آیا سوئیچ لایه 3 می‌تواند جایگزین روتر شود؟

سوئیچ لایه 3 در مقابل روتر: آیا سوئیچ لایه 3 می‌تواند جایگزین روتر شود؟

چنانچه می‌دانید، سوئیچ لایه 3 و روتر، هر دو عملکرد مسیریابی را ارائه می‌دهند. بنابراین، این سوال پیش می‌آید که آیا می‌توانیم از سوئیچ لایه 3 به جای روتر استفاده کنیم؟ بیایید این مساله را مورد بررسی قرار دهیم.

(1) اصل کار سوئیچ

سوئیچ شبکه، داده‌‌ای را دریافت می‌کند. مک آدرس دستگاه مقصدی را که این داده باید به آن ارسال شود را از روی مشخصات واقع در داخل بسته داده می‌خواند. سپس داده مربوطه را از پورتی از پورتهای خود که به دستگاه مقصد متصل است، ارسال می‌کند.

سوئیچ چگونه این کار را می‌کند؟ جدولی به اسم جدول CAM یا Content Addressable Memory در داخل سوئیچ وجود دارد. سوئیچ از این جدول برای ذخیره کردن آدرس MAC دستگاههایی که به هر یک از پورتهای خود متصل است، استفاده می‌کند. در ابتدا که سوئیچ روشن می‌شود، این جدول، خالی است. سپس سوئیچ با شروع کار و دریافت ترافیک بر روی پورتهای مختلف خود، مک آدرس هر یک از سیستمهای متصل به پورتها را به دست می‌آورد. سوئیچ، این آدرسها را در داخل جدول CAM خود ذخیره می‌کند.

هنگامی که یک فریم داده خاص باید ارسال شود، سوئیچ، آدرس مک مقصد واقع در فریم داده مربوطه را در جدول CAM خود جستجو می‌کند. این جستجو توسط سوئیچ، به منظور پیدا کردن پورت مربوط به آدرس مذکور صورت می‌گیرد. یعنی سوئیچ می‌خواهد بداند که دستگاه مقصد به کدام پورتش متصل است. سپس سوئیچ، بسته داده مذکور را از طریق این پورت، ارسال می‌کند.

نکات:

1. سوئیچ، نگاشت بین هر یک از پورتهای خود و آدرس دستگاه متصل را با توجه به Source MAC Address واقع در فریم داده دریافتی از آن پورت، ایجاد می‌کند. سپس آن را در جدول CAM خود می‌نویسد.
2. سوئیچ سپس Source MAC Address واقع در فریم داده دریافتی را با آدرسهای موجود در جدول CAM خود مقایسه می‌کند تا بفهمد که داده مذکور را از طریق کدام پورت خود باید ارسال کند.
3. اگر سوئیچ، آدرس مک مقصد واقع در فریم داده را داخل جدول CAM حود پیدا نکند، داده مذکور را به همه پورتهای خود ارسال می‌کند. به این فرآیند در ارسال داده توسط سوئیچ شبکه، flooding یا سیلاب می‌گویند.
4. فریم‌های Broadcast و فریم‌های multicast یا چندپخشی، به همه پورتهای سوئیچ ارسال می‌شوند.

(2) سوئیچ لایه 3، در مقابل سوئیچ لایه 2

سوئیچهای لایه 3 همانطور که از نامشان پیدا است، در لایه سوم از مدل شبکه هفت لایه‌ای OSI کار می‌کنند. لایه شبکه، از اطلاعات هدر بسته‌های IP و تحت پروتکل لایه سوم، برای علامت گذاری جریانهای داده‌ای استفاده می‌کند. جریان داده‌هایی که علامت یکسانی دارند، به لایه دوم این مدل، یعنی لایه پیوند داده (دیتا لینک) فرستاده می‌شوند. در نتیجه این فرآیند، مسیری بین آدرس IP مبدا و آدرس IP مقصد شکل می‌گیرد.
این مسیر، از لایه دوم (لایه دیتا لینک) عبور می‌کند. با استفاده از این مسیر، سوئیچ لایه سه، دیگر برای تعیین مسیر هر بار نیازی به باز کردن بسته داده دریافتی ندارد. بلکه می‌تواند مستقیما بسته‌های داده را فوروارد کند و به مبادله جریان داده بپردازد.

در ادامه، اشاره‌ای خواهیم داشت بر برخی از ویژگیهای تبادلی لایه سه:

1. انتقال داده با سرعت بالا، از طریق ترکیب با قابلیتهای قدرتمند سخت افزار، تحقق می‌یابد.
2. مبادله داده، حاصل یک برهم نهی و ترکیبی ساده از سوئیچهای لایه دو و روترهای شبکه نیست. بلکه، ماژولهای مسیریابی لایه 3، مستقیماً روی گذرگاه سرعت بالای لایه دو سوئیچ قرار می‌گیرند. بدین وسیله، از حد نرخ رابط روترهای سنتی عبور می‌کنند. این امر، سبب رشد نرخ مبادله داده می‌شود و سرعت انتقال داده را به ده‌ها گیگابیت بر ثانیه ارتقاء می‌‌دهد. با لحاظ کردن پهنای باند در کنار پارامتر نرخ انتقال داده، به دو فاکتور حیاتی و تاثیرگذار بر عملکرد سوئیچهای لایه سه شبکه می‌رسیم.
3. نرم افزار مسیریابی فشرده، به منظور ساده سازی فرآیند مسیریابی، به کار گرفته می‌شود.
4. تقریبا کل فرآیند ارسال داده‌ها، به جز انتخاب مسیرهای ضروری، توسط نرم افزار مسیریابی، مدیریت می‌شود. سپس توسط ماژول لایه دو، با سرعت بالایی فوروارد می‌شود.
   ذکر این نکته هم لازم است که اغلب نرم‌افزارهای مسیریابی، صرفا نرم افزاری برای کپی برنامه داخل روتر نیستند. بلکه نرم‌افزارهای پردازش و بهینه‌سازی قدرتمندی هستند.

به طور خلاصه، می‌توانیم بگوییم که:
سوئیچهای لایه 2 بر اساس آدرس مک کار می‌کنند. در حالی که سوئیچهای لایه 3، مبتنی بر IP هستند. این سوئیچها، با عملکرد VLAN و مسیریابی سر و کار دارند.

(3) سوئیچ لایه 3 در مقابل روتر

روتر یک دستگاه لایه سه است. اما سوئیچ لایه سه می‌تواند در لایه سوم و دوم، به طور همزمان کار کند. در واقع، هنوز تفاوتهای زیادی بین سوئیچهای لایه 3 و روترها وجود دارد. بیایید این تفاوتها را با هم بررسی کنیم:

1. تفاوت در عملکرد اصلی

   اگرچه سوئیچهای لایه 3 و روترها هر دو دارای عملکرد مسیریابی هستند، اما نمی‌توان این تجهیزات را معادل هم به شمار آورد. روتر، نه تنها دارای عملکردهای مسیریابی است، بلکه قابلیت‌های بیشتری را نیز برای پورتهای سوئیچ و فایروالهای سخت افزاری ارائه می‌دهد. هدف روتر این است که دستگاهها را کاربردی تر و بهینه تر کند.
   همین امر، برای سوئیچ‌های لایه 3 نیز صادق است. عملکرد اصلی این دستگاه نیز مانند سوئیچهای لایه 2، کماکان همان تبادل داده است. اما این نوع سوئیچ، دارای برخی عملکردهای مسیریابی اولیه نیز می‌باشد. درواقع سوئیچ لایه سه، دارای عملکردهای تبادل داده و مسیریابی و ارسال است، اما عملکرد اصلی آن، همچنان تبادل داده است. این در حالی است که روتر، فقط وظیفه اصلی مسیریابی و ارسال را بر عهده دارد.

2. تفاوت در محیط اجرایی این دو دستگاه

   عملکرد مسیریابی سوئیچ لایه سه، معمولاً نسبتاً ساده است. زیرا عمدتاً با یک اتصال LAN ساده روبرو است. ویژگیهای بسیار پیچیده تر، مخصوص روترها هستند. هدف اصلی سوئیچ در یک شبکه محلی، ارائه عملکرد تبادل سریع داده است. این امر، به منظور برآوردن ویژگی کاربردی تبادل مکرر داده در فضای لوکال شبکه صورت می‌گیرد.
   اما روتر، متفاوت است. این دستگاه، برای اتصال بین شبکه‌های LAN نیز مناسب است. ولی عملکرد مسیریابی آن، اغلب در اتصال بین انواع مختلف شبکه‌ها منعکس می‌شود. مانند اتصال بین LAN و شبکه گسترده یا حتی اتصال بین شبکه‌هایی با پروتکل‌های مختلف،
   مزایای به کارگیری روتر، در انتخاب بهترین مسیر، اشتراک بار کاری، پشتیبان گیری از لینک و تبادل اطلاعات مسیریابی با شبکه‌های دیگر، نهفته است. علاوه بر این، روترها برای اتصال به انواع مختلف شبکه، دارای انواع رابط (interface) بسیار غنی هستند. در حالی که سوئیچهای لایه 3، عموماً تنها دارای همان نوع رابط LAN هستند که بسیار ساده است.

3. اجرا و تحقق فنی متفاوت بین روتر و سوئیچ لایه سه

   تفاوتهای آشکاری در عملیات سوئیچینگ بسته داده توسط روترها و سوئیچهای لایه 3 وجود دارد. روترها برای انجام سوئیچینگ بسته داده، عموماً مبتنی بر پردازنده‌های شبکه یا موتورهای مسیریابی چند هسته‌ای هستند. سوئیچ لایه 3 اما، سوئیچینگ بسته داده را از طریق سخت افزار خود انجام می‌دهد. پس از اینکه سوئیچ لایه 3، یک بسته را از طریق مسیر  مشخص شده به سمت مقصد ارسال کرد، یک جدول در داخل سوئیچ، نگاشت بین آدرس MAC و آدرس IP را برای بسته داده مذکور، ایجاد می‌کند.
   درج این آدرس‌ها داخل جدول، به منظور شناسایی مسیر در سری‌های بعدی صورت می‌گیرد. بدین ترتیب، زمانی که داده‌های یکسانی ارسال شوند، به جای بررسی مجدد ترافیک Control plane، می‌توان به راحتی و با جستجوی جدول، به آدرس مورد نظر دست پیدا کرد.

4. بهبود فرآیند ارسال بسته داده توسط سوئیچ لایه 3

   جستجوی مسیریابی سوئیچ لایه سه چنانچه می‌دانید، به قصد برقراری یک جریان داده‌ای صورت می‌گیرد. سوئیچ لایه سه به این منظور، از فناوری کش (cache) استفاده می‌کند. این دستگاه، به راحتی با فناوری ASIC پیاده سازی می‌شود. بدین ترتیب، می‌تواند تا حد زیادی در هزینه‌ها صرفه جویی کند. همچنین به ارسال سریع داده‌ها برسد.
   در مقابل، روتر برای ارسال بسته، طولانی‌ترین روش تطبیق را اتخاذ می‌کند که پیاده‌سازی آن، پیچیده است. این روش، عموماً توسط پردازنده‌های شبکه گران قیمت یا پردازنده‌های چند هسته‌ای پیاده‌سازی می‌شود. تعداد جداول مسیریابی در روتر، بسیار زیاد است. هزینه آن نیز بسیار بالاست.

نتیجه

سوئیچ‌های لایه 2، در شبکه‌های محلی کوچک استفاده می‌شوند. در یک شبکه محلی کوچک، بسته‌های برادکست، تاثیر بسیار کمی دارند. علاوه بر این، عملکرد سوئیچینگ سریع، پورتهای دسترسی چندگانه و نیز هزینه‌های کمتر، سوئیچهای لایه دو را به راه حلی کامل و مقرون به صرفه برای کاربران شبکه‌های کوچک تبدیل کرده است.

مهمترین عملکرد سوئیچ لایه سه، سرعت بخشیدن به ارسال و نقل و انتقال داده‌ها در یک شبکه محلی بزرگ است. قابلیت مسیریابی سوئیچ لایه سه نیز، به این هدف کمک می‌کند. فرض کنید شبکه‌ای در مقیاس بزرگ با توجه به فاکتورهایی مانند بخش (یا دپارتمان)، منطقه و غیره، به شبکه‌های محلی کوچک تقسیم شود. این امر، منجر به تعداد زیادی بازدید بین شبکه‌ای می‌شود که صرفاً با استفاده از یک سوئیچ لایه دو، قابل تحقق نیست.

در چنین شبکه‌ای، حتی به کارگیری روتر هم نمی‌تواند راه حل مناسبی باشد. دلیلش این است که استفاده از روتر، به دلیل محدودیت تعداد اینترفیس‌ها و سرعت پایین مسیریابی و فوروارد، سرعت و مقیاس شبکه را محدود می‌کند.

بنابراین:

چیزی که در چنین شبکه‌ای به کارتان می‌آید، تنها همان سوئیچ لایه سه است. شما به کمک این سوئیچ، به راحتی می‌توانید محدودیتهای سوئیچهای لایه دو و همچنین روترها را از میان بردارید. به این ترتیب، می‌توانید به سرعت ایده‌آل ارسال داده‌ها دست پیدا کنید. از این رو است که استفاده از سوئیچ لایه سه با قدرت ارسال سریع و عملکرد مسیریابی، به اولین و بهترین گزینه برای شبکه‌های بزرگ تبدیل می‌شود.