Comutadores da camada de enlace

5.4.3  comutadores da camada de enlace

        A função de um comutador é receber quadros da camada de enlace e repassá-los para enlaces de saída.

         O comutador em si é transparente aos hospedeiros e roteadores na sub-rede; ou seja, um nó endereça um quadro a outro nó que alegremente envia o quadro à LAN, sem saber que um comutador receberá o quadro e o repassará. A velocidade com que os quadros chegam a qualquer interface de saída do comutador pode temporariamente exceder a capacidade do enlace daquela interface. Para resolver esse problema, interfaces de saídas do comutador têm buffers, da mesma forma que uma interface de saída de um roteador tem buffers para datagramas.

Repasse e filtragem

        Filtragem é a capacidade de um comutador que determina se um quadro deve ser repassado para alguma interface ou se deve apenas ser descartado. Repasse é a capacidade de um comutador que determina as interfaces para as quais um quadro deve ser dirigido e então dirigir o quadro a essas interfaces. Filtragem e repasse por comutadores são feitos com uma tabela de comutação. A tabela de comutação contém registros para alguns hospedeiros e roteadores da LAN, mas não necessariamente para todos. Um registro na tabela de comutação contém (1) o endereço MAC, (2) a interface do comutador que leva em direção a esse endereço MAC e (3) o horário em que o registro foi colocado na tabela. Uma diferença importante é que os comutadores repassam pacotes baseados em endereços MAC, em vez de endereços IP.

        Suponha que um quadro chegue ao comutador. O comutador indexa sua tabela com o endereço MAC. Há três casos possíveis:

• Não existe entrada na tabela para o MAC desejado. O comutador transmite o quadro por difusão.
• Existe uma entrada na tabela associando o MAC a interface já existente na tabela. O comutador realiza a função de filtragem ao descartar o quadro.
• Existe uma entrada na tabela, associando a uma interface diferente. Nesse caso, o quadro precisa ser repassado ao segmento da LAN conectado à interface fornecida. O comutador realiza sua função de repasse ao colocar o quadro em um buffer de saída que precede a interface desejada.

Autoaprendizagem

        Um comutador tem a propriedade de montar sua tabela de modo automático, dinâmico e autônomo sem nenhuma intervenção de um administrador de rede ou de um protocolo de configuração. Em outras palavras, comutadores são autodidatas. Essa capacidade é obtida da seguinte forma:

        1. A tabela de comutação inicialmente está vazia.

        2. Para cada quadro recebido em uma interface, o comutador armazena em sua tabela (1) o endereço MAC que está no campo de endereço de origem do quadro, (2) a interface da qual veio o quadro e (3) o horário corrente. Dessa maneira, o comutador registra em sua tabela o segmento da LAN no qual reside o nó remetente. Se cada hospedeiro na LAN mais cedo ou mais tarde enviar um quadro, então cada um deles por fim estará registrado na tabela.

         3. O comutador apagará um endereço na tabela se nenhum quadro que tenha aquele endereço como endereço de origem for recebido após certo período de tempo (o tempo de envelhecimento). Desse modo, se um PC for substituído por outro (com um adaptador diferente), o endereço MAC do PC original acabará sendo expurgado da tabela de comutação.

        Comutadores são dispositivos do tipo plug-and-play porque não requerem a intervenção de um administrador ou de um usuário da rede. Um administrador de rede que quiser instalar um comutador não precisa fazer nada mais do que conectar os segmentos de LAN às interfaces do comutador. O administrador não precisa configurar as tabelas de comutação na hora da instalação nem quando um hospedeiro é removido de um dos segmentos de LAN. Comutadores também são full-duplex, ou seja, qualquer interface do comutador pode enviar e receber ao mesmo tempo.

Propriedades de comutação da camada de enlace

• Eliminação de colisões: Em uma LAN montada com comutadores (e sem hubs), não existe desperdício de banda causado por colisões! Os comutadores armazenam os quadros e nunca transmitem mais de um quadro em um segmento ao mesmo tempo. Como em um roteador, a vazão máxima agregada de um comutador é a soma da velocidade de todas as interfaces do comutador. Portanto, os comutadores oferecem uma melhoria de desempenho significativa em relação às LANs com enlaces de difusão.
• Enlaces heterogêneos: Uma vez que o comutador isola um enlace do outro, os diferentes enlaces na LAN conseguem operar em diferentes velocidades e podem ser executados por diferentes mídias.
• Gerenciamento. Além de oferecer mais segurança (ver a nota “Foco na segurança”), um comutador também facilita o gerenciamento da rede. Por exemplo, se um adaptador apresenta defeito e envia continuamente quadros Ethernet (chamado adaptador tagarela), um comutador pode detectar o problema e desconectar internamente o adaptador com defeito. Os comutadores também colhem estatísticas sobre uso da largura de banda, taxas de colisão e tipos de tráfego, e tornam essa informação disponível para o gerente da rede. Tal informação pode ser usada para depurar e corrigir problemas, além de planejar como a LAN deverá evoluir no futuro.

Comutadores versus roteadores

        Roteadores são comutadores de pacotes do tipo armazena-e-repassa, que transmitem pacotes usando endereços da camada de rede. Embora um comutador também seja um comutador de pacotes do tipo armazena-e-repassa, ele é em essência diferente de um roteador, pois repassa pacotes usando endereços MAC. Enquanto um roteador é um comutador de pacotes da camada 3, um comutador opera com protocolos da camada 2.

         Comutadores são do tipo plug-and-play, uma propriedade que é apreciada por todos os administradores de rede atarefados do mundo. Eles também podem ter velocidades relativamente altas de filtragem e repasse, têm de processar quadros apenas até a camada 2, enquanto roteadores têm de processar pacotes até a camada 3. Por outro lado, para evitar a circulação dos quadros por difusão, a topologia de uma rede de comutação está restrita a uma spanning tree. E mais, uma rede de comutação de grande porte exigiria, nos hospedeiros e roteadores, tabelas ARP também grandes, gerando tráfego e processamento ARP substanciais. Além do mais, comutadores são suscetíveis a tempestades de difusão — se um hospedeiro se desorganiza e transmite uma corrente sem fim de quadros Ethernet por difusão, os comutadores repassam todos esses quadros, causando o colapso da rede inteira. fornecem proteção de firewall contra as tempestades de difusão da camada 2. Talvez sua desvantagem mais significativa seja o fato de não serem do tipo plug-and-play — eles e os hospedeiros que a eles se conectam precisam de seus endereços IP para ser configurados. Além disso, roteadores muitas vezes apresentam tempo de processamento por pacote maior do que comutadores, pois têm de processar até os campos da camada 3. Dado que comutadores e roteadores têm seus prós e contras, quando uma rede institucional deveria usar comutadores e quando deveria usar roteadores? Em geral, redes pequenas, com algumas centenas de hospedeiros, têm uns poucos segmentos de LAN. Para essas, comutadores serão satisfatórios, pois localizam o tráfego e aumentam a vazão agregada sem exigir nenhuma configuração de endereços IP. Mas redes maiores, com milhares de hospedeiros, em geral incluem roteadores (além de comutadores). Roteadores fornecem isolamento de tráfego mais robusto, controlam tempestades de difusão e usam rotas “mais inteligentes” entre os hospedeiros da rede.