ما هو محول إيثرنت

محول Ethernet هو جهاز شبكة يستخدم لتوصيل أجهزة كمبيوتر متعددة وأجهزة الشبكة الأخرى في الشبكة المحلية (LAN). إنه بمثابة مركز نقل، حيث ينقل حزم البيانات من جهاز إلى آخر.

تقوم محولات Ethernet بتوصيل أجهزة الكمبيوتر والخوادم والطابعات والأجهزة الأخرى من خلال المنافذ الفعلية، وإعادة توجيه حزم البيانات من الجهاز المصدر إلى الجهاز الهدف بناءً على عنوان MAC الوجهة (التحكم في الوصول إلى الوسائط) لحزمة البيانات. تعتمد عملية إعادة التوجيه هذه على جدول إعادة التوجيه الموجود داخل المحول.

عندما تصل حزمة إلى المحول، يتحقق المحول من عنوان MAC الوجهة في الحزمة ويطابق هذا العنوان بجدول إعادة التوجيه الداخلي الخاص به. إذا كان عنوان MAC الهدف موجودًا في جدول إعادة التوجيه، فسيقوم المحول بإعادة توجيه حزمة البيانات مباشرة إلى المنفذ المتصل بالجهاز الهدف؛ إذا لم يكن عنوان MAC الوجهة موجودًا في جدول إعادة التوجيه، فسيقوم المحول ببث الحزمة إلى جميع المنافذ الأخرى للعثور على الجهاز الوجهة.

باختصار، يعد محول Ethernet جهازًا مهمًا للشبكة، يُستخدم لتحقيق نقل بيانات عالي السرعة وموثوق به في الشبكة المحلية (LAN)، ولتوفير وظائف إدارة وأمان مرنة للشبكة. وهي إحدى البنى التحتية التي لا غنى عنها في الشبكات الحديثة.

تعريف وتصنيف التبديل

فيما يتعلق بهيكل الأجهزة، يتكون المحول من هيكل، ومصدر طاقة، ومروحة، ولوحة الكترونية معززة، ومحرك إدارة، ووحدة تحكم النظام، ووحدة التبديل، وبطاقة الخط. الهيكل هو غلاف المفتاح، ويستخدم لحماية المكونات الإلكترونية الداخلية. تستخدم بعض المفاتيح غلافًا معدنيًا لمنع المجالات المغناطيسية من التداخل مع المفتاح. يتم استخدام المروحة لتبديد الحرارة من المفتاح لضمان أن تكون درجة الحرارة الداخلية للمفتاح ضمن النطاق الطبيعي وضمان التشغيل المستقر على المدى الطويل للمفتاح. يشتمل مصدر الطاقة على مصدر طاقة خارجي ومصدر طاقة مدمج. يمكن أن يوفر مصدر الطاقة الخارجي تكوينًا مرنًا للطاقة. اللوحة الإلكترونية المعززة الموجودة في مفتاح الهيكل عبارة عن لوحة PCB تستخدم لتوصيل محرك الإدارة ووحدات التبديل وبطاقات الخطوط والأجزاء الأخرى.

• محرك الإدارة: يوجد منفذ تكوين على محرك الإدارة، وهو عبارة عن واجهة تسلسلية ويمكن توصيله بجهاز كمبيوتر من خلال كابل تسلسلي لإدارة وتكوين المحول.

• وحدة تحكم النظام: - مسؤول عن التحكم في إمدادات الطاقة والمراوح.

• بطاقة خط: يمكن استخدامه لتكوين واجهة Ethernet والاتصال بالكمبيوتر أو الأجهزة الأخرى من خلال واجهة Ethernet لنقل البيانات.

• وحدة التبديل: - مسؤول عن إعادة توجيه البيانات والتبديل بين الواجهات المختلفة. تستخدم وحدة التبديل شرائح ASIC عالية الأداء.

ظهور مفاتيح من النوع الصندوقي والهيكل

تبديل العمارة

ثلاثة بنيات رئيسية في الصناعة: بنية شبكية كاملة؛ بنية العارضة؛ بنية كلوس. تعتمد معظم المحولات الأساسية الحالية السائدة بنية CLOS.

تبديل تصميم لوحة الشبكة على أساس بنية CLOS:

• هيكل غير متعامد / هيكل مواز: بطاقة الخط ووحدة التبديل متوازيتان، ويتم توصيلهما من خلال الأسلاك على لوحة الكترونية معززة. تستخدم مفاتيح Huawei تصميمًا غير متعامد. العيوب: تؤدي الكتابة على لوحة إلكترونية معززة لثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى تداخل الإشارة، ويحد تصميم اللوحة الإلكترونية المعززة من ترقيات النطاق العريض وتبديد الحرارة.

• هيكل متعامد: بطاقة الخط ووحدة التبديل عمودية ومتصلة مباشرة من خلال لوحة الكترونية معززة. يقلل هذا التصميم من توهين الإشارة الناتج عن أسلاك اللوحة الإلكترونية المعززة ولكنه يحد من ترقية عرض النطاق الترددي. تستخدم Cisco البنية المتعامدة.

• بنية بدون لوحة الكترونية معززة: يتم توصيل بطاقات الخط ووحدات التبديل عموديًا، مما يخفف قيود اللوحة الإلكترونية المعززة على ترقيات النطاق العريض ويسهل تبديد الحرارة.

آلية عمل وحدة التبديل: مسار نقل البيانات من بطاقة الخط A إلى بطاقة الخط B هو بطاقة الخط A → لوحة الكترونية معززة → وحدة التبديل → شريحة التبديل.

تصميم بنية وحدة التبديل

تبديل مقياس الأداء:

الافتراض: عدد المنافذ = عدد الممرات؛ عرض النطاق الترددي للوحة الكترونية معززة = عدد السيارات المارة على الطريق لكل وحدة زمنية؛ السعة التبادلية = عدد المركبات التي يستطيع قائد التقاطع توجيهها للمرور عبر التقاطع بأمان دون عائق في وحدة زمنية.

إذا كان من الممكن تشغيل 1,000 سيارة كحد أقصى على الطريق لكل وحدة زمنية، وكانت القدرة القيادية لقائد التقاطع قوية بدرجة كافية، فيمكن لـ 1,000 سيارة كحد أقصى الركض على الطريق الذي يحتوي على تقاطع، وهو ما يعادل وصول المفتاح إلى سرعة الخط مؤشر.

ومع ذلك، إذا كانت القدرة القيادية لقائد التقاطع غير كافية ويمكنه فقط توجيه 500 مركبة للمرور بسلاسة لكل وحدة زمنية، فيمكن لـ 500 مركبة على الأكثر أن تسير بسلاسة على الطريق مع التقاطع، مما يعني عدم الوصول إلى مؤشر سرعة الخط. وهذا يعني أنه لتحقيق تبادل بيانات غير محظور، يجب أن تلبي سرعة نقل البيانات متطلبات منفذ الإرسال المزدوج الكامل: عرض النطاق الترددي للوحة الكترونية معززة ≥ عدد المنافذ × سرعة المنفذ × 2؛ وفي الوقت نفسه، سعة التبديل ≥ رقم المنفذ X سرعة المنفذ.

في الوقت الحالي، يمكن للمحولات التي تستخدم مصفوفات التبديل عمومًا تحقيق مؤشرات سرعة الخط. على سبيل المثال، تستخدم شركة Cisco وحدات مصفوفة التبديل. بشكل عام، عرض النطاق الترددي للوحة الكترونية معززة له أهمية قليلة، في حين أن سعة التحويل ومعدل إعادة توجيه الحزمة هي مؤشرات رئيسية تعكس أداء المحول.

معدل المنفذ

تبديل سيناريوهات التطبيق:

يتم تصنيفها وفقًا لسيناريوهات تطبيق المفاتيح: المفاتيح التجارية والمفاتيح الصناعية. يتم تصنيف المحولات التجارية وفقًا لسيناريوهات التطبيق: محولات شبكة المؤسسة (محولات SMB)، ومحولات الحرم الجامعي، ومحولات مركز البيانات.

تتبنى طبقة الشبكة الخاصة بشبكة الحرم الجامعي بنية ثلاثية الطبقات ناضجة في الصناعة:

مفتاح الوصول: يتم نشر محولات طبقة الوصول بشكل عام في خزائن الشبكة في الممرات للوصول إلى مستخدمي شبكة الحرم الجامعي (أجهزة الكمبيوتر أو الخوادم). وهي توفر وظائف تبديل الطبقة الثانية وتدعم أيضًا وظائف الوصول إلى الطبقة الثالثة (مفاتيح الوصول هي محول الطبقة الثالثة). نظرًا لأن محولات طبقة الوصول متصلة مباشرة بمستخدمي شبكة الحرم الجامعي، فهناك متطلبات أعلى لكثافة واجهات GE/FE على محولات الوصول استنادًا إلى عدد نقاط معلومات وصول المستخدم ونوعها (GE/FE). بالإضافة إلى ذلك، يتم نشر مفاتيح الوصول في خزائن شبكة الممرات، وهي كبيرة العدد ولها متطلبات عالية من حيث التكلفة واستهلاك الطاقة والإدارة والصيانة.

تبديل التجميع: يتم نشر محولات طبقة تجميع الحرم الجامعي بشكل عام في خزانات تجميع الشبكة المستقلة في المباني لتجميع حركة المرور من محولات الوصول إلى الحرم الجامعي. أنها توفر عموما وظائف التبديل الطبقة 3. تقوم محولات طبقة التجميع، باعتبارها بوابة شبكة الحرم الجامعي، بإنهاء حركة مرور الطبقة الثانية لمستخدمي شبكة الحرم الجامعي وتنفيذ إعادة توجيه الطبقة الثالثة. حسب الحاجة، يمكن دمج لوحات الخدمة ذات القيمة المضافة (مثل جدران الحماية، وموازنات التحميل، ووحدات تحكم WLAN AC) في محولات التجميع أو يمكن توصيل أجهزة خدمة ذات قيمة مضافة مستقلة لتوفير خدمات ذات قيمة مضافة لمستخدمي شبكة الحرم الجامعي.

مفتاح التبديل: يتم نشر مفتاح الطبقة الأساسية للحرم الجامعي في غرفة الكمبيوتر الأساسية بالحرم الجامعي. فهو يجمع حركة مرور المستخدم بين المباني والمناطق، ويوفر وظائف التبديل من الطبقة الثالثة. "الحركة العمودية" التي تربط الشبكة الخارجية للحرم الجامعي بالمستخدمين الداخليين و"الحركة الأفقية" بين المستخدمين في مناطق التجميع المختلفة تتطلب كثافة عالية 10GE وأداء إعادة توجيه عالي.

طوبولوجيا الشبكة في تبديل مركز البيانات:

بنية الشبكة التقليدية ثلاثية الطبقات: بما في ذلك طبقة التبديل الأساسية التي تربط بين مركز البيانات والمشغلين الخارجيين، وطبقة الوصول، وطبقة التجميع التي تربط الاثنين لتحقيق تجميع البيانات. تنقسم شبكة مراكز البيانات اليوم بشكل أساسي إلى طوبولوجيا ثلاثية الطبقات.

• يتصل مفتاح الوصول فعليًا بالخادم.

• يقوم محول التجميع بتوصيل محولات الوصول ضمن نفس شبكة الطبقة الثانية (VLAN) ويوفر خدمات أخرى، مثل جدار الحماية وSSL offالتحميل، وكشف التسلل، وتحليل الشبكة، وما إلى ذلك. يمكن أن يكون محول الطبقة الثانية أو محول الطبقة الثالثة.

• توفر المحولات الأساسية إعادة توجيه عالية السرعة للحزم داخل وخارج مركز البيانات، مما يوفر الاتصال بشبكات LAN متعددة الطبقة الثانية (VLAN). وهي توفر عادةً شبكة من الطبقة الثالثة مرنة للشبكة بأكملها.

البنية التقليدية ثلاثية الطبقات لمركز البيانات

مفاتيح مركز البيانات - بنية العمود الفقري للأوراق

بنية العمود الفقري للورقة: وتسمى أيضًا الشبكة الأساسية الموزعة. نظرًا لأن بنية الشبكة هذه مشتقة من Switch Fabric داخل المحول، فإنها تسمى أيضًا بنية شبكة Fabric، والتي تنتمي إلى نموذج شبكة CLOS. لقد أثبتت بنية شبكة Spine-Leaf قدرتها على توفير اتصالات من خادم إلى خادم ذات نطاق ترددي عالٍ وزمن وصول منخفض وغير معيقة.

تتكون طوبولوجيا شبكة مركز البيانات من طبقتين للتبديل, العمود الفقري والأوراق.

تتكون الطبقة الطرفية من مفاتيح وصول تعمل على تجميع حركة المرور من الخوادم وتتصل مباشرة بالعمود الفقري أو قلب الشبكة.

تقوم مفاتيح العمود الفقري بتوصيل جميع مفاتيح Leaf في طوبولوجيا شبكية كاملة. في الشكل أعلاه، تمثل العقد الخضراء المحولات والعقد الرمادية تمثل الخوادم. من بين العقد الخضراء، العقدة العلوية هي عقدة العمود الفقري، والعقدة السفلية هي عقدة الورقة.

تعتبر بنية Spine-Leaf مناسبة لاحتياجات التطبيقات الحديثة

• التصميم المسطح: يعمل التصميم المسطح على تقصير مسارات الاتصال بين الخوادم، وبالتالي تقليل زمن الوصول ويمكن أن يحسن أداء التطبيق والخدمة بشكل كبير.

• سهل التوسيع: إذا كان عرض النطاق الترددي لمفتاح Spine غير كافٍ، فسنحتاج فقط إلى زيادة عدد عقد العمود الفقري أو توفير موازنة التحميل على المسار؛ إذا لم تكن هناك اتصالات وصول كافية، فما عليك سوى زيادة عدد العقد الورقية.

• نسبة تقارب منخفضة: من السهل تحقيق نسبة تقارب 1:X أو حتى عدم حجب 1:1، ويمكن أيضًا تقليل نسبة تقارب الارتباط عن طريق زيادة عرض نطاق الارتباط بين أجهزة Spine و Leaf. إدارة مبسطة: يمكن لهيكل العمود الفقري للأوراق استخدام كل رابط في الشبكة الكاملة لموازنة التحميل في بيئة خالية من الحلقات. يكون هذا التصميم متعدد المسارات ذو التكلفة المتساوية في أفضل حالاته عند استخدام نظام أساسي لإدارة الشبكة المركزية مثل SDN.

• معالجة حركة المرور على الحافة: مع ظهور خدمات مثل إنترنت الأشياء (loT)، زاد الضغط على طبقة الوصول بشكل كبير. قد يكون هناك الآلاف من أجهزة الاستشعار والأجهزة المتصلة على حافة الشبكة وتولد قدرًا كبيرًا من حركة المرور. يمكن لـ Leaf التعامل مع الاتصالات في طبقة الوصول، ويضمن Spine أداءً غير محظور مع زمن وصول منخفض جدًا بين أي منفذين داخل العقدة، وبالتالي تمكين الخدمات السريعة من الوصول إلى النظام الأساسي السحابي.

• إدارة السحابة المتعددة: يمكن لمراكز البيانات أو السحابة أن تحقق أداءً عاليًا وتحملًا عاليًا للأخطاء ومزايا أخرى من خلال بنية Leaf Spine، وأصبحت استراتيجيات إدارة السحابة المتعددة أمرًا ضروريًا للمؤسسات تدريجيًا.

هيكل العمود الفقري لمركز البيانات