Problém: zrychlení směrovačů v sítích LAN … Layer 3 Switching

Zavádění switchů, popsaných v předchozím odstavci, vyvolalo tendenci zvětšovat části sítí propojené pomocí switchů (neboli: na úrovni linkové vrstvy), se zcela zřejmým cílem zvýšení celkové propustnosti. Takovéto zvětšování ale zákonitě narazilo na principiální překážky, vyvolávající přesně opačné tendence (ke zmenšování částí propojených pomocí switchů).

Jedním z faktorů, působících proti zvětšování, je chování switche při tzv. všesměrovém vysílání (broadcast). Zde totiž musí switch předat příslušná data do všech segmentů které jsou na něj napojeny - a tím se z vyhrazené přenosové kapacity rázem stává sdílená přenosová kapacita, čímž se degraduje pozitivní efekt switche. Přitom všesměrové vysílání je poměrně často používaným mechanismem (například v situaci kdy nějaký klient hledá server určitého typu) a jeho výskyt s počtem uzlů v síti samozřejmě roste.

Dalším faktorem, který směřuje proti přílišnému zvětšování sítí propojených jen na úrovni linkové vrstvy (pomocí switchů) je jejich tzv. plochý charakter. Takovéto sítě nejsou uvnitř nijak diferencovány co do přístupových práv i dalších atributů (všechny uzly jsou si "rovné"), a nelze zde aplikovat případná omezení přístupu, ochrany atd. Konkrétním důvodem je skutečnost, že na linkové vrstvě nejsou příslušné atributy konkrétním uzlům přidělovány. Souvisí to se skutečností, že linkové adresy jednotlivých uzlů jsou nesystematické - v tom smyslu, že z nich nelze poznat nic o vzájemném umístění, poloze (sousedství) či jiném vztahu mezi uzly. Pokud by se příslušné atributy přiřazovaly již na linkové vrstvě, musely by se přiřazovat konkrétním uzlům. Pokud by je switch měl respektovat, musel by si u každého uzlu pamatovat jeho ohodnocení příslušnými atributy a při zpracování každého linkového rámce je brát do úvahy. To by ale představovalo výraznou zátěž jak co komplikovanosti jeho rozhodování, tak i co do nutnosti pamatovat si mnoho údajů pro potřeby tohoto rozhodování. Obojí by značně zpomalovalo fungování switchů - a proto se toto řešení (na úrovni linkové vrstvy) nepoužívá.

Kde se naopak různá přístupová a jiná omezení aplikují, je síťová vrstva. Na této úrovni již je možné vztáhnout příslušné atributy na příslušnost k síti - v tom smyslu, že "všechny uzly ze sítě XY mají mít taková a taková práva". Následná omezení je pak možné realizovat v přepojovacích uzlech, které fungují na úrovni síťové vrstvy, tedy ve směrovačích.

Následující obrázek ukazuje tradiční řešení sítí LAN s využitím směrovačů a switchů: jednotlivé sítě (jako oblasti propojené na úrovni linkové vrstvy) jsou homogenní a "ploché", v tom smyslu že všechny jejich uzly mají stejná postavení. Mezi sebou pak jsou tyto sítě pospojovány prostřednictvím směrovačů, které zajišťují přestup z jedné sítě do druhé - pokud to dovolují příslušná omezení, definovaná pro celé sítě.

Právě popsaná struktura sítí LAN (tvořená sítěmi s propojením pomocí směrovačů) je tradičním řešením, které se v praxi ujalo a používá se dodnes. Vzniklo ale v době, kdy požadavky kladené na sítě LAN byly poněkud odlišné než dnes. Původně totiž v lokálních sítích platilo, že většina datového provozu se odehrává uvnitř příslušné sítě, tj. v dosahu propojení na úrovni linkové vrstvy (prostřednictvím switche), zatímco pouze malá část datového provozu směřuje ven, do jiné sítě (přes směrovač). Tento předpoklad byl dokonce zformulován do pravidla označovaného jako "pravidlo 80:20", naznačující že až 80 procent provozu zůstává uvnitř dané sítě a 20 procent směřuje ven, přes směrovač. Příčinou bylo to, že v lokálních sítích byly provozovány především aplikace fungující na výpočetním modelu "file server - pracovní stanice", přičemž jak server, tak i jednotlivé pracovní stanice byly záměrně umisťovány do téže sítě.

Dokud pravidlo 80:20 platilo, byl hlavní požadavek na rychlost a celkovou propustnost kladen na přepínač (switch) uvnitř sítě, zatímco rychlost směrovačů nebyla až tak kritická a tato zařízení mohla být o poznání pomalejší (ale chytřejší) než switche. S postupem čase se ale začala podstatněji měnit povaha provozovaných aplikací i spektrum služeb, využívaných koncovými uživateli. Vedle "lokálních aplikací", provozovaných "uvnitř" dané sítě, se výrazně rozmohlo používání internetových služeb - například brouzdání po veřejném Internetu (či firemním intranetu). Poměr 80:20 se s postupem času začal měnit směrem k vyššímu provozu ven z dané sítě.

Dnes je velmi obtížné odhadnout nějaký výsledný poměr, ale mnohdy není vzácností ani obrácený poměr 20:80 - pouze 20 procent datového provozu je lokální v dané síti a až 80 procent provozu směřuje ven, do jiných sítí, skrz směrovače.

Vzrůstající objem provozu směřujícího ven z dané sítě samozřejmě výrazně zvýšil nároky kladené na propustnost směrovačů. Jestliže dříve moc nevadilo, že byly i výrazně pomalejší než switche, nyní to již vadit začalo. Proto se zákonitě začaly hledat cesty ke zrychlení směrovačů, bez újmy na principu jejich fungování - na tom, že svá rozhodnutí odvozují především na základě informací, dostupných na úrovni síťové vrstvy.

Konkrétních technik, které se s postupem času objevily, je celá řada a mají vesměs charakter technického vylepšení - nejčastěji přesunu co největšího objemu činností přímo do hardwaru, za účelem jejich maximálního zrychlení. Obecně se začalo hovořit o "přepínání na síťové vrstvě" (Layer 3 switching), a příslušnému zařízení se místo tradičního názvu "směrovač" začalo říkat "přepínač na 3. vrstvě", resp. anglicky "Layer 3 switch". Zdůrazněme si ale, že z hlediska celkového principu fungování se nic zásadního nezměnilo. Je to obdobná situace k tomu, co se odehrálo již dříve na úrovni linkové vrstvy: původní mosty (bridge), které měly za úkol spíše propojovat, byly nahrazeny přepínači (Layer 2 Switch), které fungují na stejném principu ale jsou optimalizovány na rychlost a celkovou propustnost. Podobně je vhodné rozumět i rozdílům na 3. vrstvě u mezi "směrovačem" (routerem) a "přepínačem na 3. vrstvě" (Layer 3 Switchem) - základní princip jejich fungování je stejný, ale účel je jiný a Layer 3 Switch je optimalizovaný hlavně na rychlost.