Уровни сетевых коммутаторов от L1 до L7: что нужно знать

Введение: Что такое коммутатор? Уровень L1 Возможности применения Достоинства и недостатки Уровень L2 Возможности применения Достоинства и недостатки Уровень L3 Возможности применения Достоинства и недостатки Коммутаторы уровней 5, 6 и 7 Заключение Что такое коммутатор? Сетевой коммутатор (или свитч) – это устройство для связи между компьютерами, серверами, принтерами и другими устройствами, которые взаимодействуют друг с другом в пределах локальной либо глобальной сети. Коммутатор принимает участие в передаче информации от одной единицы оборудования к другой по эффективным маршрутам, избегая потерь пакетов. Сетевые коммутаторы классифицируются в рамках модели OSI (Open Systems Interconnection) на 7 уровней, и именно от уровня зависит функциональность, возможности использования, преимущества, недостатки, стоимость устройства. Коммутаторы работают на разных уровнях этой модели – от физического (L1) до гораздо более сложных транспортных (L4) и сеансовых уровней. Номер в этой классификации определяет способность свитча взаимодействовать с разными типами сетевого трафика. Модель разделена на семь уровней, каждый из которых выполняет конкретные задачи по передаче данных в сети. Семь уровней модели OSI. Уровень L1 Устройства физического уровня играют простейшую роль в сетевой архитектуре. Их основная функция заключается в передаче электрических либо же оптических сигналов между сетевыми устройствами. В отличие от более высокоуровневых коммутаторов, такие устройства не анализируют, не обрабатывают и не маршрутизируют данные. Коммутатор типа L1 принимает входящий сигнал, усиливает и передает дальше по сети, при этом не изменяя содержимое. Это делает его похожим на повторители или концентраторы (они же хабы), которые используются исключительно для масштабирования физической сети устройств. Такие устройства наделены совместимостью с различными видами сетевой топологии, такие как звезда или шина, связывая узлы в единую структуру без вмешательства в логическую организацию сети. Возможности применения L1-свитчи применяются в тех случаях, когда от устройства требуется простая передача сигналов без какого-либо вмешательства в сетевые процессы, такие как маршрутизация или фильтрация данных. Хотя в современных сетях эти устройства используются все реже, они могут быть полезны в ряде специфических сценариев, где нет никакой необходимости в интеллектуальной обработке данных. Коротко рассмотрим основные ситуации, в которых все еще используются коммутаторы 1 уровня: Простое объединение устройств. Физические свитчи помогают в формировании небольших локальных сетей, где требуется простое соединение устройств.  Расширение сетей. В сетях, где расстояние между устройствами слишком велико для передачи информационного сигнала с отсутствием транзитных потерь, устройства L1 подходят для усиления сигнала и стабильного соединения на больших расстояниях. Простые пассивные сети. Применение свитчей типа L1 может быть актуально для работы систем видеонаблюдения или других подобных решений, где не нужна обратная связь.  Также устройства используются в условиях учебных лабораторий или для тестирования сетевых прототипов и создания базовых сетевых соединений. Это полезно, когда требуется минимальное вмешательство в передачу сигналов для изучения других аспектов в работе сети. Достоинства и недостатки L1-свитчи все еще достаточно широко используются благодаря перечисленным преимуществам: Простота использования. Физические свитчи очень просты в установке и эксплуатации. Они не требуют сложной настройки, их можно просто подключить, и они сразу готовы к работе. Низкая цена. За счет минимальной функциональности такие устройства являются самыми дешевыми среди всех типов свитчей. Это делает их экономически выгодным решением. Минимальные задержки. Коммутаторы типа L1 обеспечивают минимальные задержки при передаче сигналов, что может быть полезно в некоторых специфических сценариях. Что касается недостатков, кроме отсутствия интеллектуальных функций можно отметить высокую уязвимость к сетевым коллизиям, так как устройства не различают источники трафика. Из-за этого снижается общая производительность сети. Масштабируемость коммутаторов L1 в сложных сетях ограничена, к тому же страдает уровень сетевой безопасности из-за низкой стойкости к атакам. Если вы считаете, что L1 свичи — это исключительно простейшие устройства, такие как кабельные органайзеры RJ45, то вам стоит обратить внимание на Arista 7130E. Этот коммутатор работает на базе L1+ уровня и оснащен 48 портами SFP+ с пропускной способностью 10 гигабит. Использование L1+ в этом устройстве обусловлено необходимостью минимизации задержек, что делает его идеальным для применения в самых требовательных сценариях. Источник Arista Уровень L2 Устройства для коммутации канального типа выполняют сложные задачи по сравнению с устройствами 1 типа. Их главная функция – обеспечивать передачу данных между устройствами внутри одной сети с использованием MAC-адресов, что дает им возможность определять источники и получателей трафика. Эти приборы анализируют каждый входящий сигнал и на основе MAC-адреса решают, на какой порт его передать. Они строят и поддерживают таблицы MAC-адресов, которые связывают конкретного адресата с определенным портом коммутатора. Это позволяет устройству направлять данные только к нужному получателю, и тем самым уменьшить объем ненужного трафика в сети. Отдельно стоит отметить коммутаторы уровня L2+. Они работают на канальном уровне, но при этом поддерживают ряд дополнительных опций, в полной мере доступных только на третьем уровне. В отличие от стандартных устройств 2 уровня, они могут обрабатывать базовую маршрутизацию между глобальными сетями и управлять IP-трафиком, но без полной функциональности L3.  L2+ устройства являются промежуточным решением для сетей, где требуется простое управление трафиком и маршрутизация, но не нужна сложная конфигурация полноценного маршрутизатора. Hikvision DS-3E0510P-E/M предназначенный для работы с PoE устройствами является ярким представителем уровня L2. Устройство простое и компактное, эффективно справляется с поставленной задачей и не имеет излишнего функционала. Возможности применения Коммутаторы второго уровня применяются в широком спектре задач для управления сетями, их ключевые сценарии использования включают: Сегментация сети. В крупных сетях часто возникает необходимость в разделении трафика для различных подразделений, отделов или пользовательских групп. Для этого применяются виртуальные локальные сети (также известные как VLAN). Они дают логически отделить устройства и пользователей, что улучшает безопасность и оптимизирует распределение сетевых ресурсов. Эффективное управление трафиком. Устройства управляют трафиком, направляя данные напрямую к конкретным устройствам внутри сети. На фоне хаб-устройств, которые в большинстве своем транслируют пакеты на все порты без разбора, коммутаторы 2 уровня анализируют MAC-адреса и перенаправляют информацию исключительно нужному получателю. Это минимизирует ненужный трафик и снижает нагрузку на сеть. Использование в малых компаниях и офисах. Для небольших организаций и отдельных подразделений крупных предприятий коммутаторы L2 являются оптимальным выбором. Они предлагают хорошее сочетание стоимости и функциональности для простых сетевых решений, где нет необходимости в сложных маршрутизациях и глубоких фильтрациях трафика. Кроме того, коммутаторы 2 уровня могут применяться для связи локальных сетей с более крупными инфраструктурами или магистральными линиями связи, обеспечивая передачу трафика на более высокие уровни маршрутизации, где требуется дополнительная обработка данных. Пример более производительного свича L2 - Hikvision DS-3E0526P-E, который обладает сразу 24 гигабитными портами RJ45 и солидный бюджет мощности для питания PoE устройств. Преимущества и недостатки Популярность коммутаторов второго уровня обусловлена несколькими ключевыми достоинствами: Поддержка VLAN. Возможность создавать виртуальные сети (VLAN) позволяет разделять физическую сеть на отдельные логические сегменты, которые могут работать независимо друг от друга. Это не только повышает безопасность, но и делает управление сетью более гибким и эффективным. Отсутствие коллизий в сети. Коммутаторы второго уровня устраняют проблему коллизий, с которой часто сталкиваются сети, построенные на концентраторах. Каждый порт коммутатора работает в режиме полного дуплекса, что обеспечивает стабильную передачу данных без конфликтов. Поддержка множества стандартов Ethernet. Коммутаторы уровня 2 поддерживают современные стандарты передачи данных, включая 10 Gigabit Ethernet, что позволяет адаптироваться к растущим требованиям к пропускной способности сетей. В то же время, у таких коммутаторов есть и недостатки, которые ограничивают их использование: Отсутствие маршрутизации. Одним из главных ограничений таких устройств является их неспособность маршрутизировать трафик между разными сетями. Они могут управлять передачей данных только внутри локальной сети и не поддерживают работу с IP-адресами. Ограниченная масштабируемость. В крупных сетях с множеством сегментов коммутаторы 2 уровня могут создавать сложности, так как они не могут управлять трафиком между подсетями. В таких случаях требуются устройства уже 3 уровня либо же маршрутизаторы. Отсутствие управления на уровне приложений. Устройства не могут анализировать трафик на уровне приложений или протоколов, таких как TCP или UDP. По этой причине они не могут обеспечивать приоритезацию трафика на основе его содержания, что может быть критично для сетей, где не на последнем месте стоит высокое качество обслуживания (QoS). Ограниченная безопасность. Хотя L2-коммутаторы могут поддерживать VLAN, они не обеспечивают глубокую фильтрацию трафика или контроль доступа на уровне IP. Кроме того, L2 коммутаторы хорошо работают только в малых, средних сетях с простой топологией. В сложных инфраструктурах они могут потребовать использования дополнительных устройств. Уровень L3 Коммутаторы 3 уровня совмещают функции устройств 2 уровня и маршрутизаторов. Они способны выполнять коммутацию и маршрутизацию на основе IP-пакетов, что позволяет им сегментировать сеть на подсети (или VLAN) и маршрутизировать трафик между этими подсетями. Такие устройства могут использовать современные протоколы, предназначенные для обеспечения динамической маршрутизации. В том числе это популярные технологии OSPF или RIP. Они используются для автоматического определения наилучших маршрутов передачи данных. Возможности применения Коммутаторы 3 уровня широко используются в сетевых инфраструктурах, где на первом месте стоит эффективное распределение сетевого трафика между различными участками сети, такими как отделы компании или разнородные сетевые среды. Эти устройства подходят для организаций с большими сетями, где важно управлять трафиком на уровне IP и VLAN. Коротко рассмотрим основные сценарии применения устройств: Корпоративные сети. В крупных компаниях устройства используются для маршрутизации между сотнями VLAN, которые могут представлять разные отделы или филиалы компании. Центры обработки данных в ЦОД, где важна высокая пропускная способность и гибкость, коммутаторы L3 обеспечивают маршрутизацию между сетевыми сегментами и серверами. Магистральные сети. В магистральных сетях устройства налаживают высокоскоростную маршрутизацию и коммутацию между локальными и удаленными сегментами сети. Также коммутаторы типа L3 используются в сетях, где нужна высокая производительность и стабильность, например в университетах, больницах или других подобных крупных организациях. Несмотря на свой малый размер MikroTik RB5009UG+S+IN имеет обширные возможности по маршрутизации трафика L3 на уровне IP за счет встроенного мощного ARM64 процессора. Достоинства и недостатки Высокий уровень коммутации наделяет L3-коммутаторы большим списком важных преимуществ: Интеграция коммутации и маршрутизации. Устройства объединяют функции L2-коммутаторов и маршрутизаторов, что упрощает управление сетью и повышает ее производительность. Высокая скорость работы с данными. L3-коммутаторы обеспечивают более быструю маршрутизацию по сравнению с традиционными маршрутизаторами за счет аппаратной обработки трафика. Поддержка VLAN. Маршрутизация между VLAN без необходимости использования отдельных маршрутизаторов значительно упрощает структуру сети. Гибкость и масштабируемость. Коммутаторы L3 легко интегрируются в сети различного масштаба, от корпоративных сетей до центров обработки данных. Управление трафиком и QoS. Поддержка Quality of Service позволяет приоритизировать критический трафик и управлять задержками. Полезно для мультимедийных приложений. Что касается недостатков L3-коммутаторов, они достаточно дорогие, поэтому их покупка не всегда рациональна. Они нуждаются в более сложной настройке. В небольших сетях с минимальными требованиями к маршрутизации использование L3-коммутаторов может быть излишним и неэффективным. Как мы уже говорили выше, L3 стал стандартом в ЦОД, поэтому ведущие производители сетевого оборудования выпускают беспрецедентно мощные стоечные решения массовой обработки данных на уровне провайдера или дата-центра. Коммутаторы уровней 5, 6 и 7 Помимо коммутаторов уровней L1, L2 и L3 есть устройства, которые работают на более высоких ступенях модели OSI. Они встречаются реже, так как выполняют специфические задачи, связанные с обработкой данных на более высоких позициях в этой иерархии. Коротко рассмотрим эти уровни: L4. Устройства работают с протоколами TCP и UDP, анализируют трафик приложений и портов, могут фильтровать его по портам, обеспечивают точный контроль над сетевыми потоками, что особенно полезно для стабильной работы приложений с особыми требованиями к пропускной способности, например, VoIP или потокового видео.  L5. Устройства такого типа устанавливают и поддерживают сеансы связи между различными узлами в рамках локальной сети. В основном они используются в специализированных сетевых решениях, где востребована постоянная поддержка сеансов передачи данных. L6. На этом уровне происходит преобразование данных, их шифрование и сжатие. Коммутаторы, работающие на уровне представления, отвечают за трансформацию данных между разными форматами и могут быть полезны в сетях, где требуется высокоуровневая обработка информации. L7. Наивысший уровень модели OSI, где осуществляется взаимодействие с приложениями. Коммутаторы такого типа фильтруют трафик на уровне конкретных приложений, анализируют содержимое пакетов и управляют приоритетами трафика в рамках конкретных веб-приложений, информационных баз данных или других пользовательских сервисов. Хотя коммутаторы уровней с L4 по L7 встречаются реже, чем с L1 по L3, их применение постепенно становится все более частым и широким по мере увеличения требований к безопасности, скорости и качеству обслуживания в сетях. Они значительно повышают качество пользовательского опыта. Cisco Catalyst 9500 Series оснащены поддержкой уровней OSI вплоть до L7, что позволяет не только анализировать трафик приложений, но и делать выводы о его характере. Эти коммутаторы обеспечивают глубокий анализ пакетов, что помогает в выявлении и управлении различными типами трафика, улучшая безопасность и производительность сети. Источник cisco.com. Заключение Понимание особенностей и возможностей каждого уровня коммутаторов позволяет оптимально выбирать оборудование для различных задач – от простого объединения устройств до сложного распределения и управления информационным трафиком. Выбор коммутатора зависит от структуры сети, ее масштаба, запросов заказчика по отношению к уровню безопасности и эффективности системы. Грамотный выбор оборудования повышает эффективность и стабильность сети, снижает вероятность перегрузок и значительно увеличивает качество предоставляемых услуг.