Qu'est-ce qu'un commutateur Ethernet

Un commutateur Ethernet est un périphérique réseau utilisé pour connecter plusieurs ordinateurs et autres périphériques réseau dans un réseau local (LAN). Il agit comme une plaque tournante du transport, transportant les paquets de données d'un appareil à un autre.

Les commutateurs Ethernet connectent les ordinateurs, serveurs, imprimantes et autres appareils via des ports physiques et transmettent les paquets de données du périphérique source au périphérique cible en fonction de l'adresse MAC de destination (Media Access Control) du paquet de données. Ce processus de transfert est basé sur la table de transfert à l'intérieur du commutateur.

Lorsqu'un paquet arrive au commutateur, celui-ci vérifie l'adresse MAC de destination dans le paquet et fait correspondre cette adresse à sa table de transfert interne. Si l'adresse MAC cible existe dans la table de transfert, le commutateur transmettra le paquet de données directement au port connecté au périphérique cible ; Si l'adresse MAC de destination ne figure pas dans la table de transfert, le commutateur diffuse le paquet vers tous les autres ports afin de trouver le périphérique de destination.

En bref, un commutateur Ethernet est un périphérique réseau important, utilisé pour assurer une transmission de données fiable et à haut débit sur un réseau local, et pour fournir des fonctions flexibles de gestion et de sécurité du réseau. C'est l'une des infrastructures indispensables aux réseaux modernes.

Définition et classification du commutateur

En termes de structure matérielle, le commutateur se compose d'un châssis, d'une alimentation, d'un ventilateur, d'un fond de panier, d'un moteur de gestion, d'un contrôleur système, d'un module de commutation et d'une carte de ligne. Le châssis est la coque du switch, utilisée pour protéger les composants électroniques internes. Certains interrupteurs utilisent un boîtier métallique pour empêcher les champs magnétiques d'interférer avec l'interrupteur. Le ventilateur est utilisé pour dissiper la chaleur du commutateur afin de garantir que la température interne du commutateur se situe dans une plage normale et garantir un fonctionnement stable à long terme du commutateur. L'alimentation comprend une alimentation externe et une alimentation intégrée. L'alimentation externe peut fournir une configuration d'alimentation flexible. Le fond de panier d'un commutateur de châssis est une carte PCB utilisée pour connecter le moteur de gestion, les modules de commutation, les cartes de ligne et d'autres pièces.

• Moteur de gestion : Il existe un port de configuration sur le moteur de gestion, qui est une interface série et peut être connecté à un ordinateur via un câble série pour la gestion et la configuration du commutateur.

• Contrôleur système : Responsable du contrôle de l'alimentation électrique et des ventilateurs.

• Carte de ligne: Il peut être utilisé pour configurer l'interface Ethernet et se connecter à l'ordinateur ou à d'autres périphériques matériels via l'interface Ethernet pour la transmission de données.

• Module de commutation : Responsable du transfert de données et de la commutation entre différentes interfaces. L'unité de commutation utilise des puces ASIC hautes performances.

Apparition des commutateurs de type boîtier et châssis

Architecture de commutation

Trois architectures dominantes dans l'industrie : Architecture entièrement MESH ; Architecture CROSSBAR ; Architecture CLOS. La plupart des commutateurs principaux haut de gamme actuels adoptent l'architecture CLOS.

Conception de carte réseau de commutation basée sur l'architecture CLOS :

• Structure non orthogonale/structure parallèle : La carte de ligne et le module de commutation sont parallèles et les deux sont connectés via un câblage sur le fond de panier. Les commutateurs de Huawei utilisent une conception non orthogonale. Inconvénients : l'écriture du fond de panier PCB entraîne des interférences de signal, et la conception du fond de panier limite les mises à niveau à large bande et la dissipation thermique.

• Structure orthogonale : La carte de ligne et le module de commutation sont verticaux et directement connectés via le fond de panier. Cette conception réduit l'atténuation du signal provoquée par le câblage du fond de panier mais limite l'amélioration de la bande passante. Cisco utilise la structure orthogonale.

• Architecture sans fond de panier : Les cartes de ligne et les modules de commutation sont connectés verticalement, ce qui soulage les restrictions du fond de panier lors des mises à niveau haut débit et facilite la dissipation thermique.

Le mécanisme de fonctionnement du module de commutation : Le chemin de transmission des données de la carte de ligne A à la carte de ligne B est la carte de ligne A → fond de panier → module de commutation → puce de commutation.

Conception de l'architecture du module de commutation

Mesure des performances du commutateur :

Hypothèse : nombre de ports = nombre de voies ; bande passante du fond de panier = nombre de voitures circulant sur la route par unité de temps ; Capacité d'échange = le nombre de véhicules que le commandant de l'intersection peut ordonner de traverser l'intersection en toute sécurité sans obstruction dans une unité de temps.

Si un maximum de 1,000 1,000 voitures peuvent circuler sur la route par unité de temps et que la capacité de commandement du commandant de l'intersection est suffisamment forte, alors un maximum de XNUMX XNUMX voitures peuvent circuler sur la route avec une intersection, ce qui équivaut à ce que le commutateur atteigne la vitesse de ligne. indicateur.

Cependant, si la capacité de commandement du commandant de l'intersection est insuffisante et qu'il ne peut ordonner qu'à 500 véhicules de passer en douceur par unité de temps, alors au plus 500 véhicules peuvent circuler en douceur sur la route avec l'intersection, ce qui signifie que l'indicateur de vitesse de ligne n'est pas atteint. Autrement dit, pour obtenir un échange de données non bloquant, la vitesse de transmission des données doit répondre aux exigences du port full-duplex : bande passante du fond de panier ≥ nombre de ports × vitesse du port × 2 ; et en même temps, capacité de commutation ≥numéro de port X vitesse du port.

Actuellement, les commutateurs qui utilisent des matrices de commutation peuvent généralement atteindre des indicateurs de vitesse de ligne. Par exemple, Cisco utilise des modules de matrice de commutation. D'une manière générale, la bande passante du fond de panier n'a que peu d'importance, tandis que la capacité de commutation et le taux de transfert de paquets sont des indicateurs clés qui reflètent les performances du commutateur.

tarif portuaire

Changer de scénario d'application :

Classés selon les scénarios d'application des commutateurs : commutateurs commerciaux et commutateurs industriels. Les commutateurs commerciaux sont classés en fonction des scénarios d'application : commutateurs de réseau d'entreprise (commutateurs PME), commutateurs de campus et commutateurs de centre de données.

La couche réseau du réseau du campus adopte l'architecture à trois couches mature du secteur :

Commutateur d'accès : Les commutateurs de couche d'accès sont généralement déployés dans des armoires réseau situées dans les couloirs pour accéder aux utilisateurs du réseau du campus (PC ou serveurs). Ils fournissent des fonctions de commutateur de couche 2 et prennent également en charge les fonctions d'accès de couche 3 (les commutateurs d'accès sont des commutateurs de couche 3). Étant donné que les commutateurs de couche d'accès sont directement connectés aux utilisateurs du réseau du campus, il existe des exigences plus élevées en matière de densité d'interfaces GE/FE sur les commutateurs d'accès, en fonction du nombre et du type (GE/FE) des points d'information d'accès utilisateur. De plus, les commutateurs d'accès sont déployés dans des armoires réseau de couloir, qui sont nombreuses et ont des exigences élevées en termes de coût, de consommation d'énergie, de gestion et de maintenance.

Commutateur d'agrégation : Les commutateurs de couche d'agrégation de campus sont généralement déployés dans des armoires d'agrégation de réseau indépendantes dans les bâtiments pour regrouper le trafic des commutateurs d'accès au campus. Ils fournissent généralement des fonctions de commutation de couche 3. Les commutateurs de couche d'agrégation, en tant que passerelle du réseau du campus, terminent le trafic de couche 2 des utilisateurs du réseau du campus et effectuent le transfert de couche 3. Selon les besoins, des cartes de services à valeur ajoutée (telles que des pare-feu, des équilibreurs de charge et des contrôleurs WLAN AC) peuvent être intégrées sur les commutateurs d'agrégation ou des dispositifs de services à valeur ajoutée indépendants peuvent être connectés pour fournir des services à valeur ajoutée aux utilisateurs du réseau du campus.

Commutateur principal : Le commutateur de couche centrale du campus est déployé dans la salle informatique centrale du campus. Il regroupe le trafic utilisateur entre les bâtiments et les zones et fournit des fonctions de commutation de couche 3. Le « trafic vertical » reliant le réseau externe du campus aux utilisateurs internes et le « trafic horizontal » entre les utilisateurs de différentes zones d'agrégation nécessitent une haute densité 10GE et des performances de transfert élevées.

Topologie du réseau dans le commutateur du centre de données :

Architecture réseau traditionnelle à trois couches : comprenant la couche de commutation principale qui interconnecte le centre de données et les opérateurs externes, la couche d'accès et la couche d'agrégation qui relie les deux pour réaliser l'agrégation des données. Le réseau de centres de données actuel est principalement divisé en topologie à trois couches.

• Le commutateur d'accès se connecte physiquement au serveur.

• Le commutateur d'agrégation connecte les commutateurs d'accès sous le même réseau de couche 2 (VLAN) et fournit d'autres services, tels que le pare-feu, SSL offcharge, détection d'intrusion, analyse de réseau, etc. Il peut s'agir d'un commutateur de couche 2 ou d'un commutateur de couche 3.

• Les commutateurs principaux assurent le transfert à grande vitesse des paquets entrant et sortant du centre de données, offrant ainsi une connectivité à plusieurs réseaux locaux de couche 2 (VLAN). Ils fournissent généralement un réseau de couche 3 résilient pour l’ensemble du réseau.

Structure traditionnelle à trois couches du centre de données

Commutateurs de centre de données : architecture feuille-épine

Architecture Leaf-spine : également appelée réseau central distribué. Étant donné que cette architecture réseau est dérivée du Switch Fabric à l’intérieur du commutateur, elle est également appelée architecture réseau Fabric, appartenant au modèle de réseau CLOS. Il a été prouvé que l'architecture réseau Spine-Leaf fournit des connexions serveur à serveur non bloquantes à large bande passante et à faible latence.

La topologie du réseau du centre de données se compose de deux couches de commutation, Colonne vertébrale et feuille.

La couche feuille est constituée de commutateurs d'accès qui regroupent le trafic des serveurs et se connectent directement à la colonne vertébrale ou au cœur du réseau.

Les commutateurs Spine interconnectent tous les commutateurs Leaf dans une topologie entièrement maillée. Dans la figure ci-dessus, les nœuds verts représentent les commutateurs et les nœuds gris représentent les serveurs. Parmi les nœuds verts, celui du haut est le nœud Spine et celui du bas est le nœud Leaf.

L'architecture Spine-Leaf est adaptée aux besoins des applications modernes

• Conception plate : la conception plate raccourcit les chemins de communication entre les serveurs, réduisant ainsi la latence et peut améliorer considérablement les performances des applications et des services.

• Facile à étendre : si la bande passante du commutateur Spine est insuffisante, il suffit d'augmenter le nombre de nœuds Spine ou d'assurer un équilibrage de charge sur le chemin ; Si les connexions d'accès sont insuffisantes, augmentez simplement le nombre de nœuds Leaf.

• Faible taux de convergence : il est facile d'atteindre un taux de convergence de 1 : X ou même un taux de convergence de 1 : 1 non bloquant, et le taux de convergence des liens peut également être réduit en augmentant la bande passante de liaison entre les appareils Spine et Leaf. Gestion simplifiée : la structure feuille-épine peut utiliser chaque lien du maillage complet pour l'équilibrage de charge dans un environnement sans boucle. Cette conception multivoies à coût égal est optimale lors de l’utilisation d’une plate-forme de gestion de réseau centralisée telle que SDN.

• Traitement du trafic Edge : avec l'essor de services tels que l'Internet des objets (IdO), la pression sur la couche d'accès a considérablement augmenté. Il peut y avoir des milliers de capteurs et d’appareils connectés en périphérie du réseau et générant un trafic important. Leaf peut gérer les connexions au niveau de la couche d'accès, et Spine garantit des performances non bloquantes avec une latence très faible entre deux ports quelconques au sein d'un nœud, permettant ainsi aux services agiles d'accéder à la plate-forme cloud.

• Gestion multi-cloud : les centres de données ou les cloud peuvent atteindre des performances élevées, une tolérance aux pannes élevée et d'autres avantages grâce à l'architecture Leaf Spine, et les stratégies de gestion multi-cloud sont progressivement devenues indispensables pour les entreprises.

Structure feuille-épine du centre de données