Cascateamento de switch

AULA 17 - CASCATEAMENTO DE HUBS E SWITCHES.

MODELO DE 7 CAMADA ISO/OSI

COMPARAÇÃO DE CADA CAMADA

ENCAPSULAMENTO DOS DADOS

DIFERENÇA DE FUNCIONAMENTO ENTRE HUB x SWITCH

 Opera na camada 2 do modelo OSI;
 Comutação isolada entre origem e destino;
 Modo Full Duplex;
 Evita colisão entre as suas portas,
 Cria domínios de colisão para cada porta
 Reduz o tamanho de cada um desses domínios.
CARACTERISTICAS BÁSICAS DOS SWITCHS

O SWITCH, OPERA NA CAMADA 2 DO MODELO OSI

SWITCHS PODEM OPERAR A FULL-DUPLEX

QUADRO (FRAME)
QUADRO (FRAME)

FUNCIONAMENTO - SWITCH
O Switch possui uma tabela de encaminhamento chamada tabela CAM. Essa tabela
associa a estação com a porta do switch. O Switch encaminha um frame e ao não
localizar a porta correspondente a aquela estação destino, ele encaminha o quadro
por Broadcast para todas as portas, exceto para a porta que originou o frame. Após
a estação respondente ser localizada ele identifica a porta na qual a estação esta
conectada e atualiza a tabela CAM, após este processo ele passa a se comunicar
diretamente com a estação através daquela porta. Um frame com endereço MAC
destino = FF:FF:FF:FF:FF:FF, é um frame broadcast e ele ecoará por todas as portas
do Switch
A TABELA CAM (MAC)

FUNCIONAMENTO - SWITCH
FRAME ETHERNET DE BROADCAST

PROCESSO DE C RIAÇÃO DA TABELA CAM - MAC
Host1 Host2 Host3 Host4
SWI TCH 4 Portas
MAC AA MAC BB MAC CC MAC DD
Estação MAC Porta
Host1 AA 1
Host2 BB 2
Host3 CC 3
Host4 DD 4
Conexão Física
FRAME
MAC Porta
Tabela CAM

TABELA CAM - SWITCH
1º Passo Ao ligar o Switch, a tabela CAM estará vazia.
2 º Passo O Host 1 deseja se comunicar com Host4 e envia um frame para o
Host4. O frame sempre irá conter o MAC de Origem e o MAC de Destino
3ª Passo Como a tabela esta vazia, o Switch ainda não conhece a porta do Host4,
então ele envia um frame Broadcast.
4º Passo Após o envio do frame por Broadcast ele cadastra na tabela CAM o MAC
AA associado a Porta 01 .
5º Passo Somente HOST 4 responderá e os demais descartam o frame, então o
HOST 4 responde com um Frame com MAC de Origem DD para MAC de
Destino AA.
6º Passo O Switch usa a Porta 1 pois já tinha cadastrado no 4º Passo, e depois
atualiza a Tabela CAM com as informações do HOST 4.
7º Passo Agora quando HOST 1 precisar enviar Frames para HOST 4, o Switch não
utiliza mais Broadcast, pois já conhece quem esta na Porta 4 e na Porta 1

PROCESSO DE APRENDIZAGEM DO SWITCH

PROCESSO DE APRENDIZAGEM DO SWITCH
PROCESSO DE APRENDIZAGEM

Para ser capaz de identificar o destino do frame, o switch realiza um processo de
aprendizagem, constituído por:
 LEARNING,
 FLOODING,
 FILTERING,
 FORWARDING
 AGING.
AULA 17 - CASCATEAMENTO DE HUBS E SWITCHES.AULA 17 - CASCATEAMENTO DE HUBS E SWITCHES.

LEARNING
Learning é o processo pelo qual o switch aprende o MAC Address dos dispositivos.
Quando um switch é ligado, sua tabela MAC (ou CAM table) está vazia. Cada frame
que chega até o switch contém o MAC Address do host que originou o frame. Então o
switch armazena este MAC na tabela CAM (Content Addressable Table) e associa a
porta pela qual o frame chegou.

FLOODING
Quando o switch não tem uma entrada na CAM table para um endereço (MAC
address) específico, ele então encaminha o frame para todas as portas, menos para
porta que recebeu o frame. Este procedimento é conhecido com flooding.

FILTERING
Após o switch aprender os MAC address e associá-los as respectivas portas, os
benefícios do switch podem ser verificados através do Filtering (Filtro).
Quando dois dispositivos conhecidos tentam se comunicar através do switch, o frame
do host de origem é encaminhado direta e unicamente para porta do host de destino.

FORWARDING
Forwarding é o encaminhamento de um frame de um host conhecido (que está na
CAM table) associado a uma porta para outro host conhecido localizado em uma
porta do switch. Neste caso o Switch já sabe onde esta a estação origem e onde esta
a estação destino, pois já mapeou as portas do switch onde estão conectadas cada
uma das estações.
http://www.globalknowledge.com.eg/about-us/Knowledge-Center/Article/How-do-Switches-Work/

AGING
Além do MAC address e da porta associada a este MAC, o switch também armazena o
tempo que determinado MAC foi aprendido (Learning).
O Aging do aprendizado permite que o switch se adapte as mudanças de dispositivos
(um host pode trocar de porta, ser removido ou ainda um novo equipamento pode ser
adicionado na rede). Assim que um MAC é armazenado o switch inicia o aging timer, e
cada vez que o switch encaminha ou filtra um frame de determinado dispositivo, o
aging timer é reiniciado. Se em um período de tempo o switch não verificar o envio de
nenhum frame do dispositivo, o MAC é removido da CAM table.
O Aging garante que apenas dispositivos ativos permaneçam na CAM table.

MODOS DE ENCAMINHAMENTO DOS QUADROS NOS SWITCHS

STORE AND FORWARD
 O Switch processa todo o quadro (Store) antes de encaminhá-lo (forward).
 O campo FCS também é checado.
 O FCS serve para verificar a integridade do quadro.
 Quadros que não são íntegros são descartados.
 Esse método é o mais lento de todos e era utilizado também pelas pontes.
STORE AND FORWARD

FRAGMENT FREE
Aguarda o recebimento dos primeiros 64 bytes antes de encaminhar o quadro. De acordo com
as especificações, se houver uma colisão ela será detectada nos primeiros 64 bytes do quadro.
Logo, quadros com erro por colisão não serão encaminhados. O FCS não é checado.
FRAGMENT FREE

CUT- TROUGH
 Os 6 primeiros Bytes são examinados e encaminhados para a porta sem que o
quadro inteiro tenha sido recebido. (Seis primeiros Bytes= Endereço Destino).
 O FCS não é verificado e logo não há como descartar quadros defeituosos.
 Ele é mais rápido que o store and forward.

CUT- TROUGH x FRAGMENT FREE x STORE-AND-FORWARD
RESUMO

HIERARQUIA DE SWITCHS

O design de rede hierárquico envolve a divisão da rede em camadas discretas,
facilitando escalabilidade e desempenho. São divididos em três camadas:
Acesso - Distribuição - Núcleo
TIPOS DE SWITCHS

TIPOS DE SWITCHS
Switch de Acesso
Switch de Distribuição
Switch de Núcleo
TIPOS DE SWITCHS

CAMADA DE NÚCLEO
A camada de núcleo do design hierárquico é o backbone de alta velocidade das redes
interconectadas. Como a camada de núcleo é essencial à interconectividade entre os
dispositivos da camada de distribuição, é importante que o núcleo seja altamente
disponível e redundante. A área do núcleo também pode se conectar a recursos de
Internet. Como o núcleo agrega o tráfego de todos os dispositivos da camada de
distribuição, ele deve ser capaz de encaminhar grandes quantidades de dados
rapidamente.
SWITCH DE NÚCLEO - CORE
Observação: Em redes menores, é
comum implementar um modelo de
núcleo recolhido, no qual a camada de
distribuição e a camada de núcleo são
integradas em uma só camada.

CAMADA DE DISTRIBUIÇÃO
A camada de distribuição agrega os dados recebidos dos switches da camada de
acesso antes de serem transmitidos para a camada de núcleo para que haja o
roteamento até seu destino final. A camada de distribuição controla o fluxo do tráfego
da rede usando algumas políticas e determina domínios de broadcast, realizando
funções de roteamento entre redes locais virtuais (VLANs) definidas na camada de
acesso. As VLANs permitem segmentar o tráfego de um switch em sub-redes
separadas. Switches da camada de distribuição costumam ser dispositivos de alto
desempenho que têm alta disponibilidade e redundância para assegurar a
confiabilidade.
SWITCH DE CAMADA

CAMADA DE ACESSO
A camada de acesso faz interface com dispositivos finais, como PCs, impressoras e
telefones IP, para fornecer acesso ao restante da rede. Na camada de acesso podem
estar roteadores, switches, bridges, hubs e pontos de acesso wireless (AP). O principal
proposito da camada de acesso é fornecer um meio de conectar dispositivos à rede e
controlar quais têm permissão de comunicação na rede.
SWITCH DE ACESSO

CASCATEAMENTO Versus EMPILHAMENTO

CASCATEAMENTO DE SWITCHS

Vários comutadores podem ser interligados em uma configuração hierárquica
caracterizando o que se chama de cascateamento. No cascateamento, a
interligação se dá através de uma porta de um equipamento com a outra porta
de outro equipamento, sendo a largura de banda limitada à velocidade da
porta (10/100/1000 Mbps). Antigamente, utilizavam-se portas específicas para
este fim, chamadas de portas MDI-II (UpLink). Essas portas aceitam cabeamento
comum, dispensando a utilização de cabo crossover, pelo fato de realizarem a
inversão internamente. Porém, os equipamentos mais novos (incluindo alguns
hubs e switches de 10/100 Mbps e TODOS os dispositivos de 1 Gbps ou 10 Gbps)
disponibilizam "Auto MDI/MDIX" para automaticamente selecionar a
configuração apropriada quando um cabo Ethernet é conectado, de maneira que
qualquer porta pode ser utilizada para o cascateamento.

As regras para o cascateamento dependem das especificações dos dispositivos
porque neste tipo de ligação, e, em geral, à medida que vai se "cacasteando", o
desempenho da rede vai piorando. Dentro das limitações impostas por cada
fabricante, é possível interligar equipamentos distintos e de marcas distintas. Por
exemplo, deve-se obedecer à regra "5-4-3" para repetidores em série quando em
redes de 10 e 100 Mbps, porém, redes de 1 Gbps permitem somente um único
repetidor, ou seja, não é permitido cascateamento de repetidores (hubs) em redes
de 1Gbps. Quanto ao uso de comutadores (switches) não há limitação de
segmentação estipulada pela tecnologia, porém, deve-se observar as normas do
Sistema de Cabeamento Estruturado: por exemplo, para backbones, esta limitado a
no máximo duas hierarquias (dois níveis), onde não deverá existir mais do que
duas conexões cruzadas além da principal.

Quando os switches são colocados em cascata formam caminhos com loops
fechados, o encaminhamento de quadros pode levar ao congestionamento da rede.
O protocolo STP é utilizado para prevenir a ocorrência desses loops. Assim,
é permitida a utilização de ligações redundantes entre comutadores, provendo
caminhos alternativos em caso de falha de uma dessas ligações. Em suma,
o cascateamento é muito prático e barato, mas pode ocupar portas que poderiam
ser usadas para conectar outros equipamentos da rede.

REGRA 5-4-3 PARA USO EM HUBS

EMPINHAMENTO DE SWITCHS

EMPILHAMENTO DE SWITCHS

CABOS UTILIZADOS PARA EMPILHAMENTO DE SWITCHS

No empilhamento, a interligação ocorre através de uma porta específica para
empilhamento ("stack") e cada fabricante possui um tipo de interface própria a
qualpossui velocidade transmissão maior que a velocidade das portas de conexão.
Nesse caso, o empilhamento pode ser feito apenas entre equipamentos de um
mesmo fabricante. Os equipamentos assim empilhados tornam-se um único
equipamento. Por exemplo, no caso de repetidores, não ocorreria a incidência da
regra 5-4-3 na pilha de repetidores, mas sempre considere as observações e
limitações de cada fabricante.

Ao contrário do cascateamento, onde cada equipamento é configurado separadamente,
em comutadores empilhados, um deles fica responsável pela pilha e é o único no qual
as configurações serão realizadas. O empilhamento é mais eficiente do que o
cascateamento porque não ocupa as portas frontais para conexão, aumentando com
isso a quantidade de portas disponíveis para os equipamentos da rede.

DOMINIO DE COLISÃO VERSUS DOMINIO DE BROADCAST

DOMINIO DE COLISÃO
Os domínios de colisão são os segmentos físicos conectados 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. A duração deste período de tempo sem transmissões varia e é determinado
por um algoritmo de backoff (recuo) para cada dispositivo da rede.
Os tipos de dispositivos que interconectam os segmentos dos meios definem os
domínios de colisão.

Estes dispositivos têm sido
classificados como dispositivos da
Camada 1, 2 ou 3 do modelo OSI. Os
dispositivos da Camada 1 não
dividem os domínios de colisão; os
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
também conhecida como
segmentação.
Os dispositivos da Camada 1, como
repetidores e hubs, atendem a
função principal de estender os
segmentos de cabos Ethernet

Mais hosts podem ser adicionados quando as redes são estendidas. No entanto,
cada host adicionado aumenta o potencial de tráfego na rede. Já que os dispositivos
da Camada 1 passam adiante tudo que é enviado sobre os meios, quanto maior o
tráfego transmitido dentro de um domínio de colisão, maiores são as chances de
colisões. O resultado final será uma diminuição no desempenho da rede, que será
mais visível se todos os computadores naquela rede estiverem solicitando um alto
nível de largura de banda. Resumindo, os dispositivos da Camada 1 estendem os
domínios de colisão, mas o comprimento de uma rede local também pode ser
estendido demais e causar outros problemas de colisão, devido ao aumento de
equipamentos na rede.
A regra de quatro repetidores na Ethernet declara que podem existir, no máximo,
quatro repetidores ou hubs de repetição entre dois computadores na rede.

DOMÍNIOS DE BROADCAST

Um domínio de broadcast é um agrupamento de domínios de colisão que estão
conectados por dispositivos da Camada 2.

A divisão de uma rede local em vários domínios de colisão aumenta a oportunidade
para que cada host na rede ganhe acesso aos meios. Isto efetivamente reduz as
chances de colisões e aumenta a disponibilidade de largura de banda para cada
host. Mas os broadcasts são encaminhados pelos dispositivos da Camada 2 e se
excessivos, poderão reduzir a eficiência de toda a rede local. Os broadcasts
precisam ser controlados nos dispositivos na Camada 3, pois os dispositivos da
Camada 2 e da Camada 1 não possuem recursos para controlá-los. O tamanho total
de um domínio de broadcast pode ser identificado ao examinarmos todos os
domínios de colisão que são processados pelo mesmo quadro de broadcast. Em
outras palavras, todos os nós que fazem parte daquele segmento de rede ligado por
um dispositivo de camada três. Os domínios de broadcast são controlados na
Camada 3 pois os roteadores não encaminham broadcasts. Os roteadores na
realidade funcionam nas Camadas 1, 2, e 3. Eles, como todos os dispositivos de
Camada 1, possuem uma conexão física aos meios físicos e transmitem dados
através deles. Eles possuem um encapsulamento da Camada 2 em todas as
interfaces e funcionam como qualquer outro dispositivo da Camada 2. É a Camada
3 que permite que o roteador segmente os domínios de broadcast.

Para que um pacote possa ser encaminhado através de um roteador, ele precisa já
ter sido processado pelo dispositivo da Camada 2 e ter as informações do quadro
removidas. O encaminhamento da Camada 3 é baseado no endereço IP de destino
e não no endereço MAC. Para que um pacote possa ser encaminhado, ele precisa
conter um endereço IP que esteja fora da faixa de endereços designados à rede
local e o roteador precisa ter na sua tabela de roteamento um destino para onde
enviar o pacote específico.

INTRODUÇÃO A FLUXO DE DADOS
O conceito de fluxo de dados no contexto dos domínios de colisão e broadcast se
concentra em como os quadros de dados se propagam através de uma rede. Ele se
refere ao movimento dos dados através dos dispositivos das Camadas 1, 2 e 3 e
como os dados precisam ser encapsulados para fazerem o percurso com eficácia.
Lembre-se de que os dados são encapsulados na Camada da rede com um
endereço IP de origem e de destino, e na Camada de enlace com um endereço MAC
de origem e de destino.

Uma boa regra a ser seguida é que:
 Dispositivo de Camada 1 sempre encaminha o quadro.
 Dispositivo de Camada 2 quer encaminhar o quadro. Em outras palavras, um
dispositivo de Camada 2 encaminhará o quadro a não ser que alguma coisa o
impeça de fazê-lo.
 Um dispositivo de Camada 3 não encaminhará o quadro a não ser que seja
obrigado..
A utilização desta regra ajudará a identificar como os dados fluem através de uma
rede. Os dispositivos de Camada 1 não fazem filtragem, de modo que tudo que é
recebido é passado adiante ao próximo segmento. O quadro é simplesmente
regenerado e retemporizado e assim restaurado à sua qualidade original de
transmissão. Quaisquer segmentos conectados pelos dispositivos de Camada 1
fazem parte do mesmo domínio, isto é, de colisão e de broadcast.

Os dispositivos de Camada 2 filtram os quadros de dados baseados no endereço
MAC de destino. Um quadro é encaminhado se for para um destino desconhecido
fora do domínio de colisão. O quadro será também encaminhado se for um
broadcast, multicast ou unicast indo para fora do domínio de colisão local. A única
situação em que um quadro não é encaminhado é quando o dispositivo de Camada
2 descobre que o host de envio e o host de recepção estão no mesmo domínio de
colisão.
Um dispositivo de Camada 2, como uma bridge, cria vários domínios de
colisão mas mantém apenas um domínio de broadcast.

Os dispositivos de Camada 3 filtram os pacotes de dados baseados no endereço IP
de destino. A única maneira de um pacote ser encaminhado é se o seu endereço IP
estiver fora do domínio de broadcast e se o roteador tiver um local identificado
para onde mandar o pacote. Um dispositivo de Camada 3 cria vários domínios de
colisão e de broadcast.
O fluxo de dados através de uma rede roteada baseada em IP, envolve dados que
passam através de dispositivos de gerenciamento de tráfego nas Camadas 1, 2 e 3
do modelo OSI. A
Camada 1 é usada para a transmissão através de meios físicos,
Camada 2 para gerenciamento de domínios de colisão,
Camada 3 para gerenciamento de domínios de broadcast.

 HUBS NÃO BLOQUEIAM UM DOMINIO DE COLISÃO,
 SWITCHS BLOQUEIAM UM DOMINIO DE COLISÃO.
 SWITCHS NÃO BLOQUEIAM DOMINIOS DE BROADCAST
 ROTEADORES BLOQUEIAM DOMINIOS DE BROADCAST
DOMINO DE COLISÃO x DOMINO DE BROADCAST

 No final das contas a regra geral sobre domínios de broadcast e de colisão é:
 Todo Hub possui apenas um domínio de colisão e um domínio de broadcast;
 Roteadores possuem um domínio de broadcast em cada porta;
 O número de domínios de colisão de um switch é igual ao número de portas dele
e todo switch sem VLANs só possui um domínio de broadcast;
RESUMO

EXERCICIOS DE FIXAÇÃO

Quantos domínios de colisão e quantos de broadcast há, na topologia abaixo:
EXERCICIO 1:
RESPOSTA NO ULTIMO SLIDE

EXERCICIO 2

EXERCICIO 3

EXERCICIO 4

EXERCICIO 5

EXERCICIO 6:

RESPOSTAS DOS EXERCICIOS:
EXERCICIO 1:
Há 2 domínios de broadcast e 2 domínios de colisão.
EXERCICIO 2:
O roteador tem 1 domínio de Broadcast em cada lado e cada porta de Switch tem 1
domínio de colisão. Logo são: 2 domínios de broadcast e 7 domínios de colisão.
EXERCICIO 3:
No cenário, o roteador tem um domínio de Broadcast em cada lado e cada porta do
Switch é um domínio de Colisão e no Hub tudo que estiver ligado a ele esta no
mesmo domínio de Colisão. Logo temos, 2 domínios de Broadcast e 6 domínios de
Colisão.

RESPOSTAS DOS EXERCICIOS:
EXERCICIO 4:
Há 2 domínios de broadcast e 2 domínios de colisão..
EXERCICIO 5:
Há 7 domínios de colisão e 1domínio de broadcast.
EXERCICIO 6:
Há 4 domínios de colisão e 1 domínio de broadcast

SPANNING TREE PROTOCOL
SWITCHS

Spanning Tree Protocol (referido com o acronimo STP) é um protocolo para
equipamentos de rede que permite resolver problemas de loop em redes comutadas
cuja topologia introduza anéis nas ligações, auxiliando na melhor performance da
rede.
O protocolo STP possibilita a inclusão de ligações redundantes entre
os comutadores, provendo caminhos alternativos no caso de falha de uma dessas
ligações. Nesse contexto, ele serve para evitar a formação de loops entre os
comutadores e permitir a ativação e desativação automática dos caminhos
alternativos.
Para isso, o algoritmo de Spanning Tree determina qual é o caminho mais eficiente
(de menor custo) entre cada segmento separado por bridges ou switches. Caso
ocorra um problema nesse caminho, o algoritmo irá recalcular, entre os caminhos
existentes, o novo caminho mais eficiente, habilitando-o automaticamente.

O algoritmo spanning tree coloca cada porta de bridge/switch no estado
forwarding ou no estado blocking. Considera-se que todas as portas no estado
forwarding em um dado momento estão na spannig tree ativa. O conjunto de
portas no estado forwarding cria um único caminho pelo qual os quadros são
enviados entre os segmentos.
O QUE O SPANNING TREE IEEE 802.1d FAZ

BRIDGE PROTOCOL DATA UNITS (BPDUS)
Para viabilizar o cálculo do caminho de menor custo, é necessário que cada
comutador tenha conhecimento de toda a topologia da rede. A disponibilidade
dessas informações é assegurada pela troca de quadros especiais chamados BPDUs
- Bridge Protocol Data Units - entre os comutadores . Os BPDUs são frames enviados
para troca de informações tais como o bridge ID e o custo de caminho de um nó
para a raíz. Existem três tipos de BPDUs:
 Configuration BPDU (CBPDU) - Cálculo da Spanning Tree.
 Topology Change Notification Acknowledgment (TCA)
 Topology Change Notification (TCN) BPDU - Usado para notificar mudanças
na topologia da rede.

ESTADO DAS PORTAS USANDO STP EM UM SWITCH
Bloqueio - Apenas recebendo BPDUs.
Escuta - O switch processa BPDUs e espera por possíveis novas informações que
podem fazê-lo voltar ao estado de Bloqueio.
Aprendizado - Quando a porta ainda está "aprendendo" e montando sua tabela de
endereços de origem dos frames recebidos.
Encaminhamento - A porta envia e recebe dados. Operação normal. O STP continua
monitorando por BPDUs que podem indicar que a porta deve retornar ao estado de
bloqueio prevenindo um loop.
Desativado - Não está utilizando STP. O administrador de redes pode desabilitar a
porta.

ATIVIDADE PRATICA NO PACKET TRACER

Crie o cenário abaixo no Packet Tracer. Atribua endereço IP a todas as interfaces
de rede.

Entre no modo de configuração do IOS Cisco, conforme figura abaixoe digite:
>Enable
>Show mac-addres-table
Observe que a tabela CAM
esta vazia

Ping uma das estações e exiba novamente a tabela CAM no Switch

Digite novamente, o comando: show mac-addres-table e verifique que agora a
tabela CAM já associou a porta com o MAC de cada estação em que pingamos.

Desligue um dos pcs e exiba novamente a tabela CAM e verifique que o endereço
MAC referente a este pc foi removido da tabela CAM. (aging)

ANALISE DO TRAFEGO DO SWITCH

Agora, ative a visualização dos protocolos ICMP e ARP

123
4

FIM

Cascateamento de switch

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