Многоуровневый коммутатор (MLS) — это сетевое компьютерное устройство , которое переключается на уровне OSI 2 как обычный сетевой коммутатор и обеспечивает дополнительные функции на более высоких уровнях OSI . MLS был изобретен [1] инженерами Digital Equipment Corporation .
Технологии коммутации имеют решающее значение для проектирования сети , поскольку они позволяют отправлять трафик только туда, где он нужен в большинстве случаев, 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 уровня 4 требуют передовых технологий (см. управляемый коммутатор ) и являются более дорогими, поэтому обычно встречаются только в более крупных локальных сетях или в специальных сетевых средах.
Многоуровневая коммутация объединяет технологии коммутации уровня 2, -3 и -4 и обеспечивает высокоскоростную масштабируемость с низкой задержкой. Многоуровневая коммутация может перемещать трафик со скоростью проводов , а также обеспечивать маршрутизацию уровня 3. Нет никакой разницы в производительности между пересылкой на разных уровнях, поскольку маршрутизация и коммутация полностью основаны на оборудовании — решения о маршрутизации принимаются специализированными интегральными схемами (ASIC) с помощью адресуемой по содержимому памяти . [2]
Многоуровневая коммутация может принимать решения о маршрутизации и коммутации на основе следующих данных:
MLS реализуют QoS на аппаратном уровне. Многоуровневый коммутатор может назначать приоритеты пакетам с помощью 6-битной точки кода дифференцированных услуг (DSCP). Эти 6 бит изначально использовались для типа обслуживания . Следующие 4 сопоставления обычно доступны в MLS: [ необходима цитата ]
MLS также могут маршрутизировать IP-трафик между VLAN как обычный маршрутизатор . Маршрутизация обычно такая же быстрая, как и коммутация (на скорости передачи данных).
Коммутация уровня 2 использует MAC-адреса сетевых интерфейсных контроллеров хостов (NIC) для определения того, куда пересылать кадры. Коммутация уровня 2 является аппаратной, что означает, что коммутаторы используют ASIC для создания и поддержки базы данных пересылки и для выполнения пересылки пакетов на скорости провода. Один из способов представить коммутатор уровня 2 — это многопортовый мост .
Коммутация уровня 2 очень эффективна, поскольку не требуется никаких изменений в кадре. Инкапсуляция пакета изменяется только тогда, когда пакет данных проходит через разнородные среды (например, от Ethernet к FDDI). Коммутация уровня 2 используется для подключения рабочих групп и сегментации сети (разрыв доменов коллизий ). Это позволяет создать более плоскую структуру сети с большим количеством сегментов сети, чем обычные сети, соединенные повторителями-концентраторами 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 вызвать проблемы с производительностью и ограничить размер сети. Широковещательная и многоадресная рассылка, наряду с медленной конвергенцией связующего дерева, могут вызывать 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. [ требуется 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 различные виды физических сетей на разных портах.
Коммутация уровня 3 основана исключительно на IP-адресе (назначения) , хранящемся в заголовке IP-датаграммы (коммутация уровня 4 может использовать другую информацию в заголовке). Разница между коммутатором уровня 3 и маршрутизатором заключается в способе принятия устройством решения о маршрутизации. Традиционно маршрутизаторы используют микропроцессоры для принятия решений о пересылке в программном обеспечении, в то время как коммутатор выполняет только аппаратную коммутацию пакетов (с помощью специализированных ASIC с помощью адресуемой по содержимому памяти). [2] [3] Однако многие маршрутизаторы теперь также имеют расширенные аппаратные функции для помощи в пересылке.
Главное преимущество коммутаторов уровня 3 — это возможность снижения сетевой задержки , поскольку пакет может быть маршрутизирован без дополнительных сетевых переходов к маршрутизатору. Например, подключение двух отдельных сегментов (например, VLAN ) с маршрутизатором к стандартному коммутатору уровня 2 требует передачи кадра на коммутатор (первый переход L2), затем на маршрутизатор (второй переход L2), где пакет внутри кадра маршрутизируется (переход L3), а затем передается обратно на коммутатор (третий переход L2). Коммутатор уровня 3 выполняет ту же задачу без необходимости в маршрутизаторе (и, следовательно, дополнительных переходах), принимая решение о маршрутизации самостоятельно, т. е. пакет направляется в другую подсеть и одновременно коммутируется на сетевой порт назначения.
Поскольку многие коммутаторы уровня 3 предлагают ту же функциональность, что и обычные маршрутизаторы, их можно использовать в качестве более дешевых и менее задержательных замен в некоторых сетях. Коммутаторы уровня 3 могут выполнять следующие действия, которые также могут выполнять маршрутизаторы:
Преимущества коммутации уровня 3 включают в себя следующее:
IEEE [ требуется ссылка ] разработал иерархическую терминологию, которая полезна для описания процессов пересылки и коммутации. Сетевые устройства без возможности пересылать пакеты между подсетями называются конечными системами (ES, в единственном числе ES), тогда как сетевые устройства с такими возможностями называются промежуточными системами (IS). IS далее делятся на те, которые взаимодействуют только в пределах своего домена маршрутизации (внутридоменные IS), и те, которые взаимодействуют как внутри, так и между доменами маршрутизации (междоменные IS). Домен маршрутизации обычно рассматривается как часть объединенной сети под общим административным управлением и регулируется определенным набором административных правил. Домены маршрутизации также называются автономными системами.
Распространенной возможностью уровня 3 является осведомленность о многоадресной рассылке IP через IGMP snooping . Благодаря этой осведомленности коммутатор уровня 3 может повысить эффективность, доставляя трафик многоадресной группы только на порты, где подключенное устройство сообщило, что оно хочет прослушивать эту группу.
Коммутаторы уровня 3 обычно поддерживают IP-маршрутизацию между 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 датаграммы путем считывания номеров портов , найденных в заголовке транспортного уровня, для принятия решений о маршрутизации (т. е. портов, используемых HTTP , FTP и VoIP ). Эти номера портов указаны в RFC 1700 и ссылаются на протокол, программу или приложение верхнего уровня.
Используя коммутацию уровня 4, сетевой администратор может настроить коммутатор уровня 4 для приоритизации 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. Другим примером является учетная информация, собранная по открытым стандартам с использованием sFlow .
Коммутатор уровня 4 может использовать информацию в протоколах транспортного уровня для принятия решений о пересылке. В основном это относится к возможности использовать номера портов источника и назначения в коммуникациях TCP и UDP для разрешения, блокировки и приоритизации коммуникаций. [4]
Некоторые коммутаторы могут использовать пакетную информацию до уровня OSI 7; их можно назвать коммутаторами уровней 4–7,переключатели контента ,коммутаторы контент-сервисов , веб-коммутаторы или коммутаторы приложений.
Коммутаторы контента обычно используются для балансировки нагрузки между группами серверов. Балансировка нагрузки может выполняться на HTTP , HTTPS , VPN или любом трафике TCP/IP с использованием определенного порта. Балансировка нагрузки часто включает в себя преобразование сетевых адресов назначения , так что клиент службы с балансировкой нагрузки не полностью осведомлен о том, какой сервер обрабатывает его запросы. Некоторые коммутаторы уровней 4–7 могут выполнять преобразование сетевых адресов (NAT) на скорости передачи данных. Коммутаторы контента часто могут использоваться 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 тот же сервер приложений. Поскольку клиент, как правило, не знает, с каким сервером он общался ранее, коммутаторы контента определяют понятие липкости. Например, запросы с одного и того же исходного IP-адреса каждый раз направляются на тот же сервер приложений. Липкость также может быть основана на идентификаторах SSL, и некоторые коммутаторы контента могут использовать файлы cookie для предоставления этой функциональности.
Маршрутизатор работает на транспортном уровне и принимает решения о том, куда отправлять пакеты. Современные маршрутизаторы с балансировкой нагрузки могут использовать различные правила для принятия решений о том, куда направлять трафик. Это может быть основано на наименьшей нагрузке или самом быстром времени отклика , или просто на балансировке запросов по нескольким направлениям, предоставляющим те же услуги. Это также метод избыточности , поэтому если одна машина не работает, маршрутизатор не будет отправлять на нее трафик.
Маршрутизатор также может иметь функцию NAT с распознаванием портов и транзакций и выполнять своего рода трансляцию портов для отправки входящих пакетов на одну или несколько машин, скрытых за одним IP-адресом.
Коммутаторы уровня 7 могут распределять нагрузку на основе унифицированных локаторов ресурсов (URL) или с помощью некоторых специфических для установки методов распознавания транзакций на уровне приложений. Коммутатор уровня 7 может включать веб-кэш и участвовать в сети распространения контента ( CDN ). [5] [ не пройдена проверка ]