Czym się różnią przełączniki warstwy 3. od routerów?

Rzeczy, które wydają się być oczywiste po kilku latach pracy w sieciach wcale takie nie muszą być na samym początku. Często o tym zapominamy. W tym artykule przyjrzymy się różnicom między routerami i przełącznikami warstwy trzeciej. A jest o czym pisać bo jak się okazuje tych różnic jest dość sporo!

Pamiętam do dziś te dziwne uczucie, które wiązało się z poznaniem liczb zespolonych. Oto przez całą Twoją edukację wpajano Ci, że liczb ujemnych nie można pierwiastkować, aż tu nagle na etapie liceum – niespodzianka! Jednak można. W takich momentach można się poczuć nieco zagubionym.

Podobnie sprawa ma się z sieciami komputerowymi. Rozpoczynasz swoją edukację w tym zakresie i dowiadujesz się o istnieniu urządzeń warstwy trzeciej (routerów) oraz sprzętu działającego na warstwie drugiej (switchy). Wszystko jest ładne, proste i klarowne. Przynajmniej do momentu, w którym zetkniesz się z koncepcją przełączników warstwy trzeciej.

Pierwszy moment, w którym usłyszysz o switchach L3 może być dezorientujący
Pierwszy moment, w którym usłyszysz o switchach L3…

Po wstępnej fali niezrozumienia i dezorientacji chwytasz koncepcję ich działania. Toż to po prostu przełącznik, na którym możemy uruchomić proces routingu! Życie jest znów proste! Ale zaraz… to po co nam w takim razie routery? No to po kolei.

Po co nam przełączniki warstwy 3?

Generalnie rzecz biorąc „tradycyjne” przełączniki (switche) służą do podłączania dużej liczby hostów do sieci. Odbywa się to zazwyczaj w warstwie dostępowej naszej topologii sieciowej (access layer). Z kolei routery znajdują się typowo na brzegu sieci i służą do łączenia sieci LAN z siecią WAN. Urządzenia te umiejscowione są typowo w module sieci nazywanym Enterprise Edge.

Gdzie zatem znajduje się miejsce przełączników warstwy trzeciej i po co one w ogóle powstały? Być może jest Ci znana koncepcja rozwiązania o nazwie „router on the stick”. Generalnie kiedyś jeśli mieliśmy do czynienia w sieci LAN z kilkoma (kilkunastoma) VLAN-ami to w celu przeroutowania ruchu między nimi musieliśmy oczywiście użyć router. Sytuacja mogła więc wyglądać następująco:

Kiedyś to było… router on the stick

Załóżmy, że użytkownik znajdujący się w VLAN-ie 10 chce się skomunikować z użytkownikiem w VLAN-ie 20. W tym scenariuszu wszystkie przełączniki są „zwykłymi” switchami działającymi na warstwie drugiej, a pomiędzy nimi mamy trunki. Szare połączenia są nieaktywne dzięki działaniu STP. Gatewaye dla obu VLAN-ów znajdują się w tej sytuacji na routerze i to właśnie tam dociera cały ruch. Router podłączony jest do sieci LAN za pomocą trunka, a routing między VLAN-ami jest możliwy w dużym skrócie dzięki subinterfejsom skonfigurowanym na routerze.

W tym miejscu dochodzimy do sedna sprawy – stworzenie przełączników warstwy trzeciej, czyli notabene umożliwienie włączenia na nich procesu routingu sprawia, że możemy wyeliminować „router on the stick”. W tej sytuacji topologia przybiera następujący kształt:

Rotuing między VLANami za pomocą SVI na switchach L3

Mamy tutaj do czynienia z połączeniem L3 między przełącznikami dystrybucyjnymi. Gatewaye dla poszczególnych VLAN-ów zostają przesunięte na dystrybucje i są na nich skonfigurowane pod postacią interfejsów SVI. STP jest tutaj mocno ograniczone w działaniu, ponieważ nie mamy do czynienia z pętlą na poziomie warstwy drugiej. Przeroutowanie między VLANami następuje na przełącznikach L3 w dystrybucji, a o redundancję gatewaya dba dowolny protokół FHRP – na przykład HSRP w przypadku Cisco.

Tego rodzaju topologia mogłaby ewoluować jeszcze dalej, aż do wprowadzenia łącz L3 w całej topologii i kompletnego wyeliminowania STP. Jest to nieco bardziej zaawansowane zagadnienie, ale jeżeli chcesz się mu bliżej przyjrzeć to zapraszam Cię do lektury mojego artykułu o VXLAN gdzie opisuję tę tematykę znacznie bardziej szczegółowo.

Po co nam w takim razie routery?

Dorysujmy do wcześniejszego diagramu jeszcze routery, które będą umożliwiały naszej mikro-sieci dostęp do internetu:

Routery w module Enterprise Edge do łączności z internetem

Pięknie. Teraz nasza topologia wygląda solidnie i kompletnie. Powstaje natomiast pytanie: skoro przełączniki dystrybucyjne „ogarniają” również routing to w zasadzie po co nam w ogóle routery? Pozbądźmy się nich i podłączmy łącza internetowe bezpośrednio do switchy:

A gdyby tak bez routerów…?

Czy to jest dobry pomysł? ZDECYDOWANIE NIE. I tutaj w końcu dochodzimy do crème de la crème tego artykułu czyli…

Jakie są różnice między routerami a switchami L3?

Zacznijmy od krótkiej listy podstawowych różnic po to aby następnie się im po kolei bliżej przyjrzeć:

Zanim przejdziemy do bliższego omówienia tych różnic chciałbym podkreślić, że są one zasadą od której istnieją również wyjątki. Zawsze sprawdź jakie są konkretne funkcje poszczególnych platform sprzętowych.

Obsługa routingu

Oba typy urządzeń obsługują oczywiście routing – są zdolne do przekazywania pakietów między sieciami. W tym miejscu warto nadmienić, że jeżeli jakieś urządzenie obsługuje routing to teoretycznie można je nazwać routerem. Często to usłyszysz zwłaszcza z ust osób nietechnicznych.

Podstawowy zakres routingu

Routery są zaprojektowane z myślą o routingu na styku sieci 😉 typu LAN czy też Data Center. Ich zadaniem jest zapewnienie łączności ze światem zewnętrznym oraz innymi lokalizacjami firmy. Tego typu łączność zasadniczo rzecz biorąc nie wymaga procesowania ogromnej ilości pakietów (w porównaniu do tego co się dzieje w sieci LAN). Mamy natomiast do czynienia z dużą ilością sieci docelowych co wpływa na znacznie większy rozmiar tablicy routingu. Z drugiej strony przełączniki warstwy trzeciej wykorzystujemy do routingu wewnątrz sieci LAN. Mamy zatem do czynienia z koniecznością przełączania i routowania ogromnej ilości pakietów do niewielkiej ilości sieci docelowych (routujemy jedynie w LAN-ie).

Interfejsy WAN

Dochodzimy do pierwszej ze znacznych różnic, która jednak powoli traci na znaczeniu. Routery generalnie rzecz biorąc wspierają tzw. moduły WIC (w przypadku Cisco), które pozwalają na wyposażenie tych urządzeń w dedykowane porty dla poszczególnych technologii łączności WAN-owych. Miało to znaczenie zwłaszcza kiedyś, gdy mieliśmy do czynienia z różnego rodzaju okablowaniami itd. W dzisiejszych czasach w większości wypadków łącze zewnętrzne jest nam dostarczane po światłowodzie lub skrętce i nie stanowi to problemu. Warto jednak mieć to na uwadze.

Obsługa zaawansowanych typów enkapsulacji

Ta różnica już ma znaczenie. Routery w odróżnieniu od przełączników warstwy trzeciej wspierają zaawansowane typy enkapsulacji takie jak MPLS, PPP, GRE czy też IPSec. Jeżeli więc musisz się podłączyć do chmury MPLS lub zbudować tunel VPN do bezpiecznego połączenia lokalizacji za pośrednictwem internetu – router jest dla Ciebie.

Podejście do przekazywania (forwardingu) ramek

Tutaj mamy do czynienia z kolejną zasadniczą różnicą. Routery generalnie rzecz biorąc dokonują wyboru trasy (route lookup) dla każdego pakietu. Proces routingu jest oparty o software (IOS) co narzuca również pewne ograniczenia w kwestii wolumenu pakietów, które mogą być przekazywane w backplanie urządzenia. Jest to tak zwany process switching, o którym przeczytasz w dedykowanym artykule o CEF.

W przypadku przełączników warstwy trzeciej sporą rolę odgrywa wspomniany CEF oraz wykorzystanie dedykowanych sprzętowych układów (ASIC). Ogólnie rzecz biorąc przełącznik podejmuje software’owo decyzję o routingu pierwszego pakietu. Decyzja ta następnie jest cache’owana i kolejne pakiety z tego samego przepływu (flow) są już przełączane sprzętowo przez ASIC. Ładnie się określa ten proces jako „route once, switch many” 🙂

Obsługa QoS

Oba typy urządzeń zasadniczo rzecz biorąc obsługują QoS, ale różnica polega na wsparciu poszczególnych funkcji QoS. Jeżeli chodzi o L2 QoS to przełączniki warstwy trzeciej wspierają zazwyczaj pełny zakres markowania COS (802.1P), ale mają ograniczone możliwości kolejkowania tego ruchu. Z kolei w przypadku L3 QoS opartego o bity TOS to właśnie routery mogą się wykazać bardzo zaawansowanymi metodami kolejkowania.

W trakcie robienia researchu do tego artykułu trafiłem na opis dość ciekawej sytuacji. W pewnej firmie były spore problemy z VoIP. Powodem był sposób w jaki działa L3 QoS na przełącznikach 3750. Mianowicie nie sprawdza on rozmiaru poszczególnych pakietów w danej klasie ruchu, w związku z czym nie jest w stanie określić faktycznego przepływu w tej klasie i następnie uciąć nadmiarowego ruchu (przekraczającego ustawiony wcześniej threshold). Zamiast tego 3750 zakłada z góry rozmiar każdego pakietu co powoduje niedokładne określanie faktycznego ruchu jaki ma miejsce.

Obsługa technologii LANowych (SPAN, VLAN-y, L2 Security)

Przełączniki oferują ogólnie bardzo wiele zaawansowanych technologii LAN-owych. Jeżeli masz potrzebę używania VLAN ACL, sesji SPAN do monitorowania ruchu czy też funkcji takich jak Port Security to próżno ich szukać na routerach.

Obsługa NAT-owania

NAT jest kolejną z funkcji, których próżno szukać na przełącznikach warstwy trzeciej. NAT jest obsługiwany w pełni procesowo więc mocno obciąża CPU. Z tego też powodu próżno go szukać na switchach L3.

Maksymalny rozmiar tablicy routingu

Tutaj routery najbardziej prężą muskuły. Pełna tablica BGP? Nie ma problemu! Tymczasem przełączniki warstwy trzeciej najzwyczajniej w świecie nie są w stanie obsłużyć dużych tablic routingu z uwagi na zbyt mało zasobów sprzętowych.

Maksymalna przepustowość

Ta różnica wynika głównie z umiejscowienia obu sprzętów. Przełączniki umieszczane w LAN-ie generalnie muszą sobie radzić z o wiele wyższymi przepustowościami a 10Gbps nikogo już tam dzisiaj nie zaskakuje. Tymczasem routery podłączane do WAN-u rzadko kiedy muszą obsługiwać przepustowości większe niż 1Gbps. Dlaczego? Łącza WAN najzwyczajniej w świecie mają zdecydowanie mniejsze możliwości.

Koszt urządzenia

Tutaj jest to oczywiście dość relatywna kwestia zależna od kupowanego modelu. Jeżeli jednak spojrzymy na urządzenia z wyższej półki (czyli obsługujące duże wolumeny ruchu) to routery są znacznie droższe od przełączników z uwagi na konieczność posiadania dużo większych zasobów sprzętowych.

Prędkość przełączania ruchu

W tej kwestii zdecydowanie dominują przełączniki za sprawą wcześniej wspomnianych układów ASIC oraz chociażby CEF. Nic dodać, nic ująć.

Ilość portów

I tym samym dochodzimy do ostatniej kwestii czyli ilości portów. Przełączniki jako urządzenia w dużej mierze zapewniające dostęp do sieci charakteryzują się największym zagęszczeniem portów. Mamy tu zatem do czynienia z setkami portów (co też znacznie obniża koszt per port). Routery typowo mają kilka-kilkanaście portów więc tam ten koszt jest ZNACZNIE wyższy.

Jak widzisz urządzenia, które na pierwszy rzut oka mogą się wydawać dość podobne okazują się od siebie różnić dość znacznie. Na zakończenie tego artykułu chciałbym Cię pozostawić z jednym spostrzeżeniem: zwróć uwagę na to, że funkcje poszczególnych urządzeń sieciowych z każdym rokiem przenikają się coraz bardziej.

Mamy coraz wydajniejsze firewalle mogące również pełnić funkcje routerów, wbudowane moduły IPS/IDS czy też kontrolery sieci bezprzewodowych zintegrowane z przełącznikami. Producenci non stop się prześcigają w wymyślaniu coraz to nowych kombinacji.

Czy pominąłem jakąś istotną różnicę między routerami a switchami L3? A może jest jakieś inne zagadnienie, które nie jest dość jasne i wymaga wyjaśnienia? Daj znać w komentarzu!

🗳 Jak przydatna była ta publikacja?

Średnia ocena 4.8 / 5. Ilość głosów: 67

Brak ocen. Bądź pierwszy!

Dziękujemy za ocenę! Zapraszamy Cię do obserwowania NSS w mediach społecznościowych!

Przykro nam, że ta publikacja okazała się być dla Ciebie nieprzydatna!

Uwaga: Twój głos będzie liczony tylko jeśli udzielisz feedbacku używając formularza poniżej.

Jak możemy poprawić tę publikację?

Damian Michalak
Network Consultant, Twórca Na Styku Sieci