Cómo funciona el interruptor
La tecnología de conmutación de capa es relativamente madura. Los conmutadores de capa 2 son dispositivos de capa de enlace de datos que pueden identificar la información de la dirección MAC en los paquetes de datos, reenviarlos en función de la dirección MAC y comparar estas direcciones MAC con los puertos correspondientes. Registrado en una tabla de direcciones interna. El flujo de trabajo específico es el siguiente:
(1) Cuando el conmutador recibe un paquete de datos de un determinado puerto, primero lee la dirección MAC de origen en el encabezado del paquete, para saber que la máquina con el dirección MAC de origen está conectada.
(2) Luego lea la dirección MAC de destino en el encabezado del paquete y busque el puerto correspondiente en la tabla de direcciones; Como en la tabla Si hay un puerto correspondiente a la dirección MAC de destino, copie el paquete de datos directamente a este puerto
(4) Si el puerto correspondiente no se puede encontrar en la tabla, transmita el paquete de datos; a todos los puertos Cuando la máquina de destino responde a la máquina de origen, el conmutador puede aprender a qué puerto corresponde la dirección MAC de destino y no es necesario transmitir a todos los puertos la próxima vez que transmita datos.
Al reciclar continuamente este proceso, se puede conocer la información de la dirección MAC de toda la red. Así es como el conmutador de Capa 2 establece y mantiene su propia tabla de direcciones.
Se pueden inferir los siguientes tres puntos del principio de funcionamiento de los conmutadores de capa 2:
(1) Dado que el conmutador conmuta datos en la mayoría de los puertos simultáneamente, esto requiere un bus de conmutación muy amplio. Ancho de banda, si el conmutador de capa 2 tiene N puertos, el ancho de banda de cada puerto es M y el ancho de banda del bus del conmutador excede N × M, entonces el conmutador puede lograr una conmutación de velocidad de línea
(2) Conozca las conexiones del puerto La dirección MAC de la máquina se escribe en la tabla de direcciones El tamaño de la tabla de direcciones (generalmente expresado de dos maneras: una es BEFFER RAM y la otra es el valor de entrada de la tabla MAC El tamaño de la tabla de direcciones). afecta la capacidad de acceso del conmutador
(3) Otra cosa es que los conmutadores de Capa 2 generalmente contienen chips ASIC (Circuito Integrado de Aplicación Específica) especialmente utilizados para procesar el reenvío de paquetes de datos, por lo que la velocidad de reenvío puede ser muy alta; rápido. Dado que cada fabricante utiliza diferentes ASIC, esto afecta directamente el rendimiento del producto.
Los tres puntos anteriores son también los principales parámetros técnicos para juzgar el rendimiento de los conmutadores de Capa 2 y Capa 3. Preste atención a este punto al considerar la selección del equipo.
(2) Tecnología de enrutamiento
Los enrutadores funcionan en la tercera capa del modelo OSI: operación de capa de red. Su modo de trabajo es similar a la conmutación de capa 2, pero el enrutador funciona. en la tercera capa, esta diferencia determina que el enrutamiento y la conmutación utilizan información de control diferente al transmitir paquetes e implementan funciones de diferentes maneras. El principio de funcionamiento es que hay una tabla dentro del enrutador. Lo que esta tabla indica es si desea ir a un lugar determinado, adónde debe ir a continuación. Si puede encontrar el paquete de datos en la tabla de enrutamiento, adónde debe ir. ¿Siguiente? La información se agrega y se reenvía; si no se sabe adónde ir a continuación, el paquete se descarta y se devuelve un mensaje a la dirección de origen.
La tecnología de enrutamiento básicamente tiene solo dos funciones: determinar la ruta óptima y reenviar paquetes de datos. Se escribe diversa información en la tabla de enrutamiento, el algoritmo de enrutamiento calcula la mejor ruta a la dirección de destino y luego el paquete de datos se envía mediante un mecanismo de reenvío relativamente simple y directo. El siguiente enrutador que recibe los datos continúa reenviándolos de la misma manera, y así sucesivamente, hasta que el paquete de datos llega al enrutador de destino.
Existen dos formas diferentes de mantener las tablas de enrutamiento. Uno es actualizar la información de enrutamiento y publicar parte o toda la información de enrutamiento. Los enrutadores aprenden la información de enrutamiento entre sí para dominar la topología de toda la red. Este tipo de protocolo de enrutamiento se denomina protocolo de enrutamiento por vector de distancia. transmitir su propia información de estado de enlace, aprender la información de enrutamiento de toda la red a través del aprendizaje mutuo y luego calcular la mejor ruta de reenvío. Este tipo de protocolo de enrutamiento se denomina protocolo de enrutamiento de estado de enlace.
Dado que el enrutador necesita realizar una gran cantidad de trabajo de cálculo de ruta, la capacidad de funcionamiento del procesador general determina directamente su rendimiento.
Por supuesto, este juicio todavía se aplica a los enrutadores de gama media a baja, porque los enrutadores de gama alta a menudo adoptan diseños de arquitectura de sistema de procesamiento distribuido.
(3) Tecnología de conmutación de tres capas
La publicidad de la tecnología de tres capas en los últimos años ha hecho que le hormigueen los oídos y la gente grita sobre la tecnología de tres capas en todas partes. La gente dice que esto es muy En cuanto a las nuevas tecnologías, algunas personas dicen que la conmutación de Capa 3 es solo una pila de enrutadores y conmutadores de Capa 2, y no hay nada nuevo en ello. ¿Es este realmente el caso? Primero echemos un vistazo al proceso de trabajo de un conmutador de capa 3 a través de una red simple.
La conexión en red es relativamente simple
Dispositivo IP A---------------------Switch de capa 3 ---- --------------------Dispositivo B usando IP
Por ejemplo, si A quiere enviar datos a B y se conoce la IP de destino, entonces A utiliza la máscara de subred para obtener la dirección de red y determina si la IP de destino está en el mismo segmento de red que él.
Si están en el mismo segmento de red pero no conocen la dirección MAC requerida para reenviar los datos, A envía una solicitud ARP, B devuelve su dirección MAC, A usa esta MAC para encapsular el paquete de datos y lo envía al conmutador, y el conmutador habilita el módulo de conmutación de capa 2, busca en la tabla de direcciones MAC y reenvía el paquete de datos al puerto correspondiente.
Si la dirección IP de destino no está en el mismo segmento de red, entonces A necesita comunicarse con B. Si no hay una entrada de dirección MAC correspondiente en la entrada de caché de flujo, se enviará el primer paquete de datos normal. a una dirección faltante. Puerta de enlace provincial. Esta puerta de enlace predeterminada generalmente se configura en el sistema operativo y corresponde al módulo de enrutamiento de tercera capa. Por lo tanto, se puede ver que para datos que no son la misma subred, la dirección MAC de la puerta de enlace predeterminada. primero se coloca en la tabla MAC; luego, cuando el módulo de capa 3 recibe este paquete de datos, consulta la tabla de enrutamiento para determinar la ruta a B y construye un nuevo encabezado de trama con la dirección MAC de la puerta de enlace predeterminada como la dirección MAC de origen; y la dirección MAC del host B como dirección MAC de destino. A través de un determinado mecanismo de activación de identificación, se establece la relación correspondiente entre las direcciones MAC y los puertos de reenvío de los hosts A y B y se registra la tabla de entrada de caché entrante. En el futuro, se registran los datos de A a B. se entregará directamente a Se completa el módulo de conmutación de capa 2. Esto se conoce comúnmente como enrutamiento una vez y reenvío múltiples veces.
Lo anterior es un resumen simple del proceso de trabajo del conmutador de tres capas. Podemos ver las características de la conmutación de tres capas:
El reenvío de datos de alta velocidad es. logrado combinando hardware.
Esta no es una simple superposición de conmutadores y enrutadores de capa 2. El módulo de enrutamiento de capa 3 se superpone directamente al bus de plano posterior de alta velocidad de la conmutación de capa 2, rompiendo el límite de velocidad de interfaz de los enrutadores tradicionales. y la velocidad puede alcanzar varios diez Gbits. Contando el ancho de banda del backplane, estos son dos parámetros importantes para el rendimiento del switch de Capa 3.
El software de enrutamiento simple simplifica el proceso de enrutamiento.
La mayor parte del reenvío de datos, excepto la selección de ruta necesaria, que es manejada por el software de enrutamiento, se reenvía a alta velocidad mediante el módulo de segunda capa. La mayor parte del software de enrutamiento se procesa y se optimiza de manera eficiente. software, y no es una simple copia del software del enrutador.
Conclusión
Los conmutadores de capa 2 se utilizan en redes de área local pequeñas. No hace falta decir que en las LAN pequeñas, los paquetes de difusión tienen poco impacto. La función de conmutación rápida, los múltiples puertos de acceso y el bajo precio de los conmutadores de capa 2 proporcionan una solución completa para los usuarios de redes pequeñas.
La ventaja del enrutador es que tiene tipos de interfaz ricos, admite potentes funciones de tres capas y tiene potentes capacidades de enrutamiento. Es adecuado para enrutar entre redes grandes. Su ventaja radica en seleccionar la mejor ruta. , compartir carga y vincular. La copia de seguridad y el intercambio de información de enrutamiento con otras redes son funciones de un enrutador.
La función más importante de un conmutador de Capa 3 es acelerar el reenvío rápido de datos dentro de una gran red de área local, y agregar funciones de enrutamiento también sirve para este propósito.
Si una red grande se divide en LAN pequeñas según departamentos, regiones, etc., esto generará una gran cantidad de visitas a Internet. El simple uso de un conmutador de Capa 2 no puede lograr visitas a Internet si simplemente usa un enrutador; número limitado de interfaces y La lenta velocidad de reenvío del enrutamiento limitará la velocidad y la escala de la red, por lo que el uso de conmutadores de Capa 3 de reenvío rápido con funciones de enrutamiento se convierte en la primera opción.
En términos generales, en una red con un gran tráfico de datos de intranet que requiere reenvío y respuesta rápidos, si se utilizan todos los conmutadores de Capa 3 para realizar este trabajo, los conmutadores de Capa 3 se sobrecargarán y la velocidad de respuesta será menor. Una buena estrategia de red es dejar el enrutamiento entre redes al enrutador y aprovechar al máximo las ventajas de los diferentes dispositivos. Por supuesto, la premisa es que los bolsillos del cliente son muy profundos, de lo contrario deberían conformarse con el segundo mejor. y deje que el conmutador de tres capas también sirva como interconexión a Internet.
Una definición simple de conmutación de Capa 4 es: es una función que determina la transmisión basándose no solo en la dirección MAC (puente de Capa 2) o en la dirección IP de origen y destino (enrutamiento de Capa 3) y basándose en TCPUDP. (capa 4) número de puerto de la aplicación. La función de conmutación de capa 4 es como una IP virtual que apunta al servidor físico. Los servicios que transmite obedecen a una variedad de protocolos, incluidos HTTP, FTP, NFS, Telnet u otros protocolos. Estos servicios requieren complejos algoritmos de equilibrio de carga basados en servidores físicos. En el mundo IP, el tipo de servicio está determinado por la dirección del puerto TCP o UDP del terminal. El rango de aplicación en la conmutación de capa 4 está determinado por las direcciones IP de origen y del terminal, los puertos TCP y UDP.
En la conmutación de Capa 4, se configura una dirección IP virtual (VIP) para cada grupo de servidores utilizado para la búsqueda. Cada grupo de servidores admite una determinada aplicación. Cada dirección de servidor de aplicaciones almacenada en el servidor de nombres de dominio (DNS) es una dirección VIP, no la dirección real del servidor.
Cuando un usuario solicita una aplicación, se envía una solicitud de conexión VIP (como un paquete TCP SYN) con un grupo de servidores de destino al conmutador del servidor. El conmutador de servidor selecciona el mejor servidor del grupo, reemplaza el VIP en la dirección del terminal con la IP del servidor real y pasa la solicitud de conexión al servidor. De esta manera, todos los paquetes en el mismo intervalo son mapeados por el conmutador del servidor y transmitidos entre el usuario y el mismo servidor.
El principio de conmutación de capa 4
La cuarta capa del modelo OSI es la capa de transporte. La capa de transporte es responsable de las comunicaciones de un extremo a otro, es decir, de coordinar las comunicaciones entre los orígenes de la red y los sistemas de destino. En la pila de protocolos IP, esta es la capa de protocolo donde residen TCP (un protocolo de transporte) y UDP (Protocolo de datagramas de usuario).
En la Capa 4, los encabezados TCP y UDP contienen números de puerto, que pueden distinguir de forma única qué protocolos de aplicación (como HTTP, FTP, etc.) contiene cada paquete de datos. El sistema de punto final utiliza esta información para distinguir los datos en el paquete. En particular, el número de puerto permite que un sistema informático receptor determine el tipo de paquete IP que ha recibido y lo entregue al software de nivel superior apropiado. La combinación de número de puerto y dirección IP del dispositivo a menudo se denomina "socket". Los números de puerto entre 1 y 255 están reservados y se denominan puertos "conocidos", es decir, son los mismos en todas las implementaciones de la pila del protocolo TCPIP del host. Además de los puertos "conocidos", a los servicios UNIX estándar se les asignan números de puerto en el rango de 256 a 1024, y a las aplicaciones personalizadas generalmente se les asignan números de puerto superiores a 1024. Puede encontrar una lista reciente de números de puerto asignados en RFc1700 "Números asignados". ". La información adicional proporcionada por los números de puerto TCP/UDP puede ser utilizada por los conmutadores de red, que es la base de la conmutación de Capa 4.
Ejemplos de números de puerto conocidos
Número de puerto del protocolo de aplicación
FTP 20 (datos)
21 (control)
TELNET 23
SMTP 25
HTTP 80
NNTP 119
NNMP 16
162 (trampas SNMP)
La información adicional proporcionada por el número de puerto TCPUDP puede ser utilizada por los conmutadores de red, que es la base de la conmutación de Capa 4.
Los conmutadores con capacidades de Capa 4 pueden actuar como una interfaz de "IP virtual" (VIP) para los servidores.
Cada servidor y grupo de servidores que admiten una aplicación única o universal está configurado con una dirección VIP. Esta dirección VIP se envía y registra en el sistema de nombres de dominio.
Al emitir una solicitud de servicio, el conmutador de Capa 4 identifica el inicio de una sesión determinando el inicio de TCP. Luego utiliza algoritmos complejos para determinar el mejor servidor para manejar esta solicitud. Una vez que se toma esta determinación, el conmutador asocia la sesión con una dirección IP específica y reemplaza la dirección VIP en el servidor con la dirección IP real del servidor.
Cada switch de Capa 4 mantiene una tabla de conexiones asociada con la dirección IP de origen y el puerto TCP de origen del servidor seleccionado. Luego, el conmutador de capa 4 reenvía la solicitud de conexión a este servidor. Todos los paquetes posteriores se reasignan y reenvían entre el cliente y el servidor hasta que el conmutador descubre la sesión.
Con la conmutación de Capa 4, los accesos se pueden conectar a servidores reales para cumplir reglas definidas por el usuario, como tener el mismo número de accesos en cada servidor o diferentes servidores para asignar flujos de transporte.
Cómo elegir la conmutación de Capa 4 adecuada
a, velocidad
Para ser eficaz en redes empresariales, la conmutación de Capa 4 debe proporcionar el mismo rendimiento comparable al de la conmutación por cable. enrutadores de velocidad. Es decir, la conmutación de Capa 4 debe funcionar a la velocidad máxima de los medios en todos los puertos, incluso en múltiples conexiones Gigabit Ethernet. La velocidad de Gigabit Ethernet equivale al enrutamiento a una velocidad máxima de 488.000 paquetes por segundo (asumiendo el peor de los casos, donde todos los paquetes tienen el tamaño mínimo definido por la red, que es de 64 bytes).
b, Algoritmo de equilibrio de capacidad del servidor
Según el tamaño del intervalo de equilibrio de capacidad deseado, existen muchos algoritmos para que los conmutadores de capa 4 asignen aplicaciones a los servidores, incluida la detección de bucles simples de conexiones recientes. detectar latencia de bucle o detectar retroalimentación de bucle cerrado del propio servidor. De todas las predicciones, la retroalimentación de circuito cerrado proporciona la medición más precisa del tráfico actual del servidor.
c, capacidad de la tabla
Cabe señalar que los conmutadores que realizan conmutación de Capa 4 deben tener la capacidad de distinguir y almacenar una gran cantidad de entradas de la tabla de envío. Esto es especialmente cierto cuando los conmutadores están en el centro de una red empresarial. Muchos conmutadores de Capa 2 y 3 prefieren un tamaño de tabla de enrutamiento que sea proporcional a la cantidad de dispositivos de red. Para conmutadores de Capa 4, este número debe multiplicarse por el número de sesiones y protocolos de aplicación diferentes utilizados en la red. Por lo tanto, el tamaño de la tabla de entrega crece rápidamente con la cantidad de dispositivos terminales y tipos de aplicaciones. Los diseñadores de conmutadores de capa 4 deben tener en cuenta este crecimiento en las tablas al diseñar sus productos. La gran capacidad de la tabla es fundamental para construir conmutadores de alto rendimiento que admitan el enrutamiento a velocidad de cable del tráfico de Capa 4.
d Redundancia
Los conmutadores de Capa 4 tienen soporte integrado para topologías redundantes. función de la estructura. Con conexiones tolerantes a fallos de tarjeta de red de doble enlace, es posible establecer una redundancia completa desde un servidor hasta la tarjeta de red, el enlace y el conmutador del servidor.