Repeater , Hub , Bridge และ Switch คืออุปกรณ์ที่ใช้ทำอะไรในระบบ Computer Network เรามาเรียนรู้ไปด้วยกันครับ
อุปกรณ์ข้างต้นนี้ คือตัวกลาง ที่จะช่วยการส่งผ่าน Ethernet Frame ไปยัง Host ปลายทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ บางอุปกรณ์ทำงานได้ใน Layer 1 บางอุปกรณ์ ทำงานได้ถึง Layer 2
สำหรับข้อมูลที่เกี่ยวกับ Ethernet Protocol นั้นว่าคืออะไร สามารถอ่านได้ในบทความของผมบทความนี้ครับ -> Ethernet Protocol
ในยุคเริ่มแรกของการใช้งาน Computer นำมาเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่ายท้องถิ่น หรือ ที่เรียกว่าระบบ LAN (Local Area Network)
ในยุคเริ่มแรกของการใช้ Ethernet Protocol เราจะใช้สาย Coaxial
สาย Coaxial ถูกจัดประเภทโดยองค์กร Radio Government (RG) จึงใช้คำว่า RG นำหน้าเพื่อระบุประเภทของสายโคแอกเชียล
Type RG-8 จะใช้กับความต้องการที่ต้องการระยะไกล คือใช้ได้ยาวสุดที่ 500m เรียกว่า Thick Ethernet (หรือ ThickNet )เชื่อมต่อกับ Interface Card ของ Computer ที่เป็นหัว AUI (หรือบางทีเรียกกันว่าหัว DIX)ผ่านอุปกรณ์ที่เรียกว่า Vampire Tab ชื่อมาตรฐานของการรับส่งข้อมูลคือ 10Base5
Type RG-58 จะใช้เชื่อมต่อในระยะไม่ไกลมาก คือจะได้ 200m(แต่ RG-58 ควรไม่เกิน 185m จะให้ประสิทธิภาพดีสุด) เรียกว่า Thin Ethernet (หรือ ThinNet หรือเรียกอีกชื่อว่า cheapernet) เชื่อมต่อกับ Interface Card ของ Computer ที่เป็นหัว BNC (Bayonet Neill-Concelman) ชื่อมาตรฐานของการรับส่งข้อมูลคือ 10Base2 ในยุคนั้นนิยมใช้งานสำหรับเครือข่ายหรือสำนักงานขนาดเล็ก
ทั้ง 10Base2 และ 10Base5 เป็นมาตรฐานประเภทนึงของการรับส่งข้อมูลในระบบ Ethernet ดั้งเดิมที่พัฒนาโดยบริษัท Xerox ในปี 1972 ความหมาย 10 คือ ความเร็วในการส่งข้อมูล 10 Mbps , Base คือ การส่งข้อมูลแบบ Baseband คือการส่งเป็นสัญญาณดิจิตอล bit 0,1 ส่วน 2 และ 5 คือความยาวสูงสุดได้ไม่เกินค่านั้น โดย 2 หมายถึง 200เมตร และ 5 หมายถึง 500เมตร
การใช้งานในยุคนั้นจะเชื่อมต่อกันแบบ Bus topology ตามรูปด้านบน และการใช้งานจะเป็นลักษณะ Half-Duplex ก็คือ เป็นรับ-ส่งข้อมูล,สัญญาณได้บนสื่อสัญญาณ(Media)เส้นเดียวกัน คือใช้เคเบิลเส้นเดียวกัน แต่ไม่สามารถที่จะรับ-ส่ง สัญญาณ,ข้อมูลพร้อมกันในเวลาเดียวกัน
Collision Domain
ซึ่งการใช้งานลักษณะนี้ก็มีโอกาสเกิดการชนกันของข้อมูลได้ หาก Host บาง Host ส่งสัญญาณออกมาพร้อมๆกัน การใช้งานบนเคเบิลเส้นเดียวกันนี้ เราจะเรียกว่าใช้งานบน LAN Segment เดียวกัน ถ้ามองภาพรวมของจำนวน LAN Segment จะเห็นว่า Bus Topology นี้มี 1 LAN Segment เท่านั้น พูดง่ายๆก็คือ มันไม่มีตัวกลางใดในการใช้ Filter หรือ กรอง Ethernet Frame จากต้นทาง ที่จะไปยังปลายทางนั้นได้ เมื่อทุกๆ Host อยู่บน LAN Segment เดียวกัน Ethernet Frame นั้นๆ ก็จะส่งถึงทุกๆ Host นั้น แม้ว่าไม่ใช่ Ethernet Frame ที่มีปลายทางเป็น Host นั้นๆก็ตาม
ดังนั้นถ้ามี Host จำนวนมาก ก็มีโอกาสมากขึ้นที่จะเกิดการชนกันของข้อมูลในขอบเขตของ LAN Segment นั้น ดังนั้นขอบเขตของการชนกันของข้อมูลนี้เราจึงเรียกว่า “Collision Domain” ครับ
Repeater
อุปกรณ์ Repeater เป็นอุปกรณ์ที่เกิดขึ้นมานานแล้ว ประมาณช่วงยุคปี 1913 ใช้ขยายระยะการรับส่งสัญญาณในระบบโทรศัพท์ เมื่อมีการพัฒนามาตรฐาน Ethernet Protocol ขึ้นมาใช้กับระบบ Computer แล้ว อุปกรณ์นี้ก็ได้ถูกนำมาปรับใช้กับเครือข่ายท้องถิ่นด้วย (LAN : Local Area Network)
จากบทความของผมเรื่อง Ethernet Protocol สื่อสัญญาณที่นำมาใช้ จะมีความยาวสูงสุดได้ที่ 2.5km และได้สูงสุดที่ 100 Devices ใน 1 LAN Segment
คำถามคือ ในเมื่อต่อใช้งานได้ 2.5km สูงสุด แต่มาตรฐานของสาย RG-8 ได้ที่ 500m แล้วทำอย่างไรถึงได้ 2.5km ? คำตอบคือ ก็ต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียก Repeater
อุปกรณ์ Repeater เป็นอุปกรณ์ 2 port เป็นหัว BNC ที่ใช้สำหรับสาย Coaxial โดย Repeater จะรับสัญญาณเข้ามาทีละ Bit และส่งออกไป ถ้าสัญญาณของ Bit ไหนมีความอ่อนลง Repeater จะสร้างสัญญาณของ Bit นั้นขึ้นมาใหม่ให้แรงเท่าเดิม จากนั้นก็ส่งจากตัวเองออกไป ตามรูปด้านบน
อุปกรณ์ Repeater นี้ทำงานในชั้นสื่อสารที่เรียกว่า Physical หรือ Layer 1 ตาม OSI Model
เมื่อมองภาพรวมของการใช้งานแล้ว ก็จะเสมือนว่า เรามีสายเคเบิลที่ยาวขึ้น ทำให้เครือข่ายท้องถิ่น (LAN)ทำระยะรับส่งได้ไกลขึ้น
แต่การใช้งานลักษณะนี้ ไม่ได้ทำให้ประสิทธิภาพการใช้งานนั้นดีขึ้น เพราะว่า เมื่อนำ LAN Segment มาเชื่อมต่อกันมากขึ้น Host มีมากขึ้นใน LAN Segment เดียวกัน ส่งผลให้เพิ่มโอกาสการชนกันของข้อมูลที่มากขึ้นด้วย เพราะอยู่ใน Collision Domain เดียวกัน กระบวนการ CSMA/CD ก็จะถูกใช้มากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพในการรับส่งข้อมูลแย่ลงกว่าเดิมครับ เพราะเมื่อมีการชนกันของข้อมูล ก็ต้องสุ่มเวลาเพื่อรอ แล้วทำการส่งข้อมูลใหม่ ทำให้รับส่งข้อมูลได้ช้าลง
Hub , Ethernet Hub
Hub เป็นอุปกรณ์ที่ทำงานเหมือนกับ Repeater แต่มีมากกว่า 2 Port
คือเมื่อมีสัญญาณเข้ามาทางพอร์ทใดพอร์หทนึ่ง Hub จะทำการส่งสัญญาณนั้นออกทุกๆพอร์ท
ที่มีอุปกรณ์เชื่อมต่ออยู่ จะเห็นว่าลักษณะภายในของ Hub ยังคงเสมือนแบบ Bus topology
เมื่อมี Host ส่งสัญญาณออกยัง Port ของ Hub , Hub จะทำการส่งสัญญาณนั้นออกไปทุกพอร์ทที่มี Host ต่อเชื่อมต่ออยู่ ยกเว้นพอร์ทที่รับสัญญาณมา การทำงานของ Hub นั้นจะเป็นลักษณะ Boardcast
ทุกๆเครื่องที่เชื่อมต่อผ่าน Hub จะสามารถรับ Ethernet Frame ถึงตนเองทุกเครื่อง แม้ว่า Ethernet Frame จะไม่ใช่ข้อมูลของตนเองก็ตาม อีกปัญหานึงที่พบคือ ข้อมูลที่ส่งออกจากเครื่องนั้นๆ ก็อาจเกิดความไม่ปลอดภัยของข้อมูลผู้ส่งได้ เพราะว่าเครื่องอื่นยังสามารถรับ Ethernet Frame ที่ตรงตามเครื่องส่งต้องการที่จะส่งหาได้
Hub ทำงานในชั้นสื่อสาร Physical Layer (Layer 1) ไม่สามารถที่จะอ่านข้อมูลและเข้าใจข้อมูลที่อยู่ใน Ethernet Frame (Layer 2)
Hub จะช่วยในเรื่องการจัดการเครือข่ายในลักษณะลำดับชั้นได้ ทำการเชื่อมต่ออุปกรณ์เครือข่ายได้สะดวกขึ้น และแก้ปัญหาของอุปกรณ์ได้สะดวกขึ้นโดยแยกลำดับชั้นนั้นๆ กว่ารูปแบบเดิมที่ต่อโดยใช้หัว BNC
จากการใช้ Hub ที่มีหลายพอร์ท ก็เปรียบเสมือนมี Repeater หลายตัวอยู่ใน Hub ตัวเดียว เมื่อนำมาเชื่อมต่อในลักษณะลำดับชั้นนี้ เมื่อมองอีกรูปแบบนึงก็เสมือนว่าเป็นโครงข่าย Star topology ซึ่งที่นิยมใช้จนถึงปัจจุบันนี้
RJ-45 & CAT3 Cables
Hub ได้พัฒนามาใช้กับหัวเชื่อมต่อแบบโมดูลาร์(Modular) ที่เรียกว่าหัว RJ (Registered Jack) ซึ่งในมาตรฐาน Ethernet protocol ได้ใช้หัว RJ-45(Registered Jack-45)
RJ-45 จะมีทั้งหัวที่เป็นตัวปลั๊กเสียบ(ตัวผู้) และตัวเต้ารับ(ตัวเมีย) โดยมาตรฐานทางสายเคเบิลของ Ethernet นี้คือ 10Base-T , T ย่อมาจาก Twiested pair(สายคู่ตีเกลียว) , 10 คือ 10Mbps , Base คือ รับส่งสัญญาณ Baseband คือเป็นดิจิตอล
โมดูลาร์แบบ RJ นี้เกิดจากองค์กร AT&T Federal Communications Commission (FCC) ที่ก่อตั้งในปี 1960 , FCC ได้ทำการสร้างมาตรฐานการเชื่อมต่อระหว่างกันนี้ขึ้นในปี 1970 ซึ่งตั้งชื่อตามระบบการลงทะเบียนจนเป็นที่รู้จักในปัจจุบันในชื่อ Registered Jacks (RJ)
มาตรฐาน RJ นี้ ได้กำหนดรูปแบบการเดินสายสัญญาณ ตามลักษณะเฉพาะของสัญญาณ และโครงสร้างทางกายภาพของตัวเชื่อมต่อเอง โดยหลักการตั้งชื่อ “RJ” จะตามด้วยตัวเลขสองตัว เพื่อแยกความแตกต่างของลักษณะและวัตถุประสงค์ของการใช้งานนั้นๆ
และสื่อสัญญาณ(Media) ในยุคนั้นมาตรฐานทางสายเคเบิลทองแดง ที่นำมาใช้กับระบบ LAN จะเป็นสายทองแดง UTP (Unshielded Twisted-Pair) CAT-3 (Category 3) หรือเรียกสั้นๆว่า สาย LAN รองรับความเร็วสุดได้ที่ 10Mbps
(CAT-1 ใช้กับระบบโทรศัพท์ ,
CAT-2 ได้ความเร็วสูงสุด 4Mbps ,
CAT-4 ใช้กับ Token Ring (ไม่ได้กล่าวถึงในบทความนี้ครับ)ไม่ใช่ Ethernet ความเร็วสูงสด 16Mbps)
มาตรฐานทางสายเคเบิลนี้ ถูกกำหนดโดยองค์ TIA (Telecommunications Industries Assocication ) และ EIA (Electronic Industries Alliance) และยุคถัดมา ประมาณ ค.ศ.1991 ทางองค์กร ANSI (American National Standards Institute) ได้เข้ามาร่วมกำหนดมาตรฐานด้วย ใช้ชื่อมาตรฐานหลักว่า ANSI/TIA/EIA 568 และใช้คำย่อสำหรับมาตรฐานสายเคเบิลว่า CAT (Category) ตามด้วยหมายเลขเพื่อแสดงระดับคุณภาพของสายเคเบิลนั้นๆ
จะใช้เป็นสายทองแดงคู่ตีเกลียว(Twisted pair) โดยจะใช้ 2 คู่ โดยคู่แรกจะใช้เป็น Tx (Transmitter) ขั้ว+,-(ส่งสัญญาณ) และอีกคู่จะเป็น Rx (Reciever) ขั้ว+,- (รับสัญญาณ) กรณีที่ใช้กับ Network Device ที่เป็นคนละชนิดกันเราจะใช้สายตรง (Straight Through Cable)
สำหรับกรณีการใช้สาย LAN (UTP Cable) แบบ Cross หรือที่เรียกว่าสาย Cross เราจะใช้เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ชนิดเดียวกัน เช่น PC-to-PC หรือ Hub-to-Hub เป็นต้น
Hub จะทำงาน Half-Duplex และความเร็ว 10Mpbs เหมือนเดิมครับ ถึงแม้ว่าเราจะแยกคู่สื่อสัญญาณ(Media)แล้ว แต่กระบวนการ CSMA/CD ยังทำงานผ่าน Loopback interface เป็น Interface เสมือน ที่เชื่อมต่อกับสายสัญญาณทองแดงทุกคู่ (ตามรูปด้านบนในส่วนของ Collision?)
ดังนั้นกระบวน CSMA/CD ก็จะต้องรอฟังสัญญาณ(Sense)จากสายทองแดงทุกคู่ที่ใช้งาน เลยทำให้ Hub ยังคงใช้งานแบบ Half-Duplex คือ ระหว่างที่รับสัญญาณจาก Host อื่นๆที่ส่งมา ก็จะไม่สามารถส่งสัญญาณของตนเองออกไปได้นั่นเอง
เมื่อมีการเชื่อมต่ออุปกรณ์มากขึ้น ก็จะมี Host มากขึ้น ขนาดของ Collision Domain ก็มีขนาดใหญ่ขึ้น โอกาสการชนกันของข้อมูลก็จะเกิดมากขึ้น ทราฟฟิคที่ถูกใช้กับกระบวนการ CSMA/CD ก็จะถูกใช้มากขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเครือข่าย LAN ลดลงได้
Bridge
การใช้งาน Hub ทำให้สะดวกในการเชื่อมต่อมากขึ้น แต่ยังคงพบปัญหาการชนกันของข้อมูลมากขึ้น เมื่อมีจำนวน Host มากขึ้น
แต่จะทำอย่างไร ถึงจะใช้งานได้ดีขึ้น โดยจำนวน Host ยังเท่าเดิม? ทางแก้ไขก็คือต้องทำการลดขนาดของ Collision Domain แต่ Host ยังติดต่อกันได้เหมือนเดิม
ในช่วงปี ค.ศ.1980–1985 ทีมพัฒนาของบริษัท Xerox จึงได้ทำการสร้างอุปกรณ์ที่ชื่อว่า Bridge ขึ้นมาใช้งานในเครือข่าย Ethernet โดยยุคเริ่มต้นจะมี 2 port เหมือน Repeater
ทำไมถึงเรียกว่า Bridge ?
ก็เพราะการใช้งานมันเป็นลักษณะ Bridge จริงๆ คือเป็นสะพาน เพื่อเชื่อมต่อ 2 LAN Segment เข้าด้วยกัน
Bridge จะทำหน้าที่เป็นตัวกลาง เพื่อทำการแบ่ง 1 LAN Segment นั้นๆ ให้ออกเป็น 2 LAN Segment เช่น ตามรูปด้านบน ถ้า 1 LAN Segment นั้นเชื่อมต่อกันด้วย Hub ที่มีจำนวน Host ทั้งหมด 6 Host เมื่อใช้ Bridge นำมาคั่น จะทำให้เกิดเป็น 2 LAN Segment
หรือเรียกอีกอย่างว่า จะมี 2 Collision Domain ที่เชื่อมต่อกัน จาก 1 Collision Domain ที่มี 6 Host ก็จะเหลือ 1 Collision Domain มี 3 Host แล้วนำมาเชื่อมต่อกันโดยใช้ Bridge และทุก Host ยังสามารถติดต่อสื่อสารกันได้เหมือนเดิม
Bridge จะทำให้ลดโอกาสที่จะเกิดการชนกันของข้อมูล เพราะจำนวน Host มีน้อยลงใน 1 Collision Domain ทำให้ CSMA/CD ใช้ Traffic น้อยลงด้วย ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการใช้งานเครือข่าย (LAN) ดีขึ้นกว่าการใช้ Hub เพียงอย่างเดียว
ทำไม Bridge ถึงสามารถทำการแบ่ง Collision Domain ได้ ?
เพราะว่า Bridge เป็นอุปกรณ์ที่ถูกพัฒนามาเพื่อที่จะให้อ่านข้อมูลใน Ethernet Frame (Layer 2) ได้
เรามาดูกระบวนการทำงานของ Bridge กันครับ
เริ่มแรกถ้า Bridge ไม่มีข้อมูลใดๆ อยู่ใน Bridge Table
เมื่อ Bridge ได้รับ Ethernet Frame เข้ามา ไม่ว่าจะเป็น Multicast , Broadcast (FFFF….) หรือ Unicast MAC address ตามรูปด้านบน เมื่อไม่มีข้อมูลใดๆอยู่ใน Bridging Table
Bridge ก็จะทำการส่งต่อ (Forward) Ethernet Frame นั้นออกไปยังทุกพอร์ทที่ต่ออยู่กับ LAN Segment อื่นๆ ยกเว้นพอร์ทที่รับ Ethernet Frame เข้ามา แล้วก็ จะทำการบันทึกข้อมูล Source MAC address ลงใน Bridging Table
ในกรณีที่ Bridging Table มีข้อมูลแล้วตามรูปบน
1. Bridge จะทำการเรียนรู้ (Learning) เมื่อมี Host ใดๆเริ่มทำการติดต่อกับ Host อื่นๆ Host นั้นจะทำการส่ง Ethernet Frame ที่มีข้อมูล Source MAC address อยู่ด้วย
Ethernet Frame นั้นจะถูกส่งไปถึงทุกๆ Host ที่อยู่ภายใน LAN Segment นั้น และถึงพอร์ทของ Bridge ที่เชื่อมต่อกับ LAN Segment (Collision Domain) นั้นด้วย
เมื่อ Ethernet Frame นั้นส่งมาถึงพอร์ทของ Bridge , Bridge จะทำการจัดเก็บข้อมูล Source MAC address อยู่ที่ภายใน Ethernet Frame นั้น นำมาเก็บไว้ใน Memory ของ Bridge ที่เรียกว่า Bridge Table หรือเรียกว่า MAC address Table ก็ได้ครับ
ข้อมูลใน Bridge Table จะระบุเพื่อให้ Bridge ทราบว่า MAC address นั้นๆเข้ามาจากทางพอร์ทไหนของ Bridge เพื่อใช้เป็นข้อมูลใช้งานเพื่อส่งต่อ(Forwarding) Ethernet Frame นั้นไปออกทางพอร์ทที่มีข้อมูลใน Bridge Table ตรงกับ Destination MAC address เพื่อไปยัง LAN Segment (Collision Domain)ที่ต่อกับพอร์ทนั้นๆของ Bridge
2. จากรูปด้านบนจะเห็นว่า Host ที่มี MAC .2222 จะทำการติดต่อกับ Host MAC .1111 เมื่อ Ethernet Frame ส่งถึง Bridge ที่พอร์ท E0
Bridge จะทำการกรอง(Filtering) โดยนำ Destination MAC address ไปเทียบข้อมูลใน Bridge Table แล้วพบว่า MAC .1111 นั้นอยู่ที่พอร์ท E0 ซึ่งเป็นพอร์ทที่ตรงกับพอร์ทที่รับ Ethernet Frame นั้นเข้ามา จึงทำการ Drop Ethernet Frame นั้นทิ้งไป ไม่ส่งต่อไป LAN Segment (Collision Domain)อื่นๆ
3. จากรูปด้านบน เมื่อ Host MAC .1111 ส่ง Ethernet Frame ที่มี Destination MAC address คือ .4444 ออกไป ถึงพอร์ท E0 ของ Bridge และ Host MAC .2222 ด้วย แต่ไม่ตรงกับตนเอง ก็จะ Discard , Drop Ethernet Frame นั้นทิ้งไป
เมื่อ Bridge ได้รับ Ethernet Frame เข้ามา ก็จะอ่านข้อมูล Destination MAC address พบว่าเป็น .4444 จากนั้นจะทำการกรอง (Filter) เพื่อดูข้อมูลใน Bridge Table พบว่า MAC .4444 อยู่ที่พอร์ท E1
Bridge จึงทำการส่งต่อ(Forward) Ethernet Frame ออกจากพอร์ท E1 เพื่อเข้าสู่ LAN Segment (Collision Domain #2) ที่เชื่อมต่อกับพอร์ท E1
เมื่อ Ethernet Frame จาก Host MAC .1111 เข้าสู่ LAN Segment (Collsion Domain #2)อีกฝั่ง Host ที่อยู่ภายใน LAN Segment (Collsion Domain #2) นั้น ทั้ง Host MAC .3333 และ Host MAC .4444 จะได้รับ Ethernet Frame นั้น
แต่ Host MAC .3333 พบว่า Dst.MAC ไม่ตรงกับตนเอง ก็จะ Discard , Drop Ethernet Frame นั้นทิ้งไป ส่วน Host MAC .4444 พบกว่า Dst.MAC เป็นของตนเอง ก็จะนำ Ethernet Frame ไปประมวลผลต่อไป
4. เมื่อฝั่ง LAN Segment ใดๆ ไม่มีการส่งข้อมูลใดๆ(Aging) จากรูปด้านบน ฝั่ง Collsion Domain #2 ไม่มี Host ใดๆติดต่อกัน Bridge ไม่ได้รับ Ethernet Frame ใดเข้ามาทางพอร์ท E1
Bridge จะทำการลบข้อมูล MAC address ที่ถูกเรียนรู้ (Learning) เข้ามาที่พอร์ท E1 โดยจะทำการลบข้อมูลนั้นออกจาก Bridge Table , ใน Bridge Table ส่วนของพอร์ท E1 ไม่มีข้อมูล MAC ใดๆ และจะรอรับ Ethernet Frame เข้ามาใหม่ เพื่อ Learning ใหม่ต่อไป
Bridge จะทำงานในรูปแบบ Store & Forward คือ Bridge จะรอให้ Ethernet Frame ที่ถูกส่งมาทีละ Bit ส่งถึง Bridge จนครบทั้งหมดก่อน จากนั้นจึงเริ่มจะประมวลผลข้อมูลใน Ethernet Frame แล้วจึงจะทำการส่งต่อ(Forward) Ethernet Frame นั้นออกไป การใช้กระบวนการ Store & Forward นี้ ก็จะเกิดความช้าของการส่งข้อมูลในการใช้ Bridge ในยุคนั้น
Switch
Switch เป็นอุปกรณ์ที่พัฒนาต่อเนื่องจาก Bridge จะมีมากกว่า 2 port เป็น 4,6,8… พอร์ท ขึ้นอยู่กับรุ่นและสเปคที่ใช้งาน
Switch ทำงานเป็น Full-Duplex ได้ ทำให้มีความรวดเร็วในรับส่งข้อมูลมากขึ้น เพราะรับและส่งข้อมูล ได้ในเวลาเดียวกัน ไม่ต้องใช้เวลาและทรัพยากรของระบบไปกับกระบวนการ CSMA/CD ในการตรวจสอบการชนกันของข้อมูล
การนำ Switch มาใช้ ก็เพื่อจะทำให้ Collision Domain นั้นมีเพียง 1 Host เท่านั้น เมื่อใช้งาน 1 Host ต่อ 1 Collision Domain (LAN Segment) ก็ไม่จำเป็นต้องใช้กระบวนการของ CSMA/CD
มาตรฐานการเชื่อมต่อของ Switch กับ Host หรือ Network Device อื่นๆ จะเริ่มต้นใช้งานมาตรฐาน 10Base-T Full-Duplex ได้ และต่อมามีการพัฒนา Switch และมาตรฐานสายเคเบิลเป็น CAT5 เพื่อรองรับความความเร็ว 100Mbps , มาตรฐานสายเคเบิล CAT5e , CAT6 เพื่อรองรับความเร็ว 1Gbps และ CAT6A เพื่อรองรับความเร็ว 10Gbps โดยใช้สายทองแดงคู่ตีเกลียวเช่นเดิม (UTP) ระยะสายสูงสุดได้ไม่เกิน 100เมตร และใช้กับ Fiber Optic Cable (สายเคเบิลใยแก้วนำแสง)ได้
Switch จะใช้กระบวนการอ่านข้อมูล Ethernet Frame ที่เรียกว่า Cut-Through คือจะทำการอ่านข้อมูลในส่วนของ Ethernet Header ใน Field: Destination MAC address เท่านั้น ทำให้ใช้เวลาทำการ Learning & Filtering (Forwarding & Drop) น้อยมาก ส่งผลให้การทำงานของ Switch มีความรวดเร็วกว่า Bridge ส่วนกระบวนการทำงานอื่นๆของ Switch ก็คล้ายกับ Bridge ครับ
กระบวนการทำงานของ Switch อธิบายเพิ่มเติมดังนี้ครับ
— Listening คือ Switch จะมองหาและรอคอย Ethernet Frame ที่เข้ามายังพอร์ทของ Switch
— Learning คือ ถ้า Source MAC address ที่อยู่ใน Ethernet Frame ที่เข้ามา ยังไม่เคยมีข้อมูลมาก่อนในสิ่งที่เรียกว่า “MAC Table” Switch จะทำการ Map(จับคู่) Source MAC address นั้นกับ Port ที่รับ Ethernet Frame นั้นเข้ามา แล้วบันทึกข้อมูลลงใน MAC Table ของตัวเอง
— Forwarding คือ ถ้า Switch รู้จัก Destination MAC address แล้ว , พบข้อมูล MAC address นั้นใน MAC Table ที่ Map ไว้ในขั้นตอน Learning , Switch จะทำการ Forward (ส่งต่อ) Ethernet Frame นั้นออกไปยัง Port ที่ MAC address นั้นอยู่
— Flooding คือ การ Forward Ethernet Frame ออกไปยัง Port ทุกๆพอร์ทที่มีอุปกรณ์เชื่อมต่ออยู่ ยกเว้น Port ที่รับ Frame นั้นเข้ามา
** Flood เมื่อ Switch ไม่พบ Destination MAC address ใน MAC Table
** Flood เมื่อ Destination MAC address เป็น Boardcast และ Multicast
— Filtering คือ ถ้า Destination MAC address และ Source MAC address อยู่บน Port เดียวกันแล้ว Switch จะทำการ Discard (Drop) Ethernet Frame นั้นทิ้งไป
เมื่อเริ่มต้นใช้งาน Switch จะอยู่ในโหมด Listening
จากรูป PC1 ส่ง Ethernet Frame ที่มี Destination MAC address ใดๆออกมาจากตนเองก็ตาม เข้ามาทาง Port : Fa0/1 จากนั้น Switch จะตรวจสอบข้อมูล(MAC Lookup)ใน MAC Table ปรากฏว่าไม่พบ Destination MAC address นั้น
Switch จะทำการ Flood ออกไปทุก Port ที่มีอุปกรณ์ต่ออยู่ ยกเว้น Port : Fa0/1 ที่รับ Frame เข้ามา และทำการ Map Source MAC (Learning)ของ Ethernet Frame นั้นๆที่รับมา ลงใน MAC Table เข้ากับ Port: Fa0/1
เมื่อใน MAC Table ใน Switch มีข้อมูลแล้ว Switch ก็ยังจะคงอยู่ในโหมด Listening ตลอดเวลาที่ใช้งานเช่นเดิม
จากรูปบน เมื่อ PC1 ส่ง Ethernet Frame ที่มี Destination MAC address เป็นของ PC2
Switch รับ Ethernet Frame เข้ามาทาง Port Fa0/1 ในขั้นตอนนี้ ถ้า Switch ตรวจสอบใน MAC Table จะด้วยเหตุการณ์ใดก็แล้วแต่ แล้วพบว่า Destination MAC address ตรงกับ MAC address ที่ Map กับ Port ที่รับเข้ามาคือ Port : Fa0/1 ในกรณนี้ คือการ Filtering
Switch จะทำการ Discard (Drop) Ethernet Frame นั้นทิ้งไป
แต่ถ้านอกเหนือจากนั้น ตามรูปด้านบน เมื่อ Switch ตรวจสอบ(MAC Lookup)ใน MAC Table แล้วพบว่า Destination MAC address ตรงกับข้อมูล MAC ที่ Map อยู่กับ Port : Fa0/2
จากรูปด้านบน Switch จะทำการส่งต่อ (Forward) Ethernet Frame นั้น ออกทาง Port : Fa0/2 เพื่อให้ PC2 รับไปประมวลผลใน Layer ที่สูง(Upper Layer)ต่อไป
ทำไมเราถึงเรียกอุปกรณ์นี้ว่า Switch ?
ในช่วงปี คศ.1876 โลกได้รู้จักการติดต่อสื่อสารผ่านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบได้ยินเสียงกันได้คร้้งแรก สิ่งนั้นเรียกว่า “โทรศัพท์” ซึ่งระบบโทรศัพท์ในยุคเริ่มต้นนั้น ก็จะต้องมีคนกลาง (Operator) ที่ทำหน้าที่ในการเชื่อมต่อสายสัญญาณ จากคนที่โทรเข้า ไปยัง คนที่รับสายในแต่ละครั้ง เส้นทางของสัญญาณนั้นจะเปลี่ยนไปทุกครั้ง(Dynamic) เมื่อมีคนโทรออกและรับสาย โดย Operator เป็นผู้จัดการเชื่อมต่อสายสัญญาณให้ ซึ่งอุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมต่อสัญญาณในระบบโทรศัพท์ยุคนั้นเราเรียกว่า “Telephone Switchboard”
ในความคล้ายกันก็คือ สัญญาณโทรศัพท์จากคนที่โทรเข้า ก็คือ Ethernet Frame ที่วิ่งเข้าอุปกรณ์ที่เหมือนมีคนมี Operator อยู่ในอุปกรณ์นั้น โดยจะทำการสร้างเส้นทางใหม่ๆ เหมือนกับอุปกรณ์ Telephone Switchboard ในระบบโทรศัพท์ยุคเก่า
ดังนั้นในระบบ Ethernet protocol เราจึงเรียกอุปกรณ์นี้ว่า Switch เพราะทำงานคล้ายกับ Telephone Switchboard นั่นเอง
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —
สำหรับการต่อใช้งาน Bridge และ Switch จะมีในเรื่องของ Loop topology และ Protocol (กลไก)ที่เพื่อป้องกันการเกิด Loop ผมจะมาเขียนเล่าให้อ่านในบทความต่อๆไปครับ
สำหรับบทความนี้ขอจบไว้เท่านี้ครับ ขอขอบคุณที่ติดตามอ่านบทความของผมครับ หากมีข้อผิดพลาหรือข้อติชมแนะนำใดๆ รบกวนคอมเม้นท์เข้ามาได้ครับ ขอบคุณครับ
References:
- https://examradar.com/networking-components/
- First Telephone Repeater — Engineering and Technology History Wiki (ethw.org)
- https://www.youtube.com/watch?v=wjWjGnkb3Cw
- https://www.vskills.in/certification/tutorial/10base2-and-10base5/
- https://www.sbprojects.net/knowledge/concab/utp/index.php
- https://www.ciscopress.com/articles/article.asp?p=31276
- https://www.geeksforgeeks.org/repeaters-in-computer-network/
- https://webserv.cp.su.ac.th/lecturer/sirak/517453/ch1wire.pdf
- https://www.digikey.co.th/th/articles/understanding-and-specifying-modular-connectors
- https://slideplayer.com/slide/3419034/
- https://www.myreadingroom.co.in/notes-and-studymaterial/68-dcn/843-loop-problem-in-transparent-bridges.html
- https://slideplayer.com/slide/13185766/
- https://slideplayer.com/slide/5924616/
- https://slideplayer.com/slide/3324823/
- https://www.slideshare.net/SATYENDRA_MOHAN/ddl-and-physical-layer
- https://www.locusassignments.com/solution/unit-44-local-area-networking-technologies-assignment-copy
- https://www.networkacademy.io/ccna/ethernet/store-and-forward-vs-cut-through-switching
- https://slideplayer.com/slide/7624505/
