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Switches: Entendendo seu Funcionamento e Aplicações

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Switches são dispositivos que filtram e encaminham pacotes entre segmentos (sub-redes) de redes locais. Operam na camada de enlace (camada 2) do modelo OSI, devendo ser independentes dos protocolos de camada superior. LANs que usam switches para ligar segmentos são chamadas switched LANs (LANs comutadas) ou, no caso de redes Ethernet, switched Ethernet LANs. Conceitualmente, switches poderiam ser consideradas bridges multi-portas. Tecnicamente, bridging é uma função da camada 2 do modelo OSI, e todos os padrões atuais de rede, como Ethernet, Token Ring e FDDI, podem ser conectados através de bridges ou switches.



Os switches aprendem quais estações estão conectadas a cada um dos segmentos de suas portas. Ele examina o tráfego de entrada, deduz endereços MAC de todas as estações conectadas a cada porta, e usa esta informação para construir uma tabela de endereçamento local.

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Os quadros recebidos, em vez de serem propagados para todas as portas, são enviados apenas para a porta correspondente ao endereço de destino.

Muitos switches usam uma arquitetura baseada em ASIC (Application Specific Switching Circuits), ao invés dos microprocessadores tradicionais, permitindo com isto uma maior velocidade na comutação, e um barateamento do custo.


Classificação dos Switches

Os switches podem ser classificados quanto ao método de encaminhamento dos pacotes utilizado: store-and-forward, cut-through ou adaptative cut through.

Store-and-Forward

Switches Store-and-Forward guardam cada quadro em um buffer antes de encaminhá-lo para a porta de saída. Enquanto o quadro está no buffer, o switch calcula o CRC e mede o tamanho do quadro. Se o CRC falha, ou o tamanho é muito pequeno ou muito grande (um quadro Ethernet tem de 64 bytes a 1518 bytes) o quadro é descartado. Se estiver tudo OK, o quadro é encaminhado para a porta de saída.

Esse método assegura operações sem erro e aumenta a confiabilidade da rede. Contudo, o tempo gasto para guardar e checar cada quadro adiciona um tempo de latência grande ao processamento dos quadros.

A latência total é proporcional ao tamanho dos pacotes: quanto maior o pacote, maior o delay.

Cut-Through

Os Switches Cut-Through foram projetados para reduzir a essa latência. Esses switches minimizam o delay lendo apenas os 6 primeiros bytes de dados do pacote, que contém o endereço de destino, e logo encaminham o pacote.

Contudo, esse switch não detecta pacotes corrompidos causados por colisões (conhecidos como runts), nem erros de CRC. Quanto maior o número de colisões na rede, maior será a largura de banda gasta com o encaminho de pacotes corrompidos.

O segundo tipo de switch cut-through, fragment free, foi projetado para eliminar esse problema. Nesse caso, o switch sempre lê os primeiros 64 bytes de cada pacote, assegurando que o quadro tem pelo menos o tamanho mínimo, evitando o encaminhamento de runts pela rede.

Adaptative Cut-Through

Os switches que processam pacotes no modo adaptativo suportam tanto store-and-forward quanto cut-through. Qualquer dos modos pode ser ativado pelo gerente da rede, ou o switch pode ser inteligente o bastante para escolher entre os dois métodos, baseado no número de quadros com erro passando pelas portas.

Quando o número de quadros corrompidos atinge um certo nível, o switch pode mudar do modo cut-through para store-and-forward, voltando ao modo anterior quando a rede se normalizar.

Switches cut-through são melhor utilizados em pequenos grupos de trabalho e pequenos departamentos. Nessas aplicações é necessário um bom throughput, mas erros potenciais de rede ficam no nível do segmento, sem impactar a rede corporativa.

Já os switches store-and-forward são projetados para redes corporativas, onde check de erros e bom throughput são desejáveis.

Apenas os switches store-and-forward, ou Adaptative cut-through funcionando no modo store-and-forward possuem a capacidade de suportar mais de um tipo de LAN (como por exemplo Ethernet e Fast Ethernet), pois são os únicos com capacidade de bufferização dos quadros, condição necessária para a posterior conversão do formato do quadro MAC, ou do método de sinalização.


Forma de Segmentação das Sub-Redes

Os switches também podem ser classificados quanto à [B] forma de segmentação das sub-redes: switches de camada 2 (Layer 2 Switches), switches de camada 3 (Layer 3 Switches), ou switches de camada 4 (Layer 4 switches).

Layer 2 Switches

São os switches tradicionais, que efetivamente funcionam como bridges multi-portas. Sua principal finalidade é de dividir uma LAN em múltiplos domínios de colisão, ou, nos casos das redes em anel, segmentar a LAN em diversos anéis.

Os switches de camada 2 possibilitam, portanto, múltiplas transmissões simultâneas, a transmissão de uma sub-rede não interferindo nas outras sub-redes. Os switches de camada 2 não conseguem, porém filtrar broadcasts, multicasts (no caso em mais de uma sub-rede contenham as estações pertencentes ao grupo multicast de destino), e quadros cujo destino ainda não tenha sido incluído na tabela de endereçamento.

Layer 3 Switches

São os switches que, além das funções tradicionais da camada 2, incorporam algumas funções de roteamento, como por exemplo a determinação do caminho de repasse baseado em informações de camada de rede (camada 3), validação da integridade do cabeçalho da camada 3 por checksum, e suporte aos protocolos de roteamento tradicionais (RIP, OSPF, etc).

Os switches de camada 3 suportam também a definição de redes virtuais (VLAN’s), e possibilitam a comunicação entre as diversas VLAN’s, sem a necessidade de se utilizar um roteador externo.

Por permitir a interligação de segmentos de diferentes DOMÍNIOS DE BROADCAST, os switches de camada 3 são particularmente recomendados para a segmentação de LAN’s muito grandes, onde a simples utilização de switches de camada 2 provocaria uma perda de performance e eficiência da LAN, devido à quantidade excessiva de broadcasts.

Apesar da semelhança entre os switches de camada 3 e os roteadores, existem algumas características que os distinguem, conforme podemos verificar na tabela comparativa abaixo:

Tabela 1 – Principais diferenças entre switches de camada 3 e roteadores:
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Pode-se afirmar que a implementação típica de um switch de camada 3 é mais escalável que um roteador, pois este último utiliza as técnicas de roteamento a nível 3 e repasse a nível 2 como complementos, enquanto que os switches sobrepõem a função de roteamento em cima do switching, aplicando o roteamento aonde se mostrar necessário.

Layer 4 Switches

Estão no mercado a pouco tempo, e geram uma controvérsia quanto à adequada classificação destes equipamentos. São muitas vezes chamados de Layer 3+ (Layer 3 Plus).

Basicamente incorpora às funcionalidades de um switch de camada 3, a habilidade de se implementar a aplicação de políticas e filtros a partir de informações de camada 4 ou superiores, como portas TCP e UDP, ou SNMP, FTP, etc.


Classificação dos Switches Layer 3

Existem dois tipos básicos de Switches Layer 3: Pacote-por-Pacote (Packet by Packet) e Layer-3 Cut-through.

Basicamente um switch Packet By Packet é um caso especial de switch Store-and-Forward, pois como estes, bufferizam e examinam o pacote, calculando o CRC do quadro MAC, e além disto decodificam o cabeçalho da camada de rede para definir sua rota através do protocolo de roteamento adotado.

Um switch Layer 3 Cut-Through (não confundir com switch Cut-Through, assim classificado quanto ao método de encaminhamento dos pacotes), examinam os primeiros campos, determinam o endereço de destino (através das informações dos “headers” de camada 2 e 3), e, a partir deste instante, estabelecem uma conexão ponto a ponto (a nível 2), examinando apenas as informações de nível 2, para conseguir uma alta taxa de transferência de pacotes.

Cada fabricante tem o seu projeto próprio para possibilitar a identificação correta dos fluxos de dados a fim de possibilitar o repasse após os primeiros terem sido roteados. Como exemplo, temos o “IP Switching” da Ipsilon, o “SecureFast Virtual Networking da Cabletron”, o “Fast IP” da 3Com.

O único projeto adotado como um padrão de fato, sendo portanto implementado por diversos fabricantes, é o MPOA (Multi Protocol Over ATM). O MPOA, a despeito de sua comprovada eficiência, é complexo e caro de se implementar, e é limitado a backbones ATM.

O switch Layer 3 Cut-Through, a partir do momento em que a conexão ponto a ponto for estabelecida, poderá funcionar no modo “Store-and-Forward” ou “Cut-Through”.


Características a se Considerar na Escolha dos Switches

Abaixo segue uma lista das principais características a se conbsiderar na escolha de um switch para sua rede:

  • Modo de operação (cut-through/Store-and-Forward);
  • Suporte a VLAN’s (Porta/Protocolo/Endereço MAC);
  • Suporte a “VLAN Trunk” (IEEE 802.1Q);
  • Modo de segmentação (Layer 2, Layer 3, etc);
  • Número máximo de VLAN’s que o equipamento suporta;
  • Capacidade de implementar mais de uma VLAN em uma mesma porta;
  • Capacidade do backplane;
  • Capacidade de aprendizagem de Endereços MAC;
  • Suporte à definição de Classes de Serviço (CoS) IEEE 802.1p;
  • Suporte à configuração de “Link Agregation”;
  • Suporte à definição de Qualidade de Serviço (QoS) RSVP;
  • Suporte ao protocolo Spanning Tree;
  • Capacidade de definição de Links Resilientes;
  • Capacidade de implementação de filtros de protocolo;
  • Capacidade de implementação de controle de contenção de broadcast;
  • Capacidade de implementação de filtros de multicast;
  • Capacidade de implementação de controle de fluxo (congestão);
  • Suporte a “DHCP Relay”;
  • Número de portas;
  • Quantidade e tipo de portas “uplink”;
  • Implementação de tecnologia “auto-sensing”;
  • Implementação de Ethernet/Fast/Giga no modo “Full Duplex”;
  • Capacidade de empilhamento entre switches, sem adicionar níveis de repetição;
  • Redundância de fontes, portas, módulos de rede, módulos de gerência e controle;
  • Suporte ao gerenciamento SNMP, SNMP v2;
  • Capacidade de implementar o espelhamento de tráfego em mais de uma porta;
  • Suporte ao Gerenciamento RMON, para os 4 grupos básicos (Statistics, Events, Alarms, History);
  • Suporte a RMON, para os demais Grupos (Hosts, HostsTopN, Matrix, Filter, Packet Capture).



Autor:

- Jean Carlos





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Atualizado 16-07-2010 em 09:04 por code

Categorias
Artigos , Tutoriais

Comentários

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  1. Avatar de Magnun
    Mandou muito bem magal!

    Complementando um pouco, os switches de camada 4-7 comumente são chamados de Content-Switches (Comutadores de conteúdo) ou Aplication Switches (comutadores de aplicação). Esses switches geralmente chegam a implementar balançeamento de carga para aplicações do tipo SLB (Server Load Balance) e GSLB (Global Server Load Balance), NAT, encriptagem de dados SSL e gerenciamento de certificados. Alguns são capazes de realizar comutação tomando como base informação de cookies do cliente.

    Até mais...
  2. Avatar de Magal
    Obrigado pelo complemento Magnun.

    Abs.
  3. Avatar de minelli
    Parabéns Magal pela explanação.
  4. Avatar de InstrutorTIC
    Faltou adicionar as caracterisitcas:
    Suporte a ACL level 2;
    SNMP v3;
  5. Avatar de InstrutorTIC
    Ah, a Cabletron agora é Enterasys e faz parte do grupo Siemens.
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