Ethernet Switching

CCNA 1
Conceitos Básicos de Redes
Módulo 8
Ethernet Switching
Comutação Ethernet
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Segmentação de Redes
Numa Ethernet o meio de transmissão é compartilhado
Só um nó pode transmitir de cada vez.
O aumento do número de nós aumenta a procura
sobre a largura de banda disponível.
Aumenta a probabilidade de ocorrência de
colisões.
Solução:
Dividir a rede em domínios de colisão separados com
o recurso a Bridges.
Uma bridge mantém uma tabela de endereços
MAC e as portas a eles associadas.
A bridge encaminha ou descarta as tramas com
base nas entradas da tabela.
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Funcionamento de uma Bridge
Quando a bridge é inicializada, a sua tabela de endereços MAC
encontra-se vazia.
A bridge fica à espera de tráfego nas suas portas.
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Funcionamento de uma Bridge
O host A efectua um ping ao host B.
Como a bridge, o host A e o host B se encontram no mesmo domínio de
colisão, todos recebem a trama.
A bridge fica a saber que o host A se encontra no segmento da rede
ligado à porta 1.
Obtém essa informação através do endereço MAC de origem que se
encontra na trama recebida.
A informação é colocada na tabela de endereços MAC.
O endereço MAC de destino da trama é comparado com os que se
encontram na tabela.
Se o endereço se encontra na tabela, a trama é enviada para o
segmento respectivo a partir do número da porta indicado na tabela.
Em caso contrário, a trama é transmitida para todas as portas da
bridge com excepção por aquela por onde foi recebida a trama.
No nosso exemplo, como a tabela se encontra vazia, a trama é enviada
para o segmento ligado à porta 2.
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Funcionamento de uma Bridge
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Funcionamento de uma Bridge
O host B processa o ping e envia uma resposta para o host A.
A trama é transmitida através de todo o domínio de colisão.
Tanto o host A como a bridge recebem a trama e a
processam.
A bridge acrescenta o endereço MAC de origem da trama à sua
tabela de endereços MAC.
Como o endereço de origem não se encontra na tabela da bridge
e como foi recebido na porta 1, o endereço de origem da trama é
associado à porta 1 na tabela.
O endereço de destino da trama é comparado com a tabela de
endereços MAC da bridge.
Como o endereço está na tabela, a designação da porta é
verificada.
O endereço MAC do host A está associado à porta pela qual a
trama entrou, de modo que a trama não é encaminhada.
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Funcionamento de uma Bridge
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Funcionamento de uma Bridge
O host A agora vai fazer ping ao Host C.
Como se encontram no mesmo domínio de colisão, tanto a
bridge como o Host B recebem a trama.
O host B descarta a trama por não ser o seu destinatário.
A bridge acrescenta o endereço MAC de origem da trama à sua tabela
de endereços MAC.
Como o endereço MAC do host A já se encontrava na tabela, a
entrada é apenas renovada.
O endereço MAC de destino da trama é comparado com a tabela de
endereços MAC da bridge.
Como o endereço não consta da tabela, a trama é encaminhada para
o outro segmento.
O endereço do Host C ainda não foi registado porque somente o
endereço de origem de uma trama é registado
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Funcionamento de uma Bridge
O host C processa o ping e envia uma resposta para o host A.
A trama é transmitida através de todo o domínio de colisão.
Tanto o host D como a bridge recebem a trama e a
processam.
A bridge acrescenta o endereço MAC de origem da
trama à sua tabela de endereços MAC.
Como o endereço de origem não se encontra na tabela da
bridge e como foi recebido na porta 2, o endereço de
origem da trama é associado à porta 2 na tabela.
O endereço MAC de destino da trama é comparado com a
tabela de endereços MAC da bridge.
O endereço consta da tabela mas está associado à porta 1.
A trama é encaminhada para o segmento ligado à porta 1.
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Funcionamento de uma Bridge
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Funcionamento de uma Bridge
Quando o host D transmite tramas, o seu endereço MAC
também é registado na tabela de endereços MAC da bridge.
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Comutação na camada 2
Normalmente uma bridge tem duas portas.
Divide o domínio de colisão em dois domínios de colisão de
menor dimensão.
Todas as decisões são baseados no endereço da camada 2 (endereço
MAC).
Não afectam o endereçamento lógico ou da camada 3.
Uma bridge não tem qualquer efeito no domínio lógico (camada 3) ou
de broadcast.
Não importa quantas bridges existam em uma rede, a não ser que haja
um dispositivo como um router que funcione com o endereçamento da
Camada 3, a rede inteira compartilhará o mesmo espaço de endereço
lógico de broadcast.
Uma bridge cria mais domínios de colisão mas não adiciona domínios
de broadcast.
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Comutação na camada 2
Um switch é uma bridge rápida que pode conter dezenas de portas.
Em vez de criar dois domínios de colisão, cada porta cria seu próprio
domínio de colisão.
Um switch constrói e mantém dinamicamente uma tabela CAM
(Content-Addressable Memory), mantendo todas as informações MAC
necessárias para cada porta.
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Funcionamento de um Switch
Um switch é simplesmente uma bridge com muitas portas.
Quando apenas um nó está ligado a uma porta do switch, o domínio de
colisão nos meios compartilhados contém apenas dois nós.
Os dois nós neste pequeno segmento, ou domínio de colisão,
consistem na porta do switch e o host conectado a ela.
Estes pequenos segmentos físicos são conhecidos como
microssegmentos.
Com a utilização de cabos de pares entrançados é possível a
transmissão simultânea nos dois sentidos (comunicação full-duplex).
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Latência
A latência é o atraso introduzido pela rede.
1. Atrasos no meio físico causados pela velocidade finita com
que os sinais se propagam através do meio de transmissão.
2. Atrasos nos circuito causados pelos circuitos electrónicos que
processam o sinal ao longo do caminho.
3. Atrasos de software causados pelas decisões que o software
necessita de tomar para implementar a comutação e os
protocolos.
4. Atrasos causados pelo conteúdo da trama e onde são feitas as
decisões de comutação. Por exemplo, um dispositivo não pode
encaminhar uma trama para um destino até que o endereço
MAC de destino tenha sido conhecido.
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Modos de funcionamento de um Switch
Cut-throught
Um switch pode começar a transferir a trama assim que o
endereço MAC de destino for recebido.
A comutação feita neste ponto é conhecida como comutação cutthrough e resulta na latência mais baixa através do switch.
Não oferece nenhuma verificação de erros.
Tanto a porta de origem como a de destino precisam operar à
mesma velocidade (comutação simétrica).
Fragment Free
São lidos os primeiros 64 bytes, que incluem o cabeçalho da
trama, e a comutação inicia-se antes de serem recebido todo o
campo de dados e o checksum.
Evita a comutação de tramas com dimensão menor do que o
comprimento mínimo.
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Modos de funcionamento de um Switch
Store and Forward
O switch pode receber uma trama completa antes de
enviá-la para a porta de destino.
Dá ao software do switch a oportunidade de verificar
o FCS (Frame Check Sequence).
Se a trama for inválida, será descartada.
Como a trama inteiro é armazenada antes de ser
encaminhada, este modo é conhecido como Store and
Forward (armazenar e encaminhar).
Utilizado se as velocidades dos vários segmentos não
forem iguais (comutação assimétrica).
Proporciona ligações entre portas com larguras de
banda desiguais, como por exemplo uma
combinação de 10, 100 e 1000 Mbps.
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Spanning-Tree
Quando os switches são organizados numa árvore hierárquica simples,
não ocorrem caminhos fechados (loops) de comutação.
Porém, as redes comutadas são frequentemente projectadas com
caminhos redundantes para proporcionar fiabilidade e tolerância a
falhas.
Os loops de comutação podem ocorrer de propósito ou por acidente.
Podem resultar em tempestades de broadcast que podem rapidamente
dominar a rede.
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Spanning-Tree
Os switches utilizam o protocolo Spanning-Tree para a
neutralização de loops.
Cada switch em uma rede local que usa STP envia
mensagens especiais denominadas BPDUs (Bridge
Protocol Data Units) para todas as suas portas para
informar os outros switches da sua existência e para eleger
uma bridge raiz para a rede.
Os switches então usam o STA (Spanning-Tree
Algorithm) para resolver e suspender caminhos
redundantes.
O resultado é a criação de uma árvore hierárquica lógica
sem loops. No entanto, os caminhos alternativos ainda
estarão disponíveis caso sejam necessários
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Domínios de Colisão e de
Broadcast
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Meios Compartilhados
Meios compartilhados: Ocorre quando vários hosts têm
acesso ao mesmo meio.
Meios compartilhados estendidos: Dispositivos de rede
podem estender o ambiente para que possa acomodar
múltiplos acessos ou distâncias de cabos mais longas.
Rede ponto-a-ponto: Um dispositivo está ligado a apenas
um outro dispositivo.
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Domínio de Colisão
Domínio de colisão são os segmentos físicos da rede onde
podem ocorrer colisões.
As colisões fazem com que a rede se torne
ineficiente.
Cada vez que ocorre uma colisão em uma rede, todas
as transmissões são interrompidas por um período de
tempo.
Os tipos de dispositivos que interligam os segmentos da
rede definem os domínios de colisão.
Dispositivos da Camada 1 não dividem os domínios
de colisão;
Dispositivos da Camada 2 e Camada 3 dividem
domínios de colisão.
A divisão ou aumento no número de domínios de colisão
pelos dispositivos das Camadas 2 e 3 é conhecida como
segmentação
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Domínio de Colisão
Os dispositivos da camada 1, como repetidores e hubs,
aumentam a extensão da rede.
Os dispositivos da camada 1 reenviam todo o tráfego
recebido.
Quanto maior o tráfego dentro de um domínio de colisão maior
será a probabilidade de ocorrência de colisões.
Diminuição do desempenho da rede.
A regra 5-4-3-2-1 oferece directrizes para manter o tempo
de atraso da ida e volta numa rede compartilhada dentro
dos limites aceitáveis:
Cinco segmentos de meios de rede
Quatro repetidores ou hubs
Três segmentos de host da rede
Duas ligações (sem hosts)
Um domínio de colisão
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Segmentação
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Segmentação com uma bridge
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Broadcast da Camada 2
Quando um nó precisa comunicar com todos os hosts na
rede, envia uma trama de broadcast com um endereço
MAC de destino 0xFFFFFFFFFFFF.
Os dispositivos da Camada 2 propagam todo o tráfego de
broadcast e multicast.
O somatório do tráfego broadcast e multicast de é definido
como radiação de broadcast.
Em alguns casos, a circulação da radiação de broadcast
pode saturar a rede de tal maneira que não sobra largura de
banda para a informação das aplicações.
Esta situação é conhecida como broadcast storm.
A probabilidade de broadcast storms aumenta com o
crescimento da rede.
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Domínios de Broadcast
Um domínio de broadcast é um agrupamento de domínios
de colisão que estão interligados por dispositivos da
Camada 2.
Reduz a probabilidade de ocorrência de colisões e aumenta a
disponibilidade de largura de banda para cada host.
Os broadcasts são encaminhados pelos dispositivos da
Camada 2.
Os broadcasts precisam ser controlados nos dispositivos na
Camada 3.
Os domínios de broadcast são controlados na Camada 3
pois os routers não encaminham broadcasts.
O encaminhamento da Camada 3 é baseado no endereço IP
de destino e não no endereço MAC.
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Domínios de Broadcast
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Fluxo de informação
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Segmentos de Rede
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