سوئیچینگ چند لایه و کاربردهای آن

سوئیچ شبکه، یک دستگاه تحت شبکه است که نقطه های شبکه یا دستگاه های شبکه را به یکدیگر وصل می نماید. این واژه معمولا به دستگاه چند پورتی گفته می شود که پردازش و انتقال داده را در لایه دوم مدل OSI انجام می دهد. سوئیچ هایی که معمولا در لایه سوم یا بالاتر پردازش را انجام می دهند، معمولاً سوئیچ چند لایه یا سوئیچ لایه ۳ خوانده می شوند. سوئیچ چند لایه (MLS) وسیله ای برای شبکه های رایانه ای است که لایه OSI را مانند سوئیچ شبکه معمولی به کار می‌گیرد و عملکردهای اضافی را در لایه های بالاتر OSI ارائه می دهد.

ففناوری های سوئیچینگ برای طراحی شبکه بسیار مهم هستند، زیرا اجازه می دهند تا ترافیک فقط در موارد مورد نیاز با استفاده از روش های سریع و مبتنی بر سخت افزار ارسال شود. سوئیچینگ از انواع مختلف سوئیچ شبکه استفاده می کند. سوئیچ استاندارد به عنوان سوئیچ لایه ۲ شناخته شده است و تقریباً در هر LAN وجود دارد. سوئیچ های لایه ۳ یا لایه ۴ به فناوری پیشرفته ای نیاز دارند (سوئیچ مدیریت شده) و گرانتر هستند، و بنابراین معمولاً فقط در LAN های بزرگتر یا در محیط های ویژه شبکه یافت می شوند.

سوئیچ چند لایه

سوئیچینگ چند لایه، فناوری های تعویض لایه ۲، ۳ و ۴ را با هم ترکیب می کند و مقیاس پذیری پر سرعت را با تأخیر کم فراهم می کند. سوئیچینگ چند لایه می تواند ترافیک را با سرعت سیم حرکت داده و مسیریابی لایه ۳ را نیز فراهم کند. هیچ تفاوتی بین عملکرد بین حمل و نقل در لایه های مختلف وجود ندارد زیرا مسیریابی و سوئیچینگ همه بر اساس سخت افزار است تصمیم گیری های مسیریابی توسط ASIC تخصصی و با کمک حافظه آدرس دهی محتوا (content-addressable memory) انجام می شود . سوئیچینگ چند لایه می تواند بر اساس مواردی همچون آدرس MAC در یک قاب پیوند داده، زمینه پروتکل در کادر پیوند داده، آدرس IP در سرآیند لایه شبکه، زمینه پروتکل در هدر لایه شبکه و شماره درگاه در عنوان لایه حمل و نقل تصمیم گیری در مورد مسیریابی و تعویض را انجام دهد. MLS ها QoS را در سخت افزار پیاده سازی می کنند. سوئیچ چند لایه می تواند بسته های نقطه خدمات متمایز ۶ بیتی (DSCP) را در اولویت قرار دهد. این ۶ بیت در ابتدا برای نوع سرویس مورد استفاده قرار گرفت.

سوئیچینگ لایه 2

سوئیچینگ لایه ۲ از آدرس MAC کارت های رابط شبکه میزبان (NIC) استفاده می کند تا تصمیم بگیرد که فریم ها را به جلو هدایت کنید. سوئیچینگ لایه ۲ مبتنی بر سخت افزار است، به این معنی که سوئیچ ها از مدار یکپارچه مخصوص برنامه (ASICs) برای ساخت و نگهداری پایگاه اطلاعات Forwarding و انجام حمل و نقل بسته با سرعت سیم استفاده می کنند. یک راه برای فکر کردن به یک سوئیچ لایه ۲ همانند پل چند منظوره است. تعویض لایه ۲ بسیار کارآمد است زیرا هیچ تغییری در قاب مورد نیاز وجود ندارد. کپسوله کردن بسته تنها زمانی تغییر می کند که بسته داده از طریق رسانه غیر متفاوتی عبور کند. سوئیچینگ لایه 2 برای اتصال کارگروه و تقسیم شبکه (شکستن دامنه های برخورد) استفاده می شود . این اجازه می دهد تا یک طراحی شبکه مسطح تر با بخش های شبکه بیشتر از شبکه های سنتی متصل به روترها و هاب های تکرار شونده. سوئیچ های Layer-2 دارای محدودیت های مشابه پل ها هستند. اما شبکه همچنان یک دامنه پخش بزرگ است که می تواند باعث مشکلات عملکرد شود و اندازه یک شبکه را محدود می کند. پخش و multicasts همراه با همگرایی آهسته و spanning tree، با رشد شبکه می توانند مشکلات بزرگی ایجاد کنند. به دلیل این مشکلات، سوئیچ های لایه ۲ نمی توانند کاملاً جایگزین روترها شوند. اگر شبکه ای طبق قانون ۸۰/۲۰ طراحی شود، پل ها خوب هستند: کاربران ۸۰ درصد از وقت خود را در بخش محلی خود می گذرانند.

تعویض لایه ۳

فقط بر اساس (مقصد) آدرس IP ذخیره شده در عنوان IP datagram است. تفاوت بین سوئیچ لایه 3 و روتر در نحوه تصمیم گیری دستگاه جهت یابی دستگاه است. بطور سنتی، روترها از میکروپروسسورها برای تصمیم گیری در مورد نرم افزار استفاده می کنند، در حالی که سوئیچ فقط تعویض بسته های سخت افزاری را انجام می دهد (توسط ASIC تخصصی با کمک حافظه قابل تنظیم برای محتوا). با اینحال، بسیاری از روترها اکنون عملکردهای سخت افزاری پیشرفته ای نیز برای کمک به حمل و نقل دارند. مزیت اصلی سوئیچ های لایه 3 پتانسیل برای تأخیر در شبکه کمتر است زیرا یک بسته می تواند بدون ایجاد رابط شبکه اضافی به روتر مسیریابی شود. به عنوان مثال، اتصال دو بخش مجزا (به عنوان مثال VLANها) با روتر به سوئیچ لایه ای-۲ استاندارد نیاز به عبور دادن قاب به سوئیچ (اول L2 هاپ)، سپس به روتر (L2 هاپ دوم) که در آن بسته داخل قاب مسیریابی شده است (L3 hop) و سپس دوباره داده می شوند به سوئیچ (hop L2 سوم). یک سوئیچ لایه -۳ بدون نیاز به روتر (و بنابراین هاپ های اضافی) با همان تصمیم گیری مسیریابی، همان کار را انجام می دهد، یعنی بسته به یک زیر شبکه دیگر هدایت می شود و همزمان به پورت شبکه مقصد منتقل می شود. از آنجایی که بسیاری از سوئیچ های لایه 3 عملکردی مشابه روترهای سنتی ارائه می دهند، می‌توان از آنها به عنوان جایگزینی با تأخیر کمتر و ارزان در بعضی از شبکه ها استفاده کرد. سوئیچ های لایه ۳ می توانند فعالیت هایی همچون مسیرها را بر اساس آدرس دهی منطقی تعیین کنید، بررسی و تغدیه Recompute لایه ۳ سرآیند چک سام، زمان زندگی و (TTL) زمینه را بررسی و بروز کنید، پردازش و پاسخ به هر گونه اطلاعات گزینه و مدیران پروتکل مدیریت شبکه ساده (SNMP) را با اطلاعات پایگاه اطلاعات مدیریت (MIB) بروز کنید که توسط روترها انجام می شود را انجام دهند.

از مهم مزایای تعویض لایه ۳ می‌توان به ارسال سریع بسته های سخت افزاری مبتنی بر سخت افزار با تأخیر کم، هزینه پورت کمتر در مقایسه با روترهای خالص، حسابداری جریان و کیفیت خدمات (QoS) اشاره کرد.IEEE اصطلاحات سلسله مراتبی را توسعه داده‌ که در توصیف فرایندهای ارسال و تغییر کاربری مفید است. دستگاه های شبکه ای بدون امکان ارسال بسته‌ها بین زیرمجموعه‌ها، سیستم های انتهایی (ES , ES Singular) نامیده می شوند، در حالی که دستگاه های شبکه ای با این قابلیت ها، سیستم های میانی (IS) نامیده می شوند. ISها به موارد دیگری تقسیم می شوند که فقط درون دامنه مسیریابی خود (intradomain IS) و آنهایی که هم در حوزه و هم بین دامنه های مسیریابی ارتباط برقرار می کنند، تقسیم می شوند. دامنه مسیریابی بطورکلی به عنوان بخشی از کار اینترنت تحت اقتدار اداری مشترک در نظر گرفته می شود و توسط مجموعه خاصی از دستورالعمل های اداری تنظیم می شود. دامنه های مسیریابی نیز سیستم های خود مختار نامیده می شوند.

سوئیچینگ لایه ۴

تعویض لایه ۴ به معنای فناوری سوئیچینگ لایه ۳ مبتنی بر سخت افزار است که می تواند نوع ترافیک شبکه را نیز در نظر بگیرد (برای مثال، تمایز بین UDP و TCP). تعویض لایه ۴ با خواندن شماره پورت‌های موجود در هدر لایه حمل و نقل برای تصمیم گیری های مسیریابی (یعنی درگاه های مورد استفاده توسط HTTP، FTP و VoIP) از بازرسی داده های اضافی استفاده می کند. این شماره درگاه ها در RFC 1700 یافت می شوند و پروتکل، برنامه یا برنامه لایه بالایی را ارجاع می دهند. بزرگترین فواید تعویض لایه ۴ این است که سرپرست شبکه می تواند یک سوئیچ لایه ۴ را پیکربندی کند تا اولویت بندی ترافیک داده ها به وسیله برنامه باشد، به این معنی که QoS را می‌توان برای هر کاربر تعریف کرد. به عنوان مثال، تعدادی از کاربران را می‌توان به عنوان یک گروه ویدیویی تعریف کرد و بر اساس نیاز به کنفرانس ویدیویی، اولویت بیشتر یا عرض پهنای باند به آنها اختصاص داد. اطلاعات لایه ۴ برای کمک به تصمیم گیری های مسیریابی برای مدتی استفاده شده است. به عنوان مثال، لیست های دسترسی گسترده می توانند بسته‌ها را بر اساس شماره پورت لایه ۴ فیلتر کنند. مثال دیگر، اطلاعات حسابداری جمع‌آوری شده توسط استانداردهای باز با استفاده از sFlow توسط شرکت هایی مانند شبکه های Arista یا راه حل های اختصاصی مانند تعویض NetFlow در روترهای سطح بالاتر سیسکو است. لازم به توضیح است که برخی از سوئیچ ها می توانند از اطلاعات بسته ۷ لایه OSI استفاده کنند. اینها ممکن است سوئیچ های لایه ۴–۷، سوئیچ های محتوا، سوئیچ های خدمات محتوا، سوئیچ های وب یا سوئیچ های برنامه نامیده شوند.

کاربرد سوییچ

بطور کلی از سوئیچ می‌توان در یک شبکه خانگی کوچک یا در شبکه های بزرگ با ستون فقرات چند گیگا بایتی استفاده کرد. سوییچ ها امکان برقراری ارتباط بین ده ها و گاهی صدها دستگاه را بطور مستقیم و هوشمند به ما می دهد، امکان برقراری ارتباط با سرعت بسیار بالا را فراهم می کند، امکان نظارت و مدیریت بر عملکرد کاربران را فراهم می کند، امکان کنترل پهنای باند مصرفی کاربران را فراهم می کند و امکان تفکیک شبکه به بخش های کوچکتر و مشخص کردن نحوه دسترسی افراد به قسمت های مختلف را فراهم می کند.