Evolução dos switches Ethernet

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. Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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) Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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. Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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. Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos Árvores de cobertura Primeiro constrói-se uma árvore de cobertura Depois usa-se a mesma para fazer a difusão dos frames Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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. Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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) Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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” Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos

Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos 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 Planeamento Montagem e Manutenção de Redes e Equipamentos Informáticos