เครือข่ายท้องถิ่นแบบสวิตช์

เครือข่ายท้องถิ่นแบบสวิตช์เชื่อมต่อโฮสต์ภายในพื้นที่จำกัดผ่านสวิตช์เลเยอร์ลิงก์ที่ส่งต่อเฟรมตามที่อยู่ MAC โดยเรียนรู้โทโพโลยีเครือข่ายโดยอัตโนมัติและแบ่งส่วนออกเป็นโดเมนการชนกันที่แยกจากกัน

Definition

เครือข่ายท้องถิ่นแบบสวิตช์คือเครือข่ายท้องถิ่นที่สวิตช์เลเยอร์ลิงก์เชื่อมต่อโฮสต์และส่งต่อเฟรมแบบเลือกตามที่อยู่ MAC ปลายทาง โดยเรียนรู้โดยอัตโนมัติว่าที่อยู่ใดสามารถเข้าถึงได้ผ่านพอร์ตใด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการทำงานของ LAN แบบสวิตช์: การระบุที่อยู่เลเยอร์ลิงก์ (MAC), โปรโตคอล Address Resolution Protocol ที่จับคู่ที่อยู่ IP กับที่อยู่ MAC บนลิงก์ท้องถิ่น, วิธีที่สวิตช์แบบเรียนรู้สร้างตารางการส่งต่อโดยการสังเกตเฟรม, วิธีที่สวิตช์แบ่งส่วนโดเมนการชนกันในขณะที่ยังคงรักษาโดเมนการแพร่ภาพเดียว, และเครือข่ายท้องถิ่นเสมือน (VLAN) ที่แบ่งสวิตช์ทางกายภาพออกเป็นเครือข่ายเชิงตรรกะ หัวข้อนี้ไม่รวมรูปแบบเฟรม Ethernet เฉพาะและฮาร์ดแวร์สวิตช์ ซึ่งกล่าวถึงในหัวข้อ Ethernet โดยเฉพาะ และการกำหนดเส้นทางข้ามเครือข่ายของเลเยอร์เครือข่าย

Core questions

• ที่อยู่เลเยอร์ลิงก์ (MAC) มีโครงสร้างอย่างไร และแตกต่างจากที่อยู่ IP อย่างไร?
• โปรโตคอล Address Resolution Protocol จับคู่ที่อยู่ IP กับที่อยู่ MAC บนลิงก์ท้องถิ่นได้อย่างไร?
• สวิตช์เรียนรู้ตำแหน่งของโฮสต์และสร้างตารางการส่งต่อได้อย่างไร?
• สวิตช์แบ่งส่วนโดเมนการชนกันในขณะที่ยังคงรักษาโดเมนการแพร่ภาพเดียวได้อย่างไร?
• เครือข่ายท้องถิ่นเสมือน (VLAN) คืออะไร และเหตุใดจึงมีการใช้งาน?

Key concepts

• ที่อยู่ MAC (เลเยอร์ลิงก์)
• โปรโตคอล Address Resolution Protocol (ARP)
• สวิตช์เลเยอร์ลิงก์
• ตารางการส่งต่อของสวิตช์
• การเรียนรู้ด้วยตนเอง
• โดเมนการชนกันและโดเมนการแพร่ภาพ
• เครือข่ายท้องถิ่นเสมือน (VLAN)
• โปรโตคอล spanning tree

Key theories

การสวิตช์แบบเรียนรู้ด้วยตนเองและโปร่งใส

สวิตช์ Ethernet จะบันทึกที่อยู่ MAC ต้นทางและพอร์ตขาเข้าของแต่ละเฟรม สร้างตารางการส่งต่อที่ช่วยให้สามารถส่งเฟรมถัดไปออกไปเฉพาะพอร์ตที่มุ่งไปยังปลายทาง การเรียนรู้นี้เป็นไปโดยอัตโนมัติและโปร่งใสสำหรับโฮสต์

การแก้ไขที่อยู่

เนื่องจากโฮสต์รู้จักที่อยู่ IP ของกันและกัน แต่การส่งมอบลิงก์ต้องการที่อยู่ MAC โปรโตคอล Address Resolution Protocol จะแพร่ภาพการสอบถามสำหรับที่อยู่ MAC ที่สอดคล้องกับที่อยู่ IP ท้องถิ่นและแคชการตอบกลับ ซึ่งเชื่อมโยงเลเยอร์เครือข่ายและเลเยอร์ลิงก์เข้าด้วยกัน

การแบ่งส่วนโดเมนการชนกันและ VLAN

สวิตช์จำกัดการชนกันไว้ที่ลิงก์แต่ละลิงก์ และสามารถแบ่งส่วนเชิงตรรกะออกเป็นเครือข่ายท้องถิ่นเสมือน (VLAN) ซึ่งแยกการรับส่งข้อมูลแบบแพร่ภาพและจัดกลุ่มโฮสต์โดยไม่ขึ้นกับการเดินสายทางกายภาพเพื่อความปลอดภัยและการจัดการ

Clinical relevance

LAN แบบสวิตช์เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในชีวิตประจำวันของเครือข่ายองค์กร วิทยาเขต และศูนย์ข้อมูล สวิตช์แบบเรียนรู้ด้วยตนเองทำให้การสร้างเครือข่ายท้องถิ่นแบบ plug-and-play เป็นไปได้ VLAN ช่วยให้โครงสร้างพื้นฐานทางกายภาพหนึ่งเดียวสามารถให้บริการเครือข่ายเชิงตรรกะได้หลายเครือข่ายเพื่อการแยกและการรักษาความปลอดภัย และการทำความเข้าใจ ARP และโดเมนการแพร่ภาพเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวินิจฉัยปัญหาการเชื่อมต่อ ปัญหา broadcast storm และความขัดแย้งของที่อยู่

History

LAN ยุคแรกใช้สื่อร่วมกันที่โฮสต์ทั้งหมดใช้โดเมนการชนกันเดียว บริดจ์แบบโปร่งใส และโปรโตคอล spanning tree ของ Radia Perlman เพื่อป้องกันการวนซ้ำระหว่างบริดจ์เหล่านั้น ทำให้สามารถรวมส่วนต่างๆ ได้อย่างปลอดภัย โปรโตคอล Address Resolution Protocol (RFC 826, 1982) เชื่อมโยง IP กับการระบุที่อยู่ Ethernet บริดจ์ได้พัฒนาเป็นสวิตช์ที่มีพอร์ตหนาแน่นสูง ทำให้ LAN กลายเป็นเครือข่ายแบบสวิตช์เต็มรูปแบบและ full-duplex พร้อมรองรับ VLAN

Key figures

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

Seminal works

• kurose2021
• rfc826

Frequently asked questions

สวิตช์รู้ได้อย่างไรว่าจะส่งเฟรมไปที่ใด?

สวิตช์เรียนรู้โดยการสังเกตการรับส่งข้อมูล: เมื่อเฟรมมาถึง สวิตช์จะบันทึกที่อยู่ MAC ต้นทางและพอร์ตที่เฟรมเข้ามา เมื่อเวลาผ่านไป สวิตช์จะสร้างตารางที่จับคู่ที่อยู่กับพอร์ต เพื่อให้สามารถส่งต่อเฟรมออกไปเฉพาะพอร์ตที่มุ่งไปยังปลายทาง โดยจะแพร่ภาพไปยังทุกพอร์ตก็ต่อเมื่อปลายทางยังไม่เป็นที่รู้จัก

VLAN คืออะไร?

เครือข่ายท้องถิ่นเสมือน (VLAN) แบ่งสวิตช์ทางกายภาพ (หรือชุดของสวิตช์) ออกเป็นโดเมนการแพร่ภาพเชิงตรรกะหลายโดเมน โฮสต์ใน VLAN ที่แตกต่างกันจะทำงานราวกับว่าอยู่บนสวิตช์ที่แยกจากกัน ซึ่งช่วยปรับปรุงความปลอดภัยและการแยก และช่วยให้ผู้ดูแลระบบสามารถจัดกลุ่มอุปกรณ์เชิงตรรกะได้แทนที่จะจัดกลุ่มตามตำแหน่งที่เสียบปลั๊กทางกายภาพ