Коммутаторы уровня 2 и уровня 3: в чём разница?

Коммутаторы уровня 2 повсеместно используются для подключения сетевых устройств и клиентских устройств. Однако развитие современных сетевых приложений и реализаций конвергентных сетей привело к широкому внедрению коммутаторов уровня 3 в сложных корпоративных сетях, центрах обработки данных и бизнес-приложениях. Цель этой статьи — объяснить различия между коммутаторами уровня 2 и уровня 3 и помочь выбрать оптимальный сетевой коммутатор.

Что такое модель OSI?

Модель взаимодействия открытых систем (OSI) служит эталонной моделью, используемой для определения и объяснения сетевых коммуникаций. Она состоит из семи отдельных уровней: уровня приложений, уровня представления, сеансового уровня, транспортного уровня, сетевого уровня, канального уровня и физического уровня. Модели OSI уровня 2 и уровня 3 относятся соответственно к канальному и сетевому уровням. В соответствии с рекомендациями модели OSI коммутаторы, работающие на этих уровнях, называются коммутаторами уровня 2 и коммутаторами уровня 3.

Что такое коммутатор второго уровня?

Коммутаторы уровня 2 работают на канальном уровне модели OSI и используют сетевые устройства для определения назначения кадров по MAC-адресам (Media Access Control). Основная функция коммутаторов и мостов заключается в обеспечении коммутации уровня 2, которая предполагает разделение большого домена коллизий на несколько небольших доменов конфликтов.

Домен коллизий — это конкретный сегмент сети, в котором могут происходить коллизии пакетов данных. Такие коллизии возникают, когда два или более сетевых устройства в общем сетевом сегменте пытаются одновременно передавать пакеты данных. В результате коллизии затронутые устройства должны повторно передать свои пакеты, что приводит к снижению эффективности передачи данных по сети.

В локальной сети (LAN) устройства соединяются между собой через центральное устройство, обычно называемое концентратором. Однако концентраторы имеют существенные недостатки, такие как неспособность управлять потоком трафика, и создают большие домены коллизий. Для решения этой проблемы были введены мосты, которые эффективно разделяют домены коллизий. Тем не менее мосты ограничены по количеству портов, что делает их неэффективными для крупных сетей. В отличие от них коммутаторы широко используются благодаря способности анализировать входящий трафик и определять оптимальный путь его пересылки. Кроме того, коммутаторы обеспечивают несколько независимых доменов коллизий через свои порты, устраняя вероятность коллизий.

Функции коммутатора уровня 2

Коммутатор уровня 2 выполняет следующие функции:

Изучение MAC-адресов: Коммутатор запоминает MAC-адрес устройства, подключенного к каждому порту, анализируя адрес источника кадров, полученных через этот порт.

Пересылка сообщений: Коммутатор пересылает кадры в двух режимах: Unicast (направленный к определенному получателю) и Unknown Unicast (рассылка на все порты, кроме порта источника). Это осуществляется с помощью специализированных интегральных схем прикладной направленности (ASIC).

Фильтрация: Коммутатор фильтрует кадры и пересылает их только на тот порт коммутатора, где MAC-адрес был изучен ранее, тем самым снижая перегрузку сети.

Протокол связующего дерева (STP): Коммутатор использует STP для предотвращения сетевых петель путем обнаружения и отключения избыточных соединений.

Прозрачное мостовое соединение: Коммутатор действует как прозрачный мост, пересылая кадры между подключенными сегментами локальной сети.

VLAN: Коммутатор может создавать меньшие, логически независимые широковещательные домены, называемые виртуальными локальными сетями (VLAN), что позволяет повысить безопасность и производительность сети за счет ее сегментации на меньшие широковещательные домены.

Преимущества коммутатора уровня 2

Существует несколько веских причин использовать коммутатор уровня 2 в локальной вычислительной сети (LAN). К основным преимуществам коммутаторов уровня 2 относятся:

1. Быстрее маршрутизаторов

2. Мостовая передача на основе Hardware

3. Низкая стоимость

4. Низкая задержка

5. Скорость передачи по проводу

Что такое коммутация уровня 3?

Основное различие между коммутаторами уровня 2 и уровня 3 заключается в функциях маршрутизации. Хотя коммутатор уровня 3 включает все функции коммутатора уровня 2, он также поддерживает статическую и динамическую маршрутизацию. Коммутаторы уровня 3 могут анализировать входящие пакеты и принимать решения о маршрутизации на основе адресов источника и назначения этих пакетов, объединяя функции коммутатора и маршрутизатора.

Функция коммутатора уровня 3

Коммутаторы уровня 3 используются на канальном и сетевом уровнях модели OSI. Помимо упомянутых выше функций коммутаторов уровня 2, они также могут выполнять функции маршрутизации в одной из двух форм:

Коммутаторы с коммутацией без буферизации используют метод коммутации, при котором для определения IP-адреса анализируется только сводная информация о первом пакете. Затем остальные пакеты направляются к MAC-адресу, что обеспечивает более высокую пропускную способность. 

Коммутаторы уровня 3 с обработкой каждого пакета (PPL3) анализируют каждый пакет в последовательности для определения IP-адреса. Коммутатор PPL3 оснащен встроенной аппаратной функцией маршрутизации, что позволяет использовать его в качестве высокоскоростного маршрутизатора. Кроме того, коммутаторы PPL3 могут выполнять другие стандартные функции маршрутизатора, такие как:

1. Проверка целостности пакетов с использованием контрольных сумм

2. Обновление времени жизни (TTL) пакетов после каждого перехода

3. Управление всей дополнительной информацией в заголовках пакетов.

Преимущества коммутатора уровня 3

К основным преимуществам коммутаторов уровня 3 относятся:

1. Обеспечивает маршрутизацию VLAN

2. Улучшает изоляцию неисправностей

3. Упрощает управление безопасностью

4. Снижает широковещательный трафик

5. Упрощает настройку, устраняя необходимость в отдельном маршрутизаторе между VLAN

6. Улучшает сегрегацию трафика с помощью таблиц маршрутизации

7. Упрощает устранение неполадок

8. Снижает задержку в сети

Разница между коммутаторами уровня 2 и уровня 3

Основное различие между коммутаторами уровня 2 и уровня 3 заключается в различиях в функциях маршрутизации. Коммутаторы уровня 2 используют MAC-адреса и не учитывают IP-адреса или другие элементы более высокого уровня. В свою очередь, коммутаторы уровня 3 оснащены дополнительными возможностями статической и динамической маршрутизации в дополнение ко всем функциям коммутатора уровня 2. Коммутаторы уровня 3 имеют таблицы MAC-адресов и IP-маршрутизации, что обеспечивает связь внутри VLAN и маршрутизацию пакетов между различными VLAN. Кроме того, стали доступны коммутаторы уровня 2+ (Layer 3 Lite), которые по сравнению с коммутаторами уровня 2 добавляют только статическую маршрутизацию. Помимо маршрутизации пакетов, коммутаторы уровня 3 также предлагают расширенные функции, для которых требуется информация об IP-адресе данных, поступающих в коммутатор, например маркировка трафика VLAN на основе IP-адреса вместо ручной настройки портов. Коммутаторы уровня 3 также обеспечивают более высокую производительность и безопасность по сравнению с коммутаторами уровня 2.

Определение подходящего коммутатора для вашего бизнеса требует тщательной оценки сетевой среды, в которой он будет использоваться. Если коммутаторы будут применяться в сетевом домене уровня 2, достаточно выбрать коммутатор уровня 2. Чистый коммутатор уровня 2 используется на уровне доступа сетевой топологии, где он подключает хосты. И наоборот, если целью является объединение уровня доступа и настройка маршрутов между VLAN посредством интеграции нескольких коммутаторов, необходимо выбрать коммутатор уровня 3. Сеть уровня 3 расположена на уровне распределения сетевой топологии.

Что следует учитывать при выборе коммутатора L2 или L3?

При выборе коммутатора L2 или L3 следует учитывать следующие ключевые параметры, чтобы определить, какой из них лучше подходит для вашей сетевой среды: скорость пересылки, пропускная способность объединительной платы, количество VLAN, объем памяти для MAC-адресов, задержка и т. д.

Скорость коммутации — это пропускная способность объединительной платы. Когда пропускная способность превышает сумму скоростей всех портов, мы называем объединительную плату неблокирующей, а единицей измерения скорости коммутации является пакет в секунду (pps). Ниже приведена формула для расчёта скорости коммутации коммутатора.

Скорость пересылки (pps) = количество портов 10Gbit/s * 14,880,950 pps + количество портов 1 Gbit/s * 1,488,095 pps + количество портов 100Mbit/s * 148,809 pps

Ещё одним, более важным параметром является пропускная способность объединительной панели, которая представляет собой сумму скоростей всех портов коммутатора. Обратите внимание, что эта сумма вдвое превышает скорость всех портов, поскольку должна учитывать направление Tx и направление Rx. Единицей измерения пропускной способности объединительной панели является бит в секунду (bps или bit/s).

Пропускная способность объединительной панели (bps) = количество портов * скорость передачи данных порта * 2

Еще три важных параметра — это количество VLAN, которые можно настроить. Как правило, для коммутаторов уровня 2 достаточно 1K=1024 VLAN. Типичное количество VLAN для коммутаторов уровня 3 составляет 4k=4096. Объем таблицы MAC-адресов означает количество MAC-адресов, которые может хранить коммутатор, обычно 8k или 128k. Задержка — это время задержки, с которой коммутатор передает данные. Чем меньше время задержки для пользователей, тем лучше, поэтому единицей измерения задержки обычно являются наносекунды (ns).

Заключение

В этой статье рассматриваются основные различия между коммутаторами уровня 2 и уровня 3. Также представлены функции и преимущества коммутаторов уровня 2 и уровня 3. Когда вам необходимо заказать коммутатор, более дорогой вариант не обязательно будет более подходящим. Вам следует учитывать ключевые параметры представленных ранее коммутаторов уровня 2 или уровня 3; для вас важнее выбрать подходящий коммутатор для конкретного приложения.