Функции коммутатора. Тонкая грань: маршрутизаторы и коммутаторы. Отличие коммутатора от маршрутизатора

Коммутатор осуществляет «перекидывание» опираясь на специальную MAC таблицу, в которой фиксируются такие значения как: MAC, порт.
Исходя из этого, можно разделить на несколько типов адресов, с которыми работает коммутатор.

1. Известный unicast (или иногда еще называют индивидуальный) адрес.
То есть, коммутатор получил фрейм, «смотрит» в заголовок, первое поле DA (Destination address), затем смотрит в свою таблицу mac адресов, и если такой адрес уже есть в таблице (а к адресу привязывается и порт), то направляет фрейм в нужный порт коммутатора.

2. Неизвестный unicast адрес . Если коммутатор получает фрейм, и такого адреса получателя в своей таблице не находит, то он отправляется на все порты, исключая тот порт, с которого этот фрейм пришел.

Коммутатор может работать в трех режимах.

Store-and-forward. Коммутатор получает фрейм целиком (все байты), пересчитывает FCS и сверяет с 4 байтовым полем в фрейме. Если сумма совпадает, то пакет форвардируется в зависимости от MAC таблицы. Если не совпадает, то такой пакет дропается (drop).
Cut-through. Этот режим работает следующим образом. Коммутатор получает фрейм и сразу начинает смотреть заголовок, а именно Destination Address (не дожидаясь пока фрейм полностью будет получен), и на основе этих данных форвардит туда, куда указывает MAC таблица. Это позволяет повысить скорость коммутации и уменьшить задержку. FCS не проверяется, в связи с этим даже если фрейм «битый» он будет скомутирован.
Fragment-free. Этот режим работает так же как и Cut-through, с одним отличием. Коммутатор принимает первые 64 байта фрейма, это позволяет отсеить большинство ошибочных фреймов Таким образом в этом режиме форвардинг происходит практически так же быстро как и при Cut-through и с наименьшими задержками.

Коммутаторы - это промышленные устройства, которые могут располагаться отдельно либо быть составной частью какой-нибудь электронной системы.

Принцип работы коммутатора заключается в выборе нужной электрической цепи и подключения ее к входной цепи.

Современные коммутаторы бывают одно-, двух- или многоканальными и имеют также аварийный режим работы. Многоканальность обеспечивает большую надежность и стабильность работы той системы, куда подключен коммутатор. Фото одного из устройств данного вида представлено ниже.

В авто и мототехнике коммутатор представляет собой своеобразный микрокомпьютер, что вырабатывает и подает токовый импульс на катушку зажигания (на свечу, которая поджигает топливо в моторе).

В компьютерных сетях также существуют коммутирующие устройства, например, ethernet. Принцип работы коммутатора ethernet заключается в том, что, когда приходит пакет для определенного адреса, он находит его порт и пересылает пакет именно одному этому пользователю. В то время как другие устройства передают информацию на все порты.

Для чего предназначен коммутатор

Эти приборы широко используются в различных отраслях, а также устанавливаются на транспортные средства в качестве перераспределителей, выключателей или переключателей.

Принцип действия коммутатора такой же, что и у электронных, электромеханических, а также электронно-лучевых приборов.

Назначение коммутатора состоит в том, чтобы управлять токами катушки зажигания, опираясь на сигналы синхронизационного датчика.

В транспортном средстве цепь, где находится коммутатор, выполняет функцию тестировщика узлов систем зажигания, автоматическим путем во время переключения с бензина на газ регулирует и многое другое.

Немного истории

Следующим шагом стало создание многоканальных устройств, а затем и установка отдельной системы, состоящей из коммутатора и катушки, выполненных на каждой свече. Это дало свои преимущества:

стала вырабатываться более мощная искра;
удалось уменьшить, а затем и ликвидировать потери в трамблере;
получилось добиться стабильного хода на холостых оборотах;
заметно снился расход горючего;
при низких температурах улучшился запуск двигателя.

Функционирование устройства

Принцип работы коммутатора состоит в том, чтобы максимально быстро коммутировать цепь с датчиками вращения и управлять токами в катушке зажигания.

Дело в том, что сигналы, поступающие от датчиков вращения, являются слабыми, либо аналоговыми и неудобными в использовании. Поэтому для применения в системе управления их нужно не только сформировать, а еще и усилить, а затем передать первичной обмотке катушки, что позволяет осуществлять высокоскоростную коммутацию.

Многоканальные устройства способны производить управление и коммутацию сразу нескольких катушек зажигания.

Место расположения

Конструктивно коммутатор может совмещаться с электронным блоком управления двигателя, при этом управляющие сигналы с него поступают сразу на катушку зажигания.

Если конструкция такова, что устройство расположено отдельно, то оно может устанавливаться:

на распределителе зажигания, как у ВАЗа;
в непосредственной близости от катушки зажигания;
отдельно на поверхности из металла для осуществления теплоотвода, например, на крыле или перегородке под капотом, как у "Форда";
возле электронного блока управления и другое.

Например, коммутатор "Ауди" располагается под ветровым стеклом в отсеке двигателя в кожухе из водонепроницаемого материала. Там же есть разъемы для диагностических устройств.

Типы коммутаторов

Из всего разнообразия данного вида приборов для авто и мототехники предназначены следующие:

устройство, которое имеет высоковольтный встроенный генератор - DC CDI;
коммутатор, что работает только в присутствии дополнительного источника высокого напряжения - AC CDI;
катушка-коммутатор.

Коммутаторы DC-типа являются самыми применяемыми из-за легкого подключения, они имеют на корпусе лишь четыре контакта: датчик Холла, минус, плюс, катушка зажигания.

Данные приборы имеют широкий модельный ряд:

без ограничителя максимального числа оборотов или с ним;
с возможностью изменять фазы опережения зажигания;
для различных нужд - наличие дополнительных контактных групп.

Коммутаторы АС-типа отличаются от первых тем, что им не нужно постоянное наличие напряжения, и подключаются они несколько сложнее. Также они имеют очень маленькие размеры и, следовательно, более простую конструкцию. В силу этого они не обладают ограничителем максимального числа оборотов, что снижает безопасность использования техники.

Коммутаторы-катушки представляют собой самый интересный, слабоизученный и малораспространенный вид. Они соединяют в себе катушку зажигания и коммутирующий элемент, а также не оснащены датчиком Холла.

Принцип их действия заключается в прерывании тока, который протекает через высоковольтный трансформатор с низковольтной намоткой-катушкой. Само прерывание осуществляется контактным выключателем, что приводится в действие с помощью вала распределителя зажигания.

Система с механическим прерывателем имеет следующие недостатки:

Из-за слишком высокого тока, протекающего в первичной обмотке катушки, в прерывателе часто вырабатывается искра, которая приводит к порче контактов: они оплавляются и обгорают.
В холодное и сырое время года контакты подвергаются электрохимической эрозии.
Высокий ток в контактах прерывателя приводит к тому, что продолжительность разряда искры зажигания является кратковременной, это приводит к некачественному поджиганию топлива и нестабильной работе двигателя на низких оборотах. Следовательно, требуются затраты на обогащенную смесь.

Устранение этих недостатков стало возможным с появлением высоковольтных транзисторов высокой мощности и созданием бесконтактных систем электронного зажигания.

Некоторые водители пытаются улучшить технические характеристики транспортного средства путем замены контактной системы зажигания бесконтактной от новой модели. Это затратно и трудоемко, ведь требуется поменять систему зажигания полностью и приобрести электронный коммутатор. Кроме того, не всегда удается найти подходящий к старому новый вариант коммутации зажигания.

Несмотря на это, даже если между катушкой зажигания и контактным прерывателем подключить простой коммутатор на мощном транзисторе, можно заметно повысить качество системы контактного зажигания автомобиля:

перестанут оплавляться контакты прерывателя из-за уменьшения тока;
продолжительность заряда искры увеличится примерно вдвое, что вызовет лучшее поджигание горючего;
систему всегда можно вернуть к первоначальному варианту простой перекоммутацией провода в случае поломки коммутатора на транзисторе.

Виды коммутаторов

Различают следующие виды:

стандартный (стоковый);
спорт;
с возможностью изменения фаз опережения зажигания.

Стандартный , еще называемый стоковым, коммутатор монтируется заводом-изготовителем, поэтому он рассчитан на параметры той техники, куда производится установка. Это, в свою очередь, дает гарантии того, что двигатель будет работать надежно, экономично и долго. Часто такие коммутаторы снабжены ограничителями числа оборотов, которые не только могут спасти жизнь водителю, но и сохранить долговечность агрегатов и узлов техники.

Спорт-коммутатор предназначен для того, чтобы повысить верхнюю границу оборотов двигателя. Устанавливается он вместо стандартного по желанию водителя. Но производить такую замену должны только специалисты, так как вместе с этим устройством необходимо заменить еще некоторые детали. Если этого не сделать или сделать неумело, узлы техники будут работать неправильно вплоть до скорого выхода из строя мотора.

Кроме этого, даже профессиональная замена стандартного коммутатора на спорт добавляет существенный риск аварии, если транспортным средством управляет неопытный водитель. Поэтому производить такие действия нужно крайне осторожно, осознавая предстоящий риск, особенно устанавливая такой коммутатор на скутер. Собственно, осторожность нужна всегда.

Принцип работы коммутатора с изменением фазы опережения зажигания заключается в том, что он компенсирует недостающую мощность в тех зонах оборотов, где это необходимо, и выравнивает кривую графика крутящего момента. Этим обеспечивается выигрыш в разгоне по сравнению со стандартными коммутаторами и равномерная динамика работы двигателя на различных оборотах.

Какие бывают неисправности

Признаками того, что в системе зажигания происходит сбой либо присутствует неисправность, являются такие состояния:

отсутствует искра на свечах, двигатель не запускается;
двигатель запускается, но через короткое время глохнет;
работа двигателя автомашины происходит со сбоями, неравномерно и приходит в нормальный режим при замене на запасной исправный коммутатор.

Обычно сбои в работе электрической части встречаются следующих видов:

в результате перегрузки одной или обеих первичных обмоток катушки зажигания;
сбой в работе высоковольтной системы.

Как проверить работу

Для того чтобы проверить работоспособность устройства, существует несколько популярных способов. В частности, для этого необходимо:

самый простой метод на начальном этапе - заменить прибор на заведомо работающий и сравнить результат;
проверить, подается ли напряжение питания на выводы прибора. Сделать это нужно двумя способами: вольтметром и нагрузкой;
с помощью осциллограммы проверить правильность формы входного сигнала, что подается на коммутатор;
тем же методом проверить форму выходного сигнала;
если в автомобиле оснащена вольтметром, то проверку можно провести визуально, следя за его шкалой. Для этого включается зажигание, в этот момент номинальное значение на индикаторе должно равняться примерно 12В, и коммутатор некоторое время добирает на себя напряжение. После того как зажигание будет включено, стрелка на короткое время замирает, а затем движется еще около миллиметра вправо и останавливается. Нарушение этой последовательности свидетельствует о сбое в работе коммутатора;
также для проверки работы зажигания можно использовать контрольную - обычную автомобильную - лампочку. Один ее контакт подсоединяется к нагрузке, а второй - на выход катушки, что соединен с коммутаторной клеммой. При исправном коммутаторе при включении зажигания лампочка будет мигать и со временем засветится более ярко;
также для контроля зажигания, если сбой не связан с коммутатором, нужно проверить провода, контакты и разъемы, а также осмотреть датчик Холла.

Важно не забывать, что коммутаторы, применяемые с генераторными датчиками, нельзя использовать в тех системах, что содержат датчик Холла. То же и наоборот.

Как ремонтируют коммутатор

Данное устройство играет важную роль в системе зажигания автомобиля. Принцип работы коммутатора таков, что при выходе его из строя завести двигатель машины не получится.

Однако ремонт в большинстве случаев невозможен, и прибор подлежит замене, поэтому не лишним будет иметь водителю при себе запасное исправное устройство.

Коммутатор на скутер

Как правило, в китайских и в большинстве японских скутеров используется система зажигания на основе конденсаторов. Функция конденсатора состоит в том, что после запуска мотора в нем копится энергия, и при достижении необходимого напряжения ток поступает через тиристор в катушку, где преобразовывается в силу, превыщающую входную в 60-200 раз, что и приводит к запуску двигателя скутера.

Типичным представителем устройства для скутера, содержащим в себе накапливающий напряжение конденсатор, является коммутатор "Хонда" Dio AF 34. Преимущество таких приборов в том, что искра вырабатывается всегда одной и той же мощности, что приводит к стабильности процесс запуска двигателя.

Но из-за того, что многие скутеры систему зажигания содержат конструктивно в общей схеме электроснабжения, то в случае ее короткого замыкания или перегрузки коммутатор выходит из строя первым. Поэтому есть смысл при приобретении скутера обратить внимание на те модели, где подключение коммутатора и блок зажигания смонтированы самостоятельной электрической цепью. Риск поломки в этом случае заметно снизится.

Сетевой коммутатор или свитч (с англ. switch - переключатель) - это устройство, выполняющее функцию “умного” соединения нескольких узлов локальной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно адресату. Исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Коммутатор работает на втором канальном уровне модели OSI, и в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

Принцип работы коммутатора

Свитч хранит в энергонезависимой памяти таблицу коммутации, где содержатся пары соответствий MAC-адреса узлу порта коммутатора. При первом запуске коммутатора эта таблица пуста, и утройство работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. Затем свитч анализирует фреймы и, выяснив MAC-адрес отправителя, сохраняет его в таблицу.

В будущем, если на один из портов свитча приходит фрейм для конкретного адресата, MAC-адрес которого уже есть в таблице, посылка отправляет через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес получателя не связан с каким-либо портом коммутатора, то кадр направляется на все порты. Через некоторое время у коммутатора строится полная таблица для всех портов, в результате чего трафик локализуется. Стоит отметить малую задержку и высокую скорость пересылки на каждом порте интерфейса.

Сетевой коммутатор

Сетевой коммутатор - устройство, предназначенное для соединения несколькихузловкомпьютерной сетив пределах одного или несколькихсегментов сети. Коммутатор работает наканальном (втором) уровнемодели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованиеммостовых технологийи часто рассматриваются как многопортовыемосты. Для соединения нескольких сетей на основесетевого уровняслужатмаршрутизаторы(3 уровень OSI).

В отличие от концентратора (1 уровень OSI), который распространяет трафик от одного подключённого устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых неизвестен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Принцип работы коммутатора

Коммутатор хранит в памяти (т.н. ассоциативной памяти) таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует фреймы (кадры) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них - это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.

Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.

Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный . Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (первые 64 байта кадра анализируются на наличие ошибки и при её отсутствии кадр обрабатывается в сквозном режиме).

Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Симметричная и асимметричная коммутация

Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зрения ширины полосы пропускания для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с.

Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.

Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединён сервер, с целью предотвращения переполнения на этом порте. Для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.

Асимметричный коммутатор также необходим для обеспечения большей ширины полосы пропускания каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения, или каналов между сегментами магистрали.

Буфер памяти

Для временного хранения фреймов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.

Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки фреймов: буферизация по портам и буферизация с общей памятью. При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передаётся на выходной порт только тогда, когда все фреймы, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, когда один фрейм задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка может происходить даже в том случае, когда остальные фреймы могут быть переданы на открытые порты их пунктов назначения.

При буферизации в общей памяти все фреймы хранятся в общем буфере памяти, который используется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого фреймы, находившиеся в буфере, динамически распределяются выходным портам. Это позволяет получить фрейм на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.

Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить фреймы. Очистка этой карты происходит только после того, как фрейм успешно отправлен.

Поскольку память буфера является общей, размер фрейма ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные фреймы могут быть переданы с меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.

Возможности и разновидности коммутаторов

Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые).

Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например «Layer 3 Switch» или сокращенно «L3 Switch». Управление коммутатором может осуществляться посредством Web-интерфейса, интерфейса командной строки (CLI), протокола SNMP, RMON и т. п.

Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование. На данный момент многие коммутаторы уровня доступа обладают такими расширенными возможностями, как сегментация трафика между портами, контроль трафика на предмет штормов, обнаружение петель, ограничение количества изучаемых mac-адресов, ограничение входящей/исходящей скорости на портах, функции списков доступа и т.п.

Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство - стек - с целью увеличения числа портов. Например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с 90 ((4*24)-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).