سوئیچ شبکه چیست؟
سوئیچ شبکه دستگاهی است که دستگاه‌های موجود در شبکه را به هم متصل می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد با تبادل بسته‌های داده با هم ارتباط برقرار کنند. سوئیچ ها می توانند سخت افزار فیزیکی مدیریت شبکه های فیزیکی یا دستگاه های مجازی مبتنی بر نرم افزار باشند.
یک سوئیچ شبکه بر روی لایه پیوند داده، که به عنوان لایه ۲ نیز شناخته می شود، از مدل اتصال سیستم های باز (OSI) کار می کند. در یک شبکه محلی (LAN) با استفاده از اترنت، یک سوئیچ شبکه با بررسی آدرس کنترل دسترسی رسانه (MAC) تصمیم می‌گیرد که هر فریم پیام ورودی را کجا ارسال کند. سوئیچ ها جداولی را حفظ می کنند که هر آدرس MAC را با پورت دریافت کننده آن آدرس مطابقت می دهد.
چرا سوئیچ های شبکه ارزشمند هستند؟
سوئیچ های شبکه نقش مهمی در انتقال اطلاعات بین نقاط انتهایی مختلف دارند و مزایای مختلفی را ارائه می دهند:
- کاربرد گسترده: سوئیچ ها در شبکه های داده مدرن رایج هستند و ترافیک قابل توجهی را در شبکه های ارائه دهنده مخابرات حمل می کنند.
- ارتباطات پیشرفته: آنها ارتباطات تمام دوبلکس، اتصال بخش های شبکه، بهبود عملکرد شبکه و استفاده موثر از پهنای باند موجود را امکان پذیر می کنند.
- اتصالات متنوع: سوئیچ ها اتصالات سیمی را به دستگاه های مختلف از جمله رایانه های رومیزی، نقاط دسترسی بی سیم، چاپگرها، ماشین آلات صنعتی و برخی دستگاه های اینترنت اشیا (IoT) ارائه می دهند.
- پشتیبانی از مرکز داده: آنها رایانه های میزبان ماشین های مجازی در مراکز داده را به همراه سرورهای فیزیکی و زیرساخت ذخیره سازی به هم متصل می کنند.
- توان از طریق اترنت (PoE): اکثر سوئیچ های مدرن از Power over Ethernet پشتیبانی می کنند و انرژی را به دستگاه های شبکه مانند نورپردازی در فضای باز، دوربین های امنیتی، صدا از طریق تلفن های IP و حسگرها می رساند.
- یکپارچه سازی اینترنت اشیا: سوئیچ های شبکه داده ها را از دستگاه های اینترنت اشیا جمع آوری می کنند که می توانند توسط هوش مصنوعی و الگوریتم های یادگیری ماشین برای بهینه سازی محیط ها استفاده شوند.
سوئیچ شبکه چگونه کار می کند؟
سوئیچ های شبکه داده ها را در یک شبکه انتقال می دهند، اما تنظیمات آنها می تواند متفاوت باشد. آنها می توانند به صورت زیر عمل کنند:
- سوئیچ های لبه: ترافیک ورودی یا خروجی از شبکه را با دستگاه هایی مانند رایانه ها و نقاط دسترسی که به آنها متصل می شوند، مدیریت کنید.
- سوئیچ های تجمع: که در یک لایه میانی قرار می گیرند، سوئیچ های لبه را به هم متصل می کنند و ترافیک را بین سوئیچ ها یا تا سوئیچ های اصلی ارسال می کنند.
- سوئیچ های هسته: ستون فقرات شبکه را تشکیل می دهند، سوئیچ های تجمع یا لبه، کاربران، شبکه های لبه دستگاه، شبکه های مرکز داده و شبکه های محلی سازمانی را به روترها متصل می کنند.
یک فریم داده در صورتی که به آدرس MAC که زیرساخت سوئیچ با آن آشنا نیست هدایت شود به تمام پورت ها در حوزه سوئیچینگ ارسال می شود. همین امر برای فریم های داده چندپخشی و پخشی نیز اتفاق می افتد. این فرآیند به عنوان پخش، تک پخشی ناشناخته و سیلاب چندپخشی نامیده می شود. این مشخصه یک سوئیچ را به عنوان یک دستگاه لایه ۲ در مدل ارتباطات OSI دسته بندی می کند.
بسیاری از مراکز داده از معماری برگ و ستون فقرات استفاده می‌کنند و لایه تجمع را حذف می‌کنند. در این تنظیمات، سرورها و دستگاه های ذخیره سازی به سوئیچ های برگ (سوئیچ های لبه) متصل می شوند. هر سوئیچ برگ به دو یا چند سوئیچ ستون فقرات (هسته) متصل می شود. این باعث کاهش تعداد پرش های داده از مبدا به مقصد و در نتیجه کاهش تاخیر می شود.
برخی از مراکز داده از طراحی شبکه فابریک یا مش استفاده می کنند، که باعث می شود هر دستگاه بخشی از یک سوئیچ واحد و بزرگ به نظر برسد. این رویکرد تاخیر را به حداقل می رساند. برنامه های محاسباتی با کارایی بالا (HPC) که به قدرت محاسباتی قابل توجهی نیاز دارند، اغلب از این طراحی استفاده می کنند.
برای مشاغل کوچک و شبکه های خانگی، سوئیچ های شبکه مزایای پورت های اترنت اضافی را برای اتصال به اترنت گیگابیتی ارائه می دهند.
با این حال، همه شبکه ها از سوئیچ استفاده نمی کنند. برخی از شبکه ها ممکن است از یک حلقه توکن استفاده کنند یا از طریق یک گذرگاه، هاب یا تکرار کننده متصل شوند. در چنین شبکه هایی، هر دستگاه متصل، تمام ترافیک شبکه را که به آن آدرس داده می شود، دریافت و می خواند. روش دیگر شامل اتصال مستقیم رایانه ها بدون دستگاه های شبکه اضافی است. این روش در درجه اول برای HPC استفاده می شود، جایی که تاخیر بسیار کم (زیر ۵ میکرو ثانیه) مورد نیاز است. طراحی، سیم کشی و مدیریت چنین شبکه هایی فرآیندی پیچیده است.
انواع سوئیچ ها چیست؟
سوئیچ ها در شبکه انواع مختلفی دارند:
- سوئیچ های مجازی: سوئیچ های نرم افزاری در محیط های میزبانی ماشین مجازی.
- سوئیچ های مسیریابی: شبکه های LAN را متصل کنید، عملکردهای سوئیچینگ و مسیریابی لایه ۲ مبتنی بر MAC را در لایه OSI 3 انجام می دهند.
- سوئیچ های مدیریت شده: امکان تنظیمات کاربر برای نظارت و تغییرات پیکربندی.
- سوئیچ های مدیریت نشده: داده ها را به صورت خودکار با استفاده از مذاکره خودکار با تنظیمات ثابت ارسال می کند.
- سوئیچ های هوشمند: قابل تنظیم برای کنترل بیشتر بر انتقال داده ها، اما با محدودیت.
- سوئیچ های قابل انباشته: برای تشکیل یک سوئیچ منطقی از چندین سوئیچ فیزیکی متصل شده است.
- سوئیچ های مدولار: کارت های سوئیچ برای سوئیچ های مدولار یا مبتنی بر شاسی، ارائه انعطاف پذیری و ارتقاء.
سوئیچ های شبکه چگونه آدرس های MAC دستگاه های موجود در شبکه خود را یاد می گیرند؟
سوئیچ های شبکه لایه ۲ دارای یک جدول ذخیره شده در حافظه هستند که به عنوان جدول حافظه آدرس پذیر محتوا (CAM) شناخته می شود. این جدول آدرس های MAC را با پورت های اترنت سوئیچ مرتبط می کند.
فرض کنید کامپیوتر A از طریق کابل اترنت به پورت ۱ سوئیچ وصل شده است، کامپیوتر B روی پورت ۲ و کامپیوتر C روی پورت ۳ قرار دارد. هنگامی که داده ها برای کامپیوتر A می رسند، سوئیچ جدول CAM خود را بررسی می کند تا تعیین کند کامپیوتر A کجاست. وصل است. سپس ترافیک در نظر گرفته شده برای کامپیوتر A را به پورت ۱ هدایت می کند، نه پورت های ۲ یا ۳.
جدول CAM سوئیچ چیزی شبیه به این خواهد بود:
| MAC آدرس | پورت |
|---|---|
| MAC آدرس کامپیوتر A | ۱ |
| MAC آدرس کامپیوتر B | ۲ |
| MAC آدرس کامپیوتر C | ۳ |
جدول CAM سوئیچ در حافظه آن ذخیره می شود. اگر سوئیچ خاموش باشد، جدول پاک می شود و سوئیچ باید دوباره جدول را پس از راه اندازی مجدد یاد بگیرد.
حال، تصور کنید سوئیچ به تازگی روشن شده است و هنوز جدول CAM خود را تنظیم نکرده است. در این مرحله، اطلاعاتی در مورد پورت‌های کامپیوترهای A، B و C و همچنین آدرس‌های MAC مربوطه آنها وجود ندارد.
| MAC آدرس | Port |
|---|---|
| ? | ? |
| ? | ? |
| ? | ? |
بیایید سناریویی را در نظر بگیریم که در آن رایانه A پیامی را به رایانه B ارسال می‌کند. در این مورد، سوئیچ این مراحل را دنبال می‌کند تا پیام را به رایانه B برساند و شروع به پر کردن جدول CAM خود کند:
۱. سوئیچ آدرس MAC رایانه A و درگاهی را که پیام آن از آنجا رسیده را یادداشت می کند.
۲. پیام کامپیوتر A را به تمام کامپیوترهای دیگر در شبکه (به استثنای کامپیوتر A) منتقل می کند. این عمل “سیل” نامیده می شود.
۳. هنگامی که کامپیوتر B پاسخ می دهد، سوئیچ آدرس MAC کامپیوتر B و پورت مربوطه را ثبت می کند.
| MAC address | Port |
|---|---|
| MAC آدرس کامپیوتر A | ۱ |
| MAC آدرس کامپیوتر B | ۲ |
| ? | ? |
در این مرحله، جدول CAM سوئیچ اطلاعاتی در مورد مکان های کامپیوتر A و کامپیوتر B به دست آورده است. علاوه بر این، اکنون دارای آدرس های MAC مربوطه است.
چگونه سوئیچ شبکه را راه اندازی کنیم؟
بسته به نوع شبکه می توان از سوئیچ های مختلفی استفاده کرد. در یک LAN اداری کوچک یا یک شبکه خانگی، یک سوئیچ شبکه معمولا به یکی از پورت های روتر متصل می شود. این سوئیچ ظرفیت دستگاه های متصل به اینترنت سیمی را در یک شبکه کوچک مانند رایانه های رومیزی، لپ تاپ ها و چاپگرها افزایش می دهد.سوئیچ مناسب را بر اساس نیاز شبکه انتخاب کنید.
مراحل معمول برای راه اندازی سوئیچ شبکه عبارتند از:
- یک سوئیچ با توجه به نیاز شبکه خریداری کنید.
- پورت سوئیچ را با استفاده از کابل مستقیم به روتر وصل کنید. اکثر سوئیچ ها دارای پورت های uplink برای اتصال به دستگاه هایی مانند روتر هستند. اگر سوئیچ فاقد پورت uplink باشد، می توان از هر پورتی برای اتصال به روتر استفاده کرد.
- پس از اتصال فیزیکی سوئیچ به روتر، آدرس های IP دستگاه ها را پیکربندی کنید.
کاربردهای مختلف سوئیچ های شبکه چیست؟
سوئیچ های شبکه نقش های مختلفی را ایفا می کنند:
- اتصالات لینک خودکار: اتصال موثر، سرعت و سهولت استفاده را با خودکار کردن اتصالات پیوند فراهم می کند.
- ساخت یک شبکه قابل اعتماد و ایمن: قابلیت اطمینان و امنیت شبکه را با کنترل انتقال داده ها افزایش می دهد.
- اتصال دستگاه های جداگانه: برای اتصال فیزیکی دستگاه های شبکه جداگانه، ارائه پورت های متعدد مورد نیاز است.
- ارتباط فول دوبلکس: در حالت فول دوبلکس کار می کند و انتقال و دریافت همزمان داده را تسهیل می کند.
- شبکه های خانگی و پخش جریانی: برای شبکه های خانگی مفید است، به خصوص زمانی که از سرویس های پخش پرقدرت به طور منظم استفاده می شود.
- فیلتر آدرس: با حفظ لیستی از آدرس های MAC مجزا برخوردها را کاهش می دهد و ارتباطات را به مقصدهای مورد نظر هدایت می کند.
سوئیچ شبکه در مقابل روتر
سوئیچ های شبکه و روترها عملکردهای مختلفی دارند:
- لایه و عملکرد: سوئیچ ها دستگاه های لایه ۲ هستند، در حالی که روترها عمدتاً در لایه ۳ کار می کنند.
- مدیریت داده ها: روترها از آدرس های IP برای تعیین مسیرهای بسته استفاده می کنند، در حالی که سوئیچ ها از آدرس های MAC برای انتقال داده ها استفاده می کنند.
- پیچیدگی: روترها پیچیده‌تر هستند و از الگوریتم‌های مسیریابی برای شبکه‌های بزرگ استفاده می‌کنند، در حالی که سوئیچ‌ها بر انتقال داده‌های محلی تمرکز می‌کنند.
- Wired در مقابل Wi-Fi: روترها در شبکه های سیمی و Wi-Fi کار می کنند، در حالی که سوئیچ ها به اتصالات سیمی محدود می شوند.
- خدمات ارائه شده: روترها ترجمه آدرس شبکه، NetFlow و کیفیت خدمات را ارائه می دهند که سوئیچ ها ارائه نمی دهند.
سوئیچ شبکه در مقابل هاب
- لایه و عملکرد: سوئیچ ها دستگاه های لایه ۲ هستند، در حالی که هاب ها دستگاه های فیزیکی لایه ۱ هستند.
- ردیابی آدرس: آدرس های ردیابی را برای انتقال کارآمد داده ها تغییر می دهد، در حالی که هاب ها این کار را نمی کنند و منجر به برخوردهای بیشتر می شود.
- ارتباطات: هدف هاب ها اتصال همه گره ها است، در حالی که سوئیچ ها دستگاه ها را به هم متصل می کنند و داده ها را بین آنها انتقال می دهند.
- جلوگیری از برخورد: سوئیچ ها از برخورد با فریم های بافر جلوگیری می کنند، در حالی که هاب ها نمی توانند.
به طور خلاصه، سوئیچ های شبکه برای ارتباطات کارآمد داده ضروری هستند و انواع مختلفی را برای مطابقت با نیازهای مختلف شبکه ارائه می دهند. آنها از نظر عملکرد و خدمات ارائه شده با روترها و هاب ها متفاوت هستند.
منابع
