Aula Switches

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.

AULA 17 - CASCATEAMENTO DE HUBS E SWITCHES. 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



1 2 3

4

FIM


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