¿Qué es un conmutador Ethernet?

Un conmutador Ethernet es un dispositivo de red que se utiliza para conectar varias computadoras y otros dispositivos de red en una red de área local (LAN). Actúa como un centro de transporte, transportando paquetes de datos de un dispositivo a otro.

Los conmutadores Ethernet conectan computadoras, servidores, impresoras y otros dispositivos a través de puertos físicos y reenvían paquetes de datos desde el dispositivo de origen al dispositivo de destino según la dirección MAC de destino (control de acceso a medios) del paquete de datos. Este proceso de reenvío se basa en la tabla de reenvío dentro del conmutador.

Cuando un paquete llega al conmutador, el conmutador verifica la dirección MAC de destino en el paquete y hace coincidir esa dirección con su tabla de reenvío interna. Si la dirección MAC de destino existe en la tabla de reenvío, el conmutador reenviará el paquete de datos directamente al puerto conectado al dispositivo de destino; Si la dirección MAC de destino no está en la tabla de reenvío, el conmutador transmite el paquete a todos los demás puertos para encontrar el dispositivo de destino.

En resumen, un conmutador Ethernet es un dispositivo de red importante, que se utiliza para lograr una transmisión de datos confiable y de alta velocidad en una LAN, y para proporcionar funciones de seguridad y administración de red flexibles. Es una de las infraestructuras indispensables en las redes modernas.

Definición y clasificación de interruptor.

En términos de estructura de hardware, el conmutador consta de un chasis, fuente de alimentación, ventilador, backplane, motor de gestión, controlador del sistema, módulo de conmutación y tarjeta de línea. El chasis es la carcasa del interruptor y se utiliza para proteger los componentes electrónicos internos. Algunos interruptores utilizan una carcasa metálica para evitar que los campos magnéticos interfieran con el interruptor. El ventilador se utiliza para disipar el calor del interruptor para garantizar que la temperatura interna del interruptor esté dentro de un rango normal y garantizar un funcionamiento estable a largo plazo del interruptor. La fuente de alimentación incluye una fuente de alimentación externa y una fuente de alimentación incorporada. La fuente de alimentación externa puede proporcionar una configuración de energía flexible. El backplane de un conmutador de chasis es una placa PCB que se utiliza para conectar el motor de gestión, los módulos de conmutación, las tarjetas de línea y otras piezas.

• Motor de gestión: Hay un puerto de configuración en el motor de administración, que es una interfaz en serie y se puede conectar a una computadora a través de un cable en serie para la administración y configuración del conmutador.

• Controlador del sistema: Responsable de controlar el suministro eléctrico y los ventiladores.

• Tarjeta de línea: Se puede utilizar para configurar la interfaz Ethernet y conectarse a la computadora u otros dispositivos de hardware a través de la interfaz Ethernet para la transmisión de datos.

• Módulo de conmutación: Responsable del reenvío de datos y conmutación entre diferentes interfaces. La unidad de conmutación utiliza chips ASIC de alto rendimiento.

Aspecto de los interruptores tipo caja y de chasis.

Cambiar la arquitectura

Tres arquitecturas principales en la industria: Arquitectura de MALLA completa; Arquitectura de barra transversal; Arquitectura CLOS. La mayoría de los conmutadores centrales de gama alta actuales adoptan la arquitectura CLOS.

Diseño de placa de red de conmutación basado en arquitectura CLOS:

• Estructura no ortogonal/estructura paralela: La tarjeta de línea y el módulo de conmutación están en paralelo y los dos están conectados mediante cableado en el backplane. Los conmutadores de Huawei utilizan un diseño no ortogonal. Desventajas: La escritura del backplane de PCB genera interferencias en la señal y el diseño del backplane limita las actualizaciones de banda ancha y la disipación de calor.

• Estructura ortogonal: La tarjeta de línea y el módulo de conmutación son verticales y están conectados directamente a través del backplane. Este diseño reduce la atenuación de la señal causada por el cableado del backplane pero limita la actualización del ancho de banda. Cisco utiliza la estructura ortogonal.

• Arquitectura sin backplane: Las tarjetas de línea y los módulos de conmutación están conectados verticalmente, lo que alivia las restricciones del backplane en las actualizaciones de banda ancha y facilita la disipación de calor.

El mecanismo de funcionamiento del módulo de conmutación: la ruta de transmisión de datos desde la tarjeta de línea A a la tarjeta de línea B es la tarjeta de línea A → plano posterior → módulo de conmutación → chip de conmutación.

Diseño de la arquitectura del módulo de conmutación.

Métrica de rendimiento del conmutador:

Supuesto: número de puertos = número de carriles; ancho de banda del backplane = el número de automóviles que pasan por la carretera por unidad de tiempo; Capacidad de intercambio = la cantidad de vehículos que el comandante de la intersección puede ordenar para que pasen por la intersección de manera segura y sin obstrucciones en una unidad de tiempo.

Si un máximo de 1,000 automóviles pueden circular por la carretera por unidad de tiempo y la capacidad de comando del comandante de la intersección es lo suficientemente fuerte, entonces un máximo de 1,000 automóviles pueden circular por la carretera con una intersección, lo que equivale a que el interruptor alcance la velocidad de la línea. indicador.

Sin embargo, si la capacidad de mando del comandante de la intersección es insuficiente y solo puede ordenar a 500 vehículos que pasen sin problemas por unidad de tiempo, entonces como máximo 500 vehículos pueden circular sin problemas en la carretera con la intersección, lo que significa que no se alcanza el indicador de velocidad de la línea. Es decir, para lograr un intercambio de datos sin bloqueo, la velocidad de transmisión de datos debe cumplir con los requisitos del puerto full-duplex: ancho de banda del backplane ≥número de puertos × velocidad del puerto ×2; y al mismo tiempo, capacidad de conmutación ≥ número de puerto X velocidad del puerto.

Actualmente, los conmutadores que utilizan matrices de conmutación generalmente pueden alcanzar indicadores de velocidad de línea. Por ejemplo, Cisco utiliza módulos de matriz de conmutación. En términos generales, el ancho de banda del backplane tiene poca importancia, mientras que la capacidad de conmutación y la velocidad de reenvío de paquetes son indicadores clave que reflejan el rendimiento del conmutador.

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Cambiar escenarios de aplicación:

Clasificados según los escenarios de aplicación de los interruptores: interruptores comerciales e interruptores industriales. Los conmutadores comerciales se clasifican según los escenarios de aplicación: conmutadores de red empresarial (conmutadores SMB), conmutadores de campus y conmutadores de centros de datos.

La capa de red de la red del campus adopta la arquitectura madura de tres capas de la industria:

Interruptor de acceso: Los conmutadores de capa de acceso generalmente se implementan en gabinetes de red en pasillos para acceder a los usuarios de la red del campus (PC o servidores). Proporcionan funciones de conmutador de capa 2 y también admiten funciones de acceso de capa 3 (los conmutadores de acceso son conmutadores de capa 3). Dado que los conmutadores de capa de acceso están conectados directamente a los usuarios de la red del campus, existen mayores requisitos para la densidad de interfaces GE/FE en los conmutadores de acceso según la cantidad y el tipo (GE/FE) de puntos de información de acceso de los usuarios. Además, los conmutadores de acceso se implementan en gabinetes de red de pasillo, que son grandes en número y tienen altos requisitos de costo, consumo de energía, administración y mantenimiento.

Cambio de agregación: Los conmutadores de capa de agregación del campus generalmente se implementan en gabinetes de agregación de redes independientes en edificios para agregar el tráfico desde los conmutadores de acceso al campus. Generalmente proporcionan funciones de conmutador de capa 3. Los conmutadores de capa de agregación, como puerta de enlace de la red del campus, terminan el tráfico de capa 2 de los usuarios de la red del campus y realizan el reenvío de capa 3. Según sea necesario, se pueden integrar placas de servicios de valor agregado (como firewalls, balanceadores de carga y controladores de CA WLAN) en los conmutadores de agregación o se pueden conectar dispositivos de servicios de valor agregado independientes para brindar servicios de valor agregado a los usuarios de la red del campus.

Interruptor central: El conmutador de capa central del campus se implementa en la sala de informática central del campus. Agrega el tráfico de usuarios entre edificios y áreas y proporciona funciones de conmutación de capa 3. El “tráfico vertical” que conecta la red externa del campus con los usuarios internos y el “tráfico horizontal” entre usuarios en diferentes áreas de agregación requieren alta densidad 10GE y alto rendimiento de reenvío.

Topología de red en el conmutador del centro de datos:

Arquitectura de red tradicional de tres capas: incluida la capa de conmutación central que interconecta el centro de datos y los operadores externos, la capa de acceso y la capa de agregación que conecta los dos para lograr la agregación de datos. La red de centros de datos actual se divide principalmente en una topología de tres capas.

• El conmutador de acceso se conecta físicamente al servidor.

• El conmutador de agregación conecta los conmutadores de acceso bajo la misma red de Capa 2 (VLAN) y proporciona otros servicios, como firewall, SSL offcarga, detección de intrusos, análisis de red, etc. Puede ser un switch de Capa 2 o un switch de Capa 3.

• Los conmutadores centrales proporcionan reenvío de paquetes a alta velocidad dentro y fuera del centro de datos, proporcionando conectividad a múltiples LAN de capa 2 (VLAN). Por lo general, proporcionan una red de Capa 3 resistente para toda la red.

Estructura tradicional de tres capas del centro de datos

Conmutadores de centros de datos: arquitectura de columna vertebral

Arquitectura leaf-spine: también llamada red central distribuida. Dado que esta arquitectura de red se deriva del Switch Fabric dentro del conmutador, también se denomina arquitectura de red Fabric y pertenece al modelo de red CLOS. Se ha demostrado que la arquitectura de red Spine-Leaf proporciona conexiones de servidor a servidor sin bloqueo y de baja latencia y gran ancho de banda.

La topología de la red del centro de datos consta de dos capas de conmutación., Lomo y Hoja.

La capa hoja consta de conmutadores de acceso que agregan el tráfico de los servidores y se conectan directamente a la columna vertebral o al núcleo de la red.

Los conmutadores Spine interconectan todos los conmutadores Leaf en una topología de malla completa. En la figura anterior, los nodos verdes representan conmutadores y los nodos grises representan servidores. Entre los nodos verdes, el superior es el nodo Spine y el inferior es el nodo Leaf.

La arquitectura Spine-Leaf es adecuada para las necesidades de las aplicaciones modernas.

• Diseño plano: el diseño plano acorta las rutas de comunicación entre servidores, reduciendo así la latencia y puede mejorar significativamente el rendimiento de las aplicaciones y los servicios.

• Fácil de expandir: si el ancho de banda del conmutador Spine es insuficiente, solo necesitamos aumentar la cantidad de nodos Spine o proporcionar equilibrio de carga en la ruta; Si no hay suficientes conexiones de acceso, simplemente aumente la cantidad de nodos Leaf.

• Relación de convergencia baja: es fácil lograr una relación de convergencia de 1:X o incluso 1:1 sin bloqueo, y la relación de convergencia del enlace también se puede reducir aumentando el ancho de banda del enlace entre los dispositivos Spine y Leaf. Gestión simplificada: la estructura de hoja-lomo puede utilizar cada enlace de la malla completa para equilibrar la carga en un entorno sin bucles. Este diseño de múltiples rutas de igual costo alcanza su mejor momento cuando se utiliza una plataforma de administración de red centralizada como SDN.

• Procesamiento de tráfico perimetral: con el auge de servicios como Internet de las cosas (loT), la presión sobre la capa de acceso ha aumentado dramáticamente. Puede haber miles de sensores y dispositivos conectados en el borde de la red y generando una gran cantidad de tráfico. Leaf puede manejar conexiones en la capa de acceso y Spine garantiza un rendimiento sin bloqueo con una latencia muy baja entre dos puertos dentro de un nodo, lo que permite servicios ágiles desde el acceso a la plataforma en la nube.

• Gestión de múltiples nubes: los centros de datos o las nubes pueden lograr un alto rendimiento, una alta tolerancia a fallas y otras ventajas a través de la arquitectura Leaf Spine, y las estrategias de gestión de múltiples nubes se han convertido gradualmente en una necesidad para las empresas.

Estructura de hoja-espina del centro de datos