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:: Switches em Redes Locais de Computadores

José Mauricio Santos Pinheiro em 13/03/2005

 

As redes locais de computadores (LAN’s) permitem aos seus usuários compartilharem recursos tais como periféricos, informações e aplicações, de maneira simples e eficiente.

Estas redes estão divididas em dois grupos, segundo o tipo de componentes utilizados: componentes passivos, responsáveis pelo transporte dos dados através do meio físico (cabos, antenas, acessórios de cabeamento e tubulações) e componentes ativos, estes responsáveis pela comunicação adequada entre os diversos equipamentos de rede como as estações de trabalho, servidores, multiplexadores, etc. Dentro dessa categoria destacamos o switch, a bridge, o roteador, etc, pelo papel que eles desempenham dentro da rede local. Esse conjunto de elementos de rede - ativos e passivos – é que garante uma comunicação confiável, com a performance requerida pelas aplicações.

Podemos observar o quanto é imprescindível que estes equipamentos estejam adequadamente dimensionados para que possam atender plenamente as necessidades dos usuários. Por exemplo, hoje em dia as redes locais têm que transportar grandes quantidades de informação, arquivos contendo textos, dados, gráficos e imagens, para isso requerendo recursos de alta capacidade e velocidade.

Definição de Switch

Switches são dispositivos que filtram e encaminham pacotes entre segmentos de redes locais, operando na camada de enlace (camada 2) do modelo RM-OSI.

Um switch funciona como um nó central de uma rede em estrela. Ele tem como função o chaveamento (ou comutação) entre as estações que desejam se comunicar. 

Figura 1 - Interligação de redes através de um swtich

A partir do momento em que as estações estão ligadas a esse elemento central, no qual a implementação interna é desconhecida, mas a interface é coerente com as estações, é possível pensar que esses elementos podem implementar arquiteturas que não utilizam apenas um meio compartilhado, mas sim possibilitam a troca de mensagens entre várias estações simultaneamente. Dessa forma, as estações podem obter para si taxas efetivas de transmissão bem maiores. Conceitualmente, switches poderiam ser considerados bridges multi-portas. Como "bridging" tecnicamente é uma função da camada 2 do modelo OSI, todos os padrões atuais de rede (Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, etc) podem ser conectados através de switches.

Funcionamento

A função de um switch é conectar segmentos de redes diferentes. Um switch mapeia os endereços dos nós que residem em cada segmento da rede e permite apenas a passagem do tráfego necessário. O switch aprende 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. Assim, quando o switch recebe um pacote, ele determina qual o destino e a origem deste, encaminhando-o para a direção correta, bloqueando a passagem desse pacote para a outra rede caso a origem e o destino seja o mesmo segmento de rede.

Métodos de encaminhamento

Quanto ao método utilizado pelo switch no encaminhamento dos pacotes, podemos ter:

Store-and-forward

Esse tipo de switch aceita e analisa o pacote inteiro antes de encaminhá-lo para a porta de saída, guardando cada quadro em um buffer. Este método permite detectar alguns erros, evitando a sua propagação pela rede.

Enquanto o quadro está no buffer, o switch calcula o CRC e mede o tamanho do quadro. Se o CRC apresenta erro ou o tamanho é muito pequeno ou muito grande (um quadro Ethernet tem de 64 bytes a 1518 bytes),  o quadro é descartado. Se tudo estiver correto, 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 e a latência total é proporcional ao tamanho dos pacotes: quanto maior o pacote, maior o atraso.

Os switches store-and-forward são projetados para redes corporativas, onde a verificação de erros e um bom throughput são desejáveis.

Cut-through

Os switches cut-through apenas examinam o endereço de destino antes de re-encaminhar o pacote. Eles foram projetados para reduzir a essa latência, minimizando o atraso (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 encaminhamento de pacotes corrompidos.

Um segundo tipo de switch cut-through, chamado "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.

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

Adaptative cut-through

São switches híbridos que processam pacotes no modo adaptativo, suportando tanto o modo 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.

Aplicações

Existem pontos nas redes em que há uma alta concentração de tráfego, se tornando um problema. Com o uso de switches é possível reduzir esses "gargalos" e montar uma rede de alta performance, ideal para agilizar a comunicação entre usuários de redes locais diferentes, aumentando assim a disponibilidade e a utilização dos servidores e equipamentos existentes.

No switch, os pacotes de dados são enviados diretamente para o destino, sem serem replicados para todas as máquinas. Além de aumentar o desempenho da rede, esse fato gera uma segurança maior. Várias transmissões podem ser efetuadas por vez, desde que tenham origem e destino diferentes. O switch é um equipamento que permite que vários segmentos de redes se comuniquem com outros segmentos, ao mesmo tempo, 2 a 2.

Se uma rede, antes composta de estações de trabalho e hubs, cresceu, há a necessidade de um switch para segmentar a rede e melhorar a performance como um todo. Assim, o uso de switches é ideal em situações que requerem um maior desempenho de rede e comunicação com servidores ou mesmo para criar um barramento de alta velocidade interligando servidores e outros equipamentos, como roteadores, por exemplo.

A maioria dos switches atuais está disponível em diferentes configurações de portas, sendo que o número de portas indica quantos equipamentos podem ser conectados simultaneamente. A maioria oferece portas projetadas para gerenciar tráfego ethernet com velocidades tanto de 10Mbps quanto de 100Mbps e portas que comportam até mesmo o Gigabit Ethernet.

Switch x Hub

Os switches são equipamentos que estão substituindo rapidamente os hubs em novos projetos de redes. Embora projetado para a mesma tarefa, o switch trabalha de forma diferente de um hub, fazendo um melhor uso da banda disponível na rede. Um hub compartilha a velocidade entre todas as estações de forma idêntica (o barramento é compartilhado de forma idêntica). Já o Switch dedica a mesma velocidade para todas as estações, mas a velocidade não é compartilhada, é dedicada. Assim, o switch funciona como uma matriz de comutação de alta velocidade, feita ao nível de hardware.

Um domínio simples de colisão consiste em um ou mais hub’s e nós conectados entre eles. Cada dispositivo dentro do domínio de colisão partilha a banda de rede disponível com os outros dispositivos no mesmo domínio.

Figura 2 - Aplicação de hub e switch em uma rede com roteador

Já os switches são utilizados para separar domínios de colisão que são demasiado grandes de forma a melhorar a performance e a estabilidade da rede. Para executar essa tarefa, o switch identifica as máquinas da rede pelo MAC Address e também pelo o endereço IP de cada máquina, evitando assim os conflitos de pacotes o que torna a rede mais rápida. Por esse motivo, ao se projetar uma rede é sempre preferível utilizar um switch ao invés de um Hub.

Esquemas de comutação

Existem basicamente dois tipos de switch quanto ao esquema de comutação que utilizam:

Comutação por software - o quadro, depois de recebido através de uma das portas, é armazenado em uma memória compartilhada. O endereço de destino é analisado e a porta destino obtida de uma tabela de endereços por um algoritmo usualmente executado em um processador RISC. Em seguida, o quadro é transferido para a porta de destino;

Comutação por hardware - assim que recebem e armazenam o cabeçalho dos quadros, eles processam o endereço de destino e estabelecem um circuito entre as portas de origem e de destino, enquanto durar a transmissão do quadro. Normalmente esses switches são implementados com tecnologia ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Switches de balanceamento de carga

Os switches de balanceamento de carga são semelhantes aos switches Ethernet convencionais, porém apresentam uma funcionalidade adicional. Comparados com os roteadores, esses dispositivos normalmente têm mais portas e maior poder de processamento, o que os permite enviar um volume maior de pacotes mais rapidamente pela rede.

Esse tipo de switch é mais adequado para redes maiores, de alto tráfego ou intranets, em que grande parte do tráfego vem em conexões de rede local de alta velocidade, em vez de Internet.

Conclusão

Os switches permitem que os usuários de redes de computadores troquem informações e compartilhem recursos, obtendo o máximo de performance da rede.

Existe um conjunto muito grande de opções e configurações possíveis para todos os tipos de negócio. Originalmente projetados para conectar servidores e estações de trabalho em redes locais, os switches tornaram-se uma boa opção nos projetos de redes, visando tornar um upgrade futuro menos oneroso e mais simples.

Os switches podem ser utilizados em uma rede ao nível de grupos de trabalho, departamentos e backbone. São especialmente indicados nas situações de congestionamento de tráfego, que pode ocorrer no acesso a um servidor de uma rede local ou a um backbone corporativo de uma LAN compartilhada.

José Maurício Santos Pinheiro
Professor Universitário, Projetista e Gestor de Redes, 
membro da BICSI, Aureside e IEC.

Autor dos livros:
 
· Guia Completo de Cabeamento de Redes ·
· Cabeamento Óptico ·
· Infraestrutura Elétrica para Redes de Computadores
·
· Biometria nos Sistemas Computacionais - Você é a Senha ·

E-mail: jm.pinheiro@projetoderedes.com.br

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