سوئیچینگ شبکه

راهنمای سوئیچینگ؛ وظیفه سوئیچ شبکه چیست

هدف اصلی سوئیچ شبکه چیست؟

هدف اصلی سوئیچ عبارت است از انجام تصمیم‌گیری‌های ارسال بر اساس آدرس مک مقصد. جدول آدرس مک با لیستی از آدرس‌های مک مقصد برای هر دستگاه متصل ایجاد می‌شود. علاوه بر این، پورت سوئیچ و عضویت VLAN اختصاص می‌یابد. پورت‌های گیگابیت اترنت از نوع فول دوپلکس (دوطرفه) هستند که برای هر پورت سوئیچ یک collision domain (کولیژن دامین / دامنه برخورد) تعریف می‌کند.

در ادامه لیستی از خدماتی را مشاهده می‌کنید که سوئیچ ارائه می‌کند:

  • سوئیچ‌ها ترافیک لایه دیتا لینک را ارسال می‌کنند
  • سوئیچ‌ها جدول آدرس مک را ایجاد و نگهداری می‌کنند
  • سوئیچ‌ها از سگمنت‌بندی کولیژن دامین‌ها پشتیبانی می‌کنند

دو مزیت سوئیچ‌های شبکه

پورت سوئیچ گیگابیت اترنت از ترافیک فول دوپلکس بین هاست و سوئیچ شبکه پشتیبانی می‌کند. به این ترتیب، کولیژن‌ها (برخوردها) از بین می‌رود و به ازاء هر پورت یک کولیژن دامین ایجاد می‌شود. نبود کولیژن باعث افزایش توان عملیاتی و کاهش لیتنسی (تأخیر) شبکه برای ارتباطات هاست می‌شود.

در شبکه محلی مجازی (VLAN) از طریق اختصاص پورت(ها)ی سوئیچ به VLAN یکسان یک برودکست دامین (broadcast domain) ایجاد می‌شود. همه هاست‌های متصل به پورت‌های سوئیچ اختصاص‌یافته بخشی از برودکست دامین یکسانند. بنابراین، با ایجاد چند VLAN، چند برودکست دامین تعریف می‌کنیم. سوئیچ‌ها ترافیک برودکست یا مالتی‌کست را بین VLANها ارسال نمی‌کنند، که باعث به حداقل رساندن مصرف پهنای باند می‌شود.

جدول آدرس مک

هر دستگاه در شبکه دارای یک آدرس سخت‌افزاری منحصربه‌فرد است که در شرکت تولیدکننده به آن اختصاص می‌یابد. این آدرس مک آدرس (MAC Address) یا آدرس فیزیکی نام دارد. مک آدرس نوعی شناسه منحصر‌به‌فرد لایه ۲ فراهم می‌سازد. این شناسه ارتباط بین دستگاه‌های VLAN یکسان یا متفاوت را امکان‌پذیر می‌سازد. سوئیچ فریم‌ها را بر اساس مک آدرس و پورت اختصاص‌یافته ارسال می‌کند.

مک آدرس (آدرس فیزیکی) در واقع یک آدرس عددی هگزادسیمال ۴۸ بیتی است. بیست و چهار بیت اول عبارت است از OUI تولیدکننده (شناسه منحصربه‌فرد سازمانی) و ۲۴ بیت آخر شماره سریال منحصربه‌فرد (SN).

OUI        SN
0000.00 | 0a.aaaa = 0000.000a.aaaa

سوئیچ در واقع جدول آدرس مک، متشکل از مک آدرس، پورت سوئیچ و عضویت یا ممبرشیپ VLAN برای هر هاست متصل، را ایجاد می‌کند. سوئیچ جدول آدرس مک جداگانه‌ای برای هر VLAN پیکربندی‌شده ایجاد می‌کند. هرگونه ارسال سیلابی یونیکست فریم‌ به منظور به دست آوردن مک آدرس فقط برای VLAN اختصاص‌یافته است.

فرمان نمایش IOS زیر لیستی از محتوای جدول آدرس مک برای سوئیچ را نشان می‌دهد. در جایی که چند VLAN پیکربندی شده باشد، سوئیچ همه جداول آدرس مک را برای همه VLANها در یک لیست جدول واحد ذخیره می‌کند. سوئیچ برای هر VLAN پیکربندی‌شده جدول آدرس مک جداگانه‌ای ایجاد و نگهداری می‌کند.

switch# show mac address-table

مک آدرس مبدأ برای فعالیت سوئیچ از چه جایی به دست می‌آید؟

هاست متصل به سوئیچ مک آدرسی دریافت می‌کند که برای ارتباط شبکه به کار می‌رود. مک آدرس هاست ارسال‌کننده پکت به مک آدرس مبدأ تبدیل می‌شود. مک آدرس مقصد در واقع مربوط به دستگاه لایه ۳ هاپ بعدی است. سوئیچ در واقع جدول آدرس مک، متشکل از مک آدرس میزبان، پورت سوئیچ اختصاص‌یافته و عضویت VLAN، را ایجاد می‌کند.

سوئیچ لایه ۲ شبکه هدر فریم آدرس مک را دوباره نمی‌نویسد، بلکه مک آدرس مبدأ و مک آدرس مقصد را بررسی می‌کند. مک آدرس مبدأ و پورت اختصاص‌یافته، اگر لیست نشده باشد، به جدول آدرس مک اضافه می‌شود. سپس، سوئیچ به منظور انجام تصمیم‌گیری ارسال مک آدرس مقصد را در جدول آدرس مک جستجو می‌کند.  فریم از پورت سوئیچ دارای مک آدرس مقصد خارج می‌شود.

یادگیری مک آدرس (به دست آوردن مک آدرس) و عمر مک آدرس

یادگیری مک آدرس (MAC Address Learning) وقتی اتفاق می‌افتد که سوئیچ تازه روشن می‌شود و هاست‌های متصل شروع به ارسال فریم می‌کنند. به دست آوردن مک آدرس همچنین وقتی که طول عمر مک آدرس منقضی می‌شود صورت می‌گیرد. سوئیچ مدخل‌های جدول آدرس مک را به طور پیش‌فرض هر ۳۰۰ ثانیه پاک می‌کند. با پیکربندی تایمر عمر مک آدرس روی عدد صفر، باطل شدن مک آدرس‌ها را غیرفعال می‌کنیم.

برودکست لایه ۲ به همه دستگاه‌ها روی یک برودکست دامین (VLAN) واحد ارسال می‌شود. سوئیچ پکت برودکست FFFF.FFFF.FFFF را به عنوان مک آدرس مقصد ایجاد می‌کند. سوئیچ فریم را به همه پورت‌ها، غیر از پورتی که در آن مک آدرس به دست آمده است، به صورت سیلابی (برودکست) ارسال می‌کند. مسلماً، منظور از این پورت پورتی است که به هاستی اختصاص یافته است که فریم را ارسال می‌کند (مک آدرس مبدأ). پورتی که در آن فریم به دست آمده است مربوط به هاست ارسال‌کننده است. توجه کنید که فریم‌های برودکستی که ایجاد می‌شوند هرگز از پورت سوئیچ ورودی به دست نمی‌آیند.

هاست پکت‌های دارای هدر IP قرارگرفته در فریم را ارسال می‌کند. برای ارتباط انتها به انتها، آدرس‌های IP مبدأ و مقصد لازم است. سوئیچ‌های لایه ۲ درکی از آدرس IP ندارند و نمی‌توانند این آدرس‌ها را بررسی کنند. روتر یا هرگونه دستگاه شبکه لایه سه‌ای مک آدرس فریم را بازنویسی می‌کند. تصمیم‌گیری ارسال برای روترها مبتنی بر آدرس IP مقصد است نه آدرس مک مقصد. آدرس IP مبدأ و مقصد بین هاست‌های مبدأ و مقصد تغییر نمی‌کنند.

در ادامه به طور خلاصه می‌بینید که چگونه هاست برای اولین بار پکت را به سرور در VLAN یکسان ارسال می‌کند.

  1. سوئیچ مک آدرس مبدأ فریم دریافتی را در صورتی که در جدول آدرس مک لیست نشده باشد اضافه می‌کند.
  2. سوئیچ برای یافتن مک آدرس مقصد در جدول آدرس مک جستجو می‌کند.
  3. سوئیچ با استفاده از آدرس FFFF.FFFF، به عنوان مک آدرس مقصد، فریم را به همه پورت‌ها، غیر از پورتی که در آن مک آدرس مبدأ به دست آمده است، برودکست می‌کند.
  4. سرور دارای مک آدرس اختصاص‌یافته با فریمی پاسخ می‌دهد که مک آدرس را لیست می‌کند.
  5. سوئیچ جدول آدرس مک را با مک آدرس سرور به‌روزرسانی می‌کند. این آدرس مک آدرس مقصد برای فریم‌های ارسالی از هاست است.
  6. سوئیچ فریم‌های دریافتی از هاست را بر اساس پورت سوئیچ اختصاص‌یافته به سرور ارسال می‌کند.

مک فلادینگ یونیکست (Unicast MAC Flooding)

سوئیچ ابتدا سگمنت VLAN لوکال را به صورت سیلابی ارسال می‌کند (مک فلادینگ یونیکست) تا تعیین کند هاست لوکال است یا خیر. برودکست آرپ (ARP) فقط برای ارسال پکت بین هاست‌های لوکال و ریموت در VLANها یا سابنت‌های مختلف ارسال می‌شود. فریم‌های یونیکست ناشناخته فقط به پورت‌هایی دوباره ارسال می‌شوند که به VLAN یکسان تعلق دارند.

برودکست دامین

در شبکه محلی مجازی (VLAN) از طریق اختصاص پورت(ها)ی سوئیچ به VLAN یکسان یک برودکست دامین ایجاد می‌شود. همه هاست‌های متصل به پورت‌های سوئیچ VLAN یکسان بخشی از برودکست دامین یکسانند. بنابراین، با ایجاد چند VLAN، چند برودکست دامین تعریف می‌کنیم. سوئیچ‌ها ترافیک برودکست یا مالتی‌کست را بین VLANها ارسال نمی‌کنند، که باعث به حداقل رساندن مصرف پهنای باند در مقایسه با هاب‌ها و بریج‌ها می‌شود. سوئیچ فقط یونیکست‌ها، برودکست‌ها و مالتی‌کست‌ها را در سگمنت یکسان (VLAN) ارسال می‌کند.

سگمنت‌بندی خرد (میکروسگمنتیشن – Microsegmentation)

پورت‌های سوئیچ اترنت گیگابیت از عملیات فول دوپلکس و سگمنت‌بندی خرد پشتیبانی می‌کنند. به این ترتیب، برخوردها در سوئیچ از بین می‌رود و همه پهنای باند پورت‌ مورد نظر به هاست متصل اختصاص می‌یابد. روش CSMA/CD متدی برای تشخیص برخوردهای اترنت در هاب‌ها و بریج‌های قدیمی‌تر است. این روش دیگر برای پورت‌های سوئیچ فول دوپلکس لازم نیست. برای هر فریم زمانی تصادفی تخصیص می‌یابد تا وقتی برخورد اتفاق افتاد آن فریم دوباره ارسال شود.

روش‌های سوئیچینگ

سوئیچینگ میانبر (Cut-Through Switching)

تکنیک سوئیچینگ میانبر با بررسی فقط شش بایت اول مک آدرس مقصد فریم اترنت، قبل از تصمیم‌گیری برای ارسال، منجر به بهبود عملکرد می‌شود. سوئیچ برای یافتن مک آدرس مقصد در جدول آدرس مک جستجو می‌کند و فریم را ارسال می‌کند. مزیت این کار آن است که قبل از اینکه کل فریم دریافت شود تصمیم‌گیری ارسال صورت گرفته است و، از این رو، لیتنسی به حداقل می‌رسد.

سوئیچینگ ذخیره‌سازی و ارسال (Store-and-Forward Switching)

سوئیچینگ ذخیره‌سازی و ارسال از روش‌های سنتی سوئیچینگ است که در آن تا وقتی کل فریم دریافت نشده باشد ارسال نمی‌شود. سوئیچ قبل از اینکه مک آدرس مقصد را بررسی و فریم را ارسال کند، فریم را در حافظه ذخیره می‌کند.

ارسال سریع‌السیر سیسکو (CEF – Cisco Express Forwarding)

روش CEF در واقع تکنیک سوئیچینگ لایه ۳ است که FIB (پایگاه اطلاعات ارسال) و جداول مجاورت برای ارسال پکت بهینه ایجاد می‌کند. این روش فقط در روترها و سوئیچ‌هایی با قابلیت مسیریابی با سخت‌افزار لازم موجود است.

سوئیچینگ فریم

هاست پکت‌ IP دارای هدر IP قرارگرفته در فریم را ارسال می‌کند. برای ارتباط انتها به انتها، آدرس‌های IP مبدأ و مقصد لازم است. سوئیچ‌های لایه ۲ درکی از آدرس IP ندارند و نمی‌توانند این آدرس‌ها را بررسی کنند.

سوئیچ‌ها و اکسس پوینت‌ها دستگاه‌هایی در شبکه هستند که بر اساس مک آدرس مقصد در فریم تصمیم‌گیری ارسال را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها مک آدرس موجود در فریم را تغییر نمی‌دهند.

اکسس پوینت‌های بی‌سیم اساساً بریج هستند. سوئیچ مک آدرس موجود در هدر فریم را بازنویسی نمی‌کند، بلکه مک آدرس مبدأ و مک آدرس مقصد را بررسی می‌کند. مک آدرس مبدأ فریم ورودی، در صورتی که قبلاً در جدول آدرس مک لیست نشده باشد، به این جدول اضافه می‌شود.

سوئیچ هدر فریم را برای مک آدرس مقصد بررسی می‌کند و در جدول آدرس مک جستجو می‌کند تا تصمیم‌گیری ارسال را انجام دهد. سپس، فریم از پورت سوئیچ مربوطه با مک آدرس مقصد خارج می‌شود. هر مک آدرس مقصدی که لوکال نباشد باعث می‌شود درخواست آرپ به روتر ارسال شود. آدرس IP بین مبدأ و مقصد تغییر نمی‌کند.

  • سوئیچ‌ها از مک‌ آدرس در فریم برای تصمیم‌گیری‌های ارسال استفاده می‌کنند
  • سوئیچ‌ها فریم‌ها را ارسال می‌کنند و مک آدرس را بازنویسی نمی‌کنند

مثال‌های سوئیچینگ فریم

مثال ۱: در این شکل Host-1 پکتی را به Server-1 ارسال کرده است. مک آدرس مقصد مشخص نیست. سوئیچ فریم را به همه پورت‌ها، به غیر از پورتی که در آن فریم یاد گرفته شده است (Gi1/1)، ارسال سیلابی یونیکست (یادگیری) می‌کند. گره Server-1 با مک آدرس مقصد متناسب فریم را دریافت می‌کند و فریمی به Switch-1 ارسال می‌کند. سوئیچ جدول آدرس مک را با مک آدرس و پورت مربوطه (Gi1/3) از Server-1 به‌روزرسانی می‌کند.

 

راهنمای سوئیچینگ

شکل ۱- مثال ۱ سوئیچینگ فریم

مثال ۲: در این شکل Host-2 پکتی را به Server-1 ارسال کرده است. سوئیچ مک آدرس مبدأ و مقصد فریم دریافتی در پورت Gi1/2 از Host-2 را بررسی می‌کند. جدول آدرس مک هیچ مدخلی برای هیچ یک از مک آدرس‌ها ندارد. پس از این، سوئیچ مک آدرس مبدأ (Host-2) را به جدول مک اضافه می‌کند. علاوه بر این، سوئیچ فریم را به همه پورت‌ها، به غیر از پورتی که در آن فریم یاد گرفته شده است (Gi1/2)، ارسال سیلابی یونیکست می‌کند، که به این کار یادگیری مک (MAC Learning) می‌گویند. گره Server-1 با مک آدرس مقصد متناسب فریم را دریافت می‌کند و فریمی به سوئیچ‌ ارسال می‌کند. سوئیچ جدول آدرس مک را با مک آدرس Server-1 به‌روزرسانی می‌کند.

  • مک آدرس 000b.bbbb به جدول آدرس مک اضافه می‌شود
  • فریم به همه پورت‌های سوئیچ فعال، به غیر از پورت Gi1/2، ارسال می‌شود
راهنمای سوئیچینگ

شکل ۲- مثال ۲ سوئیچینگ فریم

مثال ۳: در این شکل Host-2 پکتی را به Server-1 ارسال کرده است. سوئیچ Switch-1 فریم دریافتی از Host-2، که در پورت Gi1/2 دریافت شده، بررسی می‌کند. سوئیچ برای یافتن مک آدرس مقصد در جدول آدرس مک جستجو می‌کند. سوئیچ تشخیص می‌دهد که مک آدرس مقصد به Server-1 اختصاص یافته است. فریم به پورت Gi1/3 اختصاص‌یافته به Server-1 ارسال می‌شود.

  • سوئیچ فریم را بررسی و در جدول آدرس مک جستجو می‌کند
  • فریم به پورت سوئيچ Gi1/3 ارسال می‌شود
راهنمای سوئیچینگ

شکل ۳- مثال ۳ سوئیچینگ فریم

 

به توپولوژی شبکه شکل زیر دقت کنید. کدام سه دستگاه از مک آدرس مقصد برای تصمیم‌گیری در مورد ارسال استفاده می‌کنند؟

جواب

سوئیچ‌ها و اکسس پوینت‌های بی‌سیم دستگاه‌هایی در شبکه هستند که بر اساس مک آدرس مقصد در فریم تصمیم‌گیری ارسال را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها مک آدرس موجود در فریم را تغییر نمی‌دهند. اکسس پوینت‌های بی‌سیم اساساً بریج هستند. روترها مک آدرس مبدأ و مقصد موجود در فریم را به‌روزرسانی/بازنویسی می‌کنند. علاوه بر این، روترها بر اساس آدرس IP مبدأ و مقصد در مورد ارسال تصمیم‌گیری می‌کنند.

وقتی هاستی در شبکه اترنت فریمی به سرور ارسال می‌کند که در آن مک آدرس مقصد مشخص نیست، چه کار می‌کند؟

جواب

هاست ابتدا برای به دست آوردن مک آدرس دیفالت گیت‌وی آرپ برودکست ارسال می‌کند. این دیفالت گیت‌وی (روتر) است که نهایتاً درخواست آرپ را برای مک آدرس سرور ارسال می‌کند.

به توپولوژی شبکه شکل زیر دقت کنید. مک آدرس مبدأ فریم اترنت ارسالی از Host-1، که در Server-1 دریافت می‌شود، چیست؟

جواب

Router-2 فریم را، قبل از ارسالش به Server-1، با مک آدرس Gi0/0 به عنوان مک آدرس مبدأ بازنویسی می‌کند. این پورت اینترفیس خروجی شبکه است. مک آدرس مقصد فریم عبارت است از کارت شبکه Server-1. این مک آدرس از درخواست آرپ به Router-1 به دست آمده است. اینترفیس‌های سریال WAN فاقد مک آدرس اختصاص‌یافته‌اند.

 

به شبکه شکل زیر دقت کنید. Host-1 نشستی با Server-1 برقرار کرده است و در حال ارسال فایل جدیدی است. وقتی پکت Host-1 را به سوی Router-1 ترک می‌کند، مک آدرس مقصد چیست؟

جواب

Host-1 کل فریم را با مک آدرس اختصاص‌یافته به کارت شبکه‌اش به عنوان مک آدرس مبدأ ارسال می‌کند. مک آدرس مقصد برای فریم عبارت است از اینترفیس اترنت Gi0/0 مربوط به Router-1. این مک آدرس از درخواست آرپ ارسال‌شده قبل از شروع نشست با Server-1 به دست آمده است. سوئیچ‌ها فریم‌ها را ارسال می‌کنند و هرگز مقصد نیستند. علاوه بر این، اینترفیس روتر آپ‌استریمی که مستقیماً متصل شده (Gi0/0) دیفالت گیت‌وی است.


منبع: Cisco CCNA 200-301 Certification Guide

اشتراک‌گذاری

یک نظر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *