O documento descreve a evolução dos switches Ethernet. Inicialmente, os switches isolavam domínios de colisão e permitiam coexistência de velocidades de transmissão. Atualmente, switches suportam interfaces de alta velocidade e longo alcance usando fibra óptica, e mecanismos como VLANs e árvores de cobertura permitem particionar e redundar redes grandes.

1. Evolução dos switches
Ethernet

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Circuitos multi-ponto ou difusão
 Podem usar suportes guiados (“fios”) ou não
guiados (“atmosfera”)
 Todas estas tecnologias exigem um meio de
escalonar o acesso ao suporte da transmissão
 O tipo de serviço mínimo oferecido é o simples
envio de datagramas ponto a ponto ou multi-
ponto (“multicasting” ou “broadcasting”) sem
garantias de entrega. Nos canais com elevadas
taxas de erro, o nível físico tenta compensar os
mesmos.

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Media Access Control - MAC
 Que fazer para partilhar um canal físico ou meio
de transmissão comum (“shared media”) ?
 Partição por frequência, tempo ou código
 Frequency Division, Time division, Code division (FDM, TDM, CDMA)
 Partilha dinâmica do canal
 ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
 Carrier sensing: eficiente nas tecnologias suportadas num fio,
menos efectivo em meios de transmissão não guiados
 CSMA/CD usado na Ethernet, CSMA/CA em WiFi
 Partilha ordenada do canal através de afectação
de “direitos”:
 Pedido de autorização a um “árbitro” central
 Passagem do testemunhos (“tokens”) entre interfaces

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Switches Ethernet (comutadores)
 São dispositivos do nível Data Link: dispositivos que
operam ao nível 2, analisando os endereços de nível MAC
(Ethernet por exemplo) e determinando se os frames
devem ou não ser encaminhados
 As pontes e os switchs isolam os domínios de colisão na
medida em que fazem store and forward dos frames (são
equipamentos de comutação de pacotes)
 Em cada uma das portas de uma ponte ou switch pode
existir um segmento de uma rede local partilhada
 Vantagens:
 Isolam os domínios de colisão, o que permite um melhor
aproveitamento da banda passante e levanta as limitações geográficas
 Podem interligar diferentes tecnologias de Ethernet dado operarem de
modo store and forward
 Transparentes: não há necessidade de mudar os endereços das
interfaces

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Filtragem e comutação
 Os switches filtram os frames e (potencialmente) só encaminham
para um segmento os frames cujo destinatário se encontra nesse
segmento
 Para este efeito, analisam o cabeçalho do nível MAC e analisam os
endereços dos frames. Trata-se de um problema da mesma
natureza do encaminhamento. No entanto, um switch não
modifica nenhum campo dos frames
 Os princípios base do encaminhamento feito pelos switches são os
seguintes:
 Inicialmente o switch faz encaminhamento por inundação (“flooding” — se a rede
não tiver ciclos e os destinatários ignorarem o que não se lhes destina, não é
grave)
 Se um frame chegou a um switch por uma dada porta, então a estação com o
endereço origem desse frame está por detrás dessa porta, e qualquer novo frame
para aquela estação não necessita de ser tratado por inundação
 Se uma interface não envia frames, o seu endereço é esquecido ao fim de um
certo TTL (alguns minutos por exemplo)

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Temporizadores
 Os temporizadores usados nas tabelas de
filtragem dos switches (“Mac address tables”)
têm vários papéis:
 Evitam que endereços não usados fiquem a poluir
as tabelas
 Permitem usar tabelas limitadas

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Em resumo
 Os domínios de colisão são isolados, em vez de um canal multi-
ponto temos vários canais multi-ponto ou ponto a ponto
 Podem coexistir várias velocidades de transmissão e as limitações
com a distância estão muito minoradas dada a utilização de store
& forward
 O encaminhamento baseia-se em inundação (“flooding”)
optimizado através de aprendizagem pelo caminho inverso
(“backward learning”)
 A capacidade e âmbito do conjunto aumentou muito sem o
inconveniente de abandonar a parametrização automática
 A grande limitação está na dependência e na utilização de
inundação (“broadcasting”)
 O encaminhamento é simplificado e por aprendizagem automática
sem necessidade de parametrizações preliminares; o método é
realista pois pressupõe-se que a rede não tem ciclos

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Switches -Em resumo
 Os domínios de colisão são isolados, em vez de um canal multi-
ponto temos vários canais multi-ponto ou ponto a ponto
 Podem coexistir várias velocidades de transmissão e as limitações
com a distância estão muito minoradas dada a utilização de store
& forward
 O encaminhamento baseia-se em inundação (“flooding”)
optimizado através de aprendizagem pelo caminho inverso
(“backward learning”)
 A capacidade e âmbito do conjunto aumentou muito sem o
inconveniente de abandonar a parametrização automática
 A grande limitação está na dependência e na utilização de
inundação (“broadcasting”)
 O encaminhamento é simplificado e por aprendizagem automática
sem necessidade de parametrizações preliminares; o método é
realista pois pressupõe-se que a rede não tem ciclos

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Evolução dos switches Ethernet
 Actualmente as interfaces dos Switches Ethernet podem
funcionar a diversas velocidades (10 / 100 / 1000 / 10.000
Mbps sobre cabos UTP ou fibras ópticas)
 Podem admitir interfaces de interconexão sobre fibra óptica
para aumentarem o âmbito geográfico até várias centenas
de Kms pois admitem o modo de funcionamento full-duplex
 Os switches exigem grandes capacidades de processamento
e a possibilidade de interligação das diferentes portas sem
perderem frames. Tal tem sido possível com recurso ASICS
(circuitos VLSI especiais) assim como com a introdução de
mecanismos de controlo de fluxo
 Como o preço tem descido muito, os switches invadiram o
domínio dos hubs ethernet. Assim é possível ter uma porta
por host, pelo que as colisões deixam de existir. Uma rede
Ethernet é, hoje em dia, switched (comutada). Por
oposição, a Ethernet com repetidores diz “Ethernet
clássica” ou halfduplex.

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Canais ponto a ponto full-duplex
 A partir do momento em que um troço ethernet é usado
apenas por duas interfaces é possível equipará-lo a um
canal ponto a ponto sem colisões.
 Com cabos UTP a 10, 100 ou 1000 Mbps é possível usar um
ou mais pares entrançados para cada sentido da
comunicação e o link pode suportar transmissão simultânea
em cada sentido – full duplex (2 x 10 Mbps, 2 x 100 Mbps,
2 x 1000 Mbps ou 2 x 10000 Mbps)
 Com ligações em fibra óptica usam-se dois cabos distintos
ou diferentes comprimentos de onda. Por outro lado se o
link é full-duplex não há colisões e deixam de haver
limitações de distância relacionadas com a noção de
collision slot.
 Hoje em dia é possível ter ligações entre switches ethernet
até várias centenas de quilómetros
 Desta forma, é possível imaginar uma rede ethernet com o
âmbito de uma cidade ou mesmo de um país

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Virtual LANS (VLANS)
 Os switchs não isolam o tráfego broadcast ou multicast ou evitam
os broadcast storms (apenas os routers o conseguem fazer)
 Para confinar partes da rede devido àqueles problemas, ou por
razões de segurança ou admnistrativos, foram desenvolvidos
mecanismos para particionar uma rede switched em várias
partições, que os switchs isolam entre si
 O administrador tem de associar cada porta ou cada host /
endereço ethernet a uma VLAN
 Numa rede com VLANS os frames ethernet recebem uma “tag”
especial indicando a que VLAN pertencem e são executados
algoritmos de aprendizagem e de spanning trees que consideram
a localização das VLANS
 As diferentes VLANS são interligadas por routers
 Os mecanismos das VLANs estão normalizados: 802.1Q
 Os mecanismos de árvores de cobertura (“Spanning Trees”) para
redes ethernet switched estão normalizados: 802.1D

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Árvores de cobertura
 A inundação exige uma rede sem ciclos o que corresponde a
uma rede sem redundância
 Para aumentar a tolerância a falhas é desejável dispor de
canais redundantes
 Os algoritmos anteriores nesse cenário fazem
encaminhamento eterno (“broadcast storms”)
 Solução: organizar uma árvore de cobertura (“spanning
tree”) e por várias interfaces de reserva (“standby”)
 Os algoritmos e o protocolo para a construção da árvore está
normalizado.

13. Planeamento Montagem e Manutenção de
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Árvores de cobertura
 Primeiro constrói-se uma árvore de cobertura
 Depois usa-se a mesma para fazer a difusão dos frames

14. Planeamento Montagem e Manutenção de
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Como construir uma árvore de
cobertura ?
 Uma solução consiste em escolher arbitrariamente um
nó raiz da árvore
 Cada mensagem usada pelo protocolo tem um campo
com o custo com que a mesma levou a ser
encaminhada a partir do nó raiz.
 O nó raiz começa a transmitir mensagens para todos
os ramos com custo 0
 Cada nó que recebe uma das mensagens calcula o
custo com que a mesma lhe chegou e elege como
ramo da árvore aquele pela qual a mensagem emitida
pelo nó raiz lhe chegou com menor custo (em caso de
empate escolhe a porta com menor identificador)
 Cada nó repete o processo até este estabilizar.

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Routers versus Switches
 Vantagens e defeitos dos switches:
 Os switches são mais simples e requerem menos
processamento
 Os switches parametrizam-se automaticamente
 As topologias são restrictas: senão é necessário o suporte
de árvores de cobertura para evitar ciclos
 O encaminhamento não é necessariamente óptimo
 Os switches necessitam de recorrer a difusão.
 Os switches não oferecem na base protecção contra tráfego
broadcast ou multicast, nem evitam broadcast storms (um
host que não pare de fazer broadcast satura toda a rede)

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Routers versus Switches
 Vantagens e defeitos dos routers
 Suportam topologias arbitrárias sem introduzirem duplicação de
pacotes
 Isolam o tráfego broadcast e multicast
 Providenciam protecção segura contra broadcast storms e outras
formas de protecção baseadas nos endereços e portas IP
 Realizam encaminhamento óptimo
 Requerem configuração (não são plug and play)
 São mais complexos e exigem endereçamento específico
 Requerem maior capacidade de processamento
 Os routers são adequados para WANs e para a escala, os switchs
são adequados para LANs / MANs e para ambientes de menor
escala ou onde a capacidade de comunicação é abundante e “sem
limites”

17. Planeamento Montagem e Manutenção de
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Switches nível 2 / 3
 Um switch ethernet é um equipamento de nível 2. No
entanto dado que dispõe de uma grande capacidade de
processamento é tentador introduzir mecanismos de nível 3
 Ou seja, o switch começa a interpretar também os
cabeçalhos IP a seguir aos cabeçalhos ethernet
 Algumas funcionalidades mais frequentes consistem no
suporte de QoS (analisar os bits de tipo de serviço no
cabeçalho IP), traffic shaping, protecção e filtragem, etc.
 Um passo mais importante pode ser dado introduzindo
routing entre portas e entre VLANs

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Switches nível 4
 Actualmente existem
switches que interpretam
todas as camadas, até ao
nível 7
 Com a análise de portos,
podemos redireccionar
tráfego especifico para
portas especificas do
Switch.
 Por exemplo, tráfego para
servidores de Cache,
Voip,etc.

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A problemática da escala
 Os switchs têm sempre um problema de escala relacionado
com a necessidade do recurso à difusão para resolverem
endereços
 Outras utilizações comuns da difusão (broadcasting) são as
decorrentes do suporte de multicast e broadcasting (ARPs);
a sua utilização também limita a escala
 No sentido de aumentar a escala estão a ser introduzidos
melhoramentos como por exemplo
 Controlo dos broadcast storms
 Spanning trees por VLANs e “prunned”
 IGMP snooping (Internet Group Management Protocol )
 Proxies de ARP e DHCP

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Conclusões
 Uma rede Ethernet integralmente switched é um exemplo
puro de uma rede baseada em packet switching com links
ponto a ponto.
 Com o emergir do suporte de links ethernet full-duplex
baseados em fibra e com vários Kms de comprimento, é
possível montar uma rede ethernet que cubra integralmente
uma cidade ou um país
 Um backbone IP pode ser organizado em torno de um
conjunto de routers interligados directamente por uma
ethernet switched a 10 Gbps por exemplo