همانطور که می دانید یک شبکه شامل نود ( Node ) یا ایستگاه کاری ، واسطه های ارتباطی ( Wired or wireless ) و تجهیزات مخصوص شبکه مانند روتر و سوییچ و هاب ها می باشد. در محیط اینترنت ، تمامی این اجزا با هم کار می کنند تا شما بتوانید اطلاعاتی را از کامپیوتر خود برای کامپیوتر دیگری به آنسوی دنیا بفرستید. سوئیچ ها ، از قسمت های اساسی بیشتر شبکه ها می باشند. دستگاه مذکور این امکان را برای چندین کاربر فراهم می سازد تا در یک زمان واحد از طریق شبکه اطلاعات را برای هم ارسال کنند. سوئیچ ها به نودهای مختلف موجود در شبکه اجازه می دهد مستقیماً و با یک روش آسان و کارآمد به یک نود دیگر متصل شوند. سوییچ هایی که ارتباط مجزایی را برای هر یک از نودهای شبکه ایجاد می کنند به LAN Switches معروف می باشند. در این مقاله به بررسی شبکه های Ethernet که در آنها از سوئیچ های LAN استفاده شده است ، خواهیم پرداخت. و با سوئیچ LAN ، نحوه کار transparent bridging ، شبکه های Trunking , VLAN و Spanning Tree آشنا خواهید شد.
مفاهیم اولیه شبکه
در این قسمت به معرفی قسمت های اساسی یک شبکه می پردازیم:
Network : گروهی از کامپیوترها که به هم متصلند به گونه ای که انتقال اطلاعات بین آنها ممکن باشد.
Node : یک نود یا گره به بخشی گفته می شود که به شبکه وصل می باشد. به عنوان مثال یک کامپیوتر ، یک پرینتر و یا یک CD-Rom Tower می تواند به عنوان نود در شبکه وجود داشته باشد.
Segment : هر بخشی از شبکه که توسط bridge , Switch و یا Router از قسمت های دیگر شبکه جدا می شوند.
Backbone : بستر اصلی در یک شبکه بوده که تمامی Segment ها به آن وصل می شوند. به طور نمونه backbone قادر است اطلاعات بیشتری را نسبت به سگمنت های منفرد حمل کند. سگمنت در حدود چند مگابیت در ثانیه در صورتیکه یک یک بون می تواند اطلاعات را با سرعتی حدود چندین مگابیت یا گیگا بیت در ثانیه جابجایی کند.
Topology : نحوه اتصال فیزیکی و سیم بندی نودهای شبکه به یکدیگر را توپولوژی می گویند.
Local Area Network (LAN) : شبکه محلی ، شبکه ای است از کامپیوترها که در یک مکان فیزیکی و از نظر جغرافیایی محدود قرار دارند که معمولاً در یک ساختمان یا فضای باز می باشد ولی اگر کامپیوتر در فاصله ای دور از هم ( مثلاً در شهرهای مختلف ) باشند در این صورت به آن شبکه گستردهWide Area Network ( WAM ) گفته می شود.
Network Interface Card (NIC) : هر یک از کامپیوترها و دستگاه های دیگر از طریق NIC یا کارت شبکه به شبکه وصل می شوند.
MAC Address (Media Access Control) : هر یک از کارت های شبکه دارای آدرس می باشند. این آدرس که به مک آدرس معروف دارای دو قسمت است و طول هر قسمت 3 بایت است ، اولین قسمت معرف شرکت سازنده کارت NIC و قسمت دوم شماره سریال کارت NIC می باشد.
Unicast : در این نوع آدرس دهی انتقال اطلاعات از یک نود به آدرس نود دیگر را unicast می گویند.
Multicast : در آدرس دهی Multicast یک نود ، یک بسته اطلاعاتی را برای گروهی می فرستد که اعضای این گروه بسته های آدرس دهی شده را دریافت می کنند. به طور مثال ممکن است یک روتر Cisco اطلاعات دست اول را به تمامی روترهای Cisco دیگر ارسال دارد.
Broadcast : یک نود بسته اطلاعاتی را برای ارسال به تمامی نودهای موجود در شبکه در نظر گرفته و می فرستند که به این عمل broadcast می گویند.
در ادامه متداول ترین انواع توپولوژی شبکه را معرفی می نماییم.
توپولوژی های شبکه
متداول ترین انواع توپولوژی عبارتند از :
Bus : هر یک از گره ها ( نودها ) به شکل یک زنجیره ، یکی پس از دیگری به هم متصل و کاملاً شبیه به یک چراغونی شب کریسمس در طول یک بک بون قرار می گیرند. اطلاعات ارسالی از جانب یک نود در طول یک بک بون حرکت کرده و به نود مقصد می رسد. انتهای دو سر خط در شبکه Bus به یک مقاومت ختم می شود که مقاومت (Resistor) مذکور جهت نگهداری سیگنال های ارسالی توسط نود و همچنین جلوگیری از بازگشت مجدد آنها به خط می باشند.
Ring : در ساختار حلقه ای نیز مانند ساختار Bus ، نودها یکی پس از دیگری زنجیره ای را می سازند با این تفاوت که شبکه به صورت حلقه ای بوده وآخرین نود به اولین نود وصل می باشد. در یک شبکه حلقه ای هر یک از نودها با استفاده از بسته token به ترتیب اقدام به ارسال و دریافت اطلاعات می نمایند.
شکل 1
Star : در ساختار توپولوژی ستاره ای که امروزه به عنوان رایج ترین نوع می باشد ، هر یک از نودها به یک قطعه مرکزی موسوم به hub یا سوییچ متصل می شوند. دستگاه مذکور سیگنال های ارسال شده از جانب هر یک از نودها را دریافت می دارد و به سمت تمامی نودهای داخل شبکه می فرستد. یک هاب در زمینه ف_ * ل*_ ت ر کردن و یا به جریان انداختن دیتا دخالتی ندارد بلکه تنها به منزله یک تقاطعی است که نودهای مختلف را به هم وصل می کند.
شکل 2
Star ـ Bus: این نوع توپولوژی از ترکیب دو نوع توپولوژی Bus و Star تشکیل میشود که نتیجه آن ایجاد یک محیط چند کاره می باشد. نودها در مناطق خاصی ، به یک هاب وصل می باشند و هاب نیز در طول یک بک بون با یکدیگر ارتباط دارند وهر ستاره خود درون یک ستاره دیگر قرا می گیرد.
در بیشتر توپولوژی ها که امروزه یافت می شوند ، نودها به وسیله هاب به یکدیگر اتصال می یابند و با رشد شبکه شاهد مشکلاتی هستیم که برخی از آنها عبارتند از:
Scalability : در یک شبکه دارای hub ، محدودیت پهنای باند شبکه را با مشکل مواجه می سازد که در این صورت از کارایی شبکه کاسته می شود. کارکردهای امروزی شبکه به پهنای باند بیشتری نسبت به گذشته نیاز دارد. به منظور ایجاد تناسب با میزان رشد استفاده از شبکه ، می بایست در فواصل زمانی مشخصی کل شبکه مجدداً طراحی شود.
Latency : مدت زمانی را که به طول می انجامد تا یک بسته اطلاعاتی به مقصد برسد را Latency گویند. برای جلوگیری از تصادم یاCollision بسته های اطلاعاتی با یکدیگر ، هر یک از نودها می بایست برای ارسال بسته اطلاعاتی خود مدت زمانی را صبر کند. افزایش تعداد نودها در یک شبکه ، بر مدت زمان تاخیرLatency در ارسال بسته می افزاید. یا به عبارتی دیگر ، اگر کسی در حال ارسال یک فایل حجیم در داخل شبکه باشد مابقی نودها می باید فرصتی را درنگ گرده تا پس از آن بسته های اطلاعاتی خود را ارسال کنند. ممکن است قبلا با این مورد در محل کار مواجه شده باشید یعنی شما سعی دارید تا به یک سرور دست یابید و ناگهان مشاهده می کنید که همه چیز به کندی پیش می رود.
Network Failure : در یک شبکه ممکن است یک قطعه متصل به هاب به علت اعمال تنظیمات ناصحیح یا ارسال بی وقفه بسته های اطلاعاتی (Broadcast) اشکالاتی برای قطعات دیگر که متصل به آن هاب هستند بوجود آورد. که بعنوان مثال برای حل برخی از مشکلات سوئیچ ها به کمک می آیند مانند جلوگیری از میزان انتشار بسته های اطلاعاتی.
Collisions : یک شبکه Ethernet از فرایندی موسوم به CSMA / CD استفاده می کند که مخفف عبارت Carrier Sense Multiple Access with collision Detection میباشد شبکه ای که تحت پروسه CSMA/CD می باشد ، زمانی بسته اطلاعاتی ارسال می شود که هیچگونه ترافیکی در شبکه وجود نداشته باشد. اگر دو نود در یک زمان مشترک بسته اطلاعات خود را ارسال کنند در این صورت بین بسته ها برخوردی اتفاق می افتد که در نتیجه آن بسته های اطلاعاتی از بین می روند. پس هر دوی آنها زمانی را درنگ می کنند تا بسته خود را مجدداً ارسال دارند هر قسمتی از شبکه که احتمال برخورد بین بسته های ارسالی از جانب دو یا چندین نود در آنجا وجود دارد. به عنوان منطقه برخورد Collision Domain قلمداد می گردد. اگر شبکه ای تعداد زیادی نود را در یک قسمت ( Segment ) شامل شود در این صورت تعداد برخورد ( Collision ) بالا و در نتیجه دارای تعداد زیادی منطقه برخورد می باشد.
هاب ها مسیری را که بسته های اطلاعاتی می باید از نودی به نود دیگر طی کنند ، به راحتی می توانند آن را کوتاه تر و یا زیادتر کنند. اما شبکه را به دو قسمت جداگانه تقسیم نمی کنند که در این مورد سوئیچ ها به کمک می آیند در بخش بعدی به نحوه همکاری سوئیچ ها در نحوه اداره ترافیک شبکه پی خواهید برد.
راه حل ، اضافه کردن سوئیچ
هاب به منزله یک چهار راه می باشد که در آنجا همگی موظفند بایستند. اگر همزمان بیش از یک اتومبیل به چهار راه برسد آنها می باید منتظر نوبت خود شوند و سپس حرکت کنند.
حال تصور کنید که صد خیابان به این تقاطع ختم می شود در این صورت مدت زمان انتظار و همچنین احتمال برخورد افزایش می یابد. آیا این حیرت آور نیست اگر شما بتوانید از یک خیابان فرعی برای رسیدن به خیابان مورد نظرتان استفاده کنید. این دقیقا همان کاری است که سوئیچ ها برای ترافیک شبکه انجام می دهند، یک سوئیچ شبیه به چهار راهی است که هر یک از ماشین ها بدون اینکه معطل ترافیک شوند از یک راه فرعی استفاده کرده و به مقصد می رسند.
تفاوت اساسی بین یک هاب و یک سوئیچ این است که تمام نودهایی که به هاب متصل می باشند ، عرض باند را بین خود تقسیم می کنند حال آنکه عرض باندی که در حد فاصل بین قطعه و سوئیچ قرار دارد، مختص همان قطعه است. به طور مثال اگر ده عدد نود برای ارتباط از هاب و یک شبکه با عرض باند 10Mbps استفاده کنند. اگر سایر نودها نیز بخواهند به خوبی با هم ارتباط برقرار کنند ، در نتیجه هر یک از نودها ممکن است فقط قسمتی از عرض باند مذکور را استفاده کنند. اما در مورد سوئیچ ، موضوع فرق می کند هر یک از نودها می تواند از تمامی عرض باند 10Mbps استفاده کند. در یک خیابان اگر تمام ترافیک به یک تقاطع مشترک برسد پس هر یک از اتومبیل ها موظف است تا تقاطع را بین خود و دیگران تقسیم کنند. اما خیابان های شبکه به ترافیک این امکان را می دهد تا با تمام سرعت مسیر خود را از خیابانی به خیابان دیگر ادامه دهد.
شبکه Fully Switched
در یک شبکه Fully Switched ، سوئیچ ها ، هاب های یک شبکه Ethernet را با یگ سگمنت مختص به هر یک از نودها عوض می کند. این سگمنت ها به سوئیچی وصل می باشند که این سوئیچ چندین سگمنت مربوطه را ساپورت می کند. از آنجائیکه سوئیچ و نود تنها قطعات موجود در داخل یک سگمنت هستند. در نتیجه ، سوئیچ هر ارسالی را قبل از رسیدن به نود دیگر ، دریافت می کند و آن را از یک سگمنت مناسب عبور می دهد. از آنجائیکه هر سگمنت فقط یک نود را تحت پوشش قرار می دهد ، در نتیجه دامنه این ساختار به گیرنده مورد نظر ختم می شود. خصوصیت مذکور در یک شبکه سوئیچ دار این امکان را می دهد تا همزمان مکالمات متعددی تحقق یابد. سوئیچینگ ، امکان برقراری یک رابطه کاملا Full Duplex را در شبکه محقق میسازد. قبل از سوئیچینگ، شبکه به صورت half duplex می باشد. بدان معنا که دیتا فقط در یک مسیر می تواند ارسال شود اما در یک شبکه که از سوئیچ استفاده می کند ، در هر یک از نودها که فقط با سوئیچ در ارتباطند و هیچ ارتباطی مستقیمی بین نودها وجود ندارد. در نتیجه اطلاعات می تواند به صورت همزمان از نود به سوئیچ و از سوئیچ به نود ارسال شود یعنی ارتباط Full Duplex است.
در شبکه های کاملا سوئیچ شده از کابل های نوری Fiber ، optic و یا کابل های Twisted Pair استفاده می شود. در چنین محیطی ، نودها می توانند از فرایند تشخیص برخورد اطلاعات با یکدیگر صرف نظر کنند. از آنجائیکه نودها تنها قطعاتی هستند که به کابل یا مدیا دسترسی دارند در نتیجه می توانند از جستجو و آشکار کردن برخورد بسته های اطلاعاتی صرف نظر کنند و بسته ها را به هر جا که می خواهند ارسال کنند.
این نوع جریان ترافیک به نودها اجازه می دهد تا اطلاعات را به سمت سوئیچ ارسال کنند همانطور که سوئیچ ها اطلاعات را به طرف نودها ارسال می کنند. این فرایند منجر به محیطی عادی از هر گونه برخورد اطلاعات با یکدیگر می شود. ارسال اطلاعات به صورت دو طرفه ، سرعت شبکه را به شکل موثرتر افزایش می دهد. اگر سرعت شبکه 10Mbps باشد در نتیجه هر یک از نودها اطلاعاتی را همزمان به همین سرعت ارسال می کنند.
شبکه های مختلط
اکثر شبکه ها صرفا فقط از سویچ در شبکه استفاده نمی کنند چون اگر سوئیچ بخواهد جایگزین تمام هاب های شبکه شود ، این کار به قیمت مناسبی تمام نمیشود. در عوض برای رسیدن به یک قیمت مناسب و سودآور ، از ترکیب سوئیچ و هاب استفاده می شود. به طور مثال یک شرکت ممکن است از هاب برای اتصال کامپیوترهای موجود در هر یک از دپارتمان ها استفاده کرده و برای اتصال هاب دپارتمان ها با یکدیگر از سوئیچ استفاده کند.
روتر و سوئیچ
همانطور که گفته شد یک سوئیچ می تواند در نحوه برقراری ارتباط بین نودها تغییر اساسی ایجاد کند. اما شما از وجه تمایز سوئیچ و روتر تعجب می کنید. سوئیچ ها معمولاً با استفاده از آدرس های MAC در لایه دوم مدل مرجع OSI که دیتا لینک است کار می کند در حالیکه روترها در لایه سوم یا Network با آدرس های مربوط به همین لایه مانند آدرس های لایه IPX , IP کار می کنند. مضاف بر این ، الگوریتم سوئیچ در هدایت بسته های اطلاعاتی با الگوریتم روترها متفاوت است.
یکی از تفاوت های الگوریتم بین سوئیچ و روترها ، در نحوه دریافت اعلان همگانی ( broadcast ) می باشد. در هر شبکه ای ، ارسال بسته به تمام نودها( broadcast ) یکی از ضروری ترین عواملی است که در نحوه کار شبکه دخالت دارد. هرگاه یکی از نودها بخواهد اطلاعاتی را ارسال کند و گیرنده آن را نشناسد ، در این صورت یک پکت اعلان همگانی یا Broadcast به تمامی نودها ارسال می کند. به طور مثال اگر کامپیوتر جدیدی وارد مجموعه نودهای شبکه شود در این صورت توسط یک پکت Broadcast حضور خود را به تمامی نودها اطلاع می دهد.
هاب ها و سوئیچ ها هر بسته اطلاعاتی اعلان همگان ( Broadcast Packet ) دریافت شده را به تمامی سگمنت های موجود در محدوده اعلان ارسال می کنند. حال آنکه روترها این گونه عمل نمی کنند. مجددا به مثال چهار راه توجه کنید. اهمیتی ندارد که ترافیک جاری در یک تقاطع ، به کدامین جهت در حرکت می باشد. اگر این تقاطع در یک سرحد بین المللی واقع شده باشد. برای عبور از این تقاطع شما می باید گارد مرزی را از آدرس خود مطلع سازید. اگر شما مقصد خود را مشخص نسازید ، گارد مانع از عبور شما می شود. روترها نیز در شبکه همانند گارد مرزی عمل می کنند ، اگر یک بسته اطلاعاتی آدرس مشخص از گیرنده را نداشته باشد. روتر از عبور دیتا جلوگیری می کند ، این باعث جداسازی شبکه ها از یکدیگر می شود. زمانیکه قسمت های مختلف در یک شبکه بخواهند با هم صحبت کنند سوئیچ وارد عمل شده و اگر قرار باشد کامپوترها با خارج از شبکه داخلی صحبت کنند روتر وارد عمل می شود.
همانطور که گفته شد یک سوئیچ می تواند در نحوه برقراری ارتباط بین نودها تغییر اساسی ایجاد کند. اما شما از وجه تمایز سوئیچ و روتر تعجب می کنید. سوئیچ ها معمولاً با استفاده از آدرس های MAC در لایه دوم مدل مرجع OSI که دیتا لینک است کار می کند در حالیکه روترها در لایه سوم یا Network با آدرس های مربوط به همین لایه مانند آدرس های لایه IPX , IP کار می کنند. مضاف بر این ، الگوریتم سوئیچ در هدایت بسته های اطلاعاتی با الگوریتم روترها متفاوت است.
یکی از تفاوت های الگوریتم بین سوئیچ و روترها ، در نحوه دریافت اعلان همگانی ( broadcast ) می باشد. در هر شبکه ای ، ارسال بسته به تمام نودها( broadcast ) یکی از ضروری ترین عواملی است که در نحوه کار شبکه دخالت دارد. هرگاه یکی از نودها بخواهد اطلاعاتی را ارسال کند و گیرنده آن را نشناسد ، در این صورت یک پکت اعلان همگانی یا Broadcast به تمامی نودها ارسال می کند. به طور مثال اگر کامپیوتر جدیدی وارد مجموعه نودهای شبکه شود در این صورت توسط یک پکت Broadcast حضور خود را به تمامی نودها اطلاع می دهد.
هاب ها و سوئیچ ها هر بسته اطلاعاتی اعلان همگان ( Broadcast Packet ) دریافت شده را به تمامی سگمنت های موجود در محدوده اعلان ارسال می کنند. حال آنکه روترها این گونه عمل نمی کنند. مجددا به مثال چهار راه توجه کنید. اهمیتی ندارد که ترافیک جاری در یک تقاطع ، به کدامین جهت در حرکت می باشد. اگر این تقاطع در یک سرحد بین المللی واقع شده باشد. برای عبور از این تقاطع شما می باید گارد مرزی را از آدرس خود مطلع سازید. اگر شما مقصد خود را مشخص نسازید ، گارد مانع از عبور شما می شود. روترها نیز در شبکه همانند گارد مرزی عمل می کنند ، اگر یک بسته اطلاعاتی آدرس مشخص از گیرنده را نداشته باشد. روتر از عبور دیتا جلوگیری می کند ، این باعث جداسازی شبکه ها از یکدیگر می شود. زمانیکه قسمت های مختلف در یک شبکه بخواهند با هم صحبت کنند سوئیچ وارد عمل شده و اگر قرار باشد کامپوترها با خارج از شبکه داخلی صحبت کنند روتر وارد عمل می شود.
Packet-Switching
سوئیچ ها بر مبنای Packet-Switching کار می کنند و بین سگمنت هایی که از نظر بعد مکانی از هم به حد کافی دور می باشند ، ارتباط برقرار می سازد. بسته های اطلاعاتی وارده در buffer نگهداری می شوند. آدرس های MAC در قسمت هدر فریم نگهداری می شوند. آدرس های مذکور که در این قسمت قرار دارد ، خوانده می شوند و با جدول مک سوئیچ (MAC Table) مقایسه می گردند. همچنین فریم اترنت در یک شبکه LAN قسمتی به نام Payload دارد. که شامل MAC Address مبدا و مقصد می باشد. همانطور که قبلا گفته شد سوئیچ آدرس مک مبدا و مقصد را چک کرده و در صورتیکه آدرس مقصد را در جدول مک آدرس های خود داشت برای مقصد ارسال می کند.
سوئیچ های Packet-based برای تعیین مسیر ترافیک از یکی از سه روش زیر استفاده می کند :
Cut-through
Store-and-forward
Fragment-free
Cut-through : در این روش ، سوئیچ آدرس های MAC را به محض دریافت بسته می خواند و سپس 6 بایت MAC اطلاعات مربوط به آدرس را ذخیره کرده و با وجود اینکه ما بقی بسته ها در حال رسیدن به سوئیچ می باشند ، اقدام به ارسال بسته مذکور به سمت نود مقصد می نماید.
Store-and-forward: سوئیچی که از این روش استفاده می کند ، ابتدا تمام اطلاعات داخل بسته را دریافت و نگهداری می کند و قبل از ارسال بسته مورد نظر به دنبال خطای CRC و یا مشکلات دیگر می گردد. در صورتی که بسته دارای خطایی باشد آن بسته را کنار می گذارد. در غیر اینصورت سوئیچ آدرس کارت شبکه گیرنده را جستجو کرده و سپس آن را برای نود مقصد ارسال می دارد. بیشتر سوئیچ ها همزمان از دو روش فوق استفاده می کنند مثلاً ابتدا از روش Cut-through استفاده کرده ولی به محض برخورد با یک خطا ، روش خود را تغییر می دهد و به شیوه Store-and-forward عمل می کند ، از آنجائیکه روش Cut-through قادر به اصلاح خطا نمی باشد در نتیجه سوئیچ های کمتری از این روش استفاده می کنند ولی از سرعت بالاتری برخوردار است.
Fragment-free : سوئیچ ها از این روش کمتر استفاده می کنند. این روش مانند روش اول می باشد با این تفاوت که در این شیوه ، سوئیچ قبل از ارسال بسته ، 64 بایت اول آن را نگه می دارد این کار به خاطر آن است که بیشتر خطا و برخوردها در طول اولین 64 بایت بسته اطلاعاتی اتفاق می افتد.
سوئیچ ها بر مبنای Packet-Switching کار می کنند و بین سگمنت هایی که از نظر بعد مکانی از هم به حد کافی دور می باشند ، ارتباط برقرار می سازد. بسته های اطلاعاتی وارده در buffer نگهداری می شوند. آدرس های MAC در قسمت هدر فریم نگهداری می شوند. آدرس های مذکور که در این قسمت قرار دارد ، خوانده می شوند و با جدول مک سوئیچ (MAC Table) مقایسه می گردند. همچنین فریم اترنت در یک شبکه LAN قسمتی به نام Payload دارد. که شامل MAC Address مبدا و مقصد می باشد. همانطور که قبلا گفته شد سوئیچ آدرس مک مبدا و مقصد را چک کرده و در صورتیکه آدرس مقصد را در جدول مک آدرس های خود داشت برای مقصد ارسال می کند.
سوئیچ های Packet-based برای تعیین مسیر ترافیک از یکی از سه روش زیر استفاده می کند :
Cut-through
Store-and-forward
Fragment-free
Cut-through : در این روش ، سوئیچ آدرس های MAC را به محض دریافت بسته می خواند و سپس 6 بایت MAC اطلاعات مربوط به آدرس را ذخیره کرده و با وجود اینکه ما بقی بسته ها در حال رسیدن به سوئیچ می باشند ، اقدام به ارسال بسته مذکور به سمت نود مقصد می نماید.
Store-and-forward: سوئیچی که از این روش استفاده می کند ، ابتدا تمام اطلاعات داخل بسته را دریافت و نگهداری می کند و قبل از ارسال بسته مورد نظر به دنبال خطای CRC و یا مشکلات دیگر می گردد. در صورتی که بسته دارای خطایی باشد آن بسته را کنار می گذارد. در غیر اینصورت سوئیچ آدرس کارت شبکه گیرنده را جستجو کرده و سپس آن را برای نود مقصد ارسال می دارد. بیشتر سوئیچ ها همزمان از دو روش فوق استفاده می کنند مثلاً ابتدا از روش Cut-through استفاده کرده ولی به محض برخورد با یک خطا ، روش خود را تغییر می دهد و به شیوه Store-and-forward عمل می کند ، از آنجائیکه روش Cut-through قادر به اصلاح خطا نمی باشد در نتیجه سوئیچ های کمتری از این روش استفاده می کنند ولی از سرعت بالاتری برخوردار است.
Fragment-free : سوئیچ ها از این روش کمتر استفاده می کنند. این روش مانند روش اول می باشد با این تفاوت که در این شیوه ، سوئیچ قبل از ارسال بسته ، 64 بایت اول آن را نگه می دارد این کار به خاطر آن است که بیشتر خطا و برخوردها در طول اولین 64 بایت بسته اطلاعاتی اتفاق می افتد.
Switch Configurations
سوئیچ های LAN از نظر شکل فیزیکی با هم متفاوتند ، در حال حاضر ، سوئیچ ها دارای سه شکل عمده می باشند:
Shared memory : این نوع از سوئیچ ها ، بسته رسیده را در یک حافظه مشترک یا بافر که این بافر در بین تمامی درگاه های سوئیچ تقسیم می شود نگهداری می کنند و سپس پکت را از طریق درگاه مناسب برای سمت نود مقصد ارسال می کنند.
Matrix : این نوع سوئیچ ها دارای یک شبکه خطوط داخلی ( ماتریکس ) با پورت های ورودی و خروجی می باشند. زمانیکه وجود یک بسته اطلاعاتی در پورت ورودی تشخیص داده شود ، آدرس کارت شبکه ( MAC ) با جدول جستجوی موجود در سوئیچ (MAC Table) مقایسه می شود تا در نهایت بسته مذکور به پورت خروجی مورد نظر هدایت شود. بنابراین سوئیچ در حد فاصل بین این دو پورت یک خط ارتباطی ایجاد کرده و آن دو پورت را به هم متصل می کند.
Bus architecture : در این دسته از سوئیچ ها یک بافر برای هر یک از درگاه ها در نظر گرفته شده است. که گذرگاه اطلاعات را کنترل می کند.
Transparent Bridging
اکثر سوئیچ ها از سیستمی موسوم بهtransparent bridging استفاده می کنند تا جداولی جهت جستجوی آدرس بسازند. سیستم مذکور یک تکنولوژی می باشد که امکان می دهد تا سوئیچ همه آنچه که در مورد موقعیت نودها در شبکه باید بداند را بدون دخالت مدیر شبکه ( network administrator ) می آموزند. این سیستم دارای پنج قسمت زیر می باشد :
Learning
Flooding
Filtering
Forwarding
Aging
حال قدم به قدم با مراحل فوق آشنا می شویم:
همانطور که در شکل 3 مشاهده می کنید سوئیچ به شبکه اضافه شده است و سگمنت های مختلف به آن متصلند.
Learning : کامپیوترA که در سگمنت A قرار دارد ، دیتایی برای کامپیوتر B واقع در سگمنت C ارسال می کند.
پس سوئیچ اولین بسته اطلاعاتی را از روی نود A دریافت می کند. آدرس کارت شبکه یا MAC Address آن را می خواند و آن را در جدول مک خود به ثبت می رساند. از این پس سوئیچ به محض دریافت یک بسته اطلاعاتی که آدرس مقصد دستگاه ، نود A آدرس دهی شده باشد می تواند نود A را با توجه به آدرس موجود بیاید. به این عملیات Learning می گویند. یعنی به محض دیدن یک MAC Address جدید سوئیچ آن را یادداشت می کند و آن را یاد می گیرد.
Flooding : با توجه به اینکه سوئیچ ، مک آدرس نود B را نمی شناسد ، بسته را به تمامی سگمنت ها به استثنای سگمنت A می فرستد. هرگاه سوئیچ برای یافتن یک نود مشخص بسته را به تمامی سگمنت ها بفرستد در اصطلاح به این عمل Flooding می گویند.
Forwarding : نود B بسته را دریافت کرده و بسته ای را برای شناسایی به سمت نود A می فرستد. بسته ارسالی از سوی نود B به سوئیچ می رسد و سوئیچ نیز آدرس کارت شبکه نود B را به لیست MAC Table خود در سگمنت C اضافه می کند. از آنجائیکه سوئیچ ، آدرس نود A را از قبل می داند در نتیجه بسته را مستقیماً به نود A می فرستد. چون سگمنتی که نودA متعلق به آن است با سگمنتی که نود B به آن تعلق دارد با هم متفاوت می باشند. در نتیجه سوئیچ می باید این دو سگمنت را به هم مربوط سازد و سپس اقدام به ارسال بسته نماید که به این عمل Forwarding می گویند.
بسته دیگری از سوی نود A به سمت نود B ارسال می گردد، بسته ابتدا به سوئیچ می رسد، سوئیچ نیز آدرس نود B را می داند و بسته را مستقیماً به نود B می فرستد.
Filtering : نود C اطلاعاتی را برای نود A می فرستد. آدرس نود C به سوئیچ نیز از طریق HUB ، ارسال می شود و سوئیچ آدرس نود C را نیز به لیست آدرس های خود در سگمنت A اضافه می کند. پیش از این ، سوئیچ آدرس مربوط به نود A را می دانست و مشخص می سازد که این نودها ( A و C ) هر دو در یک سگمنت مشابه قرار دارند ، پس برای ارسال اطلاعات از نود C به نودA دیگر نیازی نیست تا سوئیچ سگمنت A را با سگمنت دیگری مرتبط سازد. بنابراین سوئیچ در حین انتقال اطلاعات بین نودهای درون یک سگمنت عکس العملی از خود نشان نمی دهد که به این عمل Filtering می گویند.
مراحل Learning و Flooding ادامه می یابد تا اینکه سوئیچ مک آدرس تمامی نودها را به لیست خود اضافه کند. بیشتر سوئیچ ها برای نگهداری لیست آدرس ها از حافظه زیادی برخورد دارند. اما برای استفاده بهتر از این حافظه سوئیچ آدرس های قدیمی را از جدول پاک می کند و برای جلوگیری از اتلاف وقت در آدرس های قدیمی به دنبال آدرسی نمی گردد. برای انجام این کار از تکنیکی موسوم به aging بهره می گیرد. اساساً وقتی اطلاعات یک نود وارد جدول سوئیچ می شود یک Timestamp در مقابل آن اطلاعات نوشته می شود و با دریافت هر بسته اطلاعاتی دیگر ، آن بر چسب زمان (Timestamp) به روز می شود. سوئیچ دارای قابلیتی است که پس از مدتی در صورت عدم فعالیت نود ، اطلاعات مربوط به آن را پاک می کند. این قابلیت باعث میشود تا فضای قابل توجهی از حافظه برای اطلاعات و پکت های دیگر اختصاص داده شود.
در نمونه ای که ملاحظه کردید، دو نود ( A و C ) یک سگمنت را بین خود تقسیم می کنند حال آنکه سوئیچ برای هر یک از نودهای B و D یک سگمنت مستقل میسازد. در یک شبکه ایده آل LAN-Switched هر یک از نودها دارای یک سگمنت جداگانه می باشد که خصیصه مذکور ، احتمال برخورد بین بسته های اطلاعاتی و همچنین نیاز به ف_ * ل*_ ت ر را حذف می کند.
شکل 3
Spanning Trees
برای جلوگیری از وقوع طوفان هایی موسوم به Broadcast Storms و همچنین جوانب ناخواسته دیگری که در اثر اتصال حلقه ای سوئیچ ها بوجود می آیند، شرکت Digital Equipment Corporation پروتکلی با نام Spanning-tree Protocol یا STP ساخته است که موسسه IEEE نیز آن پروتکل را با استاندارد 802.id معرفی کرده است.
اساساً پروتکل مذکور از یک الگوریتم موسوم به (STA) Spanning- tree Algorithm استفاده می کند. الگوریتم مذکور قادر است تا در بین چندین مسیر منتهی به نود مورد نظر ، بهترین راه را تشخیص داده و مسیر های دیگر که ایجاد حلقه می کند را مسدود می سازد.
روتر و سوییچ های لایه 3 ( Router and Layer 3 Switching )
برخی از سوئیچ ها در لایه دوم شبکه یا Data Layer کار می کنند. با افزون روترها به این مجموعه می توانند در لایه سوم شبکه یا Network layer نیز کار کنند. در واقع سوییچ لایه سوم کاملا شبیه روتر است. روتر به محض دریافت پکت اطلاعات به آدرس های مبدا و مقصد نگاهی می اندازد تا مسیری را که بسته می باید طی کند را بیاید. یک سوئیچ استاندارد بر مبنای آدرس های MAC ، مبدا و مقصد بسته را شناسایی می کند.
تفاوت اساسی بین یک روتر و سوئیچ لایه 3 این است که سوئیچ لایه سوم با همان سرعت سوئیچ لایه دوم کار می کند و برای انتقال دیتا از یک قطعه سخت افزاری استفاده می کند همچنین آنها به مانند روترها در مورد نحوه هدایت ترافیک به لایه سوم تصمیم می گیرند. در داخل یک شبکه LAN سوئیچ های لایه سوم معمولاً سریعتر از روترها کار می کنند زیرا بر مبنای سوئیچینگ سخت افزاری ساخته شده اند. در واقع بیشتر سوئیچ های لایه سومCisco روترهایی می باشند که دارای سوئیچینگ سخت افزاری بوده و در داخل این قطعه سخت افزاری ، تعدادی تراشه وجود دارد که بر حسب نیاز انتخاب می شوند که در مجموع موجب افزایش سرعت این روترها می گردند. نحوه ترکیب و مختص بودن سوئیچ های لایه سوم همانند الگویی است که در روترها دیده می شود. هر دوی آنها از پروتکل ها و جداول مسیریابی (Routing Table) استفاده می کنند تا بهترین مسیر را بیابند. هر چند سوئیچ های لایه سوم قادرند تا به صورت فعالی با استفاده از اطلاعات مسیریابی لایه سوم برای سخت افزار برنامه ریزی کنند که در نهایت منجر به هدایت سریع بسته های اطلاعاتی می گردد.
در سوئیچ های لایه سوم کنونی ، اطلاعات بدست آمده از پروتکل های جهت یابی برای روز آمد کردن جداول سخت افزاری استفاده می شوند.
VLAN
با رشد شبکه ها از نظر اندازه و پیچیدگی ، بیشتر شرکت ها به سمت شبکه های محلی مجازی Virtual local Area Network یا VLANS گرایش یافته اند. اساساً یک شبکه مجازی مجموعه ای است از نودهایی که در یک Broadcast Domain قرار دارند.
قبلاً در مورد broadcast و همچنین نحوه ممانعت روترها از عبور broadcastها مطالبی گفته شد.
در این قسمت با دلایل استفاده از VLAN آشنا می شویم:
Security : سیستم هایی که دارای اطلاعات حساس بوده از سایر قسمت های شبکه جدا می شوند که این پارامتر باعث می شود تا از احتمال دسترسی مردم به اطلاعاتی که مجاز به دیدن آنها نیستند، می کاهد.
Projects / Special application : یک شبکه محلی مجازی با جمع آوری نودهای مورد نیاز در کنار هم می تواند به انجام پروژه و یا کار کردن با یک برنامه ویژه را آسانتر کند.
Performance / Bandwidth : مدیر شبکه با بررسی دقیق کار شبکه ، درصدد بر می آید تا شبکه های VLAN را بسازد و بر میزان عرض باند شبکه می افزاید.
Broadcast / Traffic flow : اساسی ترین فاکتور این شبکه ها این است که از انتشار بسته های اطلاعاتی به سمت نودهایی که جزئی از این شبکه نمی باشند جلوگیری کند. این کار منجر به کاهش Broadcast می شود. همچنین دارای Access lists می باشند، که به کنترل نوع ترافیک توسط مدیر شبکه کمک می کند.
Department / Specific Job types : امکان دارد شرکت ها بخواهند شبکه خود را بر حسب نیاز دپارتمان هایی که کاربران آن قسمت ها از شبکه در زمینه پروژه های سنگین استفاده می کنند و یا دپارتمان های که به کارمندان خاصی اختصاص دارند مانند کارمندان فروش و مدیران طراحی کنند.
با استفاده از تعدادی سوئیچ و اتصال به سوئیچ از طریق Telnet به راحتی می توان یک شبکه VLAN را طراحی کرد. بعد از ساخت شبکه مجازی هر یک از سگمنت هایی را که به درگاه های معین وصل می شوند جزئی از این شبکه مجازی می گردند.
مادامی که در یک سوئیچ چندین شبکه VLAN داشته باشیم، این شبکه ها نمی توانند به صورت مستقیم با شبکه دیگری که به آن سوئیچ متصل می باشد ارتباط برقرار کنند. در غیر این صورت می توانست منجر به عدم استفاده از شبکه های مجازی شود البته برای برقراری ارتباط ما بین چندین VLAN به وجود روتر نیاز است.
شبکه های VLAN می توانند از چندین سوئیچ برای برقراری ارتباط استفاده کنند و همچننی چندین شبکه مجازی VLAN می توانند به یک سوئیچ متصل شوند شبکه های مختلفی که به سوئیچ های مختلفی متصل می باشند قادرند تا از طریق لینک ما بین سوئیچ ها با هم ارتباط برقرار کنند. برای تحقق آن از پروتکل موسوم به Trunking بهره می گیرند. پروتکل مذکور تکنولوژیی می باشد که به اطلاعات این امکان را می دهد تا از بین چندین شبکه VLAN و از طریق لینک سوئیچ ها عبور کنند.
پروتکل VLAN Trunking
پروتکل VTP پروتکلی است که سوئیچ ها از آن برای اطلاع رسانی به یکدیگر در مورد ترکیب VLANها استفاده می کنند. همانطور که در شکل 4 مشاهده می کنید هر یک از سوئیچ ها دارای 2 عدد شبکه مجازی VLAN می باشد، به اولین سوئیچ ، شبکه های A و B که از طریق پورت هایی به روتر و سوئیچ دیگر مرتبط می شوند. شبکه های C و D نیز از طریق سوئیچ دوم به سوئیچ اول وصل می شود و همچنین این شبکه ها می توانند از طریق سوئیچ اول به روتر مرتبط می شوند.
شبکه های مجازی از طریق خطوط ارتباطی Trunk موجود در بین سوئیچ ها و با استفاده از روترها ، قادرند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند به طور مثال دیتا از کامپیوتر واقع در (A) VLAN به سرعت برای کامپیوتر دیگر مثلا کامپیوتر موجود در (B) VLAN ارسال می شود. این اطلاعات می باید از سوئیچ به طرف روتر رفته و از آنجا نیز دوباره به سوئیچ باز گردد. اما به وسیله الگوریتم transparent bridging algorithm و همچنین پروتکل Trunking، هر دوی کامپیوترها و روتر می دانند که آنها در داخل یک سگمنت مشابه می باشند.
شکل 4
در هرحال باید توجه داشت که هاب ، سوئیچ و روتر هرکدام به منظور خاصی استفاده شده و استفاده آنها در شبکه به پارامترهای بسیاری که در طراحی شبکه مد نظر قرار می گیرد بستگی دارد.
امیدواریم با این نوشتار توانسته باشیم اندکی از مفاهیم اولیه شبکه و تفاوت ها و چگونگی رفتار تجهیزات شبکه را بیان کرده باشیم.