Come uno switch inoltra i frame

Uno switch è il dispositivo moderno che collega i dispositivi in una LAN ed è molto più intelligente di un hub. Invece di ripetere i dati indiscriminatamente, uno switch legge gli indirizzi e inoltra ogni frame solo alla porta a cui è effettivamente collegata la destinazione. Questo singolo cambiamento migliora enormemente velocità, efficienza e sicurezza. In questa lezione viene spiegato esattamente come uno switch prende queste decisioni di inoltro.

Uno switch opera al livello di collegamento dati (livello 2 del modello OSI). A questo livello, i dati sono organizzati in frame e ogni dispositivo dispone di un indirizzo MAC univoco (Media Access Control address), integrato nella relativa scheda di rete. Lo switch legge gli indirizzi MAC contenuti nei frame per decidere dove inviarli: per questo è definito un dispositivo di livello 2.

Ogni frame Ethernet contiene due indirizzi MAC: un mittente (chi lo ha inviato) e un destinatario (chi deve riceverlo). Lo switch esamina questi indirizzi in ogni frame. Tenendo traccia della porta a cui è collegato ciascun indirizzo MAC, lo switch può consegnare i frame con precisione, invece di inviarli ovunque come farebbe un hub.

Uno switch costruisce le proprie informazioni tramite l'apprendimento. Quando arriva un frame, lo switch registra il MAC sorgente e la porta dalla quale è arrivato, memorizzando questa coppia nella propria tabella degli indirizzi MAC. Nel tempo, mentre i dispositivi inviano traffico, lo switch impara dove si trova ciascun dispositivo. Questo apprendimento automatico non richiede configurazione e avviene continuamente.

Per inoltrare un frame, lo switch confronta il MAC di destinazione con la propria tabella:

• Indirizzo noto — invia il frame solo dalla porta corrispondente.
• Indirizzo sconosciuto — lo invia a tutte le porte tranne quella da cui è arrivato.

Quando la destinazione risponde, lo switch apprende a sua volta la posizione, quindi i frame successivi vengono inviati direttamente.

Quando uno switch non sa ancora a quale porta sia collegato un MAC di destinazione, esegue il flooding del frame su tutte le porte tranne quella sorgente, proprio come un hub. Tuttavia, si tratta di una situazione temporanea: non appena la destinazione risponde, lo switch apprende la relativa porta e smette di eseguire il flooding per quell'indirizzo. Il flooding è quindi un comportamento di ripiego, non quello normale, e la tabella si completa rapidamente.

Ogni porta dello switch opera in full-duplex, inviando e ricevendo contemporaneamente, e assegna al dispositivo collegato la propria larghezza di banda dedicata, invece di condividere un unico canale. In questo modo si eliminano le collisioni che affliggevano gli hub e ogni dispositivo può funzionare contemporaneamente alla massima velocità. Questo è uno dei motivi principali per cui le reti basate su switch superano di gran lunga quelle basate su hub.

La tabella MAC non cresce all'infinito. Ogni voce ha un timer di invecchiamento; se lo switch non riceve più traffico da un indirizzo MAC per un determinato periodo, rimuove quella voce. In questo modo la tabella rimane aggiornata quando i dispositivi si spostano o si disconnettono. Se in seguito un dispositivo trasmette di nuovo, lo switch ne apprende semplicemente di nuovo la posizione, mantenendo accurato l'inoltro.

Gli switch gestiscono i diversi tipi di frame in modo differente:

• Unicast — verso un solo dispositivo; se noto, viene inoltrato a quella singola porta.
• Broadcast — verso tutti i dispositivi; viene inviato da tutte le porte.
• Multicast — verso un gruppo; viene inviato tramite flooding oppure, con funzionalità aggiuntive, solo alle destinazioni selezionate.

I broadcast si propagano sempre nell'intero switch, un aspetto importante per i domini di broadcast che verranno trattati più avanti.

Gli switch possono inoltrare i frame in modi diversi. Il metodo store-and-forward riceve l'intero frame, ne verifica la presenza di errori e poi lo inoltra: è accurato, ma leggermente più lento. Il metodo cut-through inizia a inoltrare il frame non appena legge l'indirizzo di destinazione: è più veloce, ma non è in grado di rilevare gli errori. La maggior parte degli switch moderni utilizza store-and-forward per garantire l'affidabilità. Conoscere questi due metodi e il compromesso tra velocità e accuratezza è utile per l'esame.

Grazie all'inoltro intelligente, gli switch offrono tre grandi vantaggi rispetto agli hub: prestazioni migliori grazie alle porte full-duplex dedicate, meno collisioni perché ogni porta costituisce un proprio dominio di collisione e maggiore sicurezza perché i frame non vengono inviati a ogni dispositivo. Questi vantaggi spiegano esattamente perché gli switch hanno sostituito gli hub ovunque e costituiscono la base di ogni LAN moderna.

Verificate le vostre conoscenze sugli switch.

Avete imparato che uno switch è un dispositivo di livello 2 che legge gli indirizzi MAC nei frame per inoltrarli in modo intelligente. Apprende i MAC sorgente e le relative porte, memorizzandoli in una tabella degli indirizzi MAC, quindi inoltra le destinazioni note da una singola porta e applica temporaneamente il flooding a quelle sconosciute. Ogni porta è full-duplex e dispone di larghezza di banda dedicata, eliminando le collisioni. Le voci della tabella vengono rimosse per invecchiamento, così da mantenerla aggiornata. Gli switch superano gli hub in velocità, numero di collisioni e sicurezza, alimentando ogni LAN moderna.