Мосты и коммутаторы: Волшебные стражи сетей — как они делают жизнь в интернете проще

Представьте себе огромный шумный базар, где все кричат одновременно — каждый пытается перебить другого, чтобы что-то продать или купить. Это похоже на сеть без сегментации: все устройства пытаются отправить свои данные по одному проводу, сталкиваются, мешают друг другу, и все тормозит. К счастью, в нашем базаре есть специальные контролеры — мосты и коммутаторы, которые как опытные дирижёры умело управляют потоком данных, разделяют толпу на уютные группы и не дают происходить хаосу.

В этой статье мы подробно разберёмся, что такое мост и коммутатор, почему они нужны, как работают, в чем их отличия и почему коммутаторы вытеснили мосты из локальных сетей. Мы познакомимся с ключевыми понятиями — сегментация сети, MAC-адреса, таблицы маршрутизации, микросегментация и полнодуплексный режим, а также узнаем, как современные коммутаторы делают нашу жизнь в интернете быстрее и удобнее.

Что такое мост в сетях и как он работает?

Если продолжать аналогию с базаром, мост — это как узкий мостик между двумя оживлёнными площадками. Он соединяет два сегмента сети, позволяя данным переходить с одной стороны на другую, но не даёт всем кричать одновременно по обеим сторонам.

Мост — это устройство канального уровня (второго уровня) модели OSI, которое соединяет два или более сегмента сети. В отличие от простых повторителей (концентраторов), которые просто пересылают все данные всем, мост анализирует MAC-адреса — уникальные аппаратные адреса устройств — в кадрах данных. Он знает, какие устройства где находятся, и пересылает кадры только туда, куда нужно.

Как мост учится? Сначала он ничего не знает и передаёт кадры во все сегменты, кроме того, откуда они пришли. Постепенно, наблюдая адреса источников в кадрах, он строит таблицу адресов, где каждому MAC-адресу сопоставлен порт (или сегмент). Если адрес назначения в кадре принадлежит тому же сегменту, кадр просто фильтруется (не пересылается). Если адрес в другом сегменте — кадр передаётся на нужный порт.

Эта система уменьшает количество коллизий — когда два устройства пытаются отправить данные одновременно и они "столкаются" — и повышает производительность сети.

В чем разница между мостом и коммутатором?

На первый взгляд мост и коммутатор — братья-близнецы, оба работают на канальном уровне и выполняют похожие функции. Но у коммутатора есть крутая "суперсила": он умеет обрабатывать несколько соединений одновременно, тогда как мост способен передавать данные только между одной парой портов в каждый момент времени.

Таблица: Мост vs Коммутатор

В 1980-х мосты решали задачи сегментации сети, чтобы уменьшить число пользователей в одном сегменте и тем самым повысить скорость передачи данных. Но с ростом количества устройств и появлением мультимедиа трафика мост стал узким горлышком.

В начале 1990-х появился коммутатор — по сути многопортовый мост с собственным процессором на каждый порт, который способен создавать виртуальные каналы между портами, передавая данные напрямую и одновременно. Это микросегментация, которая позволила убрать коллизии и увеличить пропускную способность в десятки раз.

Зачем нужна сегментация сети и как она работает?

Сегментация — это деление большой сети на более мелкие части, или сегменты. Если представить сеть как большой зал с танцполом, то сегментация — это расстановка перегородок, чтобы люди могли танцевать и не толкаться.

В технологическом плане это помогает:

• Уменьшить коллизии и улучшить доступ к среде передачи данных.
• Повысить пропускную способность.
• Легче управлять сетью и обеспечивать безопасность.
• Увеличить надёжность, изолируя аварийные участки.

Мосты и коммутаторы — основные инструменты для создания таких сегментов.

Как работает прозрачный мост: умный посредник в сети

Термин "прозрачный" здесь значит, что для остальных устройств сети мост незаметен — они не знают о его существовании и не требуют специальных настроек.

Основные моменты работы прозрачного моста:

• Мост работает в режиме promiscuous — он слушает все кадры, которые проходят через его порты.
• Составляет таблицу соответствия MAC-адрес → порт.
• Если получает кадр с адресом назначения в известном сегменте, передаёт туда.
• Если адрес неизвестен — отправляет кадр на все порты, кроме входного (веерная рассылка).
• Постоянно обновляет таблицу, адаптируясь к изменениям в сети.
• Фильтрует кадры, которые направлены в тот же сегмент, где и источник.

Таким образом, мост помогает сети работать быстрее, уменьшая ненужный трафик.

Ограничения мостов и как коммутаторы их преодолели

Проблемы мостов:

• Передача кадров последовательно — всего одна пара портов задействована в момент времени.
• Ограниченная пропускная способность.
• При высокой нагрузке буферы моста переполняются — кадры теряются.
• Нет защиты от широковещательных штормов — когда множество широковещательных кадров захватывают всю сеть.

Коммутаторы решили эти проблемы:

• Параллельная передача кадров между всеми портами.
• Режим полного дуплекса — одновременно отправка и приём данных.
• Высокая производительность, благодаря многопроцессорной архитектуре.
• Дополнительные функции: VLAN, приоритезация трафика, магистральные порты.

MAC-адреса, порты и таблицы: как мосты и коммутаторы знают куда идти

Каждое сетевое устройство имеет уникальный MAC-адрес — это как паспорт компьютера в сети. Когда кадр приходит на мост или коммутатор, устройство читает MAC-адрес отправителя, записывает в таблицу, к какому порту он принадлежит.

Таблица фильтрации (маршрутизации) — это карта, которая подсказывает, куда отправлять данные. При поступлении нового кадра по адресу назначения устройство смотрит в таблицу:

• Если адрес есть, пересылает кадр на соответствующий порт.
• Если адрес неизвестен — отправляет кадр на все порты (кроме входного) — это веерная рассылка.

Микросегментация и полный дуплекс: как коммутатор делает сеть шустрой

Микросегментация — это создание отдельного, практически выделенного канала между двумя устройствами в сети. Коммутатор обеспечивает такую связь, создавая виртуальный канал по которому кадры идут напрямую, без вмешательства других устройств.

Полный дуплекс — режим, в котором устройство одновременно может передавать и принимать данные, как говорить по телефону и слушать собеседника одновременно, а не ждать своей очереди.

Эти технологии практически устраняют коллизии и увеличивают пропускную способность сети.

Решение проблемы коллизий и задержек в больших сетях

В больших сетях с сотнями узлов использовать один разделяемый сегмент — как пытаться поговорить в толпе, где все говорят одновременно. Методы доступа к среде (например, CSMA/CD у Ethernet) пытаются решить эту проблему, но при большой нагрузке появляются коллизии и задержки, снижающие производительность.

Деление сети на сегменты с помощью мостов и коммутаторов уменьшает нагрузку на каждый сегмент, снижает коллизии и задержки, повышая полезную пропускную способность.

Дополнительные функции современных коммутаторов

Сегодня коммутаторы — это полноценные сетевые интеллектуальные центры, поддерживающие:

• Виртуальные локальные сети (VLAN) для изоляции трафика.
• Приоритезацию трафика для обеспечения качества сервисов (QoS).
• Поддержку магистральных портов для объединения коммутаторов.
• Инструменты управления и мониторинга.

Это позволяет строить гибкие, безопасные и масштабируемые сети.

Широковещательный шторм и борьба с ним

Широковещательный шторм — ситуация, когда множество широковещательных кадров заполняют сеть, снижая её работоспособность. Мосты по умолчанию не защищают от этого, лишь позволяют администратору ограничивать интенсивность таких кадров вручную.

Маршрутизаторы и современные коммутаторы имеют более продвинутые механизмы борьбы с широковещательными штормами.

FAQ — Часто задаваемые вопросы

Что такое MAC-адрес?
Это уникальный идентификатор сетевого интерфейса, который позволяет устройствам находить друг друга в сети.

Зачем нужны мосты, если есть коммутаторы?
Сегодня в локальных сетях используются коммутаторы, а мосты остались для связи разных сетей или глобальных связей.

Можно ли использовать мосты для соединения разных технологий, например Ethernet и Token Ring?
Да, мосты могут соединять сегменты с разными протоколами физического и канального уровней.

Почему коммутатор быстрее моста?
Потому что у коммутатора несколько процессоров, каждый обслуживает свой порт, и он может обрабатывать данные параллельно.

Чек-лист по выбору устройства для сегментации сети

• Если сеть маленькая, с малым количеством устройств — можно использовать мост.
• Для средних и больших сетей — однозначно коммутатор.
• Нужна поддержка VLAN и QoS — выбирайте современные коммутаторы.
• Для соединения разных типов сетей — подходят мосты с протоколами трансляции.
• Оцените нагрузку на сеть и количество узлов — чтобы не допустить перегрузки сегментов.

Советы по оптимизации сети с мостами и коммутаторами

• Разделяйте сеть на сегменты с количеством узлов не более 30-50, чтобы избежать перегрузок.
• Следите за нагрузкой на сегменты и своевременно добавляйте новые коммутаторы.
• Используйте VLAN для дополнительной безопасности и управления трафиком.
• Следите за широковещательным трафиком — настройте фильтры и ограничения.
• Обновляйте оборудование для поддержки современных протоколов и функций.

Итог

Мосты и коммутаторы — ключевые герои второго уровня сетевой модели, благодаря которым сети становятся управляемыми, быстрыми и надёжными. Мосты были первыми шагами на пути к разделению сетей, но именно коммутаторы, благодаря своей многопроцессорной архитектуре и поддержке микросегментации и полного дуплекса, сделали возможным создание масштабируемых и эффективных локальных сетей. Понимание принципов их работы поможет почувствовать себя немного волшебником, управляющим невидимыми потоками данных.