Многоуровневый коммутатор (MLS) — это компьютерное сетевое устройство , которое включает уровень OSI 2, как обычный сетевой коммутатор , и предоставляет дополнительные функции на более высоких уровнях OSI . MLS был изобретен [1] инженерами Digital Equipment Corporation .
Технологии коммутации имеют решающее значение для проектирования сетей , поскольку в большинстве случаев они позволяют отправлять трафик только туда, где он необходим, используя быстрые аппаратные методы. Коммутация использует различные виды сетевых коммутаторов. Стандартный коммутатор известен как коммутатор уровня 2 и обычно встречается практически в любой локальной сети. Коммутаторы уровня 3 или 4 требуют передовых технологий (см. управляемый коммутатор ) и являются более дорогими, поэтому их обычно можно найти только в более крупных локальных сетях или в специальных сетевых средах.
Многоуровневая коммутация сочетает в себе технологии коммутации уровней 2, -3 и -4 и обеспечивает высокоскоростную масштабируемость с низкой задержкой. Многоуровневая коммутация может передавать трафик со скоростью проводной сети , а также обеспечивать маршрутизацию уровня 3. Между пересылкой на разных уровнях нет разницы в производительности, поскольку все операции маршрутизации и коммутации осуществляются на аппаратном уровне — решения о маршрутизации принимаются специализированными интегральными схемами для конкретных приложений (ASIC) с помощью памяти, адресуемой по содержимому . [2]
Многоуровневая коммутация может принимать решения о маршрутизации и коммутации на основе следующих факторов:
MLS реализуют QoS аппаратно. Многоуровневый коммутатор может определять приоритет пакетов с помощью 6-битной кодовой точки дифференцированных услуг (DSCP). Эти 6 бит изначально использовались для обозначения типа услуги . В MLS обычно доступны следующие 4 сопоставления:
MLS также могут маршрутизировать IP-трафик между сетями VLAN , как обычный маршрутизатор . Маршрутизация обычно выполняется так же быстро, как и переключение (со скоростью провода).
Коммутация уровня 2 использует MAC-адреса контроллеров сетевых интерфейсов (NIC) хостов , чтобы решить, куда пересылать кадры. Коммутация уровня 2 является аппаратной, что означает, что коммутаторы используют ASIC для создания и обслуживания базы пересылаемой информации , а также для пересылки пакетов на проводной скорости. Коммутатор уровня 2 можно представить как многопортовый мост .
Коммутация уровня 2 очень эффективна, поскольку не требуется никаких изменений в кадре. Инкапсуляция пакета меняется только тогда, когда пакет данных проходит через разные среды (например, из Ethernet в FDDI). Коммутация уровня 2 используется для подключения рабочих групп и сегментации сети (разделение доменов коллизий ). Это позволяет создать более плоскую структуру сети с большим количеством сетевых сегментов, чем в обычных сетях, соединенных концентраторами-ретрансляторами и маршрутизаторами.
Коммутаторы уровня 2 имеют те же ограничения, что и мосты. Мосты разбивают домены коллизий, но сеть остается одним большим широковещательным доменом , что может вызывать проблемы с производительностью и ограничивать размер сети. Широковещательная и многоадресная рассылка, а также медленная конвергенция связующего дерева могут вызвать серьезные проблемы по мере роста сети. Из-за этих проблем коммутаторы уровня 2 не могут полностью заменить маршрутизаторы. Мосты хороши, если сеть спроектирована по правилу 80/20 : пользователи проводят 80 процентов своего времени в своем локальном сегменте. [ нужна цитата ]
Коммутатор уровня 3 может выполнять некоторые или все функции, обычно выполняемые маршрутизатором. Однако большинство сетевых коммутаторов ограничены поддержкой одного типа физической сети, обычно Ethernet, тогда как маршрутизатор может поддерживать разные типы физических сетей на разных портах.
Коммутация уровня 3 основана исключительно на IP-адресе (назначения) , хранящемся в заголовке IP -дейтаграммы (коммутация уровня 4 может использовать другую информацию в заголовке). Разница между коммутатором уровня 3 и маршрутизатором заключается в том, как устройство принимает решение о маршрутизации. Традиционно маршрутизаторы используют микропроцессоры для программного принятия решений о пересылке, тогда как коммутатор выполняет только аппаратную коммутацию пакетов (специализированными ASIC с помощью контентно-адресуемой памяти). [2] [3] Однако многие маршрутизаторы теперь также имеют расширенные аппаратные функции, помогающие при пересылке.
Основным преимуществом коммутаторов уровня 3 является возможность снижения задержки в сети , поскольку пакет можно маршрутизировать без дополнительных сетевых переходов к маршрутизатору. Например, соединение двух отдельных сегментов (например, VLAN ) с помощью маршрутизатора к стандартному коммутатору уровня 2 требует передачи кадра коммутатору (первый переход L2), а затем маршрутизатору (второй переход L2), где пакет внутри кадра маршрутизируется (переход L3), а затем передается обратно коммутатору (третий переход L2). Коммутатор уровня 3 выполняет ту же задачу без необходимости использования маршрутизатора (и, следовательно, дополнительных переходов), принимая решение о маршрутизации самостоятельно, т. е. пакет маршрутизируется в другую подсеть и одновременно переключается на сетевой порт назначения.
Поскольку многие коммутаторы уровня 3 обладают той же функциональностью, что и обычные маршрутизаторы, их можно использовать в качестве более дешевой замены с меньшей задержкой в некоторых сетях. Коммутаторы уровня 3 могут выполнять следующие действия, которые также могут выполняться маршрутизаторами:
Преимущества коммутации уровня 3 включают следующее:
IEEE разработал иерархическую терминологию, которая полезна при описании процессов пересылки и коммутации . Сетевые устройства, не имеющие возможности пересылать пакеты между подсетями, называются конечными системами (ES, единичными ES), тогда как сетевые устройства с такими возможностями называются промежуточными системами (IS). ИС далее делятся на те, которые обмениваются данными только в пределах своего домена маршрутизации (внутридоменные ИС), и те, которые обмениваются данными как внутри доменов маршрутизации, так и между ними (междоменные ИС). Домен маршрутизации обычно рассматривается как часть объединенной сети, находящейся под общим административным управлением, и регулируется определенным набором административных правил. Домены маршрутизации также называются автономными системами.
Общей возможностью уровня 3 является осведомленность о многоадресной рассылке IP посредством отслеживания IGMP . Благодаря этому коммутатор уровня 3 может повысить эффективность, доставляя трафик группы многоадресной рассылки только на те порты, где подключенное устройство дало сигнал о том, что оно хочет прослушивать эту группу.
Коммутаторы уровня 3 обычно поддерживают IP-маршрутизацию между сетями VLAN, настроенными на коммутаторе. Некоторые коммутаторы уровня 3 поддерживают протоколы маршрутизации , которые маршрутизаторы используют для обмена информацией о маршрутах между сетями.
Коммутация уровня 4 означает аппаратную технологию коммутации уровня 3, которая также может учитывать тип сетевого трафика (например, различая UDP и TCP ). Коммутация уровня 4 обеспечивает дополнительную проверку дейтаграмм путем считывания номеров портов , найденных в заголовке транспортного уровня, для принятия решений о маршрутизации (т. е. порты, используемые HTTP , FTP и VoIP ). Эти номера портов находятся в RFC 1700 и относятся к протоколу, программе или приложению верхнего уровня.
Используя коммутацию уровня 4, сетевой администратор может настроить коммутатор уровня 4 для определения приоритета трафика данных по приложениям. Информация уровня 4 также может использоваться для принятия решений о маршрутизации. Например, расширенные списки доступа могут фильтровать пакеты на основе номеров портов уровня 4. Другой пример — учетная информация, собранная открытыми стандартами с использованием sFlow .
Коммутатор уровня 4 может использовать информацию протоколов транспортного уровня для принятия решений о пересылке. В основном это относится к возможности использовать номера портов источника и назначения в соединениях TCP и UDP для разрешения, блокировки и определения приоритета соединений. [4]
Некоторые коммутаторы могут использовать пакетную информацию до уровня OSI 7; их можно назвать коммутаторами уровней 4–7,переключатели контента ,переключатели контент-сервисов , веб-переключатели или переключатели приложений.
Переключатели контента обычно используются для балансировки нагрузки между группами серверов. Балансировка нагрузки может выполняться для HTTP , HTTPS , VPN или любого трафика TCP/IP с использованием определенного порта. Балансировка нагрузки часто включает в себя преобразование сетевых адресов назначения, поэтому клиент службы балансировки нагрузки не полностью знает, какой сервер обрабатывает его запросы. Некоторые коммутаторы уровней 4–7 могут выполнять преобразование сетевых адресов (NAT) на скорости проводной сети. Переключатели контента часто можно использовать для выполнения стандартных операций, таких как шифрование и дешифрование SSL , чтобы снизить нагрузку на серверы, получающие трафик, или для централизации управления цифровыми сертификатами . Коммутация уровня 7 — это технология, используемая в сети доставки контента (CDN).
Некоторые приложения требуют, чтобы повторные запросы от клиента направлялись на один и тот же сервер приложений. Поскольку клиент обычно не знает, с каким сервером он разговаривал ранее, переключатели контента определяют понятие закрепленности. Например, запросы с одного и того же исходного IP-адреса каждый раз направляются на один и тот же сервер приложений. Привязка также может основываться на идентификаторах SSL, а некоторые переключатели контента могут использовать файлы cookie для обеспечения этой функциональности.
Маршрутизатор работает на транспортном уровне и принимает решения о том, куда отправлять пакеты. Современные маршрутизаторы с балансировкой нагрузки могут использовать разные правила для принятия решений о том, куда маршрутизировать трафик. Это может быть основано на минимальной нагрузке, минимальном времени ответа или простом распределении запросов по нескольким адресатам, предоставляющим одни и те же услуги. Это также метод резервирования : если одна машина не работает, маршрутизатор не будет отправлять на нее трафик.
Маршрутизатор также может иметь возможность NAT с распознаванием портов и транзакций и выполнять своего рода преобразование портов для отправки входящих пакетов на одну или несколько машин, которые скрыты за одним IP-адресом.
Коммутаторы уровня 7 могут распределять нагрузку на основе унифицированных указателей ресурсов (URL) или с помощью какого-либо метода, специфичного для установки, для распознавания транзакций уровня приложения. Коммутатор уровня 7 может включать в себя веб-кеш и участвовать в сети распространения контента ( CDN ). [5] [ не удалось проверить ]