Switch industrial Layer 3
Entre muchos productos de red, los switches industriales desempeñan un papel importante en la construcción de redes de alto rendimiento, y su desarrollo técnico es igualmente rápido y notable. El término "switch industrial Layer 3" se ha vuelto cada vez más popular en la industria de la automatización industrial. En redes medianas y grandes, existen muchas infraestructuras con switches gigabit de capa 3 como núcleo. Con el rápido desarrollo de las redes empresariales, redes campus y redes de banda ancha, el switch industrial de capa 3 se ha convertido en un nuevo punto de crecimiento del mercado. Su aplicación se ha extendido desde la capa troncal y la capa de agregación del centro de red inicial hasta la capa de acceso en el borde de la red.
Desarrollo de la tecnología de conmutación
La combinación de la tecnología informática y la tecnología de las comunicaciones ha impulsado el rápido desarrollo de las redes LAN. Desde la aparición de la red Aloha a finales de los años 60 hasta la llegada del switch Gigabit Ethernet a finales de los años 90, la tecnología evolucionó desde simplex a dúplex, de división a conmutación, de baja velocidad a alta velocidad, de simple a compleja, de costosa a popular, y dio el salto de la conmutación de capa 2 a la conmutación multicapa.
Conmutación de capa 2, o switch industrial Layer 2
En los primeros tiempos de las redes LAN, su uso se limitaba principalmente a la conexión de hosts, el intercambio de archivos y la impresión. Estos requisitos podían satisfacerse compartiendo 10 Mbps de ancho de banda entre varios usuarios. A medida que la escala de la red aumenta, el sistema anterior deja de ser suficiente, porque en una LAN el primer dispositivo que conecta redes es el hub, que es un equipo de capa 1, es decir, de la capa física. En esta red basada en el protocolo físico CSMA/CD, a menudo se producen conflictos de datos de usuario, lo que provoca retransmisiones y reduce considerablemente la eficiencia de la transmisión. En ese momento se adoptó el puente hardware de segunda capa (capa de enlace de datos), que puede mejorar el segmento de red y reducir el dominio de colisión para optimizar el rendimiento de la LAN. Sin embargo, el bridge es un dispositivo transparente de protocolo de alto nivel, por encima de la tercera capa, y no puede evitar eficazmente las tormentas de difusión, por lo que resulta necesario utilizar un router. Los routers industriales desempeñan un papel clave en la conexión de subredes, el control de seguridad y la mitigación de tormentas broadcast, pero sus algoritmos complejos y su menor rendimiento de datos los convierten en un cuello de botella de la red. Para resolver estos problemas, la industria mejoró el bridge y creó el switch LAN para sustituir al hub y mejorar el rendimiento. El switch LAN es un dispositivo de red de capa 2. Durante su funcionamiento, recopila y crea continuamente su propia tabla de direcciones MAC y la actualiza de forma periódica. Su introducción hace que cada estación de red disponga de su propio ancho de banda exclusivo, elimina la detección innecesaria de colisiones y la retransmisión de errores, y mejora la eficiencia de transmisión. Como la transmisión de datos del usuario es punto a punto, resulta invisible para otros nodos. Sin embargo, el switch Ethernet industrial Layer 2 también tiene debilidades, entre ellas la imposibilidad de resolver eficazmente los problemas de tormentas de transmisión, interconexión de redes heterogéneas y control de seguridad, por lo que en el switch se introdujo la tecnología VLAN (red local virtual).
Conmutación de capa 3, o switch industrial Layer 3
El switch industrial Layer 2 funciona en la segunda capa del modelo de referencia OSI, es decir, la capa de enlace de datos. Sus funciones principales incluyen direccionamiento físico, estructura topológica de red, control de errores, secuenciación de tramas, control de flujo, etc. Para mejorar el rendimiento del switch, se introdujo el switch industrial de Layer 3. Este conserva todas las funciones de Layer 2 y añade muchas opciones nuevas, como soporte VLAN, agregación de enlaces e incluso función de firewall. En resumen, el switch industrial Layer 3 añade funciones de enrutamiento a la segmentación VLAN basada en protocolos. El switch Layer 3 es una aplicación clave en intranets. Combina de forma orgánica e inteligente las ventajas de un switch de Layer 2 y los routers de Layer 3 en una solución flexible capaz de ofrecer rendimiento a velocidad de línea en todos los niveles. Esta estructura integrada también introduce un atributo de gestión de políticas que no solo conecta la segunda y la tercera capa, sino que además proporciona priorización del tráfico, mecanismos de acceso seguro y otras funciones. El switch Ethernet industrial Layer 3 se divide en tres partes: la capa de interfaz, la capa de conmutación y la capa de routing. La capa de interfaz cubre las interfaces LAN más importantes, como Ethernet 10/100 Mbps, Gigabit Ethernet, FDDI, ATM, etc. La capa de conmutación integra diversas interfaces LAN, complementadas con gestión de políticas, y proporciona mecanismos de agregación de enlaces, VLAN y etiquetado. La capa de routing proporciona los principales protocolos de enrutamiento LAN, incluidos IP, IPX y AppleTalk. También ofrece tecnología de reenvío de capa 3 para routing tradicional o directamente mediante gestión de políticas. La combinación de gestión de políticas y administración permite a los administradores de red personalizar la red para adaptarla a necesidades empresariales específicas.
Los switches industriales Layer 3 adoptan tecnología de chips ASIC programables y ampliables, capaces de ofrecer funciones avanzadas como:
Del router industrial al switch industrial Layer 3
En el pasado, la mayor parte de los datos de la red seguían la regla "80/20", es decir, solo alrededor del 20% de los paquetes se comunicaban con el servidor central u otras partes de la red empresarial a través del router backbone, mientras que el 80% del tráfico seguía concentrado dentro de subredes departamentales. Sin embargo, hoy la situación ha cambiado de forma radical y ha aparecido la regla "20/80". Para hacer frente al creciente tráfico de datos, las redes con medios compartidos han sido sustituidas por redes conmutadas. Este cambio ha afectado directamente al router tradicional que se utilizaba originalmente para segmentar la red. Dado que la mayor parte del tráfico cruza subredes IP, el router se ha convertido efectivamente en un limitador de transmisión. La función principal del router tradicional es implementar el enrutamiento y la conexión de red, es decir, obtener información sobre la topología de subred y las características de cada enlace físico, calcular la mejor ruta mediante algoritmos de routing, crear tablas de routing y reenviar los paquetes IP a su destino, además de gestionar distintos protocolos de enlace. Cuando los paquetes IP atraviesan cada router, deben pasar por procesos software como colas, tratamiento de protocolos y decisión de routing, lo que incrementa la latencia. Al mismo tiempo, el router adopta un modelo de bus compartido, por lo que el ancho de banda total es limitado. Cuando aumenta el número de usuarios, disminuye la velocidad de acceso de cada uno. Los routers industriales prestan hoy más atención al soporte de distintos medios y velocidades de transmisión, pero actualmente la capacidad de almacenamiento intermedio y conversión de datos es más importante que el rendimiento a velocidad de línea y la baja latencia. Aunque el rendimiento del router ha mejorado recientemente, aproximadamente hasta 1 mpps, su coste sigue siendo sorprendentemente alto.
En comparación con la tecnología de routing, la tecnología de switching tiene la ventaja de la velocidad. Cuando la escala de la red es grande, un router de alta velocidad y capacidad sigue siendo necesario. Por otro lado, dado que la mayoría de las redes de comunicación modernas utilizan fibra óptica, el principal cuello de botella de la red de datos es el router de nodo. Los actuales switches Layer 3, routing switches y otros conceptos similares son resultado de esta evolución. Aunque los switches Layer 3 se diseñaron originalmente para redes LAN y utilizan la dirección IP de destino para la conmutación, esta tecnología también se ha trasladado a WAN. La conmutación Layer 3 desempeña un papel cada vez más importante en el diseño de redes actuales. No necesita distribuir paquetes broadcast, sino que utiliza directamente direcciones MAC determinadas dinámicamente para la comunicación, junto con IP, ARP, etc. Tiene funciones de multicanal, broadcasting y routing entre redes virtuales basadas en protocolos IP e IPX, entre otros. La implementación eficiente de estas funciones depende sobre todo de circuitos integrados específicos de aplicación (ASIC). Las instrucciones tratadas antes por software de routing tradicional se han convertido en instrucciones embebidas en el chip ASIC, lo que acelera el reenvío y filtrado de paquetes y proporciona routing lineal y alta calidad de servicio a gran velocidad.
Para elegir el dispositivo industrial correcto, aquí tiene una imagen que responde a la pregunta de cuándo usar un switch Layer 2, cuándo usar un switch Layer 3 y cuándo usar un router industrial
