سوییچ شبکه، از صِفر تا صَد

مفاهیم اولیه

در دنیای پویای امروز نیاز مبرمی به تجهیز تمامی اماکن به شبکه‌های بی‌سیم احساس می‌شود. هر کسی دوست دارد در تمام روز و در حال حرکت بتواند به اینترنت متصل باشد.

با گسترش دسترسی به اینترنت بی‌سیم، مردم هیچ وقت به این فکر نمی‌کنند که در پس پرده این اتصال دائمی به اینترنت، چه اتفاقی می‌افتد. برای وجود یک شبکه یکپارچه، لازم است زیرساخت‌هایی با ثبات و پایدار ایجادشده باشند. با احتساب هزینه‌های مربوط به نیروی کار، رفع اشکال و تجهیزات، ایجاد این زیرساخت‌ها می‌تواند هزینه‌های گزافی نیز در پی داشته باشد. عامل دیگری که در ایجاد شبکه‌های بی‌سیم مورد توجه قرار می‌گیرد، قابلیت اطمینان شبکه است. یکی از راه‌های تأمین ثبات شبکه، استفاده از ساختارهای کابلی و سوییچ‌های شبکه اترنت به‌جای ساختارهای بی‌سیم است.

سوییچ شبکه ابزاری برای ایجاد اتصال میان سیستم‌ها و دیوایس‌های مختلفی است که شما می‌خواهید میان آن‌ها تعامل وجود داشته باشد. این اتصالات عموماً با استفاده از ساختارهای کابلی‌ای ایجاد می‌شوند که میان دستگاه‌های گیرنده و فرستنده اطلاعات، اتصال ایجاد می‌کنند؛ مثلاً، میان رایانه شما و سرور یا یک رایانه دیگر.

سوییچ شبکه را می‌توان به یک مأمور راهنمایی و رانندگی تشبیه کرد که ترافیک را به جهت صحیح هدایت می‌کند. به‌صورت خلاصه، کارکرد سوییچ این است که اگر یک دستگاه قصد ارسال اطلاعات برای یک دستگاه دیگر را داشت بتواند مقصد آن اطلاعات را تشخیص دهد. اگر سوییچ نداند که مقصد اطلاعات کجاست، بسته‌های اطلاعاتی را به یک دیوایس دیگر مانند روتر می‌فرستد و اجازه می‌دهد آن دیوایس راجع به آن اطلاعات تصمیم‌گیری کند. با توجه به نوع سوییچ- سوییچ لایه ۲ یا سوییچ لایه ۳- عملیت در لایه های مختلف IOS اتفاق می افتد.

سوئیچ‌های لایه 2 رایج‌ترین نوع سوییچ هستند؛ زیرا قیمت کمتری دارند و عملکردشان قابل قبول است. آن‌ها از مک آدرس دستگاه (MAC Address) که در فریم های پیام دریافتی وجود دارد استفاده می‌کنند تا دستگاه هدف را مشخص کرده و از پورت مناسب اطلاعات را برای دستگاه مقصد ارسال کنند. یک سوییچ این کار را به لطف حفظ یک جدول MAC Address از درخواست‌های ARP انجام می‌دهد و با استفاده از آن جدول، به مقایسه اطلاعات ورودی می‌پردازد.

سوییچ‌های لایه 3 نیز همان عملکرد را ارائه می‌دهند و رفتاری مشابه سوییچ‌های لایه 2 دارند. اما در کنار این قابلیت‌ها، سوییچ‌های لایه 3 توانایی مسیریابی (Routing) اطلاعات میان VLAN و subnet های موجود در آن شبکه را دارند. این قابلیت باعث می‌شود بار زیادی از روی دوش روتر برداشته شود و در بسیاری از موارد نیاز به استفاده از روتر از میان میرود و همین موضوع موجب صرفه جویی قابل توجهی در هزینه های سازمان می شود.

نمایی از یک شبکه کوچک یا خانگی، دستگاه های متعددی به یک سوییچ وصل شده اند

درمقایسه با هاب، سوییچ ها اجازه می دهند اطلاعات به‌صورت بهتر و کارآمدتری انتقال پیدا کنند. سوییچ‌ها با ایجاد یک مسیر خاص برای اطلاعات، مانع برخورد بسته‌های اطلاعاتی با هم می‌شوند و به چندین کاربر اجازه می‌دهند که به‌صورت هم‌زمان و با مسیرهایی مختلف، به منابع شبکه دسترسی داشته باشند بدون اینکه تداخلی در عملکرد دستگاه ها ایجاد شود. سوئیچ به‌راحتی این کار را با استفاده از MAC Address دستگاه های مختلف انجام می‌دهد و به این ترتیب، مانع ایجاد تداخل در مسیر بسته‌های اطلاعاتی می‌شود. این عملکرد نسبت به هاب بسیار متفاوت است. هاب‌ها اطلاعات را برای تمام دیوایس‌های متصل به شبکه ارسال می‌کنند و این کار را تا وقتی که اطلاعات به مقصد صحیح برسد ادامه می دهند. این سازوکار باعث می‌شود اطلاعات در اصطکاک با هم باشند و همچنین مشکلات امنیتی زیادی در پی داشته باشد.

اما این مزیت ها در مقیاس استفاده روزمره به چه کار کاربر می‌آید؟ داشتن یک سوییچ ارزان به کاربر این اجازه را می‌دهد که با ایجاد یک شبکه خانگی، بتواند تمام دیوایس‌های خود را بدون نگرانی بابت اختلال در اتصال یا کاهش سرعت، به اینترنت متصل کند. این ابزار همچنین به کاربران اجازه می‌دهد بتوانند در خانه یک اتصال مرکزی ایجاد کنند تا مدیریت دیوایس‌های متصل را آسان‌تر کنند. گام اول در انتخاب سوییچ مناسب برای خانه، این است که بدانید کدام نوع از سوییچ با نیاز شما تناسب دارد. خوشبختانه چند گزینه برای شما وجود دارد.

سوییچ چگونه ساخته می‌شود؟

متریال مورد استفاده در ساخت سوییچ‌ها بسیار متنوع است. در بخش بدنه، معمولاً از فلز یا پلاستیک استفاده می‌شود و معمولاً پلاستیک گزینه مورد استفاده در سوییچ‌های ارزان‌تر است؛ اما شرکت‌هایی مانند Netgear وجود دارند که سوییچ‌های ارزان خود را با بدنه فلزی عرضه می‌کنند. نمونه‌های فلزی نسبت به نمونه پلاستیکی‌ مقاومت و عمر مفید بیشتری دارند.

سوییچ‌های unmanaged ( غیرقابل مدیریت) کوچک‌تر برق مورد نیاز خود را از پریز‌های برق دریافت می‌کنند؛ اما مدل های رده ی بالاتر ( مانند آنهایی که در رک استفاده می شوند) معمولا دارای منبع تغذیه هستند و تنها کافی است یک کابل استاندارد IEC به آن‌ها برسانید. مانند اکثر وسایل الکترونیکی، سوئیچ‌ها هم در صورت استفاده مقداری گرما تولید می‌کنند. سوییچ‌های کوچک می‌توانند با استفاده از هیت سینک، خنک شوند. اما نمونه‌های بزرگ‌تر آن‌ها با استفاده از فن‌های خنک‌کننده خنک می‌شوند تا طول عمر دستگاه افزایش پیدا کند.

شرکت‌هایی مانند Broadcom و Qualcomm قطعات سخت‌افزاری بسیاری را برای تجهیزات شبکه، مانند سوییچ‌ها، روترها و مودم‌ها تأمین می‌کنند. با استفاده از این قطعات سخت‌افزاری، سوییچ‌ها می‌توانند اطلاعات ورودی و خروجی را مدیریت کنند. چگونگی انجام این کار در سوییچ های قابل مدیریت (managed)، غیرقابل مدیریت (unmanaged) و سوییچ های هوشمند متفاوت است. برای مثال، بسیاری از سوییچ‌های unmanaged در خود یک SoC دارند که در آن بسیاری از زیرسیستم‌ها در کنار هم و روی یک بورد، چیده می‌شوند. این زیرسیستم‌ها وظیفه دارند اطلاعات ورودی را در سطح سخت‌افزاری دریافت کرده و آن‌ها را به مسیر صحیح هدایت کنند. برای مثال، در مورد سوییچ‌ها به این‌گونه است که بسته‌های اطلاعات ورودی در سوییچ با جدول MAC Address مطابقت داده می‌شود و با توجه به آن به سمت پورت مناسب هدایت می‌شوند. سوییچ‌های رده‌بالاتر مانند سوییچ‌های هوشمند (Smart)، معمولاً دارای CPU هستند که در تراشه داخل سوییچ قرار می‌گیرند. این پردازنده می تواند به مدیریت بار اضافی ناشی از ویژگی های مانند VLAN، QoSها و سوییچینگ لایه ۳ کمک کند.

قابلیت دیگری که برای راحتی کاربران در سوییچ‌ها قرار داده شده، چراغ نشاندهنده وضعیت  لینک است. این چراغ‌ها معمولاً در نزدیکی پورت و در هر دو سمت آن قرار می‌گیرند و تنها زمانی روشن می‌شوند که هرگونه فعالیتی از یک اتصال را شناسایی کنند؛ یعنی روی پچ کوردی که انصال را برقرار کرده است فعالیتی اتفاق بیفند. در اکثر موارد، یک چراغ روشن به معنی اتصالی با سرعت 10 تا 100 مگابیت بر ثانیه است و دو چراغ روشن نمایانگر اتصالی با سرعتی بالغ بر 1 گیگابیت بر ثانیه. این قابلیت در عملیات عیب‌یابی کمک بسیار بزرگی محسوب می شود. هرچند این چراغ‌ها نشان‌دهنده یک اتصال پایدار نیستند، اما حداقل نشان می‌دهند که دو دستگاه به هم متصل شده‌اند. اگر هم که هیچ چراغی روشن نشده باشد، می‌تواند یک نقطه شروع برای عیب یابی باشد در این صورت باید ۲ احتمال را در نظر گرفت، مشکل از خود پورت است و یا ایرادی در کابل کشی وجود دارد و اتصال بین دو نقطه به شکلی معیوب است.

به غیر از ویژگی ها (جنبه های) فیزیکی یک سوییچ، ویژگی های مختلف دیگری وجود دارند که باید مورد توجه قرار بگیرد، مانند: پشتیبانی از جامبو فریم، قابلیت داپلکس، اندازه جدول MAC و پشتیبانی از Auto-MDIX/MDI.

جامبو فریم (Jumbo Frame)

جامبو فریم‌ در واقع یک اترنت فریم است که در خود بیش از 1500 بایت جای داده است؛ در حالی که اندازه مرسوم MTU برابر با ۱۵۰۰ بایت است جامبو فریم ها دارای حداقل ظرفیت پیش فرض ۹۰۰۰ فریم هستند. پشتیبانی از جامبو فریم باعث کاهش نیاز به پهنای بند می‌شود؛ زیرا بخش CPU سوییچ به‌جای این که مجبور به پردازش تعداد زیادی بسته اطلاعاتی کوچک شود، تنها یک فریم اطلاعاتی بزرگ را مورد پردازش قرار می‌دهد.

داپلکس ( Full Duplex یا Half Duplex)

سه حالت انتقال با نام‌های Simplex، Half Duplex و Full Duplex وجود دارد. هر حالت انتقال جهت یا جریان سیگنال را بین دو دستگاه متصل توصیف می‌کند. تفاوت اصلی بین Simplex, Half Duplex و Full Duplex این است که در حالت انتقال Simplex ارتباطات یکطرفه است، در حالی که در حالت انتقال Half Duplex ارتباط دوجهته است اما کانال ارتباطی به صورت متناوب توسط یکی از دستگاه‌های متصل استفاده می‌شود.

در حالت انتقال Half Duplex ارتباطات بین فرستنده و گیرنده در هر دو جهت برقرار می‌شود، اما در یک زمان. هر دو دستگاه فرستنده و گیرنده می‌توانند اطلاعات را منتقل و دریافت کنند، اما در هر زمان تنها یکی از آن‌ها مجاز به این کار است. در این حالت یک دستگاه پیغامی میفرستد و دیگر دستگاه شبکه منتظر دریافت پیغام هستند به همین دلیل احتمال بروز تداخلات وجود دارد و همین امر موجب کندی شبکه می شود.

در حالت انتقال Full Duplex ارتباطات بین فرستنده و گیرنده به صورت همزمان رخ می‌دهد. هر دو دستگاه فرستنده و گیرنده همزمان می‌توانند انتقال و دریافت اطلاعات را داشته باشند. بیشتر دستگاه های امروزی در حالت full duplex عمل می کنند.

اندازه جدول مک آدرس (Mac Address Table Size)

داشتن جدول MAC بزرگ بیشتر از این که در شبکه‌های خانگی مورد استفاده قرار بگیرد، یک قابلیت تجاری است. کسب‌وکارها به سوییچ‌هایی با قابلیت استفاده از جداول MAC بزرگ نیاز دارند؛ زیرا ممکن است لازم باشد ID صدها دستگاه در این جدول‌ها ثبت شود. وقتی تعداد کلاینت‌ها کمتر باشد، این مسئله کمتر مشکل ساز خواهد بود. با این حال، تقویت این قابلیت برای سازندگان همچنان در دستور کار است؛ زیرا این کار باعث جلوگیری از ایجاد مشکلات احتمالی در شبکه می‌شود. وقتی جدول MAC سوییچ پر شود، سوییچ نمی‌تواند اطلاعات را به‌درستی هدایت کند و این امر تأثیری منفی بر روی عملکرد تمام شبکه خواهد داشت.

Auto-MDIX/MDI

پشتیبانی از Auto-MDIX/MDI در حال رواج یافتن است. بدون داشتن این قابلیت اگر دستگاه هایی که در دو طرف دستگاه وجود دارند هر دو MDI یا MDIX باشند مانند اتصال های سوییچ به سوئیچ یا اتصالات peer to peer نیاز به کابل کراس خواهیم داست. همچنین در صورتیکه دو دستگاه دو سوی ارتباط از دو نوع مختلف MDI و MDIX باشند برای اتصال این دو باید از یک کابل غیر کراس یا همان کابل Straight استفاده شود. قابلیت Auto-MDIX/MDI دستگاه ها با هر نوع کابلی به یکدیگر متصل شوند؛ زیرا Auto-MDIX به‌صورت خودکار، نوع کابل مورد نیاز را تشخیص داده و تنظیمات متناسب با آن را ایجاد می‌کند. این قابلیت باعث شده است بسیاری از پیچیدگی‌های برقراری اتصال میان دستگاه‌ها از بین برود؛ زیرا دیگر نیازی به استفاده از دو نوع کابل نیست.

برای بررسی نمونه‌های سوئیچ غیرمدیریتی نتربیت می‌توانید Neterbit NES-1008A و Neterbit NGS-1016C را نیز ببینید.

در ادامه قسمت بعدی مقاله به بررسی انواع سوییچ و موارد استفاده از آنها می پردازیم.