Switchler Paketleri Nasıl Yönlendirir?

L2 Switchler, ağdaki veri paketlerini hedef cihazlara yönlendirmek için MAC (Media Access Control) adreslerini kullanırlar. Bilgisayar haberleşmeleri ip adresi üzerinden sağlanır. L2 cihazlar ise ip adresi ile haberleşmezler. Bu noktada bir şekilde hedef cihazın mac adresini öğrenmeleri gerekir. Bunun için aşağıdaki bazı adımları uygular.

MAC Adres Tablosu Oluşturma: Bir switch, ağdaki cihazları tanıyabilmek için kendi üzerinde bir MAC adres tablosu oluşturur. Bu tabloya CAM adres tablosu da denir. Bu tabloda, ağdaki her bağlı cihazın MAC adresleri ve bağlı bulundukları port bilgisi kayıt altına alınır. İlk başta, bu tablo boştur.

Öğrenme İşlemi (Learning): Switch, bir veri paketi aldığında, paketin kaynak MAC adresini inceler ve bu adresin kendi mac adres tablosunda kayıtlımı bakar. Kayıtlı değil ise mac adresi ve port bilgisini MAC tablosunda kayıt altına alır. Bu kayıt için 300sn (5dk) lik bir timer başlatır. Bu süre zarfında aynı mac adresi için tekrardan bir iletişim olursa timer sıfırlanır. Bu süre sonuna kadar herhangi bir iletişim olmaz ise mac adres tablosundan ilgili kayıt silinir. Bu sayede mac adres tablosu daha verimli kullanılmış olur.

Yönlendirme İşlemi (Forwarding): Bir veri paketi geldiğinde, switch paketin hedef MAC adresini kontrol eder. Eğer hedef MAC adresi, MAC adres tablosunda bulunuyorsa, switch mac adresi karşısındaki port numarasına yönlendirmeyi yapar. Eğer hedef MAC adresi switch in mac tablosunda yoksa, switch bu durumda hedef mac adresini öğrenmek için ARP (Address Resolution Protocol) mekanizmasını kullanır.

ARP (Address Resolution Protocol), bir cihazın bir IP (Internet Protocol) adresine sahip olduğunu bildiği bir hedefin fiziksel MAC (Media Access Control) adresini öğrenmek için kullanılan bir ağ protokolüdür.

Switch bilmediği mac adresi için bir ARP paketi oluşturur. Bu paket, hedefin IP adresini içerir, ancak hedefin MAC adresini bilmez. ARP isteği, yayın (broadcast) bir Ethernet çerçevesi içinde gönderilir. Yani, bu istek paketin gönderildiği port dışındaki tüm portlardan ağdaki tüm cihazlara gönderilir. Özetle isteğin içeriği şu şekildedir: “Ben şu IP adresine sahip bir cihazın MAC adresini öğrenmek istiyorum.”

Ağdaki cihazlar, ARP isteğini alır ve kendi IP adresini içermiyor ise paketi çöpe atar. Kendi ip adresi ile eşleşen cihaz MAC adresini ARP yanıtı içinde geri gönderir. Switch ARP yanıtını alır ve hedefin MAC adresini öğrenmiş olur. Öğrenilen mac adresi ve port bilgisi mac tablosuna kayıt edilir. Bu süreçten sonra ilgili paketler gönderici ve alıcı arasında gitmeye başlar. Switch, paketi doğru bağlantı noktasına yönlendirdikten sonra, paketi ilgili cihaza ileterek iletişimi sağlar. Bu sayede veri paketleri, yalnızca hedef cihazlara iletilir ve diğer bağlantı noktalarına gereksiz yere iletilmez.

Paket Yönlendirme Yöntemleri

Store-and-forward switching ile Cut-through switching, veri iletimini yönlendirmek için switchlerin kullandığı iki farklı yöntemdir. Özel bir cihaz almadıysanız piyasadaki neredeyse tüm cihazlar Store-and-Forward Switching yöntemi ile çalışırlar.

Store-and-Forward Switching

Switch veri paketini tam olarak alır, paketin bütünlüğünü kontrol eder ve CRC (Cyclic Redundancy Check) gibi hata denetimi yapar. Veri paketi sorunsuzsa, switch paketi tamamen alır, ardından hedef MAC adresini inceleyerek yönlendirme işlemi başlatır. Yani, veri paketi tamamlandığında yönlendirme yapılır. Bu veri paketi 9200bytes a kadar çıkabilir.

Bu yöntem veri bütünlüğünü korumaya daha fazla önem verir çünkü veri paketi tam olarak alınır ve hatalar kontrol edilir. Eğer bir paket hatası varsa, paket çöpe atılır.

Bu yöntem daha fazla gecikmeye neden olabilir çünkü switch veri paketini tamamen alıp inceledikten sonra yönlendirme işlemine başlar. Daha fazla gecikme ve hata denetimi nedeniyle, veri iletim hızı Cut-Through anahtarlamasına göre genellikle daha düşüktür.

Cut-through Switching

Bu anahtarlamada iki yöntem vardır. Birinci yöntemde switch veri paketini alır almaz hedef MAC adresi bilgisine göre, hemen yönlendirme işlemini başlatılır. İkinci bir yöntem (Fragment Free) olarak ise ilk 64byte aldıktan sonrada yönlendirme işlemi sağlatılabilir. 64 Bytes dan küçük paketler bozuk varsayılır.

Veri paketi alındığı anda yönlendirme işlemi yapıldığı için daha düşük gecikme olur ve veri iletim hızları yüksektir. Yerine göre 10 microseconds altında paketleme yapabilir. Bu yöntem yüksek trafiğin ve hızın önemli olduğu finans, borsa vb. alt yapılarda tercih edilebilir.

Collision and Broadcast Domains

Collision Domains

Collision Domain, Ethernet ağlarında bir cihazın veri iletimi sırasında diğer cihazlarla aynı anda paket gönderimi sırasında ortaya çıkan durumdur. Hub gibi half-duplex çalışan cihazlarda bu durum gözükür. Hub gibi cihazlar bir porttan aldıkları verileri diğer tüm portlarından olduğu gibi gönderdiği için ortamda kaç tane hub olursa olsun teki bir Collision Domaindir. Switchler/Routerlar oluşan çarpışma durumunu diğer portlara iletmediği için bu cihazlardaki port sayısı kadar Collision Domain vardır.

Switch gibi cihazlarda ilgili porta takılan cihazın durumuna göre hız ve duplex uyuşmaması sonucu collision oluşabilir. Bunun önüne geçebilmek için switchlerde Auto-Negotiation özelliği bulunmaktadır. Switch cihazları Auto-Negotiation özelliği sayesinde port hızlarını ve half-duplex /full-dublex ayarını porta bağlı olan cihaza göre otomatik yaparlar. Yapısı gereği 1Gbps ve üzeri sistemler tamamen full-dublex olarak çalışırlar.

Broadcast Domains

Broadcast Domain, aynı ağda bulunan cihazlar bir birlerinden haberdar olmak ve haberleşme sağlayabilmek için broadcast trafiği üretirler. Bu trafik tek bir ağda oluyor ise tek bir broadcast domain var demektir. Bir sistemde kaç tane ağ (network) var ise o kadar da broadcast domain var demektir. Özetle aynı ağda bulunan tüm cihazlar aynı Broadcast Domain içerisindedir diyebiliriz.

Router gibi cihazlarda her bir port ayrı bir network olabildiği için her port için broadcast domain ayrı diyebiliriz.

Vlanlı bir yapıda her bir vlan bir broadcast domaindir. Vlan olmayan yapıda kaçtane switch bir birine bağlanırsa otomatik olarak broadcast domainimiz o kadar genişlemiş olur. Broadcast Domain büyüdükçe de performans sorunları ortaya çıkmaya başlar.

Switchler

Switchler, collisionları ortadan kaldırmak ve ağ tıkanıklığını önlemek için MAC adres tablosunu ve full-duplex iletişim kullanır. Ağdaki tıkanıklığı hafifleten switchlerin genel özellikleri şu şekildedir:

• Fast Port Speeds: Modele bağlı olarak, switchlerin 100Gbps ve üzerine kadar bağlantı noktası hızları olabilir.
• Fast Internal Switching: Performansı artırmak için hızlı dahili veri yolu (internal bus) veya paylaşılan bellek (shared memory) kullanılabilir.
• Large Frame Buffers (Büyük Çerçeve Arabellekleri): Bu, büyük miktarlarda frame işlerken geçici depolamaya (temporary storage) izin verir
• High Port Density (Yüksek Bağlantı Noktası Yoğunluğu): Bu, cihazların LAN’a daha az maliyetle bağlanması için birçok bağlantı noktası sağlar. Bu aynı zamanda daha az tıkanıklık ile daha fazla yerel trafik sağlar.