi. Sen sijaan, että kytkin toistaisi dataa sokeasti, se lukee osoitteet ja välittää jokaisen kehyksen vain siihen porttiin, jossa kohde todella on. Tämä yksittäinen muutos parantaa merkittävästi nopeutta, tehokkuutta ja tietoturvaa. Tässä oppitunnissa selitetään tarkasti, miten kytkin tekee nämä välityspäätökset.

Kytkin toimii siirtoyhteyskerroksessa (OSI-mallin 2. kerroksessa). Tässä kerroksessa data järjestetään kehyksiksi, ja jokaisella laitteella on verkkokorttiinsa valmistusvaiheessa tallennettu yksilöllinen MAC-osoite (Media Access Control address). Kytkin lukee kehyksissä olevat MAC-osoitteet päättääkseen, minne ne lähetetään, minkä vuoksi sitä kutsutaan 2. kerroksen laitteeksi.

Jokainen Ethernet-kehys sisältää kaksi MAC-osoitetta: lähdeosoitteen (kuka sen lähetti) ja kohdeosoitteen (kenen pitäisi vastaanottaa sen). Kytkin tutkii nämä osoitteet jokaisesta kehyksestä. Seuraamalla, mikä MAC-osoite on missäkin portissa, kytkin voi toimittaa kehykset täsmällisesti sen sijaan, että se levittäisi ne kaikkialle hubin tavoin.

Kytkin muodostaa tietonsa oppimalla. Kun kehys saapuu, kytkin tallentaa lähteen MAC-osoitteen ja portin, josta kehys saapui, MAC-osoitetauluun. Ajan mittaan kytkin oppii, missä jokainen laite sijaitsee, kun laitteet lähettävät liikennettä. Tämä automaattinen oppiminen ei vaadi määrityksiä, vaan tapahtuu jatkuvasti.

Välittääkseen kehyksen kytkin vertaa kohteen MAC-osoitetta tauluunsa:

• Tunnettu osoite — lähetä kehys vain vastaavaan porttiin.
• Tuntematon osoite — tulvaa kehys kaikkiin portteihin paitsi siihen, josta se saapui.

Kun kohde vastaa, kytkin oppii myös sen sijainnin, joten tulevat kehykset lähetetään suoraan sinne.

Kun kytkin ei vielä tiedä, missä kohteen MAC-osoite sijaitsee, se tulvittaa kehyksen kaikkiin portteihin lähdeporttia lukuun ottamatta, aivan kuten hubi. Tämä on kuitenkin väliaikaista: heti kun kohde vastaa, kytkin oppii sen portin ja lopettaa kyseisen osoitteen tulvittamisen. Tulvittaminen on siis varamenetelmä, ei normaali toimintatapa, ja taulu täydentyy nopeasti.

Jokainen kytkimen portti toimii full-duplex-tilassa: se lähettää ja vastaanottaa samanaikaisesti. Lisäksi se tarjoaa siihen liitetylle laitteelle oman varatun kaistanleveyden jaetun putken sijaan. Tämä poistaa hubien ongelmana olleet törmäykset ja mahdollistaa kaikkien laitteiden toiminnan täydellä nopeudella samanaikaisesti. Se on keskeinen syy siihen, että kytketyt verkot ovat paljon hubipohjaisia verkkoja tehokkaampia.

MAC-taulu ei kasva loputtomasti. Jokaisella tietueella on vanhenemisajastin; jos kytkin ei kuule MAC-osoitteesta mitään tietyn ajan kuluessa, se poistaa tietueen. Näin taulu pysyy ajan tasalla, kun laitteet siirtyvät tai irtoavat verkosta. Jos laite lähettää myöhemmin uudelleen, kytkin oppii sen sijainnin uudestaan, joten välitys pysyy oikeana.

Kytkimet käsittelevät erityyppisiä kehyksiä eri tavoin:

• Unicast — yhdelle laitteelle; välitetään tunnettaessa vain kyseiseen porttiin.
• Broadcast — kaikille laitteille; lähetetään jokaiseen porttiin.
• Multicast — ryhmälle; tulvitetaan tai lisäominaisuuksien avulla lähetetään valikoidusti.

Broadcast-liikenne leviää aina koko kytkimen alueelle, mikä on tärkeää myöhemmin käsiteltävien yleislähetysalueiden kannalta.

Kytkimet voivat välittää kehyksiä eri tavoilla. Store-and-forward vastaanottaa koko kehyksen, tarkistaa sen virheiden varalta ja välittää sen sitten — menetelmä on tarkka mutta hieman hitaampi. Cut-through aloittaa välityksen heti luettuaan kohdeosoitteen — se on nopeampi, mutta ei pysty havaitsemaan virheitä. Useimmat nykyaikaiset kytkimet käyttävät luotettavuuden vuoksi store-and-forward-menetelmää. Näiden kahden menetelmän ja niiden nopeuden ja tarkkuuden välisen kompromissin tuntemisesta on hyötyä kokeessa.

Älykkään välityksen ansiosta kytkimillä on kolme merkittävää etua hubeihin verrattuna: parempi suorituskyky omien full-duplex-porttien ansiosta, vähemmän törmäyksiä, koska jokainen portti on oma törmäysalueensa, sekä parempi tietoturva, koska kehyksiä ei lähetetä jokaiselle laitteelle. Juuri näiden etujen vuoksi kytkimet korvasivat hubit kaikkialla, ja ne muodostavat kaikkien nykyaikaisten lähiverkkojen perustan.

Opitte, että kytkin on 2. kerroksen laite, joka lukee kehyksissä olevia MAC-osoitteita ja välittää kehykset älykkäästi. Se oppii lähteen MAC-osoitteet ja niiden portit MAC-osoitetauluun, välittää tunnettuun kohteeseen menevät kehykset yhteen porttiin ja tulvittaa tuntemattomat kehykset väliaikaisesti. Jokainen portti toimii full-duplex-tilassa ja tarjoaa oman kaistanleveyden, mikä poistaa törmäykset. Taulun tietueet vanhenevat, jotta taulu pysyy ajan tasalla. Kytkimet päihittävät hubit nopeudessa, törmäysten hallinnassa ja tietoturvassa, ja ne mahdollistavat kaikkien nykyaikaisten lähiverkkojen toiminnan.