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Switches: como funcionam?

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.

Ao contrário dos antigos hubs, os switches aprendem quais estações estão conectadas a cada um dos segmentos de suas portas. Eles examinam o tráfego de entrada, deduzem endereços MAC de todas as estações conectadas a cada porta, e usam esta informação para construir uma tabela de endereçamento local.

Os frames 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

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 esta latência. Eles minimizam o delay lendo apenas os 6 primeiros bytes de dados do pacote, que contém o endereço de destino, e logo encaminham o pacote, porém, não detectam pacotes corrompidos causados por colisões, 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.

Existe um segundo tipo de switch cut-through, o Fragment Free, que foi projetado para eliminar esse problema. Neste 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 colisões 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 (velocidade real), 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 checagem 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.

Classificação quanto a forma de segmentação de sub-redes

Os switches podem ser classificados como 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 (mais de uma sub-rede que contenha 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.

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.

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 estas informações, para conseguir uma alta taxa de transferência de pacotes.

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

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.

Layer 4 Switches

São novos no mercado e geram uma controvérsia quanto a 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.

Fonte: www.malima.com.br [com adaptações]

 

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