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.
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 n�mero 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 n�mero
de quadros com erro passando pelas portas.
Quando o n�mero 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 n�mero 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.
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.