سوئیچ شبکه یکی از مهم‌ترین تجهیزات در زیرساخت ارتباطی است که وظیفه دارد دستگاه‌های مختلف را به یکدیگر متصل کرده و داده‌ها را بین آن‌ها با دقت و سرعت بالا منتقل کند. اهمیت سوئیچ در شبکه‌های امروزی به این دلیل است که مدیریت ترافیک، جلوگیری از تداخل داده‌ها و حفظ کارایی شبکه تا حد زیادی به عملکرد صحیح آن وابسته است. در این مقاله به‌صورت ساده و قابل‌فهم توضیح می‌دهیم که سوئیچ شبکه چگونه کار می‌کند و چه مکانیزمی باعث می‌شود داده‌ها به مقصد درست ارسال شوند.

سوئیچ شبکه چیست؟

سوئیچ شبکه یکی از اصلی‌ترین تجهیزات در هر شبکه محلی است؛ دستگاهی که مثل یک مدیر هوشمند، داده‌ها را بین دستگاه‌های مختلف جابه‌جا می‌کند. سوئیچ‌ها معمولاً در لایه دوم یا سوم شبکه کار می‌کنند و با کمک آدرس‌های فیزیکی یا همان MAC Address تشخیص می‌دهند هر بسته اطلاعاتی باید از کدام پورت عبور کند. همین تصمیم‌گیری هوشمند باعث می‌شود ترافیک شبکه منظم‌تر شود و سرعت و عملکرد شبکه به شکل قابل توجهی بالا برود.

تفاوت سوئیچ با هاب و روتر

هاب: مثل یک بلندگو عمل می‌کند و هر داده‌ای که دریافت می‌کند را بدون هیچ تشخیصی برای تمام پورت‌ها ارسال می‌کند. همین موضوع باعث کاهش سرعت و افزایش تداخل می‌شود.

سوئیچ: دقیق‌تر و هوشمندتر است؛ بسته‌ها را فقط به مقصد واقعی ارسال می‌کند و همین باعث افزایش سرعت و امنیت می‌شود.

روتر: وظیفه‌اش متفاوت است؛ شبکه‌های مختلف را به هم وصل می‌کند و بر اساس IP مسیر مناسب را برای داده‌ها مشخص می‌کند.

انواع سوئیچ

سوئیچ مدیریتی (Managed): امکانات پیشرفته‌ای مثل تنظیم VLAN، مدیریت ترافیک (QoS)، امنیت پورت و پروتکل‌هایی مثل STP را ارائه می‌دهد.

سوئیچ غیرمدیریتی (Unmanaged): بدون نیاز به تنظیمات، فقط دستگاه‌ها را به هم وصل می‌کند و مناسب شبکه‌های ساده‌تر است.

سوئیچ لایه ۲: بر پایه MAC Address کار می‌کند و معمول‌ترین گزینه در شبکه‌های LAN است.

سوئیچ لایه ۳: علاوه بر توانایی‌های لایه ۲، می‌تواند روتینگ انجام دهد و ترافیک بین شبکه‌ها یا VLANهای مختلف را مدیریت کند.

سوئیچ چگونه کار می‌کند؟

برای اینکه بفهمیم سوئیچ دقیقاً چه نقشی در شبکه ایفا می‌کند، کافی است مسیر حرکت یک بسته داده را از لحظه ورود تا خروج دنبال کنیم. هر بسته اطلاعاتی هنگام ورود به سوئیچ در مرحله‌ای به نام Ingress دریافت می‌شود. سوئیچ در همین لحظه، آدرس مبدا بسته (MAC Address) را یادداشت کرده و آن را در جدول مخصوص خود ذخیره می‌کند. به این جدول، MAC Address Table می‌گویند؛ چیزی شبیه یک دفترچه راهنما که سوئیچ به کمک آن می‌فهمد هر دستگاه روی کدام پورت قرار دارد.

بعد از اینکه سوئیچ بسته را دریافت کرد، نوبت تصمیم‌گیری درباره مسیر خروج است که در اصطلاح به آن Egress گفته می‌شود. سوئیچ آدرس مقصد بسته را بررسی می‌کند و اگر آن آدرس در جدول MAC وجود داشته باشد، بسته را همان‌طور مستقیم به پورت صحیح هدایت می‌کند. اگر مقصد ناشناخته باشد، سوئیچ مجبور است از روش دیگری استفاده کند.

Forwarding، Filtering و Flooding چه تفاوتی دارند؟

Forwarding
اگر آدرس مقصد در جدول MAC موجود باشد، سوئیچ بسته را دقیقاً به پورت مخصوص همان دستگاه ارسال می‌کند. این کار باعث سرعت بیشتر و کاهش ترافیک شبکه می‌شود.

Filtering
زمانی اتفاق می‌افتد که سوئیچ تشخیص دهد بسته اصلاً نباید از پورت مشخصی خارج شود. برای مثال، وقتی بسته‌ای وارد همان پورتی شود که مقصدش هم روی همان پورت قرار دارد، نیازی به ارسال دوباره نیست و سوئیچ آن را فیلتر می‌کند.

Flooding
زمانی رخ می‌دهد که سوئیچ مقصد بسته را نمی‌شناسد. در این حالت، بسته را برای همه پورت‌ها (به جز پورت ورود) ارسال می‌کند تا بالاخره دستگاه مقصد آن را دریافت کند. پس از اینکه پاسخ برگشت و سوئیچ مقصد را شناخت، آن را در جدول MAC ذخیره می‌کند تا دفعات بعد نیاز به Flooding نباشد.

انواع روش‌های سوئیچینگ

سوئیچ‌ها فقط یک روش ثابت برای پردازش بسته‌ها ندارند؛ بلکه بسته به نوع کاربرد و نیاز شبکه، می‌توانند از روش‌های مختلفی برای دریافت و ارسال فریم‌ها استفاده کنند. سه روش اصلی سوئیچینگ عبارت‌اند از: Store-and-Forward، Cut-Through و Fragment-Free. هر کدام سرعت، تأخیر و دقت متفاوتی دارند.

1. Store-and-Forward

در این روش، سوئیچ ابتدا کل فریم را دریافت و بررسی می‌کند؛ حتی چک‌سام (CRC) آن را هم کنترل می‌کند تا مطمئن شود فریم سالم است. فقط در صورتی فریم را ارسال می‌کند که خطا نداشته باشد.
این روش از نظر دقت بهترین است، چون جلوی انتقال فریم‌های خراب را می‌گیرد. البته به دلیل بررسی کامل فریم، تأخیر بیشتری نسبت به سایر روش‌ها دارد.

2. Cut-Through

در روش Cut-Through، سوئیچ منتظر دریافت کامل فریم نمی‌ماند. همین که آدرس مقصد را تشخیص دهد، فوراً ارسال آن را شروع می‌کند.
این روش از نظر سرعت و تأخیر بسیار سریع است، اما چون کل فریم بررسی نمی‌شود، احتمال عبور فریم‌های خطادار وجود دارد. معمولاً در شبکه‌هایی که سرعت اولویت بالایی دارد از این روش استفاده می‌شود.

3. Fragment-Free 

Fragment-Free در واقع ترکیبی از دو روش قبلی است. سوئیچ ابتدا 64 بایت اول فریم را دریافت و بررسی می‌کند؛ چون بیشتر خطاها معمولاً در همین بخش به‌وجود می‌آیند. اگر مشکلی نبود، ادامه فریم را به‌صورت Cut-Through ارسال می‌کند.
این روش بینابینی است؛ دقت بیشتری نسبت به Cut-Through دارد اما سریع‌تر از Store-and-Forward عمل می‌کند.

مقایسه سرعت، تأخیر و دقت

ترافیک در سوئیچ چگونه مدیریت می‌شود؟

سوئیچ‌ها فقط نقش اتصال دستگاه‌ها را ندارند؛ یکی از مهم‌ترین وظایف آن‌ها مدیریت ترافیک شبکه است تا داده‌ها بدون تداخل و ازدحام جابه‌جا شوند. برای این کار، سوئیچ از چندین مفهوم و تکنیک مختلف کمک می‌گیرد که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌کنیم.

VLAN چیست و چه نقشی در مدیریت ترافیک دارد؟

VLAN یا شبکه محلی مجازی به شما اجازه می‌دهد یک سوئیچ فیزیکی را به چند شبکه منطقی تقسیم کنید.
به زبان ساده، VLAN کمک می‌کند:

گروه‌های مختلف کاربران از هم جدا شوند

ترافیک هر بخش به بخش دیگر نشت نکند

امنیت و سرعت شبکه افزایش پیدا کند

مثلاً می‌توانید واحد مالی، پشتیبانی و مدیران را در VLANهای جداگانه قرار دهید تا ترافیک و Broadcast هر گروه مزاحم دیگری نشود.

Broadcast، Unicast و Multicast

نوع ارسال داده در شبکه نقش مهمی در مدیریت ترافیک دارد:

Unicast: ارسال داده از یک دستگاه به یک دستگاه مشخص؛ معمول‌ترین نوع انتقال در شبکه.

Broadcast: ارسال داده به تمام دستگاه‌های موجود در شبکه. این نوع ترافیک اگر کنترل نشود، باعث شلوغی و مصرف زیاد پهنای باند می‌شود.

Multicast: ارسال داده به گروه مشخصی از دستگاه‌ها که عضو یک گروه Multicast هستند؛ این روش برای استریم‌ها و کاربردهای گروهی بسیار بهینه است.

سوئیچ باید بداند هر نوع ترافیک را چگونه و برای چه مقصدهایی ارسال کند تا ترافیک غیرضروری ایجاد نشود.

نحوه کنترل Broadcast Storm

Broadcast Storm یکی از خطرناک‌ترین اتفاقات شبکه است. زمانی رخ می‌دهد که مقدار زیادی ترافیک Broadcast در مدت کوتاه تولید شود و عملاً پهنای باند شبکه را اشباع کند. نتیجه‌اش قطع شدن شبکه یا افت شدید سرعت است.

سوئیچ‌ها برای جلوگیری از این مشکل از چند روش استفاده می‌کنند:

محدود کردن نرخ Broadcast (Broadcast Rate Limiting)

استفاده از VLAN برای جداکردن ترافیک گروه‌ها

استفاده از پروتکل‌هایی مثل STP برای جلوگیری از ایجاد حلقه‌های شبکه

Port Security برای جلوگیری از ارسال غیرعادی فریم‌ها توسط یک پورت

جمع‌بندی

سوئیچ شبکه یکی از اساسی‌ترین اجزای هر شبکه محلی است و تمام جریان داده‌ها از آن عبور می‌کند. همان‌طور که در این مقاله دیدیم، سوئیچ با دریافت فریم‌ها، یادگیری آدرس‌ها، ذخیره‌سازی در جدول MAC و تصمیم‌گیری هوشمند درباره مسیر خروج، ترافیک شبکه را به‌صورت دقیق و هدفمند مدیریت می‌کند. استفاده از روش‌های مختلف سوئیچینگ مثل Store-and-Forward یا Cut-Through نیز به سوئیچ این امکان را می‌دهد که بین دقت، سرعت و تأخیر بهترین تعادل را برقرار کند.

انتخاب یک سوئیچ مناسب نقش بسیار مهمی در عملکرد شبکه دارد. نوع سوئیچ، قابلیت‌های مدیریتی، پورت‌ها، پشتیبانی از VLAN، کیفیت ساخت و امکانات امنیتی همگی می‌توانند مستقیماً روی سرعت، پایداری و امنیت شبکه تأثیر بگذارند. در نهایت، باید بدانیم سوئیچ تنها یک وسیله اتصال ساده نیست؛ بلکه قلب تپنده شبکه است و انتخاب درست آن می‌تواند تفاوت بزرگی در کیفیت و پایداری کل سیستم ایجاد کند.