Jak przełącznik przekazuje ramki

Switch to współczesne urządzenie łączące urządzenia w sieci LAN, znacznie inteligentniejsze od huba. Zamiast bezmyślnie powtarzać dane, switch odczytuje adresy i przekazuje każdą ramkę wyłącznie do portu, do którego faktycznie podłączone jest urządzenie docelowe. Ta pojedyncza zmiana znacznie poprawia szybkość, wydajność i bezpieczeństwo. W tej lekcji wyjaśniono dokładnie, w jaki sposób switch podejmuje decyzje o przekazywaniu danych.

Switch działa w warstwie łącza danych (warstwie 2 modelu OSI). W tej warstwie dane są zorganizowane w ramki, a każde urządzenie ma unikatowy adres MAC (Media Access Control address), zapisany w jego karcie sieciowej. Switch odczytuje adresy MAC znajdujące się w ramkach, aby zdecydować, dokąd je wysłać — dlatego jest nazywany urządzeniem warstwy 2.

Każda ramka Ethernet zawiera dwa adresy MAC: źródłowy (nadawcy) i docelowy (odbiorcy). Switch sprawdza te adresy w każdej ramce. Śledząc, który adres MAC znajduje się na którym porcie, switch może precyzyjnie dostarczać ramki, zamiast rozsyłać je wszędzie, jak robi to hub.

Switch zdobywa wiedzę poprzez uczenie się. Gdy nadejdzie ramka, switch zapisuje źródłowy adres MAC oraz port, przez który ramka przyszła, przechowując tę parę w tablicy adresów MAC. Z czasem, gdy urządzenia wysyłają dane, switch poznaje położenie każdego z nich. To automatyczne uczenie się nie wymaga konfiguracji i zachodzi nieustannie.

Aby przekazać ramkę, switch sprawdza docelowy adres MAC w swojej tablicy:

• Znany adres — wysyła ramkę wyłącznie przez pasujący port.
• Nieznany adres — rozsyła ramkę przez wszystkie porty oprócz tego, przez który przyszła.

Gdy urządzenie docelowe odpowie, switch również pozna jego położenie, dzięki czemu kolejne ramki będą trafiać bezpośrednio do niego.

Gdy switch nie wie jeszcze, na którym porcie znajduje się docelowy adres MAC, rozsyła ramkę przez każdy port oprócz portu źródłowego, podobnie jak hub. Jest to jednak sytuacja tymczasowa: gdy tylko urządzenie docelowe odpowie, switch pozna jego port i przestanie rozsyłać ramki przeznaczone dla tego adresu. Rozsyłanie jest więc mechanizmem awaryjnym, a nie normalnym działaniem, a tablica szybko się uzupełnia.

Każdy port switcha działa w trybie full-duplex, jednocześnie wysyłając i odbierając dane, oraz zapewnia podłączonemu urządzeniu własną dedykowaną przepustowość, zamiast współdzielonego kanału. Eliminuje to kolizje nękające huby i pozwala każdemu urządzeniu działać jednocześnie z pełną szybkością. To jeden z kluczowych powodów, dla których sieci przełączane znacznie przewyższają sieci oparte na hubach.

Tablica MAC nie rośnie bez końca. Każdy wpis ma licznik starzenia; jeśli switch przez określony czas nie odbierze żadnych danych z danego adresu MAC, usuwa ten wpis. Dzięki temu tablica pozostaje aktualna, gdy urządzenia zmieniają położenie lub zostają odłączone. Jeśli urządzenie później ponownie wyśle dane, switch po prostu na nowo nauczy się jego lokalizacji, zachowując poprawność przekazywania.

Switche różnie obsługują poszczególne typy ramek:

• Unicast — do jednego urządzenia; jeśli adres jest znany, ramka jest przekazywana do tego jednego portu.
• Broadcast — do wszystkich urządzeń; ramka jest wysyłana przez każdy port.
• Multicast — do grupy urządzeń; ramka jest rozsyłana lub, przy użyciu dodatkowych funkcji, wysyłana wybiórczo.

Broadcast zawsze rozprzestrzenia się w obrębie całego switcha, co ma znaczenie w kontekście omawianych później domen rozgłoszeniowych.

Switche mogą przekazywać ramki na różne sposoby. Metoda store-and-forward odbiera całą ramkę, sprawdza ją pod kątem błędów, a następnie przekazuje ją dalej — jest dokładna, ale nieco wolniejsza. Metoda cut-through rozpoczyna przekazywanie natychmiast po odczytaniu adresu docelowego — jest szybsza, ale nie pozwala wykrywać błędów. Większość współczesnych switchy korzysta z metody store-and-forward ze względu na niezawodność. Znajomość obu metod oraz kompromisu między szybkością a dokładnością jest przydatna na egzaminie.

Dzięki inteligentnemu przekazywaniu danych switche mają trzy główne przewagi nad hubami: lepszą wydajność dzięki dedykowanym portom full-duplex, mniej kolizji, ponieważ każdy port stanowi osobną domenę kolizji, oraz większe bezpieczeństwo, ponieważ ramki nie są wysyłane do każdego urządzenia. To właśnie te zalety sprawiły, że switche wszędzie zastąpiły huby i stały się podstawą każdej współczesnej sieci LAN.

Sprawdź swoją wiedzę o przełączaniu.

Dowiedziałeś się, że switch to urządzenie warstwy 2, które odczytuje adresy MAC w ramkach, aby inteligentnie je przekazywać. Switch uczy się źródłowych adresów MAC i powiązanych z nimi portów, zapisując je w tablicy adresów MAC, a następnie przekazuje ramki do znanych adresów przez pojedynczy port i tymczasowo rozsyła ramki do nieznanych adresów. Każdy port działa w trybie full-duplex i ma dedykowaną przepustowość, co eliminuje kolizje. Wpisy w tablicy są usuwane po upływie czasu, aby pozostała aktualna. Switche przewyższają huby pod względem szybkości, liczby kolizji i bezpieczeństwa, stanowiąc podstawę każdej współczesnej sieci LAN.