Классический коммутатор работает на уровне L2: объединяет устройства в локальную сеть и пересылает кадры по MAC-адресам. L3-коммутатор дополнительно маршрутизирует пакеты между IP-подсетями. Для небольшой сети обычно достаточно L2; при интенсивном обмене между несколькими VLAN стоит рассмотреть L3. Специализированные L1-коммутаторы переключают физические сигналы? ничего не знают про MAC-адреса и IP и нужны преимущественно для систем со сверхнизкими задержками и испытательных стендов, также под L1-коммутаторами можно иметь ввиду концентраторы\хабы и подобное оборудование.
Что такое коммутатор и на каком уровне он работает
Коммутатор соединяет компьютеры, серверы и периферию. Получив кадр Ethernet с известным адресом назначения, он пересылает его на соответствующий порт.
L3 сохраняет функции L2: внутри VLAN коммутирует кадры, между подсетями использует IP-адрес назначения и таблицу маршрутов.
Откуда взялись обозначения L1–L7
Буква L означает уровень семиуровневой модели OSI, описанной в ISO/IEC 7498-1. Она разделяет задачи передачи данных.
| Уровень | Название | За что отвечает |
|---|---|---|
| L1 | Физический | Передача битов электрическими, оптическими или радиосигналами |
| L2 | Канальный | Передача кадров в локальном сегменте, MAC-адресация |
| L3 | Сетевой | Передача пакетов между сетями, IP-адресация и маршрутизация |
| L4 | Транспортный | Обмен между процессами, порты TCP и UDP |
| L5 | Сеансовый | Организация и поддержание сеансов взаимодействия |
| L6 | Представления | Формат и преобразование данных, включая кодирование и шифрование |
| L7 | Прикладной | Сетевые службы и протоколы, которыми пользуются приложения |
Одно устройство может выполнять задачи нескольких уровней.
Уровень L1: хабы, повторители и коммутация сигналов
Arista 7130-48G3 из серии Connect: пример специализированного устройства для коммутации сигналов на физическом уровне. Фото: Arista Networks, техническое описание 7130 Connect, стр. 1.
На L1 передают сигналы без выбора получателя по адресу. Коммутация Ethernet-кадров начинается с L2. К устройствам L1 относятся:
- повторители, которые восстанавливают сигнал для дальнейшей передачи;
- хабы, или концентраторы, которые повторяют входящий сигнал на остальных портах, в локальных сетях их практически не осталось, но многим знакомы например USB-хабы;
- простейшие медиаконвертеры, преобразующие среду передачи, например медный кабель в оптическое волокно.
Специализированные L1-коммутаторы соединяют входы и выходы через матрицу коммутации без анализа кадров. Они позволяют программно менять физические соединения и разветвлять сигналы.
В техническом описании Arista 7130 Connect приведены примеры программно управляемой коммутационной панели и ответвления сигнала. Такие устройства используют в высокочастотной биржевой торговле и лабораториях, где критичны задержки.
Коммутатор L2: канальный уровень
L2-коммутатор передаёт кадры внутри локального сегмента. При поддержке VLAN (управляемые коммутаторы) он разделяет подключения на виртуальные сети. Для коммутации используется таблица в памяти оборудования с MAC-адресами устройств.
Как работает таблица MAC-адресов
MAC-адрес идентифицирует сетевой интерфейс. Коммутатор автоматически запоминает адрес отправителя, входной порт и VLAN кадра (при поддержке VLAN).
Допустим, компьютер подключён к порту 1, а принтер — к порту 8. Пересылка происходит так:
- Коммутатор получает кадр от компьютера и запоминает адрес отправителя за портом 1.
- Ищет MAC-адрес принтера в таблице своей VLAN. Если запись есть, отправляет кадр через порт 8.
- Если записи нет, распространяет кадр через разрешённые для пересылки порты этой VLAN, кроме входного.
- Получив кадр от принтера, запоминает его адрес за портом 8. Дальнейшая пересылка использует эту запись.
Записи удаляются после периода отсутствия активности. За одним портом может находиться несколько MAC-адресов, например адреса виртуальных машин сервера или другой коммутатор.
Коммутатор разделяет домены коллизий по портам; в полнодуплексном Ethernet коллизий нет вообще. Широковещательные кадры распространяются внутри VLAN: она образует отдельный широковещательный домен.
VLAN, защита от петель и агрегация каналов
VLAN — виртуальная локальная сеть. Она разделяет инфраструктуру на сегменты, например сеть сотрудников и гостевой доступ. На общем соединении между коммутаторами кадры разных VLAN различают по меткам, определённым в IEEE 802.1Q. Этот стандарт также описывает функции мостов и связующего дерева.
Избыточные соединения без защиты могут создать петлю: кадры циркулируют, широковещательный трафик размножается. Для предотвращения петель применяют:
- STP — протокол связующего дерева, блокирующий избыточные пути;
- RSTP — его вариант с более быстрым восстановлением связности;
- MSTP — механизм, позволяющий использовать разные деревья для групп VLAN.
Агрегация объединяет физические соединения в логический канал. LACP согласует участие портов в группе; механизмы описаны в IEEE 802.1AX. Растёт суммарная полоса для нескольких потоков, связь сохраняется при отказе одной линии.
Два канала по 10 Гбит/с обычно не дают одному потоку 20 Гбит/с: потоки распределяются между линиями. Агрегацию настраивают с обеих сторон; второй кабель сам по себе её не создаёт.
Обычный L2-коммутатор самостоятельно не передаёт трафик между VLAN. Нужен маршрутизатор, L3-коммутатор или межсетевой экран с маршрутизацией.
Управляемые и неуправляемые коммутаторы
Управляемость не определяет уровень OSI: и неуправляемый, и управляемый коммутатор могут работать на L2.
- Неуправляемый работает после подключения, без пользовательской настройки VLAN и правил портов.
- Управляемый позволяет настраивать сеть и наблюдать за портами, ошибками и событиями.
- С упрощённым управлением, или smart, обычно предоставляет часть настроек через веб-интерфейс. Единого стандарта этого класса нет.
В каталоге коммутаторов Сервер Молл возможности управления и уровень L2/L3 следует сравнивать отдельно.
Что такое L2+
L2+ — маркетинговое обозначение, а не уровень OSI. Часто оно означает L2 с отдельными функциями L3, например ограниченной статической маршрутизацией между VLAN. Набор возможностей зависит от производителя.
Например, QTECH QSW-4610-52T-AC обозначен как L2+. Но надпись не гарантирует нужные протоколы или количество маршрутов. Для каждой модификации следует уточнить поддержку IPv4/IPv6, число интерфейсов VLAN, ёмкость таблиц и лицензии.
Коммутатор L3: сетевой уровень
L3-коммутатор маршрутизирует IP-пакеты: выбирает следующий узел по таблице маршрутов и передаёт данные между подсетями.
Маршрутизация между VLAN
Предположим, сотрудники находятся в VLAN 10 с подсетью 192.168.10.0/24, а серверы — в VLAN 20 с подсетью 192.168.20.0/24. Чтобы компьютер сотрудника обратился к серверу, ему нужен шлюз.
На L3-коммутаторе для этого создают логические интерфейсы VLAN, часто называемые SVI. Например, интерфейсу VLAN 10 назначают адрес 192.168.10.1, а VLAN 20 — 192.168.20.1. Эти адреса становятся шлюзами соответствующих подсетей.
При включённой маршрутизации коммутатор передаёт пакеты между сегментами без отправки на отдельный шлюз\маршрутизатор. Это удобно при интенсивном локальном обмене и используется при классической трёхуровневой структуре локальной сети - ядро, распределение, доступ - на уровне распределения.
Статическая и динамическая маршрутизация
Статические маршруты администратор задаёт вручную: указывает подсеть назначения и шлюз. Это удобно при небольшом числе направлений и стабильной схеме сети.
Динамические протоколы обеспечивают обмен маршрутами и пересчёт путей при изменении топологии:
- OSPFv2, описанный в RFC 2328, строит маршруты IPv4 на основе состояния связей.
- RIPv2, описанный в RFC 2453, учитывает число переходов и ограниченно применим в крупных сетях.
- BGP-4, описанный в RFC 4271, поддерживает политики выбора маршрутов. Используется между автономными системами и в сетях ЦОД.
L3 не гарантирует поддержку всех протоколов. Расширенная маршрутизация может требовать старшей модели или лицензии. Например, руководство Cisco связывает доступные протоколы с лицензионным пакетом. Условия зависят и от версии ПО.
Чем L3-коммутатор отличается от маршрутизатора
Оба устройства могут пересылать IP-пакеты между сетями, но обычно рассчитаны на разные задачи.
L3-коммутатор рассчитан на обмен внутри инфраструктуры: предлагает высокую плотность Ethernet-портов и аппаратную пересылку специализированными микросхемами.
Маршрутизатор чаще связывает сеть с провайдером и удалёнными площадками. Здесь важны:
- NAT — преобразование внутренних адресов при выходе во внешнюю сеть;
- VPN — защищённые соединения между площадками и для удалённых сотрудников;
- интерфейсы и механизмы подключения к глобальным сетям;
- управление внешними каналами и маршрутизацией через них.
Граница не абсолютна: отдельные коммутаторы поддерживают пограничные функции, а маршрутизаторы тоже используют аппаратное ускорение. Однако для филиала с VPN и NAT устройство выбирают по поддержке этих служб и скорости с ними.
L4–L7: что находится выше третьего уровня
На транспортном уровне решение может учитывать протокол TCP или UDP и номер порта. Например, балансировщик распределяет соединения между несколькими серверами приложения.
На прикладном уровне можно анализировать HTTP-запросы и направлять обращения к разным разделам сайта на разные серверы. Такие функции выполняют балансировщики, межсетевые экраны и контроллеры доставки приложений — ADC.
Обозначение «коммутатор L4–L7» встречается у оборудования для обработки трафика приложений. Самостоятельные классы «коммутатор L5» и «коммутатор L6» в обычной локальной сети не выделяют.
Сравнение L1, L2 и L3
| Параметр | L1 | L2 | L3 |
|---|---|---|---|
| Уровень OSI | Физический | Канальный | Сетевой, с сохранением функций L2 |
| Основа пересылки | Физический вход и заданное соединение | MAC-адрес и VLAN | IP-адрес назначения и таблица маршрутов |
| Основная задача | Передать, преобразовать или переключить сигнал | Передать кадры внутри локального сегмента | Передать пакеты между IP-подсетями |
| Типовые функции | Повторение, преобразование среды, матричная коммутация | Таблица MAC; VLAN, связующее дерево, агрегация при поддержке | Интерфейсы VLAN, статические и динамические маршруты при поддержке |
| Применение | Линии связи, испытательные стенды, системы сверхнизких задержек | Подключение рабочих мест, серверов и периферии | Маршрутизация внутри офиса, кампуса или ЦОД |
Частые заблуждения об уровнях коммутаторов
L3 всегда быстрее и лучше L2. Скорость зависит от портов, коммутационной матрицы, буферов и нагрузки. Для малых пакетов важна производительность в пакетах в секунду, а L3 и L2 отвечают за разные задачи.
L2 устарел. Он остаётся основой подключения к Ethernet (уровень доступа). Если маршрутизацию выполняет другой узел, L3 на каждом устройстве не нужен.
IP-адрес означает поддержку L3. Адрес может служить только для настройки и мониторинга. Маршрутизация пользовательского трафика — отдельная функция.
L3 автоматически защищает сегменты. Маршрутизация может открыть связь между ними. Для ограничения доступа нужны явные правила или межсетевой экран, при этом настройки фаервола в виде ACL могут быть на коммутаторе, но не являются специализированным решением.
Какой коммутатор выбрать
Доступ, агрегация и ядро сети
Пример leaf-spine: каждый из трёх коммутаторов доступа соединён с обоими магистральными коммутаторами. Внизу показаны серверы.
Уровни архитектуры сети описывают место оборудования в общей схеме. Они не совпадают с уровнями OSI.
- Доступ соединяет конечные устройства. Часто достаточно L2, но маршрутизация может начинаться уже здесь.
- Агрегация, или распределение, объединяет устройства доступа. Здесь часто размещают шлюзы VLAN, настраивают маршрутизацию и правила доступа (ACL).
- Ядро связывает крупные части сети. Обычно применяют L3; в небольшой сети ядро и агрегацию совмещают.
В ЦОД распространена архитектура leaf-spine: серверы подключаются к коммутаторам доступа, а каждый такой коммутатор связан с каждым коммутатором магистрального слоя. Соединения между слоями часто работают на L3. Несколько равноценных маршрутов позволяют распределять потоки и сохранять связность при отказе линии.
Серверные подключения могут оставаться L2, а общие сегменты между стойками — передаваться поверх L3 с помощью VXLAN. Leaf-spine не означает обязательное разделение «внизу L2, наверху L3».
Небольшой офис
Для компьютеров и принтера в одной сети достаточно L2, связь с интернетом обеспечивает маршрутизатор. Неуправляемый вариант подходит, когда не требуется сегментация и мониторинг. Если планируется гостевой Wi-Fi или телефония, лучше рассмотреть управляемая модель.
Офис с несколькими VLAN
Здесь возможны две схемы: L2-коммутаторы с маршрутизацией на межсетевом экране либо L3-коммутатор со шлюзами VLAN. Выбор зависит от объёма обмена и требований безопасности.
L3 может разгрузить соединение с отдельным шлюзом. Если весь межсегментный обмен требует глубокой проверки, его направляют через межсетевой экран. Производительность оценивают для выбранного пути трафика.
Филиальная сеть
L2 или L3 внутри филиала выбирают по сегментам и нагрузке. Для связи с головным офисом обычно нужен маршрутизатор или VPN-шлюз: локальная маршрутизация не заменяет защищённое подключение.
При требованиях к российскому происхождению оборудования можно сравнить российские коммутаторы, включая линейки ELTEX и QTECH. Функции маршрутизации и соответствие условиям закупки определяют для конкретной модели и поставки.
Центр обработки данных
Для ЦОД важны скорость серверных соединений, пропускная способность между стойками и поведение сети при отказах. Порты 10 или 25 Гбит/с для серверов и 100 Гбит/с для межкоммутаторных соединений — возможные варианты, но выбирать их нужно по нагрузке и плану развития.
В линейках Dell, HP и HPE и Arista есть разные платформы. Их назначение определяется спецификацией, а не брендом.
Какие характеристики влияют на выбор
ELTEX MES2348P: медные порты Ethernet и гнёзда для оптических модулей. Фото: ELTEX.
После определения схемы сети сравнивают параметры оборудования:
- VLAN и маршрутизацию. Число сегментов и маршрутов, IPv4/IPv6, протоколы и правила доступа.
- Порты. Количество и скорости 1/10/25/100 Гбит/с, RJ-45 или гнёзда SFP/SFP+/SFP28, QSFP28. Также нужна совместимость модулей и кабелей.
- Производительность. Полосу матрицы, пакеты в секунду, буферы и соотношение суммарной скорости серверных портов с полосой восходящих соединений.
- PoE. Питание камер, телефонов и точек доступа по Ethernet. Важны мощность на порт и общий бюджет: максимальная мощность одновременно на всех портах не гарантируется.
- Резервирование. Стек, агрегацию, резервные блоки питания, подключения к двум коммутаторам. Стек и LACP решают разные задачи.
- Лицензии и сопровождение. Функции в поставке и платные дополнения, поддержку и обновления ПО.
В заявке на подбор сетевого оборудования укажите число рабочих мест и VLAN, скорости серверных портов, межсегментную нагрузку и резервирование. Эти сведения помогут выбрать устройство под схему сети и избежать расходов на функции, которые выполняет другой узел.
