W sieciach komputerowych (telekomunikacyjnych) spotykamy się często z takimi terminami jak hub, koncentrator, repeater (regenerator) czy przełącznik i router. O ile jest stosunkowo łatwo odróżnić router od innych urządzeń (routery działają w warstwie 3 modelu OSI, a koncentratory, regeneratory i przełączniki nie sięgają tak wysoko), o tyle trudniej jest już odróżnić np. hub od koncentratora. Z regeneratorami sprawa jest prostsza - są to urządzenia pracujące w najniższej warstwie modelu OSI, realizującej zgoła odmienne zadania niż koncentrator lub hub, nie mówiąc już o routerze. W dodatku bywa, że wszystkich tych terminów używa się zamiennie, ponieważ granice między określanymi przez nie urządzeniami są płynne i np. pracujący w sieci hub jest też koncentratorem, tyle że wykonującym ściśle określone zadanie.

Koncentrator jest specyficznym multiplekserem, obsługującym wiele dołączonych do niego kanałów, używanych przez różne urządzenia do transmitowania danych. Kanały mogą najczęściej pracować jednocześnie, a odbierane z nich dane lub sygnały są kierowane do jednego medium. Koncentratory są na przykład używane przez firmy telekomunikacyjne podłączające zdalnych użytkowników do Internetu (protokół PPP), korzystających z usług łącz komutowanych. Koncentrator odbiera z wielu dołączonych do niego modemów sygnały i przesyła je przez jedno szybko pracujące łącze do węzła sieci Internet.

Koncentratory są używane w lokalnych sieciach komputerowych do odbierania danych z wielu stanowisk pracy i kierowania ich do kolejnego segmentu sieci. Tego rodzaju koncentrator pracujący w środowisku sieci LAN jest określany mianem huba (Ethernet) lub urządzenia MAU (Media Access Unit) - sieci Token Ring.

Jest to urządzenie sieciowe używane do regenerowania lub replikowania sygnałów. Regenerator może odtwarzać (czyli przywracać im pierwotną postać) sygnały analogowe lub cyfrowe, które są zbyt słabe, aby je dalej transmitować. Regeneratory analogowe pełnią najczęściej rolę prostych wzmacniaczy, podczas gdy regeneratory cyfrowe odbierają dane i po odpowiedniej obróbce kierują je do kolejnego segmentu sieci LAN.

Regenerator sprzęga w sieci komputerowej poszczególne segmenty (a nie podsieci) sieci LAN, zwiększając w ten sposób jej zasięg. Jeden segment sieci Ethernet 10Base-5 (tzw. gruby Ethernet) może mieć np. długość500 m, a cała nitka takiej sieci (topologia linii) może się składać z trzech segmentów sprzęganych w całość przez dwa regeneratory (razem 1500 m). Prosty hub jest niczym innym jak wieloportowym regeneratorem, ponieważ odbiera dane od podłączonych do niego komputerów (np. za pomocą skrętki nieekranowanej, 10Base-T), retransmitując je do łącza opartego np. na technologii 10Base-5 (tzw. gruby Ethernet). Hub przełączający porty jest natomiast wieloportowym koncentratorem wyposażonym w kilka (najczęściej cztery lub osiem) pracujących niezależnie od siebie regeneratorów. Regenerator nie jest obdarzony żadną inteligencją i nie może wykonywać zadań realizowanych przez mosty czy tym bardziej routery.

Dwadzieścia lat temu (gdy sieci LAN zaczynały dopiero robić karierę) mało kto słyszał o hubach. Pierwsze sieci Ethernet były oparte na tzw. żółtym kablu (standard 10Base-5), gdzie wszystkie stacje współdzieliły medium, którym był kabel koncentryczny zakończony z każdej strony terminatorami o oporności 50 omów. Sieć taka miała topologię linii, a jeden segment kabla 10Base-5 może mieć długość 500 m.

Pierwsze sieci Ethernet były oparte na standardzie 10Base-5. Twórcą sieci Ethernet jest Robert Metcalfe, a technologię tę opracowano z myślą o przesyłaniu danych drogą radiową (stąd nazwa Ethernet), a nie kablem, jakby to z pozoru mogło się wydawać. Standard 10Base-5 powoduje, że sieć ma topologię liniową (topologia gwiazdy powstała w momencie opracowania koncepcji koncen-tratorów) i może składać się z pięciu odcinków kabla koncen-trycznego, każdy o długości 500m (stąd liczba 5 w nazwie standardu). Poszczególne odcinki kabla są połączone regenatorami, a wszystkie stacje współdzielą medium.

Huby przełączające można podzielić na dwie grupy: przełączające porty i takie, które przełączają ramki. Hub przełączający porty to wieloportowy koncentrator wyposażony w kilka regeneratorów i specjalny układ zarządzający przyłączaniem portów do poszczególnych regeneratorów, które logicznie reprezentują w takim układzie różne domeny kolizji. Hub przełączający ramki odczytuje adres stacji docelowej i kieruje pakiet tylko do tego portu, do którego ta stacja jest dołączona. Hub przełączający ramki to przełącznik.

Biorąc pod uwagę konstrukcję hubów, można je podzielić na: wolno stojące, wieżowe i modularne (chociaż zdarzają się też huby reprezentujące mieszankę tych rozwiązań).

Huby wolno stojące są tanie, natomiast huby modularne należą do najdroższych. Nie ma się czemu dziwić - są to uniwersalne węzły sieci, będące prawdziwymi "kombajnami", potrafiącymi obsłużyć dowolnego rodzaju protokół komunikacyjny, medium i technologię sieciową. Do huba takiego można dołączać sieci Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring lub ATM. Wszystko zależy od tego, jaki rodzaj modułu zainstalujemy i z jaką przepustowością pracują układy przełączające ramki lub komórki zainstalowane w hubie. Hub modularny ma najczęściej 4-12 gniazd. Biorąc pod uwagę fakt, że jeden moduł może dysponować dziesięcioma portami, do huba 12-gniazdowego można dołączyć aż 120 stacji. Huby modularne nadają się więc doskonale do instalowania w rozbudowanych sieciach LAN.

Jak wcześniej wspomniano, proste huby pełnią funkcję wieloportowych regeneratorów. A regenerator to takie urządzenie, które wzmacniając sygnały, pozwala zwiększać długość jednego segmentu sieci komputerowej (agregując jednocześnie ruch pakietów, ale w ramach technologii współdzielonego dostępu do medium). Hub taki dysponuje najczęściej jednym portem podłączonym do sieci szkieletowej (w przypadku Ethernetu będzie to np. technologia 10Base-5 lub 10Base-2) i wieloma portami standardu 10Ba-se-T. Hub nie dzieli sieci na mniejsze segmenty, ale tylko zwiększa jej zasięg.

Wzrastające oczekiwania użytkowników eksploatujących sieci LAN przyczyniły się do powstania kolejnego rodzaju huba -tym razem przełączającego porty. Nie należy przy tym mylić urządzenia przełączającego porty (port switchinghub) z klasycznym przełącznikiem, czyli z hubem przełączającym ramki (frame switchinghub). Ten drugi rodzaj huba omówiono w części poświęconej przełącznikom. Jak sama nazwa wskazuje, hub przełączający porty operuje na poziomie portów (a nie ramek, tak jak to robi przełącznik).

Konwencjonalne huby odbierają pakiety z portu i przekazują je do wszystkich innych portów. Huby przełączające porty segmentują sieć LAN, zwiększając znacznie jej przepustowość. Dzięki takiemu zabiegowi (który sprowadza się do budowania kilku oddzielnych domen kolizji) osiągamy podobny efekt, jak w przypadku zastosowania wysokiej klasy urządzenia, opartego na technologii przełączania ramek. Z tą różnicą, że znacznie mniejszym kosztem.

Huby przełączające porty można rozbudować tak, by obsługiwały nawet do 200 stanowisk pracy. Jednak sprzęt tego rodzaju sprawdza się najlepiej w środowiskach pracy składających się z nie więcej niż 50 stanowisk. W każdym razie, jeśli sieć składa się z ponad 100 stanowisk, lepiej jest zdać się na rozwiązanie oparte na przełączaniu ramek.

Huba przełączającego porty można umieścić (jeśli weźmiemy pod uwagę zadania realizowane przez tego rodzaju sprzęt) między prostymi koncentratorami (repeaterami) i pełnokrwistymi przełącznikami. Zamiast definiowania, że każdy port jest oddzielną podsiecią, huby przełączające porty tworzą cztery (czasami osiem) wewnętrznych segmentów (regeneratorów), z których każdy zachowuje się względem podłączonego I do niego portu tak, Jakby był oddzielną podsiecią, Huby przełączające porty mają najczęściej konstrukcję wieżową i dysponują dopracowanymi I mechanizmami zarządzania, w tym opcją load balancing.

Na czym polega przełączanie portów i czym ta technologia różni się od metody polegającej na przełączaniu ramek, która jest stosowana w dużych, korporacyjnych systemach sieciowych?

Sieć komputerowa składa się z segmentów, po których krążą pakiety generowane przez stanowiska pracy zainstalowane w danym segmencie. Każdy z segmentów można porównać do dwupasmowej (dwukierunkowej) autostrady. Każda taka autostrada stanowi w sieci Ethernet oddzielną domenę kolizji. Jeśli do danego segmentu podłączymy zbyt wiele urządzeń, na autostradzie powstanie korek - w sieci pojawi się tak wiele pakietów, że przepustowość segmentu znacznie zmaleje.

Urządzenia przełączające radzą sobie z tym problemem, tworząc oddzielne segmenty (separując je w ten sposób od siebie). Każdy taki segment (port) obsługuje tylko jedno stanowisko lub co najwyżej kilka stanowisk pracy. Przełącznik portów decyduje wtedy, gdzie należy kierować ruch pakietów generowanych w obrębie każdego z segmentów, i kieruje pakiety z fizycznego portu huba do jednego z wewnętrznych repeaterów. W hubie przełączającym porty każde wydzielone pasmo przenoszenia danych (czyli zdefiniowaną przez użytkownika - lub automatycznie przez sam hub - grupę portów) jest obsługiwane przez jeden z wewnętrznych, pracujących niezależnie od siebie repeaterów. Nad całością pieczę sprawuje elektroniczna krosownica (matryca przełączania portów), która pozwala przyłączyć każdy z portów do dowolnego repeatera.

Ponieważ przełączanie jest realizowane lokalnie (jak już wspomniano, zadanie to wykonują specjalne układy), to proces ten przebiega bardzo sprawnie - można powiedzieć, że z możliwie maksymalną szybkością, z jaką można wykonać tego rodzaju operację. Dlatego technologia ta jest łatwiejsza do zaimplementowania (i można to zrobić tańszym kosztem) niż technologia oparta na przełączaniu ramek. Ważne jest przy tym to, że technologia przełączania portów oferuje równie wiele zalet, co przełączanie ramek.

Przełącznik ramek pracuje w ten sposób, że przegląda każdą ramkę sieci Ethernet i definiuje na tej podstawie, z którego segmentu pochodzi dany pakiet, i do jakiego segmentu należy go przesłać. Układy wykonujące to zadanie muszą być więc obdarzone pewną inteligencją i urządzenia takie są przez to nieco droższe.

Niezależnie jednak od tego, jakie rozwiązanie wybierzemy (przełączanie portów lub ramek), efekt jest zawsze taki sam - liczba kolizji występujących w sieci LAN znacznie spada, a jej przepustowość wzrasta. Powód jest prosty - w każdym przypadku w architekturze sieci pojawiają się nowe "pasma" do transmitowania ruchu pakietów. Podsumowując można powiedzieć, że z im większej liczby segmentów składa się sieć LAN, tym wydajniej pracuje.

Przełączniki (switches) są inteligentnie pracującymi węzłami sieci, nazywanymi hubami przełączającymi ramki. Takiej nazwy (hub przełączający) używano z chwilą wprowadzenia tego rodzaju sprzętu na rynek. Przełączniki odbierają pakiety z jednego portu, poddają je filtrowaniu i wysyłają do drugiego portu. Klasyczne przełączniki odczytują adresy zawarte w warstwie MAC, dlatego mogą obsługiwać pakiety generowane przez dowolny protokół operujący w warstwie sieciowej modelu OSI. Słowo klasyczne jest tu użyte celowo, ponieważ przełączniki pracujące w trybie Layer3 Switching (zwane też przełącznikami trasującymi) mają już dostęp do adresów sieciowych stacji docelowych (czyli w sieciach Internet do adresów IP). Lokalne sieci komputerowe oparte na przełącznikach nazywamy przełączanymi sieciami LAN. W przypadku sieci Ethernet używa się określenia przełączany Ethernet.

Przełączniki muszą dysponować wydajnie pracującym układem przełączania ramek, który poradzi sobie z natłokiem pakietów. Możemy podzielić sieć za pomocą przełączników na wiele domen kolizji, ale nadal wszystkie będą pracować w ramach tej samej domeny rozgłoszeniowej. Każdy pakiet broadcast musi dotrzeć do wszystkich bez wyjątku stacji. Jedynym rozwiązaniem jest wtedy zastosowanie routera lub przełącznika pracującego w trybie Layer3 Switching, który poradzi sobie z pakietami broadcast, stosując odpowiednie mechanizmy filtrowania.

Przełączniki instalowane w sieciach LAN obsługują pakiety używając najczęściej jednej z dwóch technologii:

Pierwsza technologia jest wydajniejsza, ponieważ węzeł sieci czyta adres MAC i kieruje pakiet natychmiast do portu przeznaczenia (nie czekając nawet na koniec ramki). Ale za szybkość trzeba płacić. Pakiety ekspediowane w sieć w tym trybie nie są sprawdzane i wszelkiego rodzaju błędy czy przekłamania nie mogą zostać wykryte przez przełącznik. Jeśli liczba pakietów kierowanych do przełącznika wzrasta powyżej określonego progu, to niektóre przełączniki nie odrzucają ich, lecz magazynują na okres przejściowy w specjalnych buforach.

Przełącznik działający w trybie "zapamiętaj i wyślij" pracuje inaczej. Węzeł sieci odczytuje całą ramkę, zapisuje ją w pamięci i dopiero wtedy odczytuje adres MAC. Przełącznik sprawdza, czy pakiet został odebrany prawidłowo (brak błędów) i dopiero wtedy kieruje do portu przeznaczenia. Przełącznik taki pracuje wolniej, ale za to prawie niezawodnie. Tak więc przełączniki cut through należy stosować tam, gdzie zależy nam głównie na szybkości, a ewentualne przekłamania nie "położą" nam aplikacji. Te aplikacje, które nie tolerują błędów pojawiających się w danych, powinny być obsługiwane przez przełączniki pracujące w trybie "zapamiętaj i wyślij".

Niektóre firmy stosują rozwiązania będące mieszanką wymienionych powyżej technologii przełączania ramek. Są to: fragmentfree lub intelligentswitching.

Pierwsza metoda jest podobna do cut through, jednak przełącznik zaczyna transmitować ramkę do stacji przeznaczenia dopiero wtedy, gdy odbierze pierwsze 64 bajty. Powoduje to nieco większe opóźnienia, jednak gwarantuje, że ewentualne kolizje nie będą przenoszone z jednej domeny kolizji do drugiej (co może nieraz występować przy stosowaniu metody cut through).

Metoda inteligentnego przełączania (intelligentswitching) łączy cut through i store-and-forward. Na początku przełącznik pracuje w szybkim trybie cut through, ale z chwilą przekroczenia określonego poziomu błędów (np. dwudziestu na sekundę) układ przełączania zaczyna pracować w trybie store-and-forward. Gdy sytuacja wraca do normy (brak błędów), do akcji wchodzi znowu tryb cut through.

Niekiedy przełącznik dysponuje jednym, centralnym układem przełączania ramek, a w innych rozwiązaniach mamy do czynienia z architekturą rozproszoną (np. układy przełączające ramki mogą się znajdować w każdym nowym module instalowanym w przełączniku). Przełącznik pracuje dużo szybciej niż router, ponieważ zadanie przełączania ramek jest realizowane w dużym stopniu przez warstwę sprzętową takiego węzła sieci (np. specjalizowane układy ASIC). W routerze znakomita większość zadań związanych z trasowaniem pakietów jest realizowana przez oprogramowanie.

Przełącznik trasujący (routing switch) to taki, który potrafi wyznaczać pakietom marszrutę,czyli operować nie tylko w drugiej, ale też w trzeciej warstwie modelu OSI. Urządzenia takie zachowują się więc podobnie jak routery. Ponieważ routing w tego rodzaju węzłach sieci jest najczęściej implementowany przy użyciu sprzętu (układy ASIC), to przełączniki trasujące mają większą wydajność niż klasyczne routery oparte na oprogramowaniu. Klasyczne routery mają za to tę przewagę, że można je elastycznie konfigurować. Z racji tego, że przełączniki tej klasy operują w trzeciej warstwie OSI (Sieciowa), nazywane są "Layer-3 Switches". Przełączniki Layer 3 pierwszej generacji opierały się (tak jak routery) na silnych procesorach. Dlatego ich wydajność pozostawiała dużo do życzenia (przełączały lub trasowały poniżej 100 tys. pakietów na sekundę). Przełączniki drugiej generacji dysponowały wydajniej pracującą warstwą sprzętową i miały dużo większą przepustowość. Przełączniki Layer 3 trzeciej generacji to już prawdziwe demony szybkości, które potrafią obsługiwać od 5 do 30 min pakietów IP na sekundę i wspierają całą gamę sieci LAN - od 10Base-T, przez l00Base-T, FDDI i Gigabit Ethernet do ATM.

Przełączniki umożliwiają też tworzenie wirtualnych sieci LAN. Stanowiska takiej sieci są fizycznie zlokalizowane w różnych punktach (sieciach, pod-sieciach i segmentach), a łączy je w sieć wirtualną jedynie pewien klucz logiczny. Sieć wirtualna pozwala administratorom pokonywać ograniczenia, które niesie ze sobą sposób adresowania stacji przez protokół komunikacyjny TCP/IP. Protokół ten przewiduje, że jeden port routera może obsługiwać stanowiska zlokalizowane tylko w konkretnej podsieci. Przełączniki pozwalają natomiast grupować w ramach wirtualnej sieci te stacje, które są podłączone do różnych portów. Sieci wirtualne pozwalają optymalizować natężenie ruchu pakietów w poszczególnych częściach sieci. Dzięki nim można też w łatwy sposób rekonfigurować i zmieniać strukturę sieci. Sieć wirtualną można porównać do zmieniającej się dynamicznie struktury połączeń w komutowanej sieci telefonicznej. Administrator sieci pełni tu rolę centrali telefonicznej, łącząc ze sobą logicznie w jedną strukturę porozrzucane po sieci LAN stacje.

Największą siłą i zaletą technologii ATM jest to, że operuje ona w najniższej warstwie sieciowej, tam gdzie mamy do czynienia z pojedynczymi komórkami. Wszystkie funkcje generowane przez wyższe warstwy - od routingu realizowanego w warstwie 3 do połączeń międzysieciowych - można w przypadku technologii ATM przełożyć na strumień komórek transmitowanych z taką szybkością, jaką może oferować tylko pracująca bardzo wydajnie warstwa sprzętowa łącza ATM.

Technologia ATM została tak zaprojektowana, aby sieci tego standardu mogły obsługiwać każdy rodzaj aplikacji, używając do tego celu czterech podstawowych klas usług:

U podstaw działania przełącznika ATM leży cała sfera zarządzania sygnałami - jest to dość skomplikowany proces konfigurowania i składania połączeń. Przykładem najprostszego interfejsu realizującego to zadanie jest UNI (User-to-Network Interface), który pozwala sprzęgać stacje ATM z przełącznikiem ATM. Jeśli w sieci pracuje kilka przełączników, to muszą one porozumiewać się między sobą. Kwestię tę reguluje specyfikacja NNI (Network-to-Network Interface), opisująca zasady pracy interfejsu łączącego dwa przełączniki ATM. Dynamiczny routingjest w środowisku ATM realizowany przez Private NNI (P-NNI) wersja 1.0. P-NNI opiera się na hierarchicznej strukturze podmiotów dołączonych do sieci i pracuje podobnie jak klasyczne protokoły routingu IP, np. OSPF (Open First Path First). P-NNI pozwala przełącznikom wyznaczać marszruty wirtualnych połączeń SVC, wybierać najlepszą z możliwych ścieżek i w przypadku uszkodzenia jednego z połączeń kierować inną drogą strumień komórek do stacji przeznaczenia. Każdy przełącznik powinien bezwzględnie wspierać dwie specyfikacje: UNI (w wersji 3.0,3.1 lub najnowszej - 4.0) i P-NNI.

Można wymienić trzy podstawowe usługi pozwalające sprzęgać sieci LAN z przełącznikami ATM: Classical IP (RFC-1577), LANE 1.0 i Multiprotocol over ATM (MPOA).