Коммутация электрической цепи

II. Основные электромеханические процессы

Коммутация электрической цепи – процесс замыкания или размыкания цепи с током.

Коммутация может происходить под воздействием внешних или внутренних для данного устройства источников напряжения или тока.

При анализе и расчёте процессов коммутации необходимо учитывать общий закон коммутации:

— При коммутации индуктивных электрических цепей не могут изменяться скачком ток цепи и магнитный поток ();

— При коммутации емкостных цепей не могут изменяться скачком напряжение и электрический заряд ().

Под глубиной коммутации понимают отношение сопротивления R_отк коммутирующего органа в отключенном состоянии к сопротивлению R_вкл во включенном состоянии

Контактные электрические аппараты, у которых сопротивление межконтактного промежутка в отключенном состоянии измеряется мегомами, а сопротивление замкнутых контактов – микроомами, обеспечивают глубину коммутации

Для бесконтактных аппаратов, которые по глубине коммутации уступают контактным аппаратам, обычно

Источник

Коммутация электрической цепи

ЛЕКЦИЯ 3

2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Коммутация электрической цепи

Коммутация электрической цепи – процесс замыкания или размыкания цепи с током.

Коммутация может происходить под воздействием внешних или внутренних для данного устройства источников напряжения или тока.

При анализе и расчёте процессов коммутации необходимо учитывать общий закон коммутации:

— При коммутации индуктивных электрических цепей не могут изменяться скачком ток цепи и магнитный поток ( );

— При коммутации емкостных цепей не могут изменяться скачком напряжение и электрический заряд ( ).

Под глубиной коммутации понимают отношение сопротивления R_отк коммутирующего органа в отключенном состоянии к сопротивлению R_вкл во включенном состоянии

Контактные электрические аппараты, у которых сопротивление межконтактного промежутка в отключенном состоянии измеряется мегомами, а сопротивление замкнутых контактов – микроомами, обеспечивают глубину коммутации

Для бесконтактных аппаратов, которые по глубине коммутации уступают контактным аппаратам, обычно

2.1.1 Отключение электрической цепи контактными аппаратами

Отключение цепи контактным аппаратом характеризуется воз­никновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.

При токах выше 0,5-1 А возникает стадия дугового разряда (область 1)(рисунок 2.1.); при снижении тока возникает стадия тлеющего разряда у катода (область 2); следующая стадия (область 3)– таунсендовский разряд, и наконец, область 4 – стадия изоляции, в которой носители электричества – электроны и ионы – не образуются за счет ионизации, а могут поступать только из окружающей среды.

Первый участок кривой – дуговой разряд (область 1) –характе­ризуется малым падением напряжения у электродов и большой плотностью тока. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала резко падает, а затем изменяется незначительно.

Второй участок (область 2) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (250 – 300 В) и малыми токами. С ростом тока возрастет падение напряжения на разрядном промежутке.

Таунсендовский разряд (область 3) характеризуется чрезвычайно малыми значениями тока при высоких напряжениях.

электрического разряда в газах

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: отрицатель­ных – в основном свободных электронов, и положительных – ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов с обра­зованием свободных электронов и ионов называется ионизацией.

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда дру­гих факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, – термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, – термическая ионизация и ионизация толчком.

2.1.2. Электрическая дуга

В коммутационных электрических аппаратах, предна­значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах ма­ломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.

Основные свойства дугового разряда:

— дуговой разряд имеет место только при токах большой величины; минимальный ток дуги для металлов со­ставляет примерно 0,5 А;

— температура центральной части дуги очень вели­ка и в аппаратах может достигать 6000 – 18000 К;

— плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10 2 – 10 3 А/мм 2 ;

— падение напряжения у катода составляет всего 10 – 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характер­ные области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную (рисунок 2.2.).

В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимо­сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре­зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес­печивающие возникновение необходимого количества за­рядов.

Термоэлектронная эмиссия.Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка нагревается до температуры плавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так назы­ваемое катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основа­нием дуги и очагом излучения элект­ронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термо­электронной эмиссии зависит от тем­пературы и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической ду­ги, но она недостаточна для ее го­рения.

Автоэлектронная эмиссия.Это –явление испускания электронов из ка­тода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конден­сатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконеч­ности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие значения напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контак­тах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключаемого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их расхождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком.Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

Потенциал ионизации для газов составляет 13 – 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 В для паров меди).

Термическая ионизация.Это – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объяс­няется основным и практически единственным видом ионизации – термической ионизацией.

Температура столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя заряженные частицы, т.е. происходит иони­зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти процессы носят название деионизации.

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии.

Рекомбинация.Процесс, при котором различно заряженные частицы, при­ходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Диффузия.Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в столбе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения U_Д и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) Е_Д = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (см. рис 2.2). Под градиентом напряжения Е_Д по­нимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход харак­теристик U_Д и Е_Д в приэлектродных областях резко отличается от хода характе­ристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке дли­ны порядка 10 – 4 см имеет место резкое падение напря­жения, называемое катод­ным U_к и анодным U_а. Значение этого падения на­пряжения зависит от мате­риала электродов и окружа­ющего газа. Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 10 5 – 10 6 В/см.

В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения U_Д практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения U_Э не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

где: Е_Д – напряжённость электрического поля в столбе дуги;

В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электри­ческим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация пре­обладает на всём промежутке газового разряда.

Источник

Коммутация в машинах постоянного тока

Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают явления, вызванные изменением направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, т. е. при пересечении линии, по которой расположены щетки (от лат. commulatio — изменение). Рассмотрим явление коммутации на примере кольцевого якоря.

На рис. 1 показана развертка части обмотки якоря, состоящей из четырех проводников, части коллектора (две коллекторные пластины) и щетки. Проводники 2 и 3 образуют коммутируемый виток, который на рис. 1, а показан в положении, которое он занимает до коммутации, на рис. 1, в — после коммутации, а на рис. 1, б — в период коммутации. Коллектор и обмотка якоря вращаются в указанном стрелкой направлении с частотой вращения п, щетка неподвижна.

В момент времени до коммутации ток якоря Iя проходит через щетку, правую коллекторную пластину и разделяется между параллельными ветвями обмотки якоря пополам. Проводники 1, 2 и 3 и проводник 4 образуют разные параллельные ветви.

После коммутации проводники 2 и 3 перешли в другую параллельную ветвь и направление тока в них изменилось на противоположное. Это изменение произошло за время, равное периоду коммутации Тk, т. е. за время, которое требуется, чтобы щетка перешла с правой пластины на соседнюю левую (в действительности щетка перекрывает сразу несколько пластин коллектора, но в принципе это не влияет на процесс коммутации).

Рис. 1. Схема процесса коммутации тока

Один из моментов периода коммутации показан на рис. 1, б. Коммутируемый виток оказывается замкнутым накоротко коллекторными пластинами и щеткой. Так как за период коммутации происходит изменение направления тока в витке 2—3, то это означает, что по витку протекает переменный ток, создающий переменный магнитный поток.

Последний индуцирует в коммутируемом витке э. д. с. самоиндукции еL, или реактивную э. д. с. Согласно принципу Ленца, э. д. с. самоиндукции стремится поддержать в проводнике ток прежнего направления. Следовательно, направление еL совпадает с направлением тока в витке до коммутации.

Под действием э. д. с. самоиндукции в короткозамкнутом витке 2—3 протекает большой дополнительный ток iд, так как сопротивление контура мало. В месте контакта щетки с левой пластиной ток iд направлен противоположно току якоря, а в месте контакта щетки с правой пластиной направление этих токов совпадает.

Чем ближе к окончанию периода коммутации, тем меньше площадь контакта щетки с правой пластиной и тем больше плотность тока. По окончании периода коммутации контакт щетки с правой пластиной разрывается и образуется электрическая дуга. Чем больше ток iд, тем мощнее электрическая дуга.

Если щетки располагаются на геометрической нейтрали, то в коммутируемом витке магнитным потоком якоря индуцируется э. д. с. вращения евр. На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны проводники коммутируемого витка, расположенные на геометрической нейтрали, и направление э. д. с. самоиндукции еL для генератора, совпадающее с направлением тока якоря в этом проводнике до коммутации.

Направление евр определяется по правилу правой руки и всегда совпадает с направлением еL. В результате iд еще больше увеличивается. Возникающая электрическая дуга между щеткой и коллекторной пластиной может разрушить поверхность коллектора, в результате чего ухудшается контакт между щеткой и коллектором.

Рис. 2. Направление э.д.с. в коммутирующем витке

Для улучшения условий коммутации сдвигают щетки в сторону физической нейтрали. При расположении щеток на физической нейтрали коммутируемый виток не пересекает никакого внешнего магнитного потока и э. д. с. вращения не индуцируется. Если сдвинуть щетки дальше физической нейтрали, как показано на рис. 3, то в коммутируемом витке результирующий магнитный поток будет индуцировать э. д. с. ек, направление которой противоположно направлению э. д. с. самоиндукции еL.

Таким образом, будет скомпенсирована не только э. д. с. вращения, но и э. д. с. самоиндукции (частично или полностью). Как указывалось ранее, угол сдвига физической нейтрали все время меняется и поэтому щетки обычно устанавливают со сдвигом на некоторый средний угол по отношению к ней.

Уменьшение э. д. с. в коммутируемом витке приводит к уменьшению тока iд и ослаблению электрического разряда между щеткой и коллекторной пластиной.

Улучшить условия коммутации можно установкой добавочных полюсов (Nдп и Sдn на рис. 4). Добавочный полюс располагают по геометрической нейтрали. У генераторов одноименный добавочный полюс располагается за основным полюсом по ходу вращения якоря, а у двигателя — наоборот. Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый ими поток Фдп был направлен навстречу потоку якоря Фя.

Рис. 3. Направление э.д.с. в коммутируемом витке при сдвиге щеток за физическую нейтраль

Рис. 4. Схема включения обмоток добавочных полюсов

Так как оба эти потока создаются одним током (током якоря), то можно подобрать число витков обмотки добавочных полюсов и воздушный зазор между ними и якорем такими, чтобы потоки были равны по значению при любом токе якоря. Поток добавочных полюсов будет всегда компенсировать поток якоря и, таким образом, э. д. с. вращения в коммутируемом витке будет отсутствовать.

Добавочные полюсы обычно делают такими, чтобы их поток индуцировал в коммутируемом витке э. д. с, равную сумме еL + евр. Тогда в момент отрыва щетки от правой коллекторной пластины (см. рис. 1, в) электрическая дуга не возникает.

Выпускаемые промышленностью машины постоянного тока мощностью 1 кВт и выше снабжены добавочными полюсами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Сети для самых маленьких. Часть вторая. Коммутация

После скучного рассказа о подключении к кошкам переходим к настройке сети. В этот раз темы будут для новичков сложные, для старичков избитые. Впрочем сетевым аксакалам едва ли удастся почерпнуть что-то новое из этого цикла. Итак, сегодня:
а) аккуратно впитываем теорию о коммутаторах, уровнях сетевой модели, понятии инкапсуляции и заголовков (не пугайтесь — еще не время),
б) собираем спланированную в нулевой части цикла сеть,
в) настраиваем VLAN’ы, разбираемся с access и trunk-портами и тегированными Ethernet-фреймами,
г) соотносим текущие знания со стеком протоколов TCP/IP и моделью OSI (да, наконец-то мы ее коснёмся).

Перед тем, как вы обратитесь к практике, настоятельно рекомендуем почитать нулевую часть, где мы всё спланировали и запротоколировали.

Теория

Для начала необходимо определится с определениями и детерминировать терминологию. В начале пути с этим могут быть трудности, несмотря на горы википедии и прорву технических статей.
Рассмотрим самые общие термины, поскольку что такое коммутатор и маршрутизатор вы, во-первых, представляете, во-вторых, по ходу не раз ещё их затронем. Итак, тронулись:
СКС — структурированная кабельная система — это определение вы в любом яндексе найдёте. На деле это все провода, розетки, патчпанели и патчкорды, то есть грубо говоря, это физика вашей сети в узком смысле, в широком — это совокупность сетей: ЛВС, телефонные сети, системы видеонаблюдения и прочее. Это отдельный очень большой и порой сложный пласт знаний и технологий, который вообще не имеет точек пересечения с настройкой, поэтому к нему мы более обращаться не будем. Привели мы этот термин по большей части для того, чтобы читатель чувствовал отличие от следующего.
ЛВС = Локальная Вычислительная Сеть = LAN = Local Area Network. Актуальность слова “Вычислительная” сейчас можно поставить под сомнение, так же, как в слове ЭВМ. Всё-таки, говоря о современных сетях и устройствах, мы давно уже не держим в уме термин «вычисления», несмотря на то, что глубинная суть осталась неизменной. В этом плане буржуйские термин более универсален и даёт более простое представление о своём значении.
Итак, локальная сеть — в первом приближении — это сеть вашей организации. Вот, к примеру, обслуживаем мы сейчас сеть компании «Лифт ми Ап» с двумя офисам, так вот сети этих двух офисов и будут являться локальной сетью.
При втором приближении, локальной называют сеть, которая находится под управлением одного сетевого администратора. То есть, например, вы отвечаете за районный сегмент сети провайдера, в таком случае ваша районная сеть со всеми подсетями будет являться локальной, в то время, как вышестоящая сеть и сети других районов уже нет, так как за них отвечает уже другие люди. Вообще говоря, это уже MAN — Metropolian Area Network — сеть уровня города. Но в какой-то степени к ней можно применить понятие LAN и уж тем более VLAN.
С точки зрения меня, как абонента этого провайдера, моя локальная сеть — это всё, что до моего домашнего роутера. Интуитивно, наверно, все понимают о чём идёт речь.
Именно с локальными сетями мы и будем иметь дело в ближайших выпусках.

И последнее, что хотелось бы отметить в связи с ЛВС — это IP-адресация.
Все вы знаете, что когда вы включаете какой-нибудь домашний Wi-Fi-роутер в сеть, он обычно выдаёт вам IP-адрес, вроде 192.168.1.x. Почему именно 192.168 в начале?

Дело в том, что все IP адреса делятся на приватные (private, он же внутренний, “серый”, локальный), и публичные. Публичные используются в интернет, каждый адрес уникален, их распределение контролирует организация IANA(Internet Assigned Numbers Authority).

Приватные используются для адресации хостов (ну, строго говоря, не хостов, а интерфейсов) внутри ЛВС, их распределение никто не контролирует. Для них выделили три диапазона адресов (по одному из каждого класса):

10.0.0.0 — 10.255.255.255
172.16.0.0 — 172.31.255.255
192.168.0.0 — 192.168.255.255

Важный момент касаемо “классов адресов”, об этом уже как-то писали на хабре: классов адресов уже давно не существует. Позже мы обстоятельно поговорим об адресации, но пока рекомендация такая: забыть про существование классов адресов, чтобы не попасть впросак на собеседовании или в разговоре.

Это те адреса, которые вы можете использовать в своей частной сети. Они вполне могут повторяться (и повторяются) в разных локальных сетях, и за её пределы они не выходят. Приватный адрес на то и приватный, поэтому любой пакет с адресом из диапазонов, указанных выше, попавший к провайдеру, будет отбрасываться.

Если вернуться к нашей старой схеме то вы увидите, что для своей сети мы выбрали приватные адреса из диапазона 172.16.0.0 — 172.31.255.255.
Достаточно подробно об IP-адресах можно почитать тут и тут.
У всех провайдеров и во внутренней сети любой крупной организации используются именно эти серые подсети. Если только вы не государственный ВУЗ, которому в своё время выпала сеть на несколько тысяч публичных адресов: Кемеровский Государственный Университет, к примеру, не озадачивается NAT’ом и прочей чепухой — просто на все компьютеры университетской сети раздаются белые IP.

Ещё раз: у нас есть три способа разграничить широковещательные домены:
1) Поставить маршрутизатор и разнести хосты в разные подсети,
2) Разделить сеть VLAN’ами,
3) Порвать кабель.

Ну и самая жесть, которой часто сторонятся начинающие: OSI. Open System Interconnection. Вообще в двух словах, чтобы мозг не захламить за одно занятие. Эту модель называют эталонной, потому что в реальном мире дело не дошло до реализации. Но она само совершенство, поэтому инженеры и админы вворачивают это слово повсюду.
В основе лежат 7 китов сетевой иерархии: 7 уровней. Сегодня коснёмся двух нижних: первый — физический — это представление информации в виде сигналов, прямо скажем, битов. Задача этого уровня сгенерировать электрический, оптический или радиосигнал, передать его в среду и принять его. К нему относится вся физика: интерфейсы, кабели, антенны, медиаконвертеры (конвертеры среды), репитеры, старые хабы. В общем низкоуровневая это работа. Это первый уровень модели OSI и стека TCP/IP.
Второй — канальный. На этом уровне работают коммутаторы. Идентификатор устройства здесь, это MAC-адрес. У каждого узла (компьютер, маршрутизатор, ноутбук, IP-телефон, любой Wi-Fi-клиент) есть этот уникальный адрес, который однозначно определяет устройство в локальной сети. В теории MAC-адреса не должны повторяться вообще, но на практике такое однако случается и в рамках одного широковещательного домена может приводить к сложноотлавливаемым проблемам.
Наиболее известным протоколом этого уровня является Ethernet. Данные на этом уровне передаются кусками, каждый из которых называется Ethernet-фрейм (он же Ethernet-кадр, он же PDU канального уровня). Что он представляет из себя?

Payload — это полезная нагрузка — данные сетевого уровня, которые вкладываются (инкапсулируются) в кадр. MAC Header (Заголовок) — это служебная информация канального (второго) уровня. Самые важные пока для нас элементы — это source MAC-address (адрес отправителя кадра) и Destination MAC-address (адрес получателя кадра).

Третий уровень — сетевой (IP, ARP)
Четвёртый — транспортный (TCP, UDP, ICMP)
С пятого по седьмой — сеансовый, представления и прикладной (в стеке TCP/IP они не различаются и называются просто прикладным. На нём работают протоколы вроде HTTP, FTP, telnet и многие другие)

В английской википедии утверждается, что ICMP относится к 3-му уровню, что является спорным моментом.

Сегодня мы акцентируемся на 1-м и 2-м уровнях, особенно на втором. Третьего и четвертого коснёмся в следующих выпусках.

Теперь проследим нелёгкий путь кадра.
Состояние покоя сети — утопия.

Вы пытаетесь пропинговать, например, адрес соседнего компьютера командой ping 192.168.1.118. Данные этого приложения показаны фиолетовым параллелепипедом.

За это отвечает протокол ICMP. В него инкапсулируется информация от приложения — это означает, что к данным 5-го уровня добавляется заголовок со служебной информацией 4-го уровня.

Его данные упаковываются (инкапсулируются) в IP-пакеты, где в заголовке указан IP-адрес получателя (192.168.1.118) и IP-адрес отправителя — логические адреса.

А затем всё это инкапсулируется в Ethernet-кадры с MAC-адресами отправителя и получателя — физическими адресами.

При формировании кадров в заголовке в качестве MAC-адреса источника (source) подставляется адрес вашего компьютера, а адресом получателя (destinantion) будет MAC-адрес компьютера — владельца IP-адреса 192.168.1.118 (о механизмах такого преобразования поговорим в следующий раз). То есть если бы вы смогли сфотографировать кадр, то вы бы увидели все эти данные в разрезе, так сказать.

На самом деле, нет ничего проще: запускаете какой-нибудь анализатор трафика, например, замечательный Wireshark и Ethereal, на своём компьютере и пингуете другой хост. Вот такую картину вы сможете лицезреть:

Вы это можете сделать прямо сейчас, читая эти строки, просто установив и запустив анализатор трафика.

В последнюю очередь сетевая карта вашего компьютера дробит фрейм на биты и отправляет их в кабель.

Коммутатор из поступивших битов собирает первоначальный кадр

Далее начинается интеллектуальный труд: из заголовка извлекается адрес получателя, перетрясается таблица MAC-адресов на предмет совпадения и, как только оное найдено, кадр без изменений отправляется в указанный порт. Если же адреса пока ещё нет или кадр пришёл широковещательный, то он направляется на все порты, кроме того, откуда пришёл.

Если адреса отправителя в таблице до сих пор не было, то в этот момент коммутатор добавит его.
Естественно, кадр опять передаётся в виде битов — это закон электроники, и вы должны просто всегда иметь это в виду.

Конечный хост, получив поток битов, собирает из них кадр, ещё только предполагая, что он предназначается ему.

Далее он сравнивает MAC-адрес получателя со своим и, если они совпадают, то заголовок второго уровня отбрасывается, а IP-данные передаются на обработку вышестоящему протоколу. Если адреса не совпадают, то кадр отбрасывается вместе со всем содержимым.

Далее сравниваются IP-адрес получателя и этого устройства. Если совпадают, то заголовок сетевого уровня отбрасывается, и данные передаются транспортному уровню (ICMP)

Конечный хост обработал ICMP-запрос (echo-request) и готов послать ICMP-ответ (echo-reply) вашему компьютеру с адресом 192.168.1.131 и далее пункты 1-3 повторяются уже для нового кадра

То, о чём мы писали до сих пор — это принцип работы любого коммутатора. Так делают даже простые длинки за 300 рублей.

Ну а теперь, давайте, коллеги, финальный рывок: добавим сюда ещё VLAN’ы.

С ними работают уже только управляемые коммутаторы.
Напомним, что вланы нужны для разделения сетей. Соответственно появляется некий идентификатор, которым маркируется трафик разных подсетей на коммутаторе.
Говоря о VLAN’ах, часто используют заклинание 802.1q. Это и есть стандарт, описывающий как именно кадр маркируется/тегируется. Пугаться такого шифра не стоит. Так же, например, Wi-Fi описывается стандартом 802.11n, а протокол аутентификации — 802.1x. Нам с этим предстоит столкнуться в будущем, поэтому отложите это в своей энергонезависимой памяти.

Что же именно происходит на кухне коммутации?
Внутрь фрейма после Source MAC-адреса добавляется ещё одно поле, очень грубо говоря, содержащее номер VLAN’а. Длина, выделенная для номера влана равна 12 битам, это означает, что максимальное число вланов 4096. Мы хотим обратить внимание молодых инженеров на такие подробности. Дело в том, что мы в своём цикле в силу объективных причин, не можем обо всём рассказать, но такие вопросы, во-первых, часто задают на собеседованиях, во-вторых, это просто надо знать.

Кадры первого влана обычно не тегируются — он является родным вланом (native vlan).

Каждый коммутатор принимает теперь решение на основе этой метки-тега (или его отсутствия).
В таблицу МАС-адресов добавляется ещё столбец с номером VLAN’а и при поиске пары MAC-адрес/порт теперь будет сравниваться тег кадра с номером VLAN’а в таблице.

Существует два типа портов:
1. Access port — порт доступа — к нему подключаются, как правило, конечные узлы. Трафик между этим портом и устройством нетегированный. За каждым access-портом закреплён определённый VLAN, иногда этот параметр называют PVID. Весь трафик, приходящий на этот порт от конечного устройства, получает метку этого влана, а исходящий уходит без метки.

2. Trunk port. У этого порта два основных применения — линия между двумя коммутаторами или от коммутатора к маршрутизатору. Внутри такой линии, называемой в народе, что логично, транком, передаётся трафик нескольких вланов. Разумеется, тут трафик уже идёт с тегами, чтобы принимающая сторона могла отличить кадр, который идёт в бухгалтерию, от кадра, предназначенного для ИТ-отдела. За транковым портом закрепляется целый диапазон вланов.
Кроме того, существует вышеупомянутый native vlan. Трафик этого влана не тегируется даже в транке, по умолчанию это 1-й влан и по умолчанию он разрешён. Вы можете переопределить эти параметры.
Нужен он для совместимости с устройствами, незнакомыми с инкапсуляцией 802.1q. Например, вам нужно через Wi-Fi мост передать 3 влана, и один из них является вланом управления. Если Wi-Fi-модули не понимают стандарт 802.1q, то управлять ими вы сможете, только если этот влан настроите, как native vlan с обеих сторон.

Что происходит в сети с вланами?

1) Итак, от вашего компьютера с IP-адресом, например, 192.168.1.131 отправляется пакет другому компьютеру в вашей же сети. Этот пакет инкапсулируется в кадр, и пока никто ничего не знает о вланах, поэтому кадр уходит, как есть, на ближайший коммутатор.
2) На коммутаторе этот порт отмечен, как член, например, 2-го VLAN’а командой

Это означает, что любой кадр, пришедший на этот интерфейс, автоматический тегируется: на него вешается ленточка с номером VLAN’а. В данном случае с номером 2.
Далее коммутатор ищет в своей таблице MAC-адресов среди портов, принадлежащих 2-му влану, порт, к которому подключено устройство с MAC-адресом получателя.
3) Если получатель подключен к такому же access-порту, то ленточка с кадра отвязывается, и кадр отправляется в этот самый порт таким, каким он был изначально. То есть получателю также нет необходимости знать о существовании вланов.
4) Если же искомый порт, является транковым, то ленточка на нём остаётся.

Попробуем провести аналогию с реальными миром. Вы с другом, например, пакеты-туристы и летите отдыхать дикарями самолётом авиалиний Ethernet Airlines. Но по дороге вы поссорились, и потому, когда в аэропорту назначения, вас спрашивают в какую гостиницу вас везти, вы отвечаете “Рога”, а ваш товарищ говорит “Копыта”. И сразу после этого вас инкапсулируют в разные кадры-машины: вас в такси с тегом “Таксопарк “На рогах”, а вашего товарища с его грузом в КамАЗ с тегом “Транспортная компания “В копыто”. Теперь вам нельзя на автобусные полосы, а вашему другу под знаки, запрещающие проезд грузовиков.
Так вот две гостиницы — это МАС-адреса назначения, а ограничения по маршруту — порты других вланов.
Петляя, по улочкам, вам, как IP-пакету не о чем беспокоиться — кадр-автомобиль доставит вас до места назначения, и, грубо говоря, в зависимости от тега на каждом перекрёстке будет приниматься решение, как ехать дальше.

Q: Что произойдёт, если тегированный кадр прилетит на access-порт?
A: Он будет отброшен.

Q: Что произойдёт, если нетегированный кадр прилетит на trunk-порт?
A: Он будет помещён в Native VLAN. По умолчанию им является 1-й VLAN. Но вы можете поменять его командой switchport trunk native vlan 2
В этом случае все кадры, помеченные 2-м вланом будут уходить в этот порт нетегироваными, а нетегированные кадры, приходящий на этот интерфейс, помечаться 2-м вланом.
Кадры с тегами других вланов останутся неизменными, проходя, через такой порт.

Q: Можно ли конечным узлам (компьютерам, ноутбукам, планшетам, телефонам) отправлять тегированные кадры и соответственно подключать их к транковым портам?
A: Да, можно. Если сетевая карта и программное обеспечение поддерживает стандарт 802.1q, то узел может работать с тегированными кадрами.

Q: Что будет с тегированными кадрами, если они попадут на обычный неуправляемый коммутатор или другое устройство, не понимающее стандарт 802.1q?
A: Поскольку при добавлении тега заголовок кадра не меняется, то все устройства второго уровня без поддержки этого стандарта вполне справляются с коммутацией такого кадра. Поэтому, если например, вы захотите организовать канал через Wi-Fi мост, то это никак не помешает вам пробросить через него несколько вланов в транке.

Практика. Настройка сети “Лифт ми Ап”

Ну и наконец-то обратимся к настройке. Вива ля практис!

Будет у нас такая сеть:

Мы могли бы сейчас броситься сразу настраивать всё по порядку: полностью одно устройство, потом другое. Но так не будет, пожалуй, понимания значения процессов.

Порты доступа (access)

Поэтому начнём с простого: настроим два порта на msk-arbat-asw3 как access для влана 101 (ПТО):

Все настройки делаем сразу в соответствии с планом.

Заметили, что коммутатор ругается на отсутствие влана? Тут надо быть аккуратным. Некоторые версии ПО работают несколько нелогично.
Даже если вы его не создадите, то настройки применятся и при отладке на первый взгляд всё будет нормально, но связи не будет. Причём коварство заключается в том, что фраза Creating vlan 101 вовсе не означает, что этот самый влан будет создан. Поэтому отправляемся в режим глобальной конфигурации и создаём его (а заодно и все другие вланы, нужные на этом коммутаторе):

Теперь подключите компьютеры к портам FE0/1 и FE0/2, настройте на них адреса 172.16.3.2 и 172.16.3.3 с маской подсети 255.255.255.0 и шлюзом 172.16.3.1 и проверьте связь:

После того, как это получилось, настроим порт FE0/16, как access, для 104-го влана (сеть других пользователей):

Подключите к нему компьютер и настройте адрес из той же подсети, что ПТО, например, 172.16.3.5 с маской 255.255.255.0.
Если вы попытаетесь теперь пропинговать этот адрес, то у вас не должно этого получиться — компьютеры находятся в разных вланах и изолированы друг от друга:

То есть ещё раз, что происходит? От вашего компьютера приходит на 1-й порт широковещательный запрос: “Кто такой 172.16.3.5”, потому что сам компьютер пока не знает MAC-адреса получателя. Кадр, который несёт в себе этот запрос помечается, как принадлежащий 101-му VLAN’у в соответствии с портом, на который он поступил. И далее, чтобы узнать где-же находится компьютер 172.16.3.5, кадр рассылается на все порты-члены 101-го VLAN’а. А в их числе нет порта FE0/16, поэтому, естественно, этот адрес считается недостижимым, что приводит к ответу “Request timed out”.

Внимание! Если в этом VLAN’е все-таки окажется устройство с таким IP, то это не будет тем же самым ноутбуком Other и при этом они не буду конфликтовать друг с другом, поскольку логически находятся в разных широковещательных доменах.

Транковые порты (trunk)

Итак, врата для вас открылись, теперь вам предстоит создать коридор — транк между тремя коммутаторами: msk-arbat-asw3, msk-arbat-dsw1 и msk-rubl-asw1.

Uplink портом на msk-arbat-asw3 является GE1/1. Ну а поскольку нам всё равно все вланы нужно будет пробросить, то сделаем это сейчас, то есть помимо 101 и 104 пропишем 2, 102 и 103:

На самом деле на интерфейсе достаточно команды #switchport mode trunk, чтобы у вас через этот порт уже пошли тегированные кадры всех вланов, потому что по умолчанию транковый порт пропускает всё. Но мы же инженеры, а не эникейщики. Где это видано, чтобы безлимит творился за нашей спиной? Поэтому через нас проходит только то, что мы разрешаем. Как только вы дали команду switchport trunk allowed vlan 101, через порт не пройдёт кадр никаких вланов, кроме 101 (VLAN 1 ходит по умолчанию и нетегированным).

Внимание! Если вы хотите в транковый порт добавить ещё один влан, то вам необходимо использовать следующий синтаксис команды:

В противном случае (написав switchport trunk allowed vlan 105) вы сотрёте все старые разрешения и добавите новый 105-й влан. И хорошо ещё, если при этом вы не потеряете доступ на этот коммутататор. Но за простой связи всё равно вы получите по пятое число)

Переходим к msk-arbat-dsw1. На нём необходимо создать все вланы и настроить два порта:
GE1/2 в сторону msk-arbat-asw3
FE0/1 в сторону msk-rubl-asw1:

Ну и настроим, конечно, порты на msk-rubl-asw1:

Снова нужно настроить вланы. И заметьте, при настройке транковых портов никаких сообщений нет.

Если вы всё настроили правильно (в чём не приходится сомневаться), то с первого порта msk-rubl-asw1 вы увидите компьютеры ПТО, подключённые к msk-arbat-asw3.

Для уверенности проверим ещё и 104-й влан. Через транк мы его сюда уже доставили.

Подключаем компьютер к 16-му порт и настраиваем на нём IP-адрес 172.16.6.3 с маской 255.255.255.0 и шлюзом 172.16.6.1. А IP-адрес ноутбука на арбате поменяйте на 172.16.6.2 с теми же маской и шлюзом.

Сеть управления

Настроим IP-адрес для управления.
В наших лабах они не понадобятся, потому что мы настраиваем устройство через окно РТ. А вот в реальной жизни это вам жизненно необходимо.
Для этого мы создаём виртуальный интерфейс и указываем номер интересующего нас влана. А далее работаем с ним, как с самым обычным физическим интерфейсом.

С msk-arbat-asw3 запускаем пинг до msk-arbat-dsw1:

Первые пару пакетов могут потеряться на работу протокола ARP: определение соответствия IP-адрес — MAC-адрес. При этом MAC-адрес, порт и номер влана добавляются в таблицу коммутатора.
Самостоятельно настройте IP-адреса сети управления на остальных коммутаторах и проверьте их доступность

Собственно вот и вся магия. Зачастую к подобного рода действиям и сводится вся настройка, если вы не работаете в провайдере. С другой стороны, если вы работаете в провайдере, то, наверняка, такие вещи вам объяснять не нужно.
Если желаете знать больше об этом, читайте: VTP, QinQ, зарезервированные номера VLAN

Ещё один небольшой инструмент, который может немного увеличить удобство работы: banner. Это объявление, которое циска покажет перед авторизацией на устройство.

После motd вы указываете символ, который будет служить сигналом о том, что строка закончена. В это примере мы поставили “q”.

Относительно содержания баннера. Существует такая легенда: хакер вломился в сеть, что-то там поломал\украл, его поймали, а на суде оправдали и отпустили. Почему? А потому, что на пограничном роутере(между интернет и внутренней сетью), в banner было написано слово “Welcome”. “Ну раз просят, я и зашел”)). Поэтому считается хорошей практикой в баннере писать что-то вроде “Доступ запрещен!”.

Для упорядочивания знаний по пунктам разберём, что вам необходимо сделать:

1) Настроить hostname. Это поможет вам в будущем на реальной сети быстро сориентироваться, где вы находитесь.

2) Создать все вланы и дать им название

3) Настроить все access-порты и задать им имя

Удобно иногда бывает настраивать интерфейсы пачками:

4) Настроить все транковые порты и задать им имя:

5) Не забывайте сохраняться:

Итого: чего мы добились? Все устройства в одной подсети видят друг друга, но не видят устройства из другой. В следующем выпуске разбираемся с этим вопросом, а также обратимся к статической маршрутизации и L3-коммутаторам.
В общем-то на этом данный урок можно закончить. В видео вы сможете ещё раз увидеть, как настраиваются вланы. В качестве домашнего задания настройте вланы на коммутаторах для серверов.

Здесь вы можете скачать конфигурацию всех устройств:
Lift-me-Up_Configuration.zip
И наш проект РТ:
Lift-me-UP_v2-VLANs.pkt

P.S.
Важное дополнение: в предыдущей части, говоря о native vlan мы вас немного дезинформировали. На оборудовании cisco такая схема работы невозможна.
Напомним, что нами предлагалось передавать на коммутатор msk-rubl-asw1 нетегированными кадры 101-го влана и принимать их там в первый.
Дело в том, что, как мы уже упомянули выше, с точки зрения cisco с обеих сторон на коммутаторах должен быть настроен одинаковый номер влана, иначе начинаются проблемы с протоколом STP и в логах можно увидеть предупреждения о неверной настройке. Поэтому 101-й влан мы передаём на устройство обычным образом, кадры будут тегированными и соответственно, 101-й влан тоже необходимо создавать на msk-rubl-asw1.

Ещё раз хотим заметить, что при всём желании мы не сможем охватить все нюансы и тонкости, поэтому и не ставим перед собой такой задачи. Такие вещи, как принцип построения MAC-адреса, значения поля Ether Type или для чего нужен CRC в конце кадра, вам предстоит изучить самостоятельно.

Спасибо соавтору этого цикла, хабравчанину thegluck.
За предоставление дополнительных материалов хочу поблагодарить Наташу Самойленко

Читатели, не имеющие учётки на хабре, но имеющие вопросы, как и прежде, могут концентрировать их в ЖЖ.

Источник