Como funcionam os switches LAN (rede de comunicação local)

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Como funcionam os switches LAN (rede de comunicação local)por Jeff Tyson - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Introdução

Se você já leu outros artigos sobre redes ou Internet, já conhece o funcionamento básico de umarede, que depende de:

nós (computadores)um meio de conexão (com ou sem fios)equipamento de rede especializado, como roteadores ou hubs.

Na Internet, todas estas peças trabalham conjuntamente para permitir que o seu computador envieinformações para outros computadores que podem estar do outro lado do mundo!

Os switches, também conhecidos como comutadores, são peças fundamentais de muitas redesporque agilizam as coisas. Os switches permitem que diferentes nós (um ponto de conexão da rede,geralmente um computador) de uma rede se comuniquem diretamente uns com os outros de maneirasimples e eficaz.

Imagem cedida Cisco Systems, Inc.

Ilustração de um switch Cisco Catalyst

Existem vários tipos diferentes de switches e redes. Os switches que fornecem uma conexãoindependente para cada nó em uma rede interna de uma empresa são chamados switches LAN. Umswitch LAN cria uma série de redes instantâneas que contêm apenas 2 dispositivos se comunicandoem um determinado momento. Neste artigo, vamos falar sobre as redes Ethernet que usam estesswitches LAN. Você vai aprender o que é um switch LAN e como funcionam o aprendizado automático,as VLANs (redes locais virtuais), o trunking e spanning tree.

Básico sobre as redes

Abaixo veremos os componentes básicos de uma rede.

Rede - grupo de computadores conectados que trocam informações entre si.

Nó - qualquer coisa que está conectada à rede. Geralmente, um nó é um computador, mastambém pode ser uma impressora ou uma torre de CD-ROM.

Segmento - qualquer porção da rede separada por um switch, ponte ou roteador.

Backbone - cabeamento principal de uma rede, sendo que todos os segmentos seconectam a ele. Geralmente, o backbone é capaz de carregar mais informações do que ossegmentos individuais. Por exemplo, cada segmento pode ter uma taxa de transferência de10 Mbps (megabits por segundo), enquanto o backbone opera a 100 Mbps.

Topologia - maneira como cada nó se conecta fisicamente à rede (mais informações napróxima seção).

Rede local (LAN) - rede de computadores que geralmente estão em um mesmo local, quepode ser um prédio ou um campus de universidade. Se os computadores estiverem muitodistante um do outro (em bairros ou cidades diferentes), uma rede de longa distância(WAN) é utilizada.

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Placa de interface de rede - cada computador (e a maioria dos outros dispositivos) seconecta à rede através de uma placa de rede. A maioria dos computadores de mesa utilizauma placa Ethernet (normalmente de 10 ou 100 Mbps) conectada a um slot da placa-mãe docomputador.

Endereço MAC (Media Access Control) - este é o endereço físico de qualquer dispositivo(como uma placa de rede em um computador) na rede. O endereço MAC, formado por 2partes iguais, tem 6 bytes de comprimento. Os primeiros 3 bytes identificam a empresa quefabricou a placa de rede. Os 3 bytes seguintes representam o número de série da placa derede.

Unicast - transmissão de um nó endereçado, especificamente, para outro nó.

Multicast - em multicast, um nó envia um pacote endereçado a um grupo especial deendereços. Os dispositivos interessados neste grupo podem se registrar para receber ospacotes endereçados ao grupo. Um exemplo pode ser um roteador Cisco (em inglês) queenvia uma atualização para todos os outros roteadores Cisco.

Broadcast - em uma transmissão broadcast, um nó envia um pacote endereçado a todos osoutros nós da rede.

Na próxima seção vamos discutir as topologias mais comuns das redes.

Topologias de rede

Veja abaixo algumas das topologias mais utilizadas.

Barramento - cada nó é ligado em "série" (um nó é conectado atrás do outro) em ummesmo backbone, de forma semelhante às luzinhas de natal. As informações enviadas porum nó trafegam pelo backbone até chegar ao nó de destino. Cada extremidade de uma redede barramento deve ser terminada por um resistor para evitar que o sinal enviado por umnó através da rede volte quando chegar ao fim do cabo.

Topologia da rede de barramento

Anel - como uma rede de barramento, os anéis também têm nós ligados em série. Adiferença é que a extremidade da rede volta para o primeiro nó e cria um circuito completo.Em uma rede em anel, cada nó tem sus vez para enviar e receber informações através deum token (ficha). O token, junto com quaisquer informações, é enviado do primeiro para osegundo nó, que extrai as informações endereçadas a ele e adiciona quaisquer informaçõesque deseja enviar. Depois, o segundo nó passa o token e as informações para o terceiro nóe assim por diante, até chegar novamente ao primeiro nó. Somente o nó com o token podeenviar informações. Todos os outros nós devem esperar o token chegar.

Topologia de rede em anel

Estrela - em uma rede em estrela, cada nó se conecta a um dispositivo central chamadohub. O hub obtém um sinal que vem de qualquer nó e o passa adiante para todos os outrosnós da rede. Um hub não faz nenhum tipo de roteamento ou filtragem de dados. Elesimplesmente une os diferentes nós.



Topologia de rede em estrela

Barramento em estrela - provavelmente a topologia de rede mais utilizada hoje. A rede debarramento em estrela combina elementos da topologia em barramento e da topologia emestrela para criar um ambiente de rede versátil. Os nós em determinadas áreas se conectamaos hubs (criando estrelas) e os hubs se conectam uns aos outros ao longo do backbone darede (como uma rede de barramento). É comum observar redes em estrela dentro de outrasredes em estrela, como no exemplo abaixo:

Topologia de rede em estrela

O problema: tráfego

No tipo mais básico de rede encontrada hoje, os nós são conectados simplesmente através de hubs. Àmedida que a rede cresce, surgem alguns problemas com esta configuração.

Escalabilidade - em uma rede em hub, a largura de banda compartilhada limitada dificultaseu crescimento significativo sem sacrificar o desempenho. Os aplicativos modernos tambémprecisam de mais banda do que nunca. Neste caso, a rede inteira precisa ser redesenhada,periodicamente, para acomodar o crescimento.

Latência - é a quantidade de tempo que um pacote leva para chegar ao destino. Já quecada nó de uma rede baseada em hub precisa esperar uma oportunidade para transmitir eevitar colisões, a latência aumenta significativamente quando você adiciona mais nós. Sealguém estiver enviando um arquivo grande pela rede, todos os outros nós terão de esperaruma oportunidade para enviar seus próprios pacotes. Você já deve ter vivenciado isso notrabalho. Você tenta acessar um servidor ou a Internet e, de repente, tudo fica muito lento.

Falha de rede - em uma rede típica, um dispositivo conectado a um hub pode causarproblemas em outros dispositivos conectados a este mesmo hub devido a configuraçõesincorretas de velocidade (por exemplo, 100 Mbps em um hub de 10 Mbps) ou excesso detransmissões broadcast. Os switches podem ser configurados para limitar os níveis debroadcast.

Colisões - a Ethernet utiliza um processo chamado CSMA/CD (Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection - Múltiplo Acesso com Verificação de Presença de Portadorae Detecção de Colisão) para se comunicar através da rede. Sob o CSMA/CD, um nó só enviaum pacote de dados quando não existe tráfego na rede. Se 2 nós enviarem pacotes aomesmo tempo, uma colisão ocorre e os pacotes são perdidos. Quando isto acontece, os 2nós esperam por um tempo aleatório e depois retransmitem os pacotes. Um domínio decolisão é uma parte da rede onde os pacotes de 2 ou mais nós podem colidir. Uma redecom mais nós em um mesmo segmento sempre vai ter uma grande quantidade de colisões e,portanto, um domínio de colisão maior.

Os hubs são uma maneira fácil de encurtar as distâncias percorridas pelos pacotes de um nó para ooutro. Mas, não quebram a rede em segmentos menores. Esta é a função dos switches. Na próximaseção, você vai descobrir como os switches direcionam o tráfego da rede.



A solução: adicionando switches

Pense em um hub como um cruzamento em que todos têm de parar. Se mais de um carro chegar aocruzamento ao mesmo tempo, ele vai ter de esperar a sua vez para poder seguir adiante.

Imagine que cada veículo é um pacote de dados que espera

uma oportunidade para continuar sua viagem

Imagine agora como deveria ser uma dezena ou até centenas de estradas cruzando em um únicoponto. O tempo de espera e as possibilidades de colisão aumentariam significativamente. Mas nãoseria fantástico se você pudesse escolher uma rampa de saída de cada uma dessas estradas para ocaminho que você deseja seguir? É exatamente isso que um switch faz para o tráfego da rede. Umswitch funciona como um trevo. Cada carro pode pegar uma rampa de saída para chegar ao seudestino sem ter de esperar pelo trânsito.

A principal diferença entre um hub e um switch é que todos os nós conectados a um hub dividem abanda, enquanto um dispositivo conectado a um switch tem toda a disponibilidade da banda para si.Por exemplo, se 10 nós estão se comunicando através de um hub numa rede de 10 Mbps, cada nópode usar somente uma porção desse 10 Mbps se os outros nós estiverem se comunicando também.Mas se fosse utilizado um switch, cada nó poderia se comunicar utilizando a velocidade máxima de 10Mbps. Compare com a analogia da estrada. Se todo o tráfego vai para o mesmo cruzamento, entãocada carro vai ter de dividir aquele mesmo cruzamento com todos os outros carros. Mas um trevopermite que todo o tráfego escoe facilmente de uma estrada para a outra.

Redes totalmente comutadas

Em uma rede totalmente comutada, os switches substituem todos os hubs numa rede ethernet porum segmento dedicado para cada nó. Estes segmentos se conectam a um switch que suportamúltiplos segmentos dedicados (às vezes, centenas destes segmentos). Como os únicos dispositivosem cada segmento são o switch e o nó, o switch intercepta todas as transmissões antes que elascheguem ao próximo nó. O switch então encaminha o frame para o segmento apropriado. Como cadasegmento contém um único nó, o frame só chega ao destinatário desejado. Este procedimento permitemúltiplas conversações numa rede comutada.

Imagem cedida Cisco Networks

Um exemplo de rede que utiliza um switch

Ao utilizar switches, uma rede ethernet se torna full-duplex. Antes do switch, a ethernet era half-duplex. Isso significa que os dados só podiam ser transmitidos em uma direção de cada vez. Numarede totalmente comutada, os nós só se comunicam com o switch e não diretamente com outros nós.As informações podem viajar de um nó para um switch e de um switch para um nó simultaneamente.

As redes comutadas utilizam cabeamento de par trançado ou de fibra ótica. Ambos utilizam condutoresindependentes para enviar e receber dados. Neste tipo de ambiente, os nós ethernet podem esquecero processo de detecção de colisão e transmitir à vontade, já que são os únicos dispositivos quepodem acessar o meio. Em outras palavras, o fluxo de tráfego tem uma pista para cada direção. Istopermite que os nós transmitam para o switch enquanto o switch transmite para eles. É um ambientelivre de colisões. A transmissão em ambas as direções pode dobrar a velocidade aparente da redequando 2 nós estão trocando informações. Se a velocidade da rede for de 10 Mbps, então cada nópode transmitir, simultaneamente, a 10 Mbps.

Redes mistas

A maioria das redes não é 100% comutada devido aos custos de substituição dos hubs pelos switches.



Uma rede mista com 2 switches e 3 hubs

Geralmente, uma combinação de switches e hubs é utilizada para criar uma rede eficiente e barata.Por exemplo, uma empresa pode ter hubs conectando os computadores em cada departamento e umswitch conectando os hubs de cada departamento.

Roteadores e switches

Como você pode ver, um switch pode mudar radicalmente a maneira como os nós se comunicam unscom os outros. Mas qual a diferença do switch para o roteador? Os switches geralmente utilizam aCamada 2 (camada de enlace de dados) do modelo de referência OSI, utilizando endereços MAC,enquanto os roteadores trabalham na Camada 3 (Rede) com endereços da camada 3 - IP, IPX ouAppletalk, dependendo do protocolo da camada 3 (em inglês) utilizado. O algoritmo que os switchesusam para decidir como encaminhar os pacotes é diferente dos algoritmos utilizados pelos roteadores.

Uma das diferenças destes algoritmos é a maneira como os endereços broadcast são tratados. Umpacote broadcast é vital para a operacionalidade de qualquer rede. Quando um dispositivo precisaenviar informações, mas não sabe para quem deve enviá-las, ele envia um broadcast. Por exemplo,toda vez que um novo computador ou outro dispositivo chega à rede, ele envia um pacote broadcastpara anunciar sua presença. Os outros nós (como o servidor de nomes de domínio) podem adicionaro computador à sua lista de endereços e se comunicar diretamente com esse computador a partirdeste momento. Os broadcasts são utilizados sempre que um dispositivo precisa fazer um comunicadopara o resto da rede ou quando não tem certeza do destinatário das informações.

O modelo de referência OSI consiste em 7 camadas que vão

do cabo (camada física) até o software (camada da aplicação)

Um hub ou switch, ao contrário de um roteador, deixa passar qualquer pacote broadcast que recebepara todos os outros segmentos do domínio broadcast. Pense novamente no exemplo do cruzamento.Todo o tráfego passa pelo cruzamento, não importa o destino. Agora imagine que este cruzamentoestá situado em uma fronteira. Para passar pelo cruzamento, você deve informar ao fiscal o endereçoespecífico para onde está indo. Se você não souber o endereço específico, o fiscal não vai deixarvocê passar. Um roteador funciona desta maneira. Sem um endereço específico de outro dispositivo,ele não permite que o pacote de dados passe. Isso é bom para separar redes, mas não tão práticoquando você quer que partes diferentes da mesma rede conversem. É aí que entram os switches.

Comutação de pacotes

Os switches LAN funcionam através da comutação de pacotes. O switch estabelece uma conexãoentre dois segmentos por um tempo suficiente para enviar o pacote atual. Os pacotes recebidos (quesão parte de um frame ethernet) são armazenados em uma memória temporária (buffer). O endereçoMAC contido no cabeçalho do frame é lido e comparado com a lista de endereços mantida pelo switch.Em uma LAN Ethernet, um frame Ethernet contém um pacote normal que são os dados do frame e um



cabeçalho especial que contém a informação do endereço MAC do remetente e do destinatário dopacote.

Switches de comutação de pacotes utilizam 1 dos 3 métodos a seguir para rotear o tráfego:

corte de caminho (cut-through)armazena e passa adiante (store-and-foward)livre de fragmentos

(fragment-free)

Os switches cut-through lêem o endereço MAC assim que o pacote é detectado pelo switch. Apósarmazenar os 6 bytes que contêm as informações sobre o endereço, eles imediatamente começam amandar o pacote para o nó de destino, mesmo se o restante do pacote ainda estiver chegando aoswitch.

Um switch que utiliza o método store-and-forward salva o pacote completo em um buffer e verifica seexistem erros CRC ou outros problemas antes de transmiti-lo. Se o pacote contiver um erro, ele édescartado. Se não existir erro, o switch verifica o endereço MAC e envia o pacote para o nó dedestino. Muitos switches combinam os dois métodos. O método cut-through é utilizado até alcançar umcerto nível de erro e depois o switch muda para store-and-forward. Poucos switches utilizam somentecut-through, já que este método não corrige erros.

Um método menos comum é o fragment-free . Ele funciona como um cut-through, mas armazena osprimeiros 64 bytes do pacote antes de enviá-lo. O motivo é que a maioria dos erros e todas ascolisões acontecem nos 64 bytes iniciais de um pacote.

Configurações de switches

Os switches LAN variam quanto ao seu projeto. Atualmente, existem três configurações populares.

Memória compartilhada - este tipo de switch armazena todos os pacotes recebidos emum buffer comum, compartilhado por todas as portas de switch (conexão de entrada/saída),e depois envia os pacotes pela porta correta para o nó de destino.Matrix - este tipo de switch tem uma grade interna com as portas de entrada e saída que secruzam entre si. Quando o pacote é detectado numa porta de entrada, o endereço MAC écomparado com a lista de endereços para localizar a porta de saída apropriada. O switchentão faz uma conexão na grade onde estas duas portas se encontram.Arquitetura de barramento - em vez de uma grade, um caminho interno de transmissão(barramento comum) é compartilhado por todas as portas utilizando o TDMA. Um switch comessa configuração tem um buffer dedicado para cada porta, assim como um ASIC paracontrolar o acesso ao barramento interno.

Pontes transparentes

Aprendizagem automática

A maioria dos switches LAN Ethernet utiliza um sistema muito interessante, chamado aprendizagemautomática para criar as suas listas de endereços. Essa é uma tecnologia que permite que o switchaprenda tudo sobre a localização dos nós de uma rede sem que o administrador da rede tenha defazer qualquer coisa. A aprendizagem automática está dividida em cinco partes:

aprendizadofloodingfiltragemencaminhamentoenvelhecimento

Veja como funciona:

Clique nos termos do menu

para aprender mais sobre as pontes transparentes

Na próxima seção, você vai ler uma descrição passo-a-passo que explica o funcionamento das pontestransparentes.



Pontes transparentes: o processo

Aqui está uma descrição passo-a-passo das pontes transparentes.

Clique nos termos do menu para aprender mais sobre as pontes transparentes

O switch é adicionado à rede e vários segmentos são ligados às portas do switch.

Um computador (nó A) no primeiro segmento (segmento A) envia dados para um computador(nó B) em outro segmento (segmento C).

O switch pega o primeiro pacote de dados do nó A, seu endereço MAC e o salva na lista deendereços do segmento A. O switch agora sabe onde achar o nó A toda vez que um pacotede dados for endereçado para ele. Este processo é chamado de aprendizado (learning).

Já que o switch não sabe onde está o nó B, ele envia o pacote para todos os segmentos,com exceção do segmento A. O processo de enviar um pacote para todos os segmentospara encontrar um nó específico é conhecido como flooding.

O nó B pega o pacote e envia-o novamente para o nó A para avisá-lo que o pacote foirecebido.

O pacote do nó B chega ao switch. Agora o switch pode adicionar o endereço MAC do nó B àlista de endereços do segmento C. Como o switch já sabe o endereço do nó A, ele envia opacote diretamente para ele. O nó A está num segmento diferente do nó B, por isso o switchdeve conectar os dois segmentos para enviar o pacote. Isto é conhecido comoencaminhamento (forwarding).

Um novo pacote do nó A para o nó B chega ao switch. O switch agora sabe onde está o nóB, então direciona o pacote diretamente para o nó B.

O nó C envia informação para que o switch localize o nó A. O switch consulta o endereçoMAC do nó C e o adiciona à lista de endereços do segmento A. O switch já sabe o endereçodo nó A e entende que os 2 nós estão no mesmo segmento. Então, ele não precisa conectaro segmento A a outro segmento para que os dados viajem do nó C para o nó A. Portanto, oswitch vai ignorar os pacotes que viajam entres nós de um mesmo segmento. Isto é afiltragem (filtering).

Os processos de aprendizado e flooding continuam até que todos os nós estejamarmazenados nas listas de endereços. A maioria dos switches tem muita memória disponívelpara administrar estas listas de endereços. Entretanto, para otimizar o uso da memória, elesremovem informações antigas para que o switch não perca tempo com endereços obsoletos.Para fazer isso, eles utilizam uma técnica chamada envelhecimento. Quando uma novainformação é adicionada à lista de endereços, o switch atribui uma data e hora ao endereço.Toda vez que um pacote é enviado para um nó, a data e a hora são atualizadas. O switchtem um timer configurável que apaga o endereço depois de um certo tempo de inatividadedaquele nó, que libera a memória para a inclusão de outros endereços. Como você podever, uma ponte transparente é uma maneira fácil e prática de adicionar e gerenciar todas asinformações que um switch precisa para realizar o seu trabalho.

No nosso exemplo, 2 nós estavam no segmento A, enquanto o switch criava segmentos independentespara os nós B e D. Em uma rede comutada ideal, cada nó deve ter o seu próprio segmento. Istoeliminaria a possibilidade de colisões e também a necessidade da filtragem.



Redundância

Quando falamos anteriormente sobre as redes de barramento e as redes em anel, uma questãolevantada foi a possibilidade de um ponto único de falha. Numa rede em estrela, o ponto de erro maiscomum é o switch ou hub. Veja este exemplo:

Neste exemplo, se o switch A ou C falhar, os nós conectados a este switch são afetados, mas os nósnos outros dois switches ainda podem se comunicar. Entretanto, se o switch B falha, toda a rede cai.Mas e se adicionarmos outro segmento à rede que conecte os switches A e C?

Neste caso, mesmo que um dos switches falhe, a rede continuará funcionando. Isto geraredundância, o que efetivamente elimina o ponto único de falha.

Mas agora temos um novo problema.

Congestionamento broadcast

Na última seção, você descobriu como os switches aprendem a localizar os nós. Com todos osswitches conectados em loop, um pacote vindo de um nó poderia passar por um switch através de 2segmentos diferentes. Por exemplo, imagine que o nó B está conectado ao switch A e precisa secomunicar com o nó A no segmento B. O switch A não sabe onde o nó A está, então ele faz umatransmissão broadcast do pacote.



O pacote viaja pelo segmento A ou C para outros dois switches (B e C). O switch B vai adicionar o nóB à lista de endereços do segmento A, enquanto o switch C vai adicioná-lo à lista de endereços dosegmento C. Se nenhum switch aprendeu o endereço do nó A, eles vão fazer uma varredura nosegmento B procurando pelo nó A. Cada switch vai pegar o pacote enviado pelo outro switch e enviá-lo de volta imediatamente, já que eles não sabem onde está o nó A. O switch A vai receber o pacotede cada segmento e enviá-lo de volta para outro segmento. Isto gera um congestionamentobroadcast. Os pacotes broadcast são recebidos e retransmitidos por cada switch, o que causa umcongestionamento severo na rede.

Isto nos leva às spanning trees.

Spanning trees (árvores de abrangência)

Para prevenir os congestionamentos broadcast e outros efeitos colaterais indesejados das ligaçõesem loop, a empresa Digital Equipment Corporation criou o protocolo spanning tree (STP), que foipadronizado como a especificação 802.1d pelo IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers -Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (em inglês). Um protocolo spanning tree utiliza umalgoritmo spanning tree (STA), que percebe que o switch tem mais de uma maneira de secomunicar com um nó. Este protocolo determina o melhor caminho e bloqueia os outros. Outravantagem é que ele memoriza os outros caminhos, caso o caminho principal esteja indisponível.

Veja abaixo de que maneira funciona o STP.

Cada switch administra um grupo de IDs, um para o próprio switch e um para cada porta doswitch. O identificador do switch, chamado de ID de ponte (BID), tem 8 bytes que contêm aprioridade da ponte (2 bytes) junto com um dos endereços MAC do switch (6 bytes). Cada IDde porta tem 16 bits formados por duas partes: uma configuração de prioridade de 6 bits eum número de porta de 10 bits.

Um valor de custo de caminho é atribuído a cada porta. O custo é baseado num guiaestabelecido pelo padrão 802.1d. De acordo com a especificação original, o custo é de 1 milMbps (1 gigabit por segundo) dividido pela largura de banda do segmento conectado àporta. Portanto, uma conexão de 10 Mbps teria um custo de (1.000/10) 100.

Para compensar as velocidades de redes que ultrapassam a velocidade de um gigabit, ocusto padrão foi levemente modificado. Os novos valores são:

Largura de banda Custo do STP

4 Mbps 250

10 Mbps 100

16 Mbps 62

45 Mbps 39

100 Mbps 19

155 Mbps 14

622 Mbps 6

1 Gbps 4

10 Gbps 2

Também é possível que o administrador da rede atribua um valor arbitrário ao custo decaminho, em vez de usar um dos valores padrão.

cada switch inicia um processo de exploração para descobrir qual caminho de rede ele deveusar para cada segmento. Essa informação é compartilhada com todos os switches atravésde uma rede especial de frames conhecida como BPDU (bridge protocol data units -unidades de dados de protocolo de ponte).

BID raiz. Este é o BID da ponte raiz atual.Custo de caminho para a ponte raiz. Determina o quão longe está a ponte raiz.Por exemplo, se os dados trafegam por três segmentos de 100 Mbps para chegar àponte raiz, o custo é de (19 + 19 + 0) 38. O segmento conectado à ponte raiznormalmente tem um custo de caminho igual a zero.BID remetente . Este é o BID que o switch envia para o BPDU.ID de porta. Esta é a porta real no switch da qual as informações BPDU foramenviadas.

Todos os switches estão constantemente enviando BPDUs uns para os outros, tentandodeterminar o melhor caminho entre os vários segmentos. Quando um switch recebe umBPDU (de outro switch) que é melhor do que ele está transmitindo na direção oposta, oswitch pára de enviar BPDU para este segmento. Em vez disso, ele armazenará o BPDU dooutro switch como referência e para fazer a difusão para segmentos inferiores, comoaqueles que estão mais distantes da ponte raiz.

uma ponte raiz é escolhida com base nos resultados dos processos BPDU entre osswitches. Inicialmente, cada switch se considera uma ponte raiz. Quando um switch éconectado à rede, ele envia um BPDU com o seu próprio BID com BID raiz. Quando os outrosswitches recebem o BPDU, eles comparam este BID com os outros BIDs armazenados comoBID raiz. Se o novo BID raiz tiver um valor mais baixo, eles substituem o BID armazenado.Mas se o BID raiz armazenado for menor, um BPDU é enviado para o novo switch com o novovalor. Quando o novo switch recebe o BPDU, ele descobre que não é a ponte raiz e substituio BID raiz na lista de endereços pelo BID raiz que acabou de receber. O resultado é que oswitch que tem o menor BID é eleito pelos outros switches como ponte raiz;

de acordo com a localização da ponte raiz, os outros switches determinam as portas com omenor custo para a ponte raiz. Estas portas são chamadas portas raízes e cada switch(exceto a ponte raiz atual) deve ter uma;

os switches determinam quem terá as portas designadas. Uma porta designada é a



conexão utilizada para enviar e receber pacotes em um segmento específico. Se existirsomente uma porta designada para cada segmento, todos os problemas da ligação em loopestarão resolvidos;

As portas designadas são selecionadas de acordo com o custo mais baixo para a ponte raizem cada segmento. Como a ponte raiz tem custo "0", quaisquer de suas portas queestiverem conectadas a segmentos serão portas designadas. Para outros switches, o custo écomparado com o segmento em questão. Se uma porta tiver um custo menor, ela se tornauma porta designada para aquele segmento. Se duas ou mais portas tiverem o mesmo custo,o switch com o menor BID é escolhido.

uma vez que uma porta designada para o segmento é escolhida, todas as outras portas quese conectam àquele segmento se tornam portas não-designadas. Elas bloqueiam o tráfegonaquele caminho e só acessam o segmento através da porta designada.

Cada switch tem uma tabela de BPDUs atualizada constantemente. A rede é configurada como umaúnica spanning tree. A ponte raiz se torna o tronco da árvore e os outros switches se tornam osgalhos. Cada switch se comunica com a ponte raiz através das portas raízes e com cada segmentoatravés das portas designadas. Assim, a rede fica livre de ligações em loop. Se a ponte raiz começar afalhar ou se a rede apresentar problema, o STP permite que outros switches reconfigurem a rede edesignem outro switch como ponte raiz. Este processo incrível dá a uma empresa a possibilidade deter uma rede complexa e tolerante a falhas, mas ainda assim, fácil de gerenciar.

Roteadores e comutação da camada 3

Enquanto a maioria dos switches opera na camada de enlace de dados (camada 2) do Modelo dereferência OSI, alguns incorporam funções de um roteador e também operam na camada de rede(camada 3). Na verdade, um switch de camada 3 é muito parecido com um roteador.

Os switches da camada 3 operam na camada de rede

Quando um roteador recebe um pacote, ele observa os endereços da fonte e do destino da camada 3para determinar o caminho que o pacote deve tomar. Um switch padrão utiliza os endereços MAC paradeterminar a fonte e o destino do pacote. Este procedimento é feito na camada 2 (enlace de dados)da rede.

A principal diferença entre um roteador e um switch de camada 3 é que os switches têm hardwareotimizado para transmitir dados tão rapidamente quanto os switches de camada 2. Entretanto, elesainda decidem como transmitir o tráfego na camada 3, exatamente como um roteador faria. Dentro deum ambiente LAN, um switch de camada 3 é geralmente mais rápido do que um roteador porque éconstruído para ser um hardware de comutação. Muitos switches de camada 3 da Cisco são, naverdade, roteadores que operam mais rapidamente porque são construídos com pastilhaspersonalizadas de comutação.

O reconhecimento de padrões (pattern matching) e a memória cache em switches de camada 3funcionam de maneira semelhante a um roteador. Ambos utilizam um protocolo e uma tabela deroteamento para determinar o melhor caminho. Entretanto, um switch de camada 3 tem a capacidadede reprogramar dinamicamente um hardware com as informações atuais de roteamento da camada3. Por isso o processamento dos pacotes é mais rápido.

Nos switches de camada 3 atuais, as informações recebidas pelos protocolos de roteamento sãoutilizadas para atualizar a memória cache das tabelas do hardware.

VLANs

Com o crescimento e aumento da complexidade das redes, muitas empresas adotaram as VLANs(redes locais virtuais) para tentar estruturar esse crescimento de maneira lógica. Uma VLAN é,basicamente, uma coleção de nós que são agrupados em um único domínio broadcast, baseado emoutra coisa que não a localização física.

Já falamos sobre os broadcasts e sobre como um roteador não deixa o broadcast passar. Um domíniobroadcast é uma rede (ou uma parte de uma rede) que vai receber um pacote broadcast de qualquernó localizado dentro daquela rede. Numa rede comum, tudo que estiver de um mesmo lado do



roteador faz parte do mesmo domínio broadcast. Um switch com uma VLAN implementada temmúltiplos domínios broadcast e funciona de maneira semelhante a um roteador. Mas você aindaprecisa de um roteador (ou um mecanismo de roteamento de camada 3) para rotear uma VLAN para aoutra. O switch não consegue fazer isto sozinho.

Abaixo veremos algumas das razões para uma empresa criar as VLANs.

Segurança. Separar os sistemas que contêm dados sigilosos do resto da rede reduz apossibilidade de acesso não autorizado.Projetos/aplicativos especiais. As tarefas de gerenciar um projeto ou trabalhar com umaplicativo podem ser simplificadas pelo uso de uma VLAN que congrega todos os nósnecessários.Desempenho/Largura de banda. Um monitoramento cuidadoso da utilização da redepermite que o administrador crie VLANs que reduzam o número de saltos entre os roteadorese aumentem a largura de banda aparente para os usuário da rede.Broadcasts/Fluxo de tráfego. A característica principal de uma VLAN é que ela nãopermite que o tráfego broadcast chegue aos nós que não fazem parte da VLAN. Isso ajuda areduzir o tráfego de broadcasts. As listas de acesso permitem que o administrador da redecontrole quem vê o tráfego da rede. Uma lista de acesso é uma tabela criada peloadministrador nomeando os endereços que têm acesso àquela rede.Departamentos/Tipos específicos de cargos. As empresas podem configurar VLANspara os departamentos que utilizam muito a Internet (como os departamentos de multimídia eengenharia) ou VLANs que conectam categorias específicas de empregados dedepartamentos diferentes (gerentes ou pessoal de vendas).

Na maioria dos switches, você pode criar uma VLAN, simplesmentepor uma conexão através daTelnet (em inglês). Depois, basta configurar os parâmetros da VLAN (nome, domínio e configuraçãodas portas). Depois que você criar a VLAN, qualquer segmento de rede conectado às portasdesignadas vai se tornar parte desta VLAN.

Você pode criar mais de uma VLAN em um switch, mas estas redes não podem se comunicardiretamente por ele. Se elas pudessem, não faria sentido ter uma VLAN. Afinal, o objetivo da VLAN éisolar uma parte da rede. A comunicação entre as VLANs requer o uso de um roteador.

As VLANs podem se expandir por múltiplos switches e você pode configurar mais de uma VLAN emcada switch. Para que múltiplas VLANs em múltiplos switches possam se comunicar através de um linkentre os switches, você deve usar um processo chamado trunking. Trunking é a tecnologia quepermite que as informações de múltiplas VLANs trafeguem em um único link.

Na próxima seção, você aprenderá mais sobre trunking.

VTP (VLAN Trunking Protocol)

O VLAN trunking protocol (VTP) é um protocolo que os switches usam para se comunicar uns comos outros e trocar informações sobre as configurações da VLAN.

Na imagem acima, cada switch tem 2 VLANs. No primeiro switch, a VLAN A e a VLAN B são enviadasatravés de uma única porta (trunked) para o roteador e através de outra porta para o segundo switch.A VLAN C e a VLAN D utilizam trunking do segundo para o primeiro switch e do primeiro switch para oroteador. Este processo de trunking pode carregar tráfego de todas as quatro VLANs. O link detrunking do primeiro switch para o roteador também pode carregar dados das quatro VLANs. Naverdade, esta conexão do roteador permite que este mesmo roteador apareça em todas as quatroVLANs, como se existissem quatro portas físicas diferentes conectadas ao switch.

As VLANs podem se comunicar entre si por meio da conexão trunking entre os dois switches utilizandoo roteador. Por exemplo, dados do computador na VLAN A que precisam chegar a um computador naVLAN B (ou VLAN C ou VLAN D) devem trafegar do switch para o roteador e novamente para o switch.Devidoao aprendizado automático e ao trunking, os PCs e o roteador acham que eles estão no mesmosegmento físico.

Como você pode ver, os switches LAN representam uma tecnologia maravilhosa que pode fazerdiferença na velocidade e qualidade de uma rede.

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Como funcionam os switches LAN (rede de comunicação local)

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