Technologia zarządzania siecią: Switch Warstwy 3 i Router

Wśród wielu produktów sieciowych przemysłowe switche odgrywają istotną rolę w budowaniu wysokowydajnych sieci, a ich rozwój techniczny jest równie szybki i niezwykły. Hasło "Przemysłowy Switch Warstwy 3" stało się bardziej popularne w branży automatyki przemysłowej. W dużych i średnich sieciach istnieje wiele sieci z gigabitowymi switchami warstwy 3 jako rdzeń. Wraz z szybkim rozwojem sieci przedsiębiorstw, sieci kampusów i sieci szerokopasmowej, przemysłowy switch warstwy 3 stał się nowym punktem wzrostu rynku. Jego zastosowanie przeniknęło z warstwy szkieletowej i warstwy agregacji początkowego centrum sieci do warstwy dostępu na krawędzi sieci.

Rozwój technologii przełączania

Połączenie technologii komputerowej i technologii komunikacyjnej promowało szybki rozwój komputerowej sieci LAN. Od pojawienia się sieci Aloha pod koniec lat sześćdziesiątych do pojawienia się Gigabitowego Switcha Ethernet pod koniec lat dziewięćdziesiątych. Przeszedł on przez rozwój od simpleksu do dupleksu, dzielenia do przełączania, od małej prędkości do dużej prędkości, od prostego do złożonego, od drogiego do popularnego i skoku od przełączania warstwy 2 do przełączania wielowarstwowego.

Przełączanie w warstwie 2, czyli Przemysłowy Switch Layer 2

Na początku powstania sieci LAN, była ona ograniczona głównie do połączenia z hostem, udostępniania plików i drukowania. Wymagania te mogą być spełnione przez współdzielenie pasma 10Mbps pomiędzy wielu użytkowników. Wraz ze wzrostem skali sieci, poprzedni system sieciowy nie jest już kompetentny, ponieważ w sieci LAN, najwcześniejszym urządzeniem łączącym sieci jest hub, który jest urządzeniem warstwy pierwszej (fizycznej). W tej sieci opartej na protokole warstwy fizycznej CSMA / CD często występuje konflikt danych użytkownika, prowadzi to do retransmisji danych, co znacznie zmniejsza efektywność transmisji. W tym czasie przyjęto mostek sprzętowy drugiej warstwy (warstwa łącza danych), który może udoskonalić segment sieci i zmniejszyć domenę konfliktu, aby zoptymalizować wydajność sieci LAN. Jednak most jest urządzeniem przezroczystym dla protokołu wysokiego poziomu (powyżej trzeciej warstwy), który nie może skutecznie zapobiegać burzy rozgłoszeniowej, więc konieczne jest użycie routera. Przemysłowy routery odgrywa kluczową rolę w łączeniu podsieci, kontroli bezpieczeństwa i ograniczaniu burzy transmisji, ale skomplikowane algorytmy i niska przepustowość danych sprawiają, że są wąskim gardłem sieci. Aby rozwiązać powyższe problemy, przemysł udoskonalił most i wyprodukował przełącznik LAN, który zastąpił hub, by poprawić wydajność sieci. Przełącznik LAN jest urządzeniem sieciowym warstwy 2. Podczas pracy stale gromadzi i ustala własną tablicę adresów MAC oraz regularnie ją odświeża. Jej wprowadzenie sprawia, że każda stacja sieciowa ma swoje wyłączne pasmo, eliminuje niepotrzebne wykrywanie konfliktów i retransmisję błędów, poprawia efektywność transmisji. Ponieważ transmisja danych użytkownika odbywa się punkt-punkt, jest niewidoczna dla innych węzłów. Przemysłowy Switch Ethernet Warstwy 2 ma jednak również swoje słabe strony, m.in. nie jest w stanie skutecznie rozwiązać problemów burzy transmisyjnej, heterogenicznego połączenia sieci oraz kontroli bezpieczeństwa, dlatego wprowadza się technologię VLAN (virtual local area network) na przełączniku.

Przełączanie warstwy 3, czyli Przemysłowy Switch Layer 3

Przemysłowy Switch warstwy drugiej pracuje na drugiej warstwie modelu referencyjnego OSI-warstwie łącza danych. Jego główne funkcje obejmują adresowanie fizyczne, strukturę topologiczną sieci, kontrolę błędów, sekwencję ramek, kontrolę przepływu i tak dalej. W celu poprawy wydajności przełącznika wprowadzono przemysłowy switch warstwy 3. Zachował on wszystkie funkcje warstwy 2 i posiada wiele nowych opcji, takich jak obsługa sieci VLAN, obsługa łącza do agregacji, a nawet funkcja firewall. Podsumowując Przemysłowy Switch Warstwy 3 dodaje funkcję routingu w opartym na protokole podziale VLAN. Switch Warstwy 3 jest kluczem aplikacji intranetowej. Organicznie i inteligentnie łączy zalety switcha warstwy 2 i routerów warstwy 3 w elastyczne rozwiązanie, które może zapewnić wydajność prędkości liniowej na wszystkich poziomach. Ta zintegrowana struktura wprowadza również atrybut zarządzania polityką, który nie tylko łączy drugą warstwę i trzecią warstwę, ale również zapewnia przetwarzanie priorytetów ruchu, mechanizm dostępu bezpieczeństwa i inne funkcje. Przemysłowy Switch Ethernet Layer 3 jest podzielony na trzy części: warstwę interfejsu, warstwę przełączania i warstwę routingu. Warstwa interfejsu obejmuje wszystkie ważne interfejsy LAN, takie jak 10 / 100Mbps Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI, ATM itd. Warstwa przełączania integruje różne interfejsy LAN, uzupełnione o zarządzanie polityką, a także zapewnia agregację łączy, VLAN i mechanizmy etykietowania. Warstwa routingu zapewnia główne protokoły routingu LAN, w tym IP, IPX i AppleTalk itp. Zapewnia również technologię przekazywania warstwy 3 tradycyjnego routingu lub bezpośrednio przez zarządzanie polityką. Połączenie zarządzania polityką i zarządzania administracyjnego umożliwia administratorom sieci dostosowanie sieci do specyficznych potrzeb przedsiębiorstw.

Przemysłowe Switche Warstwy 3 przyjmują programowalną i rozszerzalną technologię chipową ASIC, która może zapewnić bogate funkcje, takie jak:

Od przemysłowego routera po przemysłowy switch warstwy

W przeszłości większość danych w sieci podążała za regułą "80 / 20", czyli tylko około 20% pakietów danych w sieci komunikuje się z centralnym serwerem lub innymi częściami sieci przedsiębiorstwa poprzez router szkieletowy, podczas gdy 80% ruchu sieciowego było nadal skoncentrowane w różnych podsieciach działowych. Teraz jednak sytuacja uległa zasadniczej zmianie, więc powstała zasada "20 / 80". Aby poradzić sobie z rosnącym ruchem danych, sieci z mediami współdzielonymi zostały zastąpione przez sieci przełączające. Zmiana ta ma bezpośredni wpływ na tradycyjny router pierwotnie używany do segmentacji sieci. Ponieważ większość ruchu danych przekracza podsieć IP, router stał się w rzeczywistości ograniczaniem transmisji sieciowej. Główną funkcją tradycyjnego routera jest realizacja routingu i połączenia sieciowego, czyli uzyskanie informacji o topologii podsieci i charakterystyki sieciowej każdej linii fizycznej w określony sposób. Ważnym zadaniem jest uzyskanie najlepszej ścieżki do każdej podsieci poprzez określony algorytm routingu i ustanowienie odpowiedniej tabeli routingu, tak aby przekazać każdy pakiet IP do miejsca przeznaczenia, a także radzenie sobie z różnymi protokołami łącza. Kiedy pakiety IP przechodzą przez każdy router, muszą przejść przez łącza przetwarzania oprogramowania, takie jak kolejkowanie, przetwarzanie protokołu i routingu adresowania, co powoduje zwiększenie opóźnienia. Jednocześnie router przyjmuje model magistrali współdzielonej, a całkowita przepustowość jest ograniczona. Gdy liczba użytkowników wzrasta, szybkość dostępu każdego z nich spada. Przemysłowy routery zwracają większą uwagę na obsługę różnych typów mediów i prędkości transmisji. Obecnie buforowanie danych i możliwości konwersji są ważniejsze niż przepustowość z prędkością liniową i niskie opóźnienia. Chociaż wydajność routera również uległa ostatnio poprawie, około 1mpps, to jednak koszt jego użytkowania jest również zaskakująco wysoki.

W porównaniu z technologią routingu, technologia przełączania ma zaletę szybkiej prędkości. Gdy skala sieci jest duża, router o dużej szybkości i pojemności jest bardzo potrzebny. Z drugiej strony, ponieważ większość nowoczesnych sieci komunikacyjnych wykorzystuje technologię światłowodową, głównym wąskim gardłem sieci danych jest router węzłowy. Obecne przełączanie warstwy 3, przełączanie routingu lub inne terminy są wynikiem tej idei. Chociaż switche warstwy 3 zostały pierwotnie zaprojektowane dla sieci LAN i używa docelowego adresu IP do przełączania to teraz ta technologia została również wykorzystana w WAN. Przełączanie warstwy 3 odgrywa coraz ważniejszą rolę w obecnej budowie sieci. Nie musi rozpowszechniać pakietów rozgłoszeniowych, ale bezpośrednio używa dynamicznie ustalonych adresów MAC do komunikacji, takich jak adres IP i ARP itd. Posiada funkcje wielokanałowego rozgłaszania i routingu między sieciami wirtualnymi opartymi na protokołach IP i IPX itd. Sprawna realizacja tej funkcji zależy głównie od układów scalonych specyficznych dla aplikacji (ASIC). Instrukcje przetwarzane przez tradycyjne oprogramowanie routingu zostały zmieniane na wbudowane instrukcje chipu ASIC, co przyspiesza przekazywanie pakietów i filtrowanie, a także zapewnia liniowe trasowanie i świetną jakość usług przy dużej prędkości.

W celu doboru odpowiedniego i najlepszego przemysłowego urządzenia, poniżej przedstawiamy obrazek, który odpowiada na pytanie kiedy zastosować Switch Warstwy 2, kiedy Switch Warstwy 3, a kiedy Przemysłowy Router