イーサネットスイッチとは

イーサネット スイッチは、ローカル エリア ネットワーク (LAN) 内の複数のコンピュータと他のネットワーク デバイスを接続するために使用されるネットワーク デバイスです。 これは転送ハブのように機能し、あるデバイスから別のデバイスにデータ パケットを転送します。

イーサネット スイッチは、物理ポートを介してコンピュータ、サーバー、プリンタ、その他のデバイスを接続し、データ パケットの宛先 MAC アドレス (メディア アクセス コントロール) に基づいてソース デバイスからターゲット デバイスにデータ パケットを転送します。 この転送プロセスは、スイッチ内の転送テーブルに基づいています。

パケットがスイッチに到着すると、スイッチはパケット内の宛先 MAC アドレスをチェックし、そのアドレスを内部転送テーブルと照合します。 ターゲット MAC アドレスが転送テーブルに存在する場合、スイッチはデータ パケットをターゲット デバイスに接続されているポートに直接転送します。 宛先 MAC アドレスが転送テーブルにない場合、スイッチは宛先デバイスを見つけるためにパケットを他のすべてのポートにブロードキャストします。

つまり、イーサネット スイッチは、LAN 内での高速かつ信頼性の高いデータ伝送を実現し、柔軟なネットワーク管理機能とセキュリティ機能を提供する重要なネットワーク デバイスです。 これは、現代のネットワークに不可欠なインフラストラクチャの XNUMX つです。

スイッチの定義と分類

ハードウェア構造の観点から見ると、スイッチはシャーシ、電源、ファン、バックプレーン、管理エンジン、システム コントローラ、スイッチング モジュール、およびライン カードで構成されます。 シャーシはスイッチのシェルであり、内部の電子コンポーネントを保護するために使用されます。 一部のスイッチでは、磁界がスイッチに干渉するのを防ぐために金属ケースが使用されています。 ファンはスイッチからの熱を放散して、スイッチの内部温度を正常な範囲内に保ち、スイッチの長期的な安定した動作を保証するために使用されます。 電源には、外部電源と内蔵電源とがある。 外部電源により、柔軟な電源構成が可能になります。 シャーシ スイッチのバックプレーンは、管理エンジン、スイッチング モジュール、ラインカード、​​その他の部品を接続するために使用される PCB ボードです。

• 管理エンジン: 管理エンジンには設定ポートがあり、これはシリアル インターフェイスであり、スイッチの管理と設定のためにシリアル ケーブルを介してコンピュータに接続できます。

• システムコントローラー: 電源とファンの制御を担当します。

• ラインカード: これを使用して、イーサネット インターフェイスを設定し、データ送信のためにイーサネット インターフェイスを介してコンピュータまたは他のハードウェア デバイスに接続できます。

• スイッチングモジュール: データ転送と、異なるインターフェイス間の切り替えを担当します。 スイッチングユニットには高性能ASICチップを使用しています。

ボックス型スイッチとシャーシスイッチの外観

スイッチ アーキテクチャ

業界の XNUMX つの主流アーキテクチャ: フルメッシュアーキテクチャ。 クロスバーアーキテクチャ。 CLOS アーキテクチャ。 現在主流のハイエンドコアスイッチのほとんどはCLOSアーキテクチャを採用しています。

CLOS アーキテクチャに基づいたスイッチング ネットワーク ボード設計:

• 非直交構造/平行構造： ラインカードとスイッチング モジュールは並列であり、これら XNUMX つはバックプレーン上の配線を介して接続されています。 Huawei のスイッチは非直交設計を採用しています。 短所: PCB バックプレーンの書き込みにより信号干渉が発生し、バックプレーンの設計によりブロードバンドのアップグレードと熱放散が制限されます。

• 直交構造: ラインカードとスイッチング モジュールは垂直で、バックプレーンを介して直接接続されています。 この設計により、バックプレーン配線による信号の減衰は軽減されますが、帯域幅のアップグレードは制限されます。 シスコでは直交構造を使用しています。

• バックプレーンレスのアーキテクチャ: ラインカードとスイッチング モジュールは垂直に接続されているため、ブロードバンド アップグレードにおけるバックプレーンの制限が緩和され、熱放散が容易になります。

スイッチング モジュールの動作メカニズム: ライン カード A からライン カード B へのデータ伝送パスは、ライン カード A → バックプレーン → スイッチング モジュール → スイッチング チップです。

スイッチングモジュールアーキテクチャの設計

スイッチのパフォーマンス指標:

仮定: ポート数 = レーン数。 バックプレーン帯域幅 = 単位時間当たりに道路を通過する自動車の数。 交換能力 = 交差点の指揮官が単位時間内に障害物なく交差点を安全に通過できるように指示できる車両の数。

単位時間当たり最大 1,000 台の車が道路を走行でき、交差点司令官の指揮能力が十分に強い場合、交差点のある道路では最大 1,000 台の車が走行でき、これはスイッチが線速度に達することに相当します。インジケータ。

しかし、交差点指揮官の指揮能力が不十分で、単位時間あたり500台の車両しかスムーズに通過できない場合、交差点のある道路をスムーズに走行できる車両はせいぜい500台となり、線速表示に達しないことになる。 つまり、ノンブロッキング データ交換を実現するには、データ伝送速度が全二重ポートの要件を満たす必要があります。バックプレーン帯域幅 ≥ ポート数 × ポート速度 × 2。 同時に、スイッチング容量 ≥ ポート番号 X ポート速度。

現在、スイッチング マトリックスを使用するスイッチは通常、回線速度インジケーターを実現できます。 たとえば、Cisco はスイッチング マトリックス モジュールを使用しています。 一般に、バックプレーンの帯域幅はあまり重要ではありませんが、スイッチング容量とパケット転送速度はスイッチのパフォーマンスを反映する重要な指標です。

ポートレート

アプリケーション シナリオの切り替え:

スイッチのアプリケーションシナリオに応じて、商用スイッチと産業用スイッチに分類されます。 商用スイッチは、エンタープライズ ネットワーク スイッチ (SMB スイッチ)、キャンパス スイッチ、データ センター スイッチなどのアプリケーション シナリオに応じて分類されます。

キャンパス ネットワークのネットワーク層は、業界で成熟した XNUMX 層アーキテクチャを採用しています。

アクセススイッチ: アクセス レイヤ スイッチは通常、キャンパス ネットワーク ユーザー (PC またはサーバ) にアクセスするために廊下のネットワーク キャビネットに導入されます。これらはレイヤ 2 スイッチ機能を提供し、レイヤ 3 アクセス機能もサポートします (アクセス スイッチはレイヤ 3 スイッチ)。 アクセス レイヤ スイッチはキャンパス ネットワーク ユーザに直接接続されているため、ユーザ アクセス情報ポイントの数とタイプ（GE/FE）に基づいて、アクセス スイッチ上の GE/FE インターフェイスの密度に対するより高い要件があります。 さらに、アクセス スイッチはコリドー ネットワーク キャビネットに導入されますが、その数は多く、コスト、消費電力、管理とメンテナンスの要件が高くなります。

集約スイッチ: キャンパス アグリゲーション レイヤ スイッチは通常、建物内の独立したネットワーク アグリゲーション キャビネットに導入され、キャンパス アクセス スイッチからのトラフィックを集約します。 通常、これらはレイヤー 3 スイッチ機能を提供します。 アグリゲーション レイヤ スイッチは、キャ​​ンパス ネットワークのゲートウェイとして、キャンパス ネットワーク ユーザーのレイヤ 2 トラフィックを終端し、レイヤ 3 転送を実行します。 必要に応じて、付加価値サービス ボード (ファイアウォール、ロード バランサ、WLAN AC コントローラなど) をアグリゲーション スイッチに統合したり、独立した付加価値サービス デバイスを接続して、キャンパス ネットワーク ユーザーに付加価値サービスを提供したりできます。

コアスイッチ: キャンパスのコア層スイッチは、キャ​​ンパスのコアコンピュータ室に配備されます。 建物やエリア間のユーザートラフィックを集約し、レイヤー3スイッチ機能を提供します。 キャンパスの外部ネットワークと内部ユーザーを接続する「垂直トラフィック」と、異なる集約エリアにあるユーザー間の「水平トラフィック」には高密度が必要です 10GE そして高い転送パフォーマンス。

データセンタースイッチのネットワークトポロジ:

従来の XNUMX 層ネットワーク アーキテクチャ: データ センターと外部オペレータを相互接続するコア スイッチング層、アクセス層、およびデータ集約を実現するために XNUMX つを接続するアグリゲーション層が含まれます。 現在のデータセンター ネットワークは主に XNUMX 層のトポロジに分かれています。

• アクセス スイッチは物理的にサーバーに接続します。

• アグリゲーション スイッチは、同じレイヤ 2 ネットワーク (VLAN) の下でアクセス スイッチを接続し、ファイアウォール、SSL などの他のサービスを提供します。 off負荷、侵入検知、ネットワーク分析など。レイヤ 2 スイッチまたはレイヤ 3 スイッチの場合があります。

• コア スイッチは、データ センターの内外でのパケットの高速転送を実現し、複数のレイヤ 2 LAN (VLAN) への接続を提供します。 通常、ネットワーク全体に復元力のあるレイヤー 3 ネットワークを提供します。

従来のデータセンターのXNUMX層構造

データセンタースイッチ - リーフスパインアーキテクチャ

リーフスパイン アーキテクチャ: 分散コア ネットワークとも呼ばれます。 このネットワーク アーキテクチャはスイッチ内のスイッチ ファブリックから派生しているため、ファブリック ネットワーク アーキテクチャとも呼ばれ、CLOS ネットワーク モデルに属します。 Spine-Leaf ネットワーク アーキテクチャは、高帯域幅、低遅延のノンブロッキング サーバー間接続を提供することが証明されています。

データセンターのネットワーク トポロジは XNUMX つのスイッチング層で構成されています, 背骨と葉。

リーフ層は、サーバーからのトラフィックを集約し、スパインまたはネットワーク コアに直接接続するアクセス スイッチで構成されます。

スパイン スイッチは、すべてのリーフ スイッチをフル メッシュ トポロジで相互接続します。 上の図では、緑色のノードがスイッチを表し、灰色のノードがサーバーを表します。 緑色のノードのうち、一番上のノードが Spine ノード、一番下のノードが Leaf ノードです。

Spine-Leaf アーキテクチャは最新のアプリケーションのニーズに適しています

• フラット設計: フラット設計によりサーバー間の通信パスが短縮され、それによって遅延が短縮され、アプリケーションとサービスのパフォーマンスが大幅に向上します。

• 拡張が簡単: Spine スイッチの帯域幅が不十分な場合は、Spine ノードの数を増やすか、パス上の負荷分散を提供するだけで済みます。 アクセス接続が不十分な場合は、リーフ ノードの数を増やしてください。

• 低いコンバージェンス比: 1:X またはノンブロッキング 1:1 のコンバージェンス比を達成するのは簡単で、スパイン デバイスとリーフ デバイス間のリンク帯域幅を増やすことによってリンク コンバージェンス比を下げることもできます。 管理の簡素化: リーフスパイン構造は、ループのない環境での負荷分散のためにフルメッシュ内のすべてのリンクを使用できます。 この等コスト マルチパス設計は、SDN などの集中ネットワーク管理プラットフォームを使用する場合に最大限の効果を発揮します。

• エッジ トラフィック処理: モノのインターネット (loT) などのサービスの台頭により、アクセス層にかかる圧力が劇的に増加しました。 ネットワークのエッジには何千ものセンサーやデバイスが接続されており、大量のトラフィックが生成されている可能性があります。 Leaf はアクセス レイヤでの接続を処理でき、Spine はノード内の任意の XNUMX つのポート間で非常に低い遅延でノンブロッキング パフォーマンスを保証するため、クラウド プラットフォームへのアクセスから機敏なサービスが可能になります。

• マルチクラウド管理: データセンターまたはクラウドは、Leaf Spine アーキテクチャを通じて高性能、高い耐障害性、その他の利点を実現でき、マルチクラウド管理戦略は徐々に企業にとって必須のものになってきています。

データセンターのリーフスパイン構造