Сложно о простом. Как работает интернет. Часть 1. Что такое коммутатор, маршрутизатор и примеры работы простых сетей

Приветствую, коллеги! Меня зовут @ProstoKirReal. Мне бы хотелось с вами обсудить как работает интернет от кабелей на витой паре, соединяющие простые локальные сети до подводных коммуникационных кабелей соединяющие между собой континенты и основные операторские сети.
Поскольку в одной статье невозможно охватить всю тему целиком, я разделю подготовленный материал на несколько частей. Сегодня мы начнем с базовых понятий.

Важно понимать, что разобраться во всех аспектах этой темы сложно, так как существуют узкие специализации и знания, недоступные обычному сетевому инженеру. Я не буду углубляться в историю интернета или рассказывать о классах IP-адресов и других устаревших концепциях. Вместо этого я сосредоточусь на том, как работает интернет в настоящее время.

В этом цикле статей я не стану учить вас настраивать оборудование и проектировать сети. Я расскажу об основных (и не только) принципах построения сети, а также о функционировании сети и сетевых протоколов в стеке TCP/IP.

Я буду часто ссылаться к предыдущим статьям, где уже описывал сетевые протоколы. Это позволит мне сократить объемный текст.

Данная статья нужна нам для того, чтобы разобраться в базовых знаниях и разобрать:

- что такое коммутатор, маршрутизатор, их основные различия и зачем они нужны;

- примеры работы простых сетей, с помощью сетевых концентраторов (хабов) и коммутаторов.

Когда мы задаем вопрос в поисковике: «Чем отличается коммутатор от маршрутизатора?», то один из самых распространенных ответов, который можно найти в интернете (например, на Mail.ru), звучит так:

В функционале. Маршрутизатор - маршрутизирует, коммутатор - коммутирует. Все просто:)))

Это, пожалуй, самый краткий и ёмкий ответ на данный вопрос.

Однако если подойти к вопросу серьезно, необходимо разобраться в понятиях коммутации и маршрутизации.

Коммутация — это процесс перенаправления данных (кадров) в пределах одной сети, основанный на анализе адреса назначения. Она работает на канальном уровне модели OSI (L2), используя MAC-адреса устройств.

Маршрутизация — это процесс определения пути для передачи данных между разными сетями. Работает на сетевом уровне модели OSI (L3), используя IP-адреса.

Коммутаторы (switch) и маршрутизаторы (router) — это два ключевых устройства в сетевых инфраструктурах, которые выполняют разные, хотя и пересекающиеся, задачи. Разберемся в их функциях, особенностях и причинах появления, а также рассмотрим современные реалии, в которых их функциональность все больше пересекается.

Зачем появились маршрутизаторы

Исторически маршрутизаторы появились для соединения сетей с разными технологиями передачи данных. В начале эры сетей существовало множество локальных сетей (LAN) с различными стандартами: Ethernet, Token Ring, модемные пулы и другие. Эти сети были физически и логически разобщены, поскольку каждая из них использовала свои протоколы адресации и методы передачи данных.

Для решения этой проблемы была введена абстракция в виде IP-адреса — универсального протокола, не привязанного к физическому носителю. Маршрутизаторы стали устройствами, способными связывать сети с разными технологиями передачи данных, обеспечивая маршрутизацию на основе IP-адресов.

Основные функции

Маршрутизаторы:

1. Коммутаторы:

2. Маршрутизаторы:

Раньше этих различий хватало для определения работы коммутатора и маршрутизатора, но в современных устройствах все эти функции часто объединяются в L3-коммутаторах, которые совмещают преимущества обоих типов устройств.

На данный момент различия между ними размыто, так как коммутаторы L3 и L3+ (Multiplayer switch) могут выполнять часть функционала маршрутизатора и маршрутизатор может иметь дополнительные физические порты для подключения локальных сетей.

❯ Сравнительная таблица

Каждое устройство имеет свои уникальные сильные стороны и применяется в зависимости от масштабов и требований сети.

Хотя изначально коммутаторы и маршрутизаторы выполняли строго разные задачи, современное развитие сетевых технологий привело к значительному пересечению их функций.

Однако ключевые различия сохраняются: маршрутизаторы лучше подходят для связи между сетями с различными технологиями и для управления сложными топологиями, тогда как коммутаторы оптимизированы для высокой пропускной способности и коммутации в рамках одной сети. Выбор между этими устройствами зависит от конкретных задач и архитектуры сети.

Что же такое сеть? Если соединить два компьютера между собой, назначить им IP-адреса, будет ли это сетью? Ответ прост: да, это уже локальная сеть.

Сеть — это соединение двух и более компьютеров, устройств или других компонентов для обмена информацией.

Как только мы подключаем устройства к домашнему маршрутизатору, они становятся частью локальной сети. Маршрутизатор служит шлюзом по умолчанию для всех подключенных устройств и направляет пакеты данных для выхода в интернет.

Но пока не будем забегать вперед, начнем с самого простого — с двух соединенных между собой компьютеров.

Предположим, у нас есть два компьютера. Компьютер №1 имеет mac-адрес 00:00:00:00:00:0a, а компьютер №2 — 00:00:00:00:00:0b.

Мы назначаем компьютеру №1 IP-адрес 192.168.0.1, а компьютеру №2 — IP-адрес 192.168.0.2. Затем мы соединяем их сетевые карты «напрямую» с помощью витой пары.

Чтобы проверить доступность соседнего компьютера, можно использовать утилиту «ping» и отправить запрос на него.

Однако есть проблема: компьютер №1 не сможет сразу отправить ICMP-запрос компьютеру №2, так как он не знает его mac-адрес. Это можно проверить, введя команду «arp -a» в командной строке (для Windows) и убедившись, что таблица ARP пуста.

Как было сказано в предыдущей статье, ARP (Address Resolution Protocol) — это важнейший протокол в компьютерных сетях, который используется для определения MAC-адреса другого компьютера по известному IP-адресу.

Первым делом компьютер №1 отправит широковещательный запрос в сеть, чтобы узнать, кто такой 192.168.0.2.

Пакет будет выглядеть следующим образом:

Подробнее о заголовках L3 уровня (ARP, ICMP и др.) я рассказывал в этой статье.

После того как ARP-ответ будет получен компьютером №2, он сохранит в своей ARP-таблице информацию о IP и mac-адресе компьютера №1.

Теперь компьютеру необходимо отправить ARP-ответ.

Пакет будет выглядеть следующим образом:

После того как ARP-ответ поступит к компьютеру №1, он сохранит в своей ARP-таблице информацию о IP и mac-адресе компьютера №2.Теперь для формирования ICMP-запроса известна вся информация, и от компьютера №1 будет сформирован следующий пакет:

После того как ICMP-запрос поступит на компьютер №2, тот отправит ICMP-ответ, так как уже знает mac-адрес соседнего устройства из своей ARP-таблицы.

Ответ будет выглядеть следующим образом:

После того как все эти пакеты прошли свой не долгий путь, в утилите «ping» появится первое сообщение о доступности соседнего устройства.

Для этого в простых сетях используют сетевой концентратор, он же hub/хаб.

Хаб передает данные, поступающие на один из его портов, на все остальные порты, что позволяет устройствам в локальной сети обмениваться информацией без сложной настройки. Однако такой подход имеет свои плюсы и минусы.

Хаб — это недорогое сетевое устройство, которое подходит для соединения небольших локальных сетей. Однако, если в сети используется большое количество устройств, возникают проблемы.

Современные сети используют коммутаторы (switch), которые работают на уровне L2, что позволяет им направлять пакеты только устройствам-адресатам.

Предположим, у нас есть хаб и три компьютера с IP-адресами:

Все три компьютера подключены к хабу. Теперь, если мы с компьютера №1 отправим запрос «ping» на компьютер №2, то процесс будет происходить следующим образом.

Шаг 1. ARP-запрос

Компьютер №1 сначала отправит ARP-запрос в сеть, чтобы узнать MAC-адрес компьютера №2. Этот запрос будет выглядеть так:

Действия хаба

Хаб получит этот пакет через порт, к которому подключен компьютер №1, и передаст его на все остальные порты, кроме порта-отправителя. Таким образом, ARP-запрос поступит как на компьютер №2, так и на компьютер №3. Компьютеры №2 и №3 сохранят в ARP-таблице запись о компьютере №1, так как запрос был широковещательным. Однако ответит на него только компьютер №2, так как IP-адрес в запросе соответствует его собственному.

Ответ от компьютера №2

Компьютер №2 отправит ARP-ответ, который пройдет через хаб и будет доставлен компьютеру №1. Компьютер №3 проигнорирует этот ответ, так как он не предназначен ему.

ARP-ответ будет выглядеть следующим образом:

Шаг 2. ICMP-запрос и ответ

После завершения ARP-обмена компьютер №1 сформирует ICMP-запрос и отправит его на компьютер №2. Запрос и последующий ответ будут переданы аналогичным образом через хаб, но пакеты также дойдут до всех устройств в сети, создавая дополнительную нагрузку.

В такой схеме:

Компьютер №3 знает о Компьютере №1 из своей ARP-таблицы, но не знает о Компьютере №2 по следующим причинам:

Если мы попытаемся «пингануть» с компьютера №2 компьютер №3, произойдет ARP-обмен, как в примере выше. Однако если мы попытаемся с компьютера №3 «пингануть» компьютер №1, процесс будет следующим:

Когда мы запускаем утилиту «ping», некоторые пакеты теряются. Это происходит из-за того, что требуется ARP-обмен данными между всеми промежуточными устройствами. Именно поэтому возникает необходимость в обмене данными с использованием протокола ARP между всеми устройствами, находящимися между источником и получателем данных.

Ответ прост: использовать L2-коммутатор.

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI и использует MAC-адреса для пересылки данных. Рассмотрим на примере, как это происходит.

Устройства в сети:

Шаг 1. ARP-запрос

Когда компьютер №1 отправляет запрос «ping» на компьютер №2, он сначала формирует ARP-запрос для определения MAC-адреса получателя. Этот запрос поступает на коммутатор, который, не имея записей в MAC-таблице, рассылает его на все активные порты, кроме порта-отправителя.

Действия коммутатора:

Ответы компьютеров:

Коммутатор, получив ARP-ответ от компьютера №2, обновляет свою MAC-таблицу, добавляя запись о MAC-адресе компьютера №2.

Шаг 2. ICMP-запрос и ответ

После завершения ARP-обмена компьютер №1 отправляет ICMP-запрос компьютеру №2. Благодаря MAC-таблице, коммутатор направляет пакеты только в порт, подключенный к компьютеру №2, избегая лишней нагрузки на другие устройства.

Если компьютер №3 отправит запрос «ping» на компьютер №1, процесс будет следующий:

Если коммутатор перезагрузится или его MAC-таблица очистится, он начнет временно работать как хаб, передавая пакеты на все порты, пока MAC-таблица не будет заполнена.

В этой ситуации происходит следующее:

Ключевое отличие коммутатора от концентратора (хаба) заключается в следующем: хаб, независимо от обстоятельств, всегда будет пересылать пакеты во все порты, кроме того, из которого этот пакет был получен. В свою очередь, коммутатор передает пакеты на все порты до тех пор, пока в его MAC-таблице не появятся записи. Как только в таблице появляются записи, коммутатор направляет пакеты в соответствующие порты.

Рассмотрим, как работает сеть с несколькими коммутаторами.

Устройства в сети:

Все три компьютера подключены к нескольким коммутаторам. Если с компьютера №1 отправить запрос «ping» на компьютер №2, ARP-запрос попадет на коммутатор и будет направлен во все активные порты, поскольку это широковещательный запрос.

Шаг 1. ARP-запрос

Когда компьютер №1 отправляет ARP-запрос компьютеру №2:

1. Коммутатор №1:

2. Коммутатор №2:

Компьютеры №2 и №3 сохраняют запись о MAC-адресе компьютера №1.

Шаг 2. ICMP-запрос и ответ

Когда компьютеры начинают обмениваться ICMP-пакетами, каждый коммутатор использует свои MAC-таблицы для передачи пакетов только на целевые порты.

Если с компьютера №3 отправить запрос «ping» на компьютер №2, произойдет ARP-обмен данными между устройствами. Коммутаторы сохранят необходимые записи в своих MAC-таблицах, и ICMP-пакеты будут передаваться в соответствии с этими таблицами.

Каждый коммутатор формирует свою MAC-таблицу, основываясь на трафике, проходящем через его порты. Чем больше устройств подключено за одним портом, тем больше записей будет ассоциировано с этим портом. Однако даже в сложных сетях коммутаторы эффективно справляются с передачей пакетов, минимизируя нагрузку на сеть.

Подводя итоги, мы рассмотрели ключевые устройства и их функции в сетях, такие как коммутаторы и маршрутизаторы, их различия и области применения. Также мы разобрали базовые принципы работы сетей на примере нескольких подключенных устройств, ARP-запросов, ICMP-протокола и их взаимодействия.

Важно отметить, что в этой статье мы не рассматривали работу маршрутизаторов в более сложных сетевых топологиях. В следующей статье мы разберем, как работают маршрутизаторы, как сегментировать сеть, зачем это нужно и как это влияет на масштабируемость и управление.

Эти знания помогут глубже понять основы проектирования сетей и взаимодействия их компонентов.

Автор текста: ProstoKirReal, которого можно найти в нашем основном блоге на Хабре.

Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Мы всегда рады новым авторам. Если хотите предложить статью на Timeweb Cloud или заинтересованы в сотрудничестве — пишите сюда.