Como um Switch Encaminha Quadros

Um switch é o dispositivo moderno que conecta dispositivos em uma LAN e é muito mais inteligente que um concentrador. Em vez de repetir dados cegamente, um switch lê os endereços e encaminha cada quadro somente para a porta onde o destino realmente está. Essa única mudança melhora drasticamente a velocidade, a eficiência e a segurança. Esta lição explica exatamente como um switch toma essas decisões de encaminhamento.

Um switch opera na camada de enlace de dados (Camada 2 do modelo OSI). Nessa camada, os dados são organizados em quadros, e cada dispositivo possui um endereço MAC exclusivo (endereço de Controle de Acesso ao Meio) gravado em sua placa de rede. O switch lê os endereços MAC dentro dos quadros para decidir para onde enviá-los, e é por isso que é chamado de dispositivo de Camada 2.

Cada quadro Ethernet contém dois endereços MAC: um de origem (quem o enviou) e um de destino (quem deve recebê-lo). O switch examina esses endereços em cada quadro. Ao acompanhar qual endereço MAC está em qual porta, o switch pode entregar os quadros com precisão, em vez de inundar toda a rede como faz um concentrador.

Um switch constrói seu conhecimento por meio do aprendizado. Quando um quadro chega, o switch registra o endereço MAC de origem e a porta pela qual ele entrou, armazenando esse par na sua tabela de endereços MAC. Com o tempo, conforme os dispositivos enviam tráfego, o switch aprende onde cada dispositivo está. Esse aprendizado automático não exige configuração e ocorre continuamente.

Para encaminhar um quadro, o switch verifica o MAC de destino na tabela:

• Endereço conhecido — envia o quadro somente pela porta correspondente.
• Endereço desconhecido — inunda todas as portas, exceto aquela pela qual ele chegou.

Quando o destino responde, o switch aprende também sua localização, e os quadros futuros seguem diretamente para lá.

Quando um switch ainda não sabe em qual porta está um MAC de destino, ele inunda o quadro por todas as portas, exceto a porta de origem, de modo semelhante a um concentrador. Mas isso é temporário: assim que o destino responde, o switch aprende sua porta e deixa de inundar os quadros destinados àquele endereço. Portanto, a inundação é um mecanismo de fallback, não o comportamento normal, e a tabela é preenchida rapidamente.

Cada porta de um switch opera em full-duplex, enviando e recebendo ao mesmo tempo, e fornece ao dispositivo conectado sua própria largura de banda dedicada, em vez de um canal compartilhado. Isso elimina as colisões que afetavam os concentradores e permite que todos os dispositivos operem simultaneamente em velocidade máxima. Esse é um dos principais motivos pelos quais as redes comutadas superam amplamente as redes baseadas em concentradores.

A tabela MAC não cresce indefinidamente. Cada entrada possui um temporizador de expiração; se o switch não receber mais nada de um endereço MAC durante um período determinado, ele removerá essa entrada. Isso mantém a tabela atualizada quando os dispositivos mudam de lugar ou são desconectados. Se um dispositivo enviar dados novamente mais tarde, o switch simplesmente aprende sua localização outra vez, mantendo o encaminhamento preciso.

Os switches tratam os tipos de quadro de maneiras diferentes:

• Unicast — para um dispositivo; encaminhado para essa única porta quando conhecida.
• Broadcast — para todos os dispositivos; enviado por todas as portas.
• Multicast — para um grupo; inundado ou, com recursos adicionais, enviado seletivamente.

Os broadcasts sempre se espalham por todo o switch, um ponto importante para os domínios de broadcast abordados mais adiante.

Os switches podem encaminhar quadros de maneiras diferentes. Armazenar e encaminhar recebe o quadro inteiro, verifica se há erros e então o encaminha — é preciso, mas um pouco mais lento. O encaminhamento direto começa assim que o endereço de destino é lido — é mais rápido, mas não consegue detectar erros. A maioria dos switches modernos usa o método de armazenar e encaminhar para obter mais confiabilidade. Conhecer esses dois métodos e o compromisso entre velocidade e precisão é útil para a prova.

Ao encaminhar dados de forma inteligente, os switches oferecem três grandes vantagens sobre os concentradores: melhor desempenho com portas full-duplex dedicadas, menos colisões porque cada porta é seu próprio domínio de colisão e mais segurança porque os quadros não são enviados a todos os dispositivos. Essas vantagens explicam exatamente por que os switches substituíram os concentradores em toda parte e formam a base de todas as LANs modernas.

Teste seus conhecimentos sobre switches.

Você aprendeu que um switch é um dispositivo de Camada 2 que lê endereços MAC nos quadros para encaminhá-los de forma inteligente. Ele aprende os MACs de origem e suas portas em uma tabela de endereços MAC e, em seguida, encaminha destinos conhecidos por uma única porta e inunda temporariamente os destinos desconhecidos. Cada porta é full-duplex e possui largura de banda dedicada, eliminando colisões. As entradas da tabela expiram para que ela permaneça atualizada. Os switches superam os concentradores em velocidade, quantidade de colisões e segurança, alimentando todas as LANs modernas.