شبکه‌های محلی سوئیچ‌شده

یک شبکه محلی سوئیچ‌شده، میزبان‌ها را در یک منطقه محدود از طریق سوئیچ‌های لایه پیوند به هم متصل می‌کند که فریم‌ها را بر اساس آدرس‌های MAC ارسال می‌کنند، توپولوژی شبکه را به صورت خودکار یاد می‌گیرند و آن را به دامنه‌های برخورد جداگانه تقسیم می‌کنند.

Definition

یک شبکه محلی سوئیچ‌شده، شبکه‌ای محلی است که در آن سوئیچ‌های لایه پیوند، میزبان‌ها را به هم متصل می‌کنند و فریم‌ها را به صورت انتخابی بر اساس آدرس‌های MAC مقصد ارسال می‌کنند و به طور خودکار یاد می‌گیرند که کدام آدرس‌ها از طریق کدام پورت‌ها قابل دسترسی هستند.

Scope

این موضوع به بررسی عملکرد شبکه‌های محلی سوئیچ‌شده می‌پردازد: آدرس‌دهی لایه پیوند (MAC)، پروتکل تفکیک آدرس که آدرس‌های IP را به آدرس‌های MAC در یک پیوند محلی نگاشت می‌کند، نحوه ساخت جداول ارسال توسط سوئیچ‌های یادگیرنده با مشاهده فریم‌ها، نحوه تقسیم دامنه‌های برخورد در حالی که یک دامنه پخش واحد حفظ می‌شود، و شبکه‌های محلی مجازی (VLANs) که یک سوئیچ فیزیکی را به شبکه‌های منطقی تقسیم می‌کنند. این موضوع شامل فرمت خاص فریم اترنت و سخت‌افزار سوئیچینگ که در موضوع اختصاصی اترنت مورد بررسی قرار می‌گیرد، و مسیریابی بین شبکه‌ای لایه شبکه نمی‌شود.

Core questions

• آدرس‌های لایه پیوند (MAC) چگونه ساختار یافته‌اند و چه تفاوتی با آدرس‌های IP دارند؟
• پروتکل تفکیک آدرس چگونه یک آدرس IP را به یک آدرس MAC در یک پیوند محلی نگاشت می‌کند؟
• یک سوئیچ چگونه مکان میزبان‌ها را یاد می‌گیرد و جدول ارسال خود را می‌سازد؟
• سوئیچ‌ها چگونه دامنه‌های برخورد را تقسیم می‌کنند در حالی که یک دامنه پخش واحد را حفظ می‌کنند؟
• شبکه‌های محلی مجازی (VLANs) چه هستند و چرا استفاده می‌شوند؟

Key concepts

• آدرس‌های MAC (لایه پیوند)
• پروتکل تفکیک آدرس (ARP)
• سوئیچ‌های لایه پیوند
• جداول ارسال سوئیچ
• خودآموزی
• دامنه‌های برخورد و دامنه‌های پخش
• شبکه‌های محلی مجازی (VLANs)
• پروتکل درخت پوشا

Key theories

سوئیچینگ شفاف و خودآموز

یک سوئیچ اترنت، آدرس MAC مبدأ و پورت ورودی هر فریم را ثبت می‌کند و یک جدول ارسال می‌سازد که به آن اجازه می‌دهد فریم‌های بعدی را فقط از پورت به سمت مقصد ارسال کند؛ این یادگیری خودکار و برای میزبان‌ها شفاف است.

تفکیک آدرس

از آنجایی که میزبان‌ها آدرس‌های IP یکدیگر را می‌دانند اما تحویل پیوند به آدرس‌های MAC نیاز دارد، پروتکل تفکیک آدرس یک پرس و جو را برای آدرس MAC مربوط به یک آدرس IP محلی پخش می‌کند و پاسخ را کش می‌کند و لایه‌های شبکه و پیوند را به هم متصل می‌کند.

تقسیم دامنه برخورد و VLANها

سوئیچ‌ها برخوردها را به پیوندهای جداگانه محدود می‌کنند و می‌توانند به صورت منطقی به شبکه‌های محلی مجازی تقسیم شوند، ترافیک پخش را ایزوله کرده و میزبان‌ها را مستقل از سیم‌کشی فیزیکی برای امنیت و قابلیت مدیریت گروه‌بندی می‌کنند.

Clinical relevance

شبکه‌های محلی سوئیچ‌شده، بلوک سازنده روزمره شبکه‌های سازمانی، دانشگاهی و مراکز داده هستند. سوئیچ‌های خودآموز، شبکه‌سازی محلی plug-and-play را ممکن می‌سازند، VLANها به یک زیرساخت فیزیکی اجازه می‌دهند تا برای جداسازی و امنیت به بسیاری از شبکه‌های منطقی خدمت کند، و درک ARP و دامنه‌های پخش برای تشخیص مشکلات اتصال، طوفان‌های پخش و تداخل آدرس‌ها ضروری است.

History

شبکه‌های محلی اولیه از رسانه‌های مشترک استفاده می‌کردند که در آن همه میزبان‌ها یک دامنه برخورد را به اشتراک می‌گذاشتند. پل‌های شفاف، و پروتکل درخت پوشا (spanning tree protocol) رادیا پرلمن برای جلوگیری از حلقه‌ها در میان آنها، امکان اتصال ایمن چندین بخش را فراهم کردند. پروتکل تفکیک آدرس (RFC 826, 1982) IP را به آدرس‌دهی اترنت پیوند داد. پل‌ها به سوئیچ‌های با چگالی پورت بالا تکامل یافتند و شبکه‌های محلی را به شبکه‌های کاملاً سوئیچ‌شده، تمام‌دوطرفه با پشتیبانی VLAN تبدیل کردند.

Key figures

• Radia Perlman
• David C. Plummer
• Larry L. Peterson

Seminal works

• kurose2021
• rfc826

Frequently asked questions

یک سوئیچ چگونه می‌داند که یک فریم را به کجا ارسال کند؟

یک سوئیچ با مشاهده ترافیک یاد می‌گیرد: وقتی یک فریم می‌رسد، آدرس MAC مبدأ و پورتی که از آن وارد شده است را ثبت می‌کند. با گذشت زمان، جدولی از نگاشت آدرس‌ها به پورت‌ها می‌سازد، بنابراین می‌تواند یک فریم را فقط از پورت به سمت مقصد خود ارسال کند، و تنها زمانی که مقصد هنوز ناشناخته است، آن را به همه پورت‌ها ارسال می‌کند.

VLAN چیست؟

یک شبکه محلی مجازی (VLAN) یک سوئیچ فیزیکی (یا مجموعه‌ای از سوئیچ‌ها) را به چندین دامنه پخش منطقی تقسیم می‌کند. میزبان‌ها در VLANهای مختلف طوری رفتار می‌کنند که گویی در سوئیچ‌های جداگانه هستند، که امنیت و ایزوله‌سازی را بهبود می‌بخشد و به مدیران اجازه می‌دهد دستگاه‌ها را به صورت منطقی و نه بر اساس محل اتصال فیزیکی آنها گروه‌بندی کنند.