Как коммутатор пересылает кадры

Коммутатор — современное устройство, соединяющее устройства в локальной сети (LAN), и он значительно умнее концентратора. Вместо того чтобы вслепую повторять данные, коммутатор считывает адреса и пересылает каждый кадр только на тот порт, к которому действительно подключено устройство назначения. Это простое изменение значительно повышает скорость, эффективность и безопасность. В этом уроке подробно объясняется, как именно коммутатор принимает решения о пересылке.

Коммутатор работает на канальном уровне (уровне 2 модели OSI). На этом уровне данные организованы в кадры, а у каждого устройства есть уникальный MAC-адрес (адрес управления доступом к среде), записанный в его сетевой карте. Коммутатор считывает MAC-адреса внутри кадров, чтобы определить, куда их отправить, поэтому его называют устройством уровня 2.

Каждый кадр Ethernet содержит два MAC-адреса: адрес источника (кто его отправил) и адрес назначения (кто должен его получить). Коммутатор проверяет эти адреса в каждом кадре. Отслеживая, на каком порту находится каждый MAC-адрес, коммутатор может точно доставлять кадры, вместо того чтобы рассылать их повсюду, как это делает концентратор.

Коммутатор формирует сведения о сети посредством обучения. Когда приходит кадр, коммутатор записывает исходный MAC-адрес и порт, через который он поступил, сохраняя эту пару в своей таблице MAC-адресов. Со временем, когда устройства передают трафик, коммутатор узнаёт, где находится каждое устройство. Это автоматическое обучение не требует настройки и происходит непрерывно.

Чтобы переслать кадр, коммутатор сопоставляет MAC-адрес назначения со своей таблицей:

• Известный адрес — отправить кадр только на соответствующий порт.
• Неизвестный адрес — отправить кадр на все порты, кроме того, через который он поступил.

Когда устройство назначения отвечает, коммутатор также запоминает его местоположение, поэтому следующие кадры направляются непосредственно туда.

Если коммутатор ещё не знает, на каком порту находится MAC-адрес назначения, он рассылает кадр на каждый порт, кроме порта источника, подобно концентратору. Однако это временная мера: как только устройство назначения отвечает, коммутатор запоминает его порт и прекращает рассылку кадров для этого адреса. Поэтому рассылка — это запасной вариант, а не обычное поведение, и таблица быстро заполняется.

Каждый порт коммутатора работает в режиме полного дуплекса, одновременно отправляя и принимая данные, и предоставляет подключённому устройству собственную выделенную пропускную способность, а не общую линию. Это устраняет коллизии, от которых страдали концентраторы, и позволяет всем устройствам одновременно работать на полной скорости. Именно поэтому сети на коммутаторах значительно производительнее сетей на концентраторах.

Таблица MAC-адресов не растёт бесконечно. У каждой записи есть таймер устаревания: если коммутатор в течение заданного времени больше не получает данных от MAC-адреса, он удаляет эту запись. Благодаря этому таблица остаётся актуальной, когда устройства перемещаются или отключаются. Если устройство позже снова отправит данные, коммутатор просто заново запомнит его местоположение и будет точно выполнять пересылку.

Коммутаторы по-разному обрабатывают различные типы кадров:

• Одноадресная передача — одному устройству; если адрес известен, кадр пересылается на этот единственный порт.
• Широковещательная передача — всем устройствам; кадр отправляется на каждый порт.
• Многоадресная передача — группе устройств; кадр рассылается всем или, при наличии дополнительных возможностей, отправляется выборочно.

Широковещательные сообщения всегда распространяются по всему коммутатору; это важно при дальнейшем изучении широковещательных доменов.

Коммутаторы могут пересылать кадры разными способами. Метод с промежуточным хранением принимает кадр целиком, проверяет его на наличие ошибок, а затем пересылает — это надёжно, но немного медленнее. Метод сквозной пересылки начинает пересылку сразу после считывания адреса назначения — это быстрее, но обнаруживать ошибки он не может. Большинство современных коммутаторов используют промежуточное хранение ради надёжности. Для экзамена полезно знать оба метода и компромисс между скоростью и точностью.

Благодаря интеллектуальной пересылке коммутаторы дают три больших преимущества по сравнению с концентраторами: более высокую производительность благодаря выделенным портам с полным дуплексом, меньшее количество коллизий, поскольку каждый порт образует собственный домен коллизий, и повышенную безопасность, поскольку кадры не отправляются каждому устройству. Именно поэтому коммутаторы повсеместно заменили концентраторы и стали основой каждой современной локальной сети (LAN).

Проверьте свои знания о работе коммутаторов.

Вы узнали, что коммутатор — это устройство уровня 2, которое считывает MAC-адреса в кадрах и интеллектуально пересылает их. Он запоминает исходные MAC-адреса и соответствующие им порты в таблице MAC-адресов, затем отправляет кадры с известным адресом назначения на один порт, а кадры с неизвестным адресом временно рассылает. Каждый порт работает в режиме полного дуплекса и имеет выделенную пропускную способность, что устраняет коллизии. Записи таблицы устаревают и удаляются, благодаря чему она остаётся актуальной. Коммутаторы превосходят концентраторы по скорости, количеству коллизий и безопасности и обеспечивают работу всех современных локальных сетей.