Entenda o Funcionamento do Switch em uma Rede LAN Ethernet – O Guia Completo

Em 1990 nos é apresentado o 10BASE-T, o primeiro padrão Ethernet baseado em UTP, que utilizava um modelo de cabeamento centralizado, semelhante com as LANs Ethernet atuais. Porém, na época, não se usava um Switch de LAN como hoje em dia, as primeiras redes 10BASE-T utilizavam hubs.

Mesmo com a utilização de hubs para melhorar a Ethernet de uma rede 10BASE-T, diversos problemas persistiam:

  • O hub repete o sinal elétrico recebido em uma porta, para todas as outras portas;
  • Com a emissão de sinal simultânea de dois ou mais dispositivos, acontece uma colisão elétrica que corrompe ambos os sinais;
  • Quando um broadcast é enviado por um dispositivo, todos os outros dispositivos da LAN o ouve e o processa;
  • Frames unicast são ouvidos por todos os outros dispositivos da LAN;
  • Os dispositivos trocam turnos usando a lógica do sensor de carregador de acesso múltiplo com detecção de colisão (SCMA/CD), para o compartilhamento de banda entre todos os dispositivos (10-Mbps).

Com o passar do tempo, a eficiência de diversas redes Ethernets baseadas em hubs começaram a se degradar, pois muitos dispositivos foram adicionados a cada Ethernet. Como os dispositivos na mesma rede Ethernet não podiam enviar mais de 10 Mpbs de tráfego coletivamente, com o aumento no tráfego, um grande número de colisões ocorreram, o que exigia mais gastos na capacidade da LAN.

A solução da época foram as bridges transparentes Ethernet, ou simplesmente pontes (bridges). Com a adição de pontes às LANs, houve as seguintes melhorias:

  • As pontes separaram dispositivos em grupos denominados domínios de colisão;
  • Com a divisão em domínios de colisão, diminuíram o numero de colisões ocorridas na rede, pois os frames de um domínio de colisão não colidem com frames de outro domínio de colisão;
  • Cada domínio de colisão recebeu sua própria banda separada, logo, cada domínio possuía 10 Mpbs cada, com um transmissor por vez, por domínio de colisão.

O bridge, predecessor do Switch de LAN Ethernet, encaminha frames entre duas interfaces e, diferente do hub, uma ponte vai carregar ou deixar em espera o frame, para que a interface de saída possa enviá-lo. Isso faz com que os frames em um CD (Collision domains/domínio de colisão) não colidam com os frames de outro CD.

Os switches de LAN possuem a mesma base que as pontes, realizando as mesmas funções principais, porém com maior velocidade e características melhoradas. Da mesma forma que os bridges, switches dividem a LAN em CDs separados, cada um com a própria capacidade e velocidade. Se a rede não possuir um hub, cada link individual é considerado seu próprio CD, mesmo se as colisões não forem possíveis, e nesse caso, os links podem rodar em full duplex, dobrando a capacidade de cada link.

Lógica de Switching

A função de um Switch de LAN é encaminhar frames Ethernet. A lógica utilizada para realizar tal função é baseada nos endereços MAC de fonte e destino em cada cabeçalho Ethernet.

Ao receber frames Ethernet, os Switches de LAN decidem entre encaminhar o frame para outra porta(s) ou ignorá-lo. Para realizar essa tarefa primária, as pontes transparentes realizam três ações:

  1. Decidem quando encaminhar ou filtrar um frame, baseado no endereço MAC de destino;
  2. Aprendem endereços MAC ao examinar o endereço de fonte de cada frame recebido pelo switch;
  3. Cria um ambiente (camada 2) livre de loop com outras pontes, através do STP (Spanning Tree Protocol).

1- A Decisão de Encaminhar ou Filtrar

O Switch utiliza um quadro construído de forma dinâmica que faz uma lista de endereços MAC e interfaces de saída, fazendo uma comparação desse quadro com o endereço de destino MAC. Assim, ele decide se deve encaminhar um frame ou ignorá-lo.

O funcionamento é basicamente assim: o frame vem de um certo dispositivo 01, com destino a um outro 03, caso existam 4 dispositivos ligados diretamente a esse Switch, o frame será encaminhado para 03.

Em LANs com múltiplos Switches, cada um faz uma decisão de encaminhamento, independente da decisão de outros Switches, baseado no seu próprio quadro de endereços MAC. Juntos, encaminham o frame para que ele chegue a seu destino.

2- Aprendizado de Endereços MAC

Os Switches constroem o quadro de endereços ao escutar os frames recebidos e averiguar o endereço MAC de origem no frame, ou seja, o endereço MAC que enviou o frame. Quando um frame de um endereço MAC que não está presente no quadro de endereços MAC é recebido pelo Switch, então ele adiciona uma entrada ao quadro e lista o endereço MAC no mesmo.

No quadro de endereços MAC está presente o cronômetro de inatividade, que é ajustado para 0 para novas entradas. A cada frame novo recebido, com o mesmo endereço MAC, o cronômetro é novamente ajustado para 0. Dessa forma, contando em ordem crescente, o switch pode saber quais entrada ficaram mais tempo sem receber um frame de certo dispositivo, logo o switch remove essa entrada quando elas se tornam obsoletas ou quando o mesmo fica sem memória para adicionar novas entradas.

3- Hiperfluxo de Frames

Quando não há entradas no quadro de endereços MAC, ao receber o primeiro frame, o Switch manda cópias desse frame para todas as interfaces, exceto a de entrada, usando o chamado hiperfluxo. Se o dispositivo desconhecido receber o frame e enviar uma resposta, o switch criará uma entrada com o endereço MAC de origem do frame de resposta.

4- Prevenção de loops com o Spanning Tree Protocol (SPT)

 A terceira função do Switch LAN é utilizar o SPT para prevenir loops. Sem o SPT, os frames em hiperfluxo criariam um loop por tempo indefinido nas redes Ethernet com links físicos redundantes. Para evitar isso, o SPT cria apenas um caminho ativo entre qualquer par de segmentos LAN, bloqueando algumas portas de encaminhar frames.

O ponto negativo do SPT é a dificuldade no balanceamento do tráfego através de links alternativos redundantes.

Construção de LAN

 Atualmente, ao se pensar em criar qualquer LAN Ethernet, se usa switches e roteadores LAN, mas também é importante saber sobre os dispositivos antigos, como hubs e bridges.

Os termos “Domínio de colisão” e “Domínio broadcast” definem dois importantes efeitos dos processos de segmentação de LAN usando diversos dispositivos.

Domínios de Colisão

O termo, originalmente, é referido a um conceito Ethernet para todas as portas em que, num mesmo domínio de colisão (CD), seus frames transmitidos causassem uma colisão com os frames enviados por outro dispositivo.

Atualmente, mesmo que redes modernas não permitam, geralmente, que uma colisão física ocorra, ainda se fala de domínio de colisão, descrevendo links como sendo em CDs separados.

Domínios broadcast

O domínio broadcast é um conjunto de dispositivos que recebe um broadcast Ethernet de um dispositivo qualquer da LAN Ethernet.

De todos os dispositivos, apenas os roteadores separam a LAN em diversos domínios broadcast. Os dispositivos de um domínio broadcast são os que recebem os frames broadcast Ethernet enviados pela Switch LAN em hiperfluxo.

Quando um broadcast é enviado por um dispositivo em um domínio broadcast, dispositivos de domínios broadcasts diferentes não o recebem.

Domínios de colisão e broadcast na construção de LANs

É importante ter em mente as trocas ao escolher os números de dispositivos em cada domínio de colisão e domínio de broadcast.  Para compreender o impacto de domínios de colisão, faz-se necessária uma comparação entre uma construção antiga usando hubs LAN com uma nova, utilizando a mesma velocidade para cada link, que usa Switch LAN.

A comparação chega a ser antiquada, pois utilizando hubs, que nem são mais escolhidos para tal papel, apenas um PC poderia enviar por vez e com uma capacidade única para a rede LAN inteira. Já com o switch LAN, cada link teria sua velocidade, podendo chegar ao dobro usando full duplex.

Agora, no caso dos broadcasts, utilizar apenas switches seriam um problema, pois esses dispositivos criam apenas um único domínio broadcast. Ao enviar um broadcast, o switch transmite cópias do frame para todos os dispositivos, caso a rede seja muito grande e dependendo do número de broadcasts, estes poderiam começar a impactar a performance dos PCs.

A resposta para esse problema é a utilização de roteadores para dividir a rede em diferentes domínios broadcast, o que aliviaria os servidores quando um switch precisasse mandar um broadcast para os outros dispositivos.

Escolher quando usar um hub ou um switch é relativamente fácil, já a escolha de como utilizar um roteador para dividir um domínio broadcast é mais complicado, o que deve ser feito com muita cautela e pesquisa prévia.

LANs Virtuais (VLAN)

Uma LAN é composta de todos os dispositivos que estão no mesmo domínio broadcast. Nesse caso, um switch considera todas as interfaces e os dispositivos conectados a esse link como conectados à mesma LAN.

No caso de uma VLAN, que é atualmente utilizada na maioria das redes empresariais, um switch agrupa interfaces em diferentes VLANs (domínio broadcast) com base na configuração, tendo cada interface em uma VLAN diferente. Sendo assim, o Switch cria diversos domínios broadcast colocando algumas interfaces numa VLAN e outras interfaces em VLANs distintas. Então, o switch separa em vários domínios broadcasts, baseados na configuração, o que normalmente seria um domínio broadcast só.

Leia Mais: Roteamento entre VLANs

Escolhendo a Tecnologia Ethernet para uma LAN em Campus

O termo LAN em campus é referido à uma LAN criada para dar suporte a prédios largos ou prédios múltiplos, que possuem proximidade relativa um do outro. Ao planejar e construir uma LAN em campus, é necessário considerar os tipos de Ethernet disponíveis e as larguras de cabeamento disponíveis por cada tipo, além de escolher as velocidades necessárias para cada segmento Ethernet.

Também se faz necessário ponderar a ideia de se utilizar switches para conectar diretamente para dispositivos de usuários (conhecidos também como Switches de Acesso) e switches que simplesmente conectem-se a um grande número desses switches de usuário (Switches de Distribuição). Por fim, é necessário considerar o tipo de equipamento que se instalará e se um aumento de velocidade em certos segmentos vale os custos de adquirir novos equipamentos.

Além dos dois tipos de switches citados acima, caso a rede seja consideravelmente maior, também pode-se utilizar um switch para conectar-se aos switches de distribuição, conhecidos como Switches Centrais (Core), para ampliar as taxas de encaminhamento.

Leia Mais: Evitando Futuros Problemas Aplicando O Modelo Hierárquico de Rede (Importante!)

Comprimento de Cabos

Ao construir esse tipo de rede, é necessário considerar o comprimento que cada cabo terá, para então achar o melhor tipo de cabeamento Ethernet que dê suporte para essa largura.

Os três tipos de Ethernet atualmente (10BASE-T,100BASE-T,1000BASE-T) possuem a mesma restrição de 100 metros, mas utilizam cabos distintos. Esses três tipos utilizam cabeamento UTP, e para cada um há uma qualidade mínima para funcionamento.

Para distâncias muito mais longas que os 100 metros oferecidos pela Ethernet em cabos UTP, existem os cabos de fibra ótica, feitos de ultrafinos fios de vidros, pelos quais os podem passar luz. Eles possuem interferência muito menor de fontes externas, se forem comparados aos cabos UTP, que são feitos de cobre.

Os switches podem alternar entre enviar luzes mais brilhantes ou escuras, para codificar os 0s e 1s no cabo, para a emissão de bits. Além dos cabos de fibra ótica, os switches podem utilizar lasers e diodos emissores de luz (LED) para gerar luz. Os lasers permitem e são recomendados para distâncias de cabos maiores, na casa dos milhares, mas seu preço é bem maior. Já os LEDs, bem mais baratos, também podem dar suporte a uma boa distância para uma LAN em campus. Sendo assim, o tipo de cabeamento ótico pode também impactar as distâncias máximas por cabo.

As fibras de multimodo permitem distâncias menores, mas é geralmente mais barato e funciona muito bem com LED, que também é uma opção barata.

Autonegociação

Para que os dados sejam enviados corretamente, os dispositivos Ethernet nas pontas dos links precisam usar o mesmo padrão. Caso troque um PC, que antes usava 100BASE-T, por um que use 1000BASE-T, será necessário que troque todos os switches para outros que utilizem 1000BASE-T.

Uma solução para tal problema é a autonegociação IEEE, que é um protocolo que permite a negociação entre dois nós Ethernet que usam UTP para escolher usar as mesmas configurações de velocidade e duplex.

A autonegociação é utilizada todos os dias por diversas redes, especialmente entre switches LAN de acesso e dispositivos de usuários. Geralmente, a empresa instala um cabeamento de quatro pares, para estar pronta pra usar Ethernet Gigabit, então a fiação funciona para as opções Ethernet de 10 Mpbs, 100 Mpbs e 1000 Mpbs.

Os nós em cada ponta dos links enviam mensagens de autonegociação para o outro. Nesse caso, o switch possui todas as portas 10/100/1000, enquanto as NICs (placas de interface de rede) nos PCs dão suporte a opções diferentes.

Resultados da Autonegociação quando apenas um nó a utiliza

A autonegociação pode ser desabilitada, então é muito importante saber o que ocorre quando apenas um nó tenta utilizá-la. Dentre vários problemas, os principais que podem acontecer são: o link pode não funcionar ou funcionar com má qualidade.

A autonegociação IEEE define algumas configurações que deveríamos utilizar quando ocorre a falha na autonegociação. São as seguintes:

  • Velocidade: usar a mais lenta possível (geralmente 10 Mpbs);
  • Duplex: se a velocidade for 10 ou 100, usar half duplex, caso contrário, usar full duplex.

Autonegociação e Hubs de Lan

Os hubs de LAN também possuem impacto no funcionamento da autonegociação. Basicamente, os hubs não reagem e nem encaminham mensagens de autonegociação. Sendo assim, os dispositivos que são conectados a hubs se veem obrigados a seguir as regras IEEE para se configurar, resultando na utilização de 10 Mpbs e half duplex pelos dispositivos.

Gabriel Costa Couto

Técnico em Eletrotécnica e estudante de Engenharia de Controle e Automação. Colaborador do Web Póvoa nas horas vagas e desenvolvedor na empresa TP WebMaster.