O que é um switch Ethernet

Um switch Ethernet é um dispositivo de rede usado para conectar vários computadores e outros dispositivos de rede em uma rede local (LAN). Ele atua como um centro de transporte, transportando pacotes de dados de um dispositivo para outro.

Os switches Ethernet conectam computadores, servidores, impressoras e outros dispositivos por meio de portas físicas e encaminham pacotes de dados do dispositivo de origem para o dispositivo de destino com base no endereço MAC de destino (Media Access Control) do pacote de dados. Este processo de encaminhamento é baseado na tabela de encaminhamento dentro do switch.

Quando um pacote chega ao switch, o switch verifica o endereço MAC de destino no pacote e combina esse endereço com sua tabela de encaminhamento interna. Se o endereço MAC alvo existir na tabela de encaminhamento, o switch encaminhará o pacote de dados diretamente para a porta conectada ao dispositivo alvo; Se o endereço MAC de destino não estiver na tabela de encaminhamento, o switch transmite o pacote para todas as outras portas para encontrar o dispositivo de destino.

Resumindo, um switch Ethernet é um dispositivo de rede importante, usado para obter transmissão de dados confiável e de alta velocidade em LAN e para fornecer gerenciamento de rede flexível e funções de segurança. É uma das infraestruturas indispensáveis ​​nas redes modernas.

Definição e Classificação de Switch

Em termos de estrutura de hardware, o switch consiste em chassi, fonte de alimentação, ventilador, backplane, mecanismo de gerenciamento, controlador de sistema, módulo de comutação e placa de linha. O chassi é a carcaça do switch, usado para proteger os componentes eletrônicos internos. Alguns interruptores usam uma caixa de metal para evitar que campos magnéticos interfiram no interruptor. O ventilador é usado para dissipar o calor do switch para garantir que a temperatura interna do switch esteja dentro da faixa normal e garantir uma operação estável do switch a longo prazo. A fonte de alimentação inclui uma fonte de alimentação externa e uma fonte de alimentação integrada. A fonte de alimentação externa pode fornecer configuração de energia flexível. O backplane em um switch de chassi é uma placa PCB usada para conectar o mecanismo de gerenciamento, módulos de comutação, placas de linha e outras peças.

• Mecanismo de gerenciamento: Existe uma porta de configuração no mecanismo de gerenciamento, que é uma interface serial e pode ser conectada a um computador através de um cabo serial para gerenciamento e configuração do switch.

• Controlador do sistema: Responsável pelo controle da fonte de alimentação e ventiladores.

• Cartão de linha: Ele pode ser usado para configurar a interface Ethernet e conectar-se ao computador ou outros dispositivos de hardware através da interface Ethernet para transmissão de dados.

• Módulo de comutação: Responsável pelo encaminhamento de dados e alternância entre diferentes interfaces. A unidade de comutação usa chips ASIC de alto desempenho.

Aparência de interruptores tipo caixa e chassis

Arquitetura do switch

Três arquiteturas convencionais na indústria: Arquitetura Full-MESH; Arquitetura CROSSBAR; Arquitetura CLOS. A maioria dos principais switches principais de última geração adota a arquitetura CLOS.

Switching design de placa de rede baseado na arquitetura CLOS:

• Estrutura não ortogonal/estrutura paralela: A placa de linha e o módulo de comutação são paralelos e os dois são conectados através da fiação no backplane. Os switches da Huawei usam um design não ortogonal. Desvantagens: A escrita do backplane da PCB traz interferência de sinal e o design do backplane limita as atualizações de banda larga e a dissipação de calor.

• Estrutura ortogonal: A placa de linha e o módulo de comutação são verticais e conectados diretamente através do backplane. Este projeto reduz a atenuação do sinal causada pela fiação do backplane, mas limita a atualização da largura de banda. Cisco usa a estrutura ortogonal.

• Arquitetura sem backplane: As placas de linha e os módulos de comutação são conectados verticalmente, o que alivia as restrições do backplane nas atualizações de banda larga e facilita a dissipação de calor.

O mecanismo de funcionamento do módulo de comutação: O caminho de transmissão de dados da placa de linha A para a placa de linha B é a placa de linha A → backplane → módulo de comutação → chip de comutação.

Projeto da arquitetura do módulo de comutação

Métrica de desempenho do switch:

Suposição: número de portos = número de pistas; largura de banda do backplane = o número de carros passando na estrada por unidade de tempo; Capacidade de troca = o número de veículos que o comandante do cruzamento pode direcionar para passar pelo cruzamento com segurança e sem obstruções em uma unidade de tempo.

Se um máximo de 1,000 carros puderem circular na estrada por unidade de tempo, e a capacidade de comando do comandante do cruzamento for forte o suficiente, então um máximo de 1,000 carros poderão circular na estrada com um cruzamento, o que equivale ao interruptor atingindo a velocidade da linha indicador.

No entanto, se a capacidade de comando do comandante do cruzamento for insuficiente e ele só puder direcionar 500 veículos para passarem suavemente por unidade de tempo, então no máximo 500 veículos poderão circular suavemente na estrada com o cruzamento, o que significa que o indicador de velocidade da linha não é alcançado. Ou seja, para obter troca de dados sem bloqueio, a velocidade de transmissão de dados deve atender aos requisitos da porta full-duplex: largura de banda do backplane ≥número de portas ×velocidade da porta ×2; e ao mesmo tempo, capacidade de comutação ≥número da porta X velocidade da porta.

Atualmente, os switches que utilizam matrizes de comutação geralmente podem atingir indicadores de velocidade de linha. Por exemplo, a Cisco usa módulos de matriz de comutação. De modo geral, a largura de banda do backplane é de pouca importância, enquanto a capacidade de comutação e a taxa de encaminhamento de pacotes são indicadores-chave que refletem o desempenho do switch.

taxa portuária

Alternar cenários de aplicativos:

Classificados de acordo com os cenários de aplicação dos switches: switches comerciais e switches industriais. Os switches comerciais são classificados de acordo com os cenários de aplicação: switches de rede corporativa (switches SMB), switches de campus e switches de data center.

A camada de rede da rede do campus adota a arquitetura madura de três camadas da indústria:

Chave de acesso: Os switches da camada de acesso são geralmente implantados em gabinetes de rede em corredores para acessar os usuários da rede do campus (PCs ou servidores). Eles fornecem funções de switch da camada 2 e também suportam funções de acesso da camada 3 (os switches de acesso são switches da camada 3). Como os switches da camada de acesso estão diretamente conectados aos usuários da rede do campus, há requisitos mais elevados para a densidade das interfaces GE/FE nos switches de acesso com base no número e tipo (GE/FE) dos pontos de informações de acesso do usuário. Além disso, os switches de acesso são implantados em gabinetes de rede de corredor, que são em grande número e exigem altos requisitos de custo, consumo de energia, gerenciamento e manutenção.

Chave de agregação: Os switches da camada de agregação de campus são geralmente implantados em gabinetes de agregação de rede independentes em edifícios para agregar o tráfego dos switches de acesso ao campus. Eles geralmente fornecem funções de switch da camada 3. Os switches da camada de agregação, como gateway da rede do campus, encerram o tráfego da camada 2 dos usuários da rede do campus e executam o encaminhamento da camada 3. Conforme necessário, placas de serviço de valor agregado (como firewalls, balanceadores de carga e controladores WLAN AC) podem ser integradas nos switches de agregação ou dispositivos independentes de serviço de valor agregado podem ser conectados para fornecer serviços de valor agregado aos usuários da rede do campus.

Interruptor principal: O switch da camada principal do campus é implantado na sala de computadores principal do campus. Ele agrega o tráfego de usuários entre edifícios e áreas e fornece funções de switch de camada 3. O “tráfego vertical” conectando a rede externa do campus aos usuários internos e o “tráfego horizontal” entre usuários em diferentes áreas de agregação exigem alta densidade 10GE e alto desempenho de encaminhamento.

Topologia de rede em switch de data center:

Arquitetura de rede tradicional de três camadas: incluindo a camada de comutação central que interconecta o data center e as operadoras externas, a camada de acesso e a camada de agregação que conecta os dois para obter a agregação de dados. A rede de data center atual é dividida principalmente em topologia de três camadas.

• O switch de acesso se conecta fisicamente ao servidor.

• O switch de agregação conecta os switches de acesso na mesma rede de Camada 2 (VLAN) e fornece outros serviços, como firewall, SSL offcarga, detecção de intrusão, análise de rede, etc. Pode ser um switch de Camada 2 ou um switch de Camada 3.

• Os switches principais fornecem encaminhamento de alta velocidade de pacotes dentro e fora do data center, fornecendo conectividade a várias LANs de Camada 2 (VLANs). Eles normalmente fornecem uma rede resiliente de Camada 3 para toda a rede.

Estrutura tradicional de data center de três camadas

Switches de data center – arquitetura leaf-spine

Arquitetura leaf-spine: também chamada de rede central distribuída. Como esta arquitetura de rede é derivada do Switch Fabric dentro do switch, ela também é chamada de arquitetura de rede Fabric, pertencente ao modelo de rede CLOS. Foi comprovado que a arquitetura de rede Spine-Leaf fornece conexões de servidor para servidor sem bloqueio, de alta largura de banda e baixa latência.

A topologia de rede do data center consiste em duas camadas de comutação, Espinha e Folha.

A camada folha consiste em switches de acesso que agregam o tráfego dos servidores e se conectam diretamente à espinha dorsal ou ao núcleo da rede.

Os switches Spine interconectam todos os switches Leaf em uma topologia full mesh. Na figura acima, os nós verdes representam switches e os nós cinzas representam servidores. Entre os nós verdes, o superior é o nó Spine e o inferior é o nó Leaf.

A arquitetura Spine-Leaf é adequada às necessidades das aplicações modernas

• Design plano: o design plano encurta os caminhos de comunicação entre servidores, reduzindo assim a latência e pode melhorar significativamente o desempenho de aplicativos e serviços.

• Fácil de expandir: Se a largura de banda do switch Spine for insuficiente, só precisamos aumentar o número de nós Spine ou fornecer balanceamento de carga no caminho; Caso não haja conexões de acesso suficientes, basta aumentar o número de nós Folha.

• Baixa taxa de convergência: É fácil alcançar uma taxa de convergência de 1:X ou mesmo 1:1 sem bloqueio, e a taxa de convergência do link também pode ser reduzida aumentando a largura de banda do link entre os dispositivos Spine e Leaf. Gerenciamento simplificado: a estrutura leaf-spine pode usar todos os links da malha completa para balanceamento de carga em um ambiente sem loop. Esse design multicaminho de custo igual é melhor quando se utiliza uma plataforma de gerenciamento de rede centralizada, como SDN.

• Processamento de tráfego na borda: Com o surgimento de serviços como a Internet das Coisas (loT), a pressão sobre a camada de acesso aumentou dramaticamente. Podem existir milhares de sensores e dispositivos conectados na borda da rede e gerando uma grande quantidade de tráfego. Leaf pode lidar com conexões na camada de acesso, e Spine garante desempenho sem bloqueio com latência muito baixa entre quaisquer duas portas dentro de um nó, permitindo assim serviços ágeis desde o acesso à plataforma de nuvem.

• Gerenciamento multinuvem: data centers ou nuvens podem alcançar alto desempenho, alta tolerância a falhas e outras vantagens por meio da arquitetura Leaf Spine, e estratégias de gerenciamento multinuvem tornaram-se gradualmente uma obrigação para as empresas.

Estrutura folha-espinha do data center