سوئیچ شبکه چیست و انواع آن کدام است؟

در هر شبکه‌ای، مدیریت درست جریان داده‌ها تعیین‌کننده سرعت و کارایی ارتباطات است. سوئیچ شبکه به‌عنوان یک دستگاه چند پورتی، داده‌ها را دریافت و با شناسایی آدرس MAC، آن‌ها را به مقصد مناسب ارسال می‌کند. بدون یک سوئیچ کارآمد، ارتباطات شبکه‌ای دچار تأخیر و اختلال می‌شود.

انتخاب یک سوئیچ مناسب به نوع شبکه و نیازهای آن بستگی دارد. هر محیطی از جمله دیتاسنتر‌، شبکه‌های سازمانی و حتی کاربردهای خانگی، به یک سوئیچ با ویژگی‌های خاص نیاز دارد. در این مقاله به این سوال پاسخ می‎دهیم که سوئیچ شبکه چیست، انواع سوئیچ شبکه و نحوه عملکرد آن‌ها را بررسی می‎کنیم و در نهایت، پنج کاربرد مهم این تجهیز مهم را توضیح خواهیم داد.

سوئیچ شبکه چیست؟

سوئیچ شبکه یک سخت‌افزار است که مسئول انتقال داده‌ها در شبکه به مقصد موردنظر از طریق سوئیچینگ بسته‌ها، شناسایی آدرس MAC و یک سیستم پل چندپورتی است.

سوئیچ شبکه داده‌ها را بین دستگاه‌های متصل در یک شبکه LAN منتقل می‌کند. برخلاف روتر که داده‌ها را به چندین دستگاه ارسال می‌کند، سوئیچ فقط اطلاعات را به همان دستگاهی که برای آن طراحی شده ارسال می‌کند، که می‌تواند شامل یک سوئیچ دیگر، یک روتر یا کامپیوتر کاربر باشد.

امروزه، شبکه‌ها برای پشتیبانی از شرکت‌ها، ارائه خدمات متصل و تسهیل همکاری نقش حیاتی دارند. از آنجا که سوئیچ‌ها دستگاه‌هایی را که منابع را به اشتراک می‌گذارند به هم متصل می‌کنند، آن‌ها یکی از اجزای ضروری همه شبکه‌ها هستند.

سوئیچ شبکه در لایه دوم (Data Link Layer) مدل اتصال سیستم‌های باز (OSI) کار می‌کند. این دستگاه بسته‌های داده را از نقاط دسترسی متصل به پورت‌های فیزیکی دریافت کرده و تنها از طریق پورت‌هایی که به دستگاه مقصد متصل هستند، ارسال می‌کند.

برخی از سوئیچ‌ها می‌توانند در لایه سوم (Network Layer) نیز عمل کنند، جایی که مسیریابی داده‌ها انجام می‌شود. سوئیچ‌ها در شبکه‌های اترنت (Ethernet)، فیبر نوری، InfiniBand و انتقال ناهمگام (ATM) به کار می‌روند، اما امروزه بیشتر سوئیچ‌ها از اترنت استفاده می‌کنند.

سوئیچ شبکه، دستگاه‌های مختلفی مانند پرینترها، کامپیوترها، دستگاه‌های بی‌سیم و نقاط دسترسی (Access Points) را به هم متصل کرده و امکان تبادل داده را فراهم می‌کند. سوئیچ‌ها می‌توانند هم سخت‌افزاری باشند و هم به‌صورت مجازی در نرم‌افزارهای مدیریت شبکه استفاده شوند.

در سیستم‌های شبکه امروزی، سوئیچ‌ها بخش عمده‌ای از تجهیزات شبکه را تشکیل می‌دهند. آن‌ها کامپیوترهای رومیزی، ماشین‌آلات صنعتی، نقاط دسترسی بی‌سیم و برخی از دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) مانند سیستم‌های ورود با کارت را به اینترنت متصل می‌کنند.

همچنین، در دیتاسنترها، سوئیچ‌ها ماشین‌های مجازی (VMs) و اکثر سرورها و دستگاه‌های ذخیره‌سازی را به هم متصل می‌کنند. در شبکه‌های ارائه‌دهندگان خدمات مخابراتی نیز، آن‌ها حجم وسیعی از داده‌ها را جابه‌جا می‌کنند.

سوئیچ شبکه چگونه کار می‌کند؟

بعد از آنکه دانستیم سوئیچ شبکه چیست، قرار است روش کار آن با هم بررسی کنیم. سوئیچ شبکه به سه روش اصلی زیر کار می‎کند:

سوئیچ‌های اج (Edge Switches)

سوئیچ‌های لبه‌ای که به آن‌ها سوئیچ‌های دسترسی هم گفته می‌شود، وظیفه کنترل ترافیک ورودی و خروجی شبکه را دارند. دستگاه‌هایی مانند رایانه‌های شخصی و نقاط دسترسی بی‌سیم از طریق این سوئیچ‌ها به شبکه متصل می‌شوند.

سوئیچ‌های تجمیعی (Aggregation Switches)

سوئیچ‌های تجمیعی در یک سطح میانی قرار دارند و ارتباط بین سوئیچ‌های لبه‌ای را برقرار می‌کنند. داده‌ها را از یک سوئیچ به سوئیچ دیگر منتقل یا به سوئیچ‌های مرکزی ارسال می‌کنند.

سوئیچ‌های هسته یا مرکزی (Core Switches)

سوئیچ‌های مرکزی بخش اصلی شبکه را تشکیل می‌دهند و ارتباط میان سوئیچ‌های لبه‌ای، سوئیچ‌های تجمیعی و شبکه‌های بزرگ‌تر مانند دیتاسنترها و روترهای سازمانی را فراهم می‌کنند.

همانطور که قبلا هم اشاره کردیم، سوئیچ شبکه در لایه دوم مدل OSI کار می‌کند و با استفاده از آدرس MAC، بسته‌های داده را از طریق پورت‌های خود به مقصد مورد نظر می‌رساند.

برخی از سوئیچ‌ها قابلیت مسیریابی در لایه سوم را نیز دارند که به آن‌ها سوئیچ‌های چندلایه گفته می‌شود. این سوئیچ‌ها می‌توانند داده‌ها را بین شبکه‌های مختلف هدایت کنند.

زمانی که یک بسته اطلاعاتی به سوئیچ ارسال شود، ابتدا آدرس مقصد بررسی می‌شود. اگر آدرس مقصد در جدول سوئیچ ذخیره نشده باشد، بسته به همه پورت‌های شبکه ارسال می‌شود تا دستگاه مقصد آن را دریافت کند. این فرآیند برای انتقال داده‌های ناشناخته، پخش سراسری و ارسال هم‌زمان به چند دستگاه انجام می‌شود.

همچنین، سوئیچ‌ها وظیفه برقراری ارتباط بین دستگاه‌های مختلف در شبکه را به عهده دارند. آن‌ها به رایانه‌ها، پرینترها، نقاط دسترسی بی‌سیم و سرورها متصل می‎شوند و امکان تبادل اطلاعات را فراهم می‌کنند.

هر دستگاهی که به سوئیچ متصل شود، اطلاعات مربوط به آدرس MAC آن در حافظه سوئیچ ثبت می‌شود. این آدرس که روی کارت شبکه دستگاه ذخیره شده، یک شناسه دائمی است که برای ارسال و دریافت داده‌ها استفاده می‌شود. برخلاف آدرس IP که ممکن است تغییر کند، آدرس MAC همیشه ثابت است.

پس از دریافت یک بسته، سوئیچ آن را بررسی و بر اساس آدرس مقصد، داده‌ها را از طریق پورت مناسب ارسال می‌کند. بیشتر سوئیچ‌ها از فناوری فول-داپلکس استفاده می‌کنند که امکان ارسال و دریافت هم‌زمان داده‌ها را فراهم می‎کند و احتمال تداخل اطلاعات را کاهش می‌دهد.

علاوه بر لایه دوم، برخی از سوئیچ‌ها در لایه سوم هم کار می‌کنند. این ویژگی برای مدیریت شبکه‌های VLAN ضروری است. VLAN (شبکه محلی مجازی) به شبکه‌هایی گفته می‌شود که می‌توانند فراتر از محدوده فیزیکی یک شبکه محلی گسترش پیدا کنند.

برای ارتباط بین این شبکه‌ها، داده‌ها باید بین سوئیچ‌های مختلف جابه‌جا شوند که این کار از طریق قابلیت مسیریابی داخلی سوئیچ‌ها انجام می‌شود.

انواع سوئیچ شبکه کدام است؟

سوئیچ شبکه در مدل‌های مختلفی طراحی شده‌اند تا نیازهای گوناگون شبکه را برآورده کنند. هر نوع سوئیچ ویژگی‌های خاص خود را دارد و در شرایط مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه، انواع اصلی سوئیچ‌های شبکه و کاربردهای آن‌ها را معرفی می‎کنیم:

سوئیچ‌های مدیریت‌شده

سوئیچ‌های مدیریت‌شده بیشتر در شبکه‌های سازمانی و تجاری استفاده می‌شوند. این سوئیچ‌ها امکانات پیشرفته‌ای برای کنترل و تنظیم شبکه در اختیار مدیران IT قرار می‌دهند. برای پیکربندی این سوئیچ‌ها معمولاً از رابط خط فرمان (CLI) استفاده می‌شود.

همچنین از پروتکل‌های مدیریت شبکه برای ارائه اطلاعات لازم جهت عیب‌یابی استفاده می‌کنند. سوئیچ‌های مدیریت‌شده قابلیت ایجاد شبکه‌های محلی مجازی (VLAN) را دارند که امکان تقسیم شبکه به بخش‌های کوچک‌تر را فراهم می‌کند. به دلیل امکانات زیاد، این سوئیچ‌ها گران‌تر از سوئیچ‌های غیرمدیریت‌شده هستند.

سوئیچ‌های مدیریت نشده

سوئیچ‌های مدیریت نشده ساده‌ترین نوع سوئیچ هستند. این سوئیچ‌ها تنظیمات از پیش تعیین‌شده دارند و صرفاً تعداد پورت‌های شبکه را افزایش می‌دهند. این مدل‌ها داده‌ها را بر اساس آدرس MAC منتقل و معمولاً به‌صورتPlug and Play  عمل می‌کنند، یعنی بدون نیاز به تنظیمات خاص قابل استفاده‌اند.

برخی از سوئیچ‌های مدیریت نشده تنظیمات پیش‌فرضی برای مدیریت کیفیت سرویس (QoS) دارند، اما امکان تغییر آن‌ها وجود ندارد. به دلیل امکانات محدود، این نوع سوئیچ‌ها برای شبکه‌های سازمانی مناسب نیستند.

سوئیچ‌های دارای قابلیت PoE

برخی از سوئیچ‌های شبکه از فناوری (PoE )Power over Ethernet  پشتیبانی می‌کنند که امکان انتقال برق از طریق کابل شبکه را فراهم می‌کند.

این قابلیت باعث می‌شود دستگاه‌هایی مانند دوربین‌های مداربسته، تلفن‌های تحت شبکه و سایر تجهیزات اینترنت اشیا (IoT) بدون نیاز به منبع تغذیه جداگانه، از طریق کابل شبکه برق دریافت کنند. این ویژگی باعث کاهش نیاز به پریز برق و افزایش ایمنی و سرعت در نصب تجهیزات می‌شود.

سوئیچ‌های شبکه محلی (LAN)

کاربرد اصلی سوئیچ‌های شبکه محلی (LAN) برای ارتباط داخلی دستگاه‌های یک سازمان است و معمولا با نام‌های سوئیچ اترنت یا دیتا سوئیچ شناخته می‌شوند. این سوئیچ‌ها وظیفه مدیریت پهنای باند را بر عهده دارند و با هدایت بسته‌های داده به مقصد درست، از تداخل اطلاعات و کاهش سرعت جلوگیری می‌کنند.

سوئیچ‌های هوشمند

سوئیچ‌های هوشمند یا نیمه‌مدیریت‌شده، قابلیت‌هایی فراتر از سوئیچ‌های غیرمدیریت‌شده دارند، اما امکانات آن‌ها به اندازه سوئیچ‌های مدیریت‌شده کامل نیست. این سوئیچ‌ها برخی قابلیت‌های مدیریتی مانند VLAN را ارائه می‌دهند، اما به دلیل قیمت پایین‌تر، برای شبکه‌های کوچک با بودجه محدود گزینه مناسبی هستند.

سوئیچ‌های ماژولار

سوئیچ‌های ماژولار امکان افزودن ماژول‌های اضافی را دارند. این ماژول‌ها می‌توانند شامل قابلیت‌هایی مانند اتصال بی‌سیم، فایروال، تجزیه‌وتحلیل شبکه، افزایش تعداد پورت‌ها، منابع تغذیه اضافی و سیستم‌های خنک‌کننده باشند. سوئیچ‌های ماژولار به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، معمولاً در شبکه‌های بزرگ استفاده می‌شوند و قیمت بالایی دارند.

سوئیچ‌های پیکربندی ثابت

سوئیچ‌های پیکربندی ثابت دارای تعداد پورت‌های مشخصی هستند و امکان افزودن ماژول‌های جدید به آن‌ها وجود ندارد. این نوع سوئیچ‌ها در اندازه‌های مختلف مانند ۸، ۱۶، ۲۴ یا ۴۸ پورت عرضه می‌شوند و معمولاً دارای پورت‌های اترنت (RJ45) یا فیبر نوری هستند. این مدل‌ها به دلیل قیمت مقرون‌به‌صرفه، در بسیاری از شبکه‌های تجاری و خانگی استفاده می‌شوند.

سوئیچ با قابلیت انباشته (Stackable)

سوئیچ با قابلیت انباشته امکان اتصال چند سوئیچ به یکدیگر را فراهم و آن‌ها را به‌عنوان یک سوئیچ واحد مدیریت می‌کنند. این سوئیچ‌ها باعث بهینه‌سازی شبکه و افزایش قابلیت اطمینان می‌شوند.

استفاده از سوئیچ با قابلیت انباشته به مدیران شبکه امکان می‌دهد که تجمیع لینک، انتقال داده بین سوئیچ‌ها و کنترل کیفیت سرویس (QoS) را به‌صورت یکپارچه مدیریت کنند.

سوئیچ‌های لایه ۳

سوئیچ‌های لایه ۳ علاوه بر عملکرد سوئیچ‌های لایه ۲، قابلیت مسیریابی داده‌ها را نیز دارند. این مدل‌ها معمولاً در شبکه‌های بزرگ استفاده می‌شوند که به هدایت ترافیک بین ساب‌نت‌های مختلف نیاز دارند.

برخلاف سوئیچ‌های لایه ۲ که فقط بسته‌های داده را جابه‌جا می‌کنند، سوئیچ‌های لایه ۳ می‌توانند پروتکل‌های مسیریابی پویا را اجرا و ترافیک را بین شبکه‌های مختلف هدایت کنند.

سوئیچ‌های دیتاسنتر

دیتاسنترها به سوئیچ‌هایی با عملکرد بالا نیاز دارند که ویژگی‌هایی مانند سرعت پردازش بالا، تعداد پورت‌های زیاد، تأخیر کم، پشتیبانی از مجازی سازی، امنیت و مدیریت کیفیت سرویس (QoS) را ارائه دهند. یکی از نمونه‌های معروف این دسته سوئیچ‌های Cisco Nexus است که در شبکه‌های نرم‌افزارمحور (SDN) استفاده می‌شوند.

سوئیچ‌های دارای پورت فیبر نوری

بیشتر سوئیچ‌های شبکه دارای پورت‌هایRJ45  برای اتصال کابل‌های اترنت هستند. اما در مواردی که نیاز به انتقال داده‌ها در فواصل طولانی وجود دارد، از پورت‌های فیبر نوری استفاده می‌شود.

این سوئیچ‌ها دارای پورت‌های SFP یا SFP+ هستند که امکان ارتباط از طریق فیبر نوری را فراهم می‌کنند و معمولاً برای اتصال بین ساختمان‌ها یا شبکه‌های با مسافت طولانی به کار می‌روند.

سوئیچ‌های KVM

سوئیچ‌های KVM امکان کنترل چندین کامپیوتر از طریق یک صفحه‌کلید، موس و مانیتور واحد را فراهم می‌کنند. این نوع سوئیچ‌ها بیشتر در مراکز داده و شرکت‌هایی که به مدیریت چندین سرور از یک کنسول نیاز دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برخی از مدل‌های سوئیچ‌های KVM دارای کلیدهای میانبر هستند که امکان جابه‌جایی سریع بین سیستم‌ها را فراهم می‌کنند. همچنین، برخی مدل‌ها با استفاده از افزایش‌دهنده KVM امکان انتقال تصویر و کنترل سیستم‌ها را در فواصل طولانی‌تر فراهم می‌کنند.

پنج کاربرد اصلی سوئیچ شبکه

اگر مدیر IT هستید باید موقع استفاده از سوئیچ شبکه به این کاربردها و موارد استفاده توجه داشته باشید:

اتصال به چندین میزبان مختلف

سوئیچ شبکه تعداد زیادی پورت برای اتصال کابل‌ها دارد که در توپولوژی شبکه ستاره‌ای بسیار مفید است. همچنین، این سوئیچ‌ها چندین رایانه را به سیستم شبکه متصل می‌کنند. مهم نیست که این رایانه‌ها در یک اتاق باشند یا در آن‌سوی دنیا، وظیفه اصلی سوئیچ انتقال بسته‌های داده از یک رایانه به رایانه دیگر به‌طور کارآمد است.

چندین دستگاه دیگر نیز در انتقال داده نقش دارند، اما سوئیچ یکی از اجزای کلیدی طراحی شبکه محسوب می‌شود. هر پورت در یک سوئیچ دارای همان مکانیزم ارسال یا فیلتر کردن است.

کاربران می‌توانند با اتصال چندین سوئیچ به یکدیگر، تعداد پورت‌های متصل‌شده را افزایش دهند و هرکدام را به‌طور مستقل تنظیم و کنترل کنند.

کاهش فشار ترافیک شبکه

سوئیچ‌ها به‌طور گسترده برای کاهش ترافیک شبکه و تحلیل بهتر داده‌ها استفاده می‌شوند. این تجهیزات می‌توانند انواع مختلف ترافیک شبکه از جمله ترافیک ورودی و خروجی شبکه و ارتباط بین دستگاه‌های مختلف مانند رایانه‌های شخصی و نقاط دسترسی بی‌سیم را کنترل کنند.

فرآیند ارسال ترافیک (Forwarding) نقش مهمی در این عملکرد دارد. در این روش، ترافیک شبکه از یک دستگاه که به یک پورت سوئیچ متصل است، به دستگاه دیگری که در یک پورت دیگر قرار دارد، ارسال می‌شود.

این روش برای امنیت شبکه بسیار مفید است، زیرا مدیران شبکه می‌توانند سوئیچ را قبل از یک روتر شبکه WAN قرار دهند و سپس ترافیک را به شبکه محلی (LAN) هدایت کنند.

همچنین، استفاده از سوئیچ‌ها، تشخیص نفوذ، تحلیل عملکرد و راه‌اندازی فایروال‌ها را ساده‌تر می‌کند. برای مثال، قبل از ارسال داده‌ها به یک آنالیزگر بسته یا سیستم تشخیص نفوذ، سوئیچ می‌تواند از قابلیت بازتاب پورت (Port Mirroring) استفاده کند تا یک نسخه از اطلاعات در حال عبور را برای بررسی‌های آینده ذخیره کند.

بهینه‌سازی پهنای باند شبکه محلی

سوئیچ‌های شبکه، شبکه محلی یا LAN را به چندین بخش مجزا تقسیم می‌کنند که هر کدام دارای اتصال پهنای باند مستقل خود هستند. این کار باعث افزایش ظرفیت پهنای باند و جلوگیری از تداخل داده‌ها می‌شود.

سوئیچ‌ها می‌توانند در هنگام انتقال داده، سیگنال الکتریکی خروجی را بدون تغییر مجدداً ارسال کنند. سوئیچ‌ها در لایه‌های مختلف مدل OSI از جمله لایه داده، شبکه و انتقال کار می‌کنند. برخی از سوئیچ‌ها که در چندین لایه فعالیت دارند، به سوئیچ‌های چند لایه معروف‌اند.

با افزایش حجم ترافیک شبکه به دلیل استفاده از ویدئوها، دستگاه‌های بیشتر و برنامه‌های ذخیره‌سازی ابری، سوئیچ‌های شبکه به کسب‌وکارهای کوچک و متوسط کمک می‌کنند تا سرعت و پایداری شبکه را حفظ کنند.

ثبت و مدیریت جدول آدرس MAC

سوئیچ شبکه به‌عنوان یک دستگاه لایه ۲، تمام تصمیمات خود را بر اساس داده‌های موجود در هدر لایه ۲ می‌گیرد و بسته به آدرس‌های MAC فرستنده و گیرنده، مسیر ارسال داده را مشخص می‌کند.

یکی از وظایف مهم سوئیچ، ایجاد یک پایگاه داده از آدرس‌های MAC است که هر پورت سوئیچ را به دستگاه متصل‌شده مرتبط می‌کند. در ابتدا، این پایگاه داده خالی است، اما زمانی که سوئیچ یک بسته داده دریافت کند، آدرس MAC فرستنده را بررسی و آن را در جدول آدرس‌های MAC ذخیره می‌کند.

با گذشت زمان و ارسال داده‌ها توسط تمام دستگاه‌های متصل، جدول آدرس‌های MAC کامل‌تر می‌شود. این جدول به سوئیچ کمک می‌کند تا بسته‌های داده را هوشمندانه به مقصد درست ارسال کند.

امکان فیلتر کردن آدرس‌های MAC و کنترل دسترسی

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم سوئیچ شبکه، امکان فیلتر کردن آدرس‌های MAC و کنترل دسترسی دستگاه‌ها است. سوئیچ به‌طور پیش‌فرض هیچ فریمی را از همان پورتی که دریافت کرده، ارسال نمی‌کند.

از فیلتر آدرس MAC می‌توان برای جلوگیری از اتصال دستگاه‌های خاص به شبکه استفاده کرد. این کار از طریق فیلتر کردن آدرس‌های مبدا و مقصد در لایه MAC اترنت انجام می‌شود. آدرس‌های یونیکست، مالتی‌کست یا برودکست را می‌توان بسته به نیازهای امنیتی شبکه در فهرست فیلترینگ قرار داد.

اگر سوئیچ به ارسال یک فریم به تمام پورت‌ها نیاز داشته باشد، آن را به همه پورت‌های خروجی ارسال می‌کند، به‌جز پورتی که آن را دریافت کرده است.

معمولاً یک دستگاه به‌ندرت یک بسته داده را به آدرس MAC خودش ارسال می‌کند. اگر این اتفاق بیفتد، معمولاً ناشی از یک خطای سیستمی یا فعالیت‌های مخرب است. در چنین شرایطی، سوئیچ بسته را حذف می‌کند و مانع از بروز تهدیدات احتمالی می‌شود.

نتیجه‌گیری

با گسترش ارتباطات از راه دور و رشد دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT)، نیاز به سوئیچ‌های شبکه روزبه‌روز بیشتر می‌شود. آمارها نشان می‌دهد که بازار جهانی سوئیچ‌های شبکه در سه‌ماهه سوم سال ۲۰۲۱ حدود ۷.۵ درصد رشد داشته است. یکی از دلایل این رشد، گسترش رایانش ابری است، زیرا سوئیچ‌های شبکه در مدیریت و توزیع منابع در محیط‌های ابری نقش مهمی دارند.