Roteador Switched

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Universidade Presidente Antonio Carlos – UNIPAC / Leopoldina
Disciplina: - Conectividade
Prof. Cristiane Moreira da Silva (crisms@terra.com.br) - 1. semestre 2007
Texto 3: Routing e Switching
Por. Ely Edison Matos 
INTRODUÇÃO
À medida que as redes crescem, computadores mais poderosos e aplicativos sofisticados induzem à necessidade de maior largura de banda de rede, maior desempenho e dimensionamento mais flexível. Os usuários estão preocupados com o envio e o recebimento de dados de forma rápida e confiável.
Este texto apresenta uma visão geral das tecnologias de roteamento (routing) e switching, bem como alguns conceitos relacionados à criação de LANs Virtuais (VLANs).
ROTEAMENTO
O processo de roteamento permite que mensagens sejam enviadas de um nó em uma rede para um nó em outra rede, usando o caminho mais apropriado e eficiente (ou rota). O roteador usa protocolos de roteamento, um conjunto de regras que gerenciam a troca de informações entre nós, para direcionar os pacotes de dados para seus destinos. O nó remetente (origem) e o nó destinatário (destino) devem usar os mesmos protocolos (ou um conversor de protocolos - gateway) para se comunicar. Os roteadores também permitem que pacotes de dados sejam transmitidos em redes diferentes, tais como Ethernet, FDDI, Token Ring. O roteamento é um processo típico da camada Rede (camada 3) do RM-OSI.
Em um ambiente de roteamento, cada destino físico deve ser identificado de forma única. A maioria dos protocolos de roteamento é baseada em um esquema de endereçamento que usa um número para identificar cada rede e um número para identificar cada nó dentro daquela rede.
Quando um computador em uma rede quer se comunicar com um nó em outra rede, o software da camada de rede cria um pacote. O pacote contém dados a serem enviados, o endereço do remetente (da origem) e o endereço do destinatário (do destino). O pacote é então colocado dentro do frame para ser transmitido fisicamente pela rede.
O software da camada de rede também determina se o destino está localizado na rede local ou em outra rede. Se estiver na mesma rede, temos o roteamento direto. Caso esteja em outra rede, o pacote é enviado para um roteador que possa alcançar a rede destino, e então temo o roteamento indireto. 
Quando o roteador recebe o pacote de dados, ele examina o endereço destino para saber se ele está conectado à rede destino ou se necessita enviar a mensagem para outro roteador. Isso é feito através da análise da tabela de roteamento, que contém entradas indicando como alcançar as diversas redes. 
Se o nó destino estiver em uma rede na qual o roteador também está conectado o pacote é enviado diretamente para este nó destino. Se o nó destino estiver em outra rede, o roteador seleciona um roteador vizinho (conectado em uma rede na qual o roteador também esteja conectado) e então repassa o pacote de dados. Cada roteador na rede realiza o mesmo processo, até que o pacote chegue ao nó destino.
Como visto, a determinação do caminho mais apropriado e eficiente é tarefa do protocolo de roteamento. Alguns protocolos determinam o caminho pelo hop count (contagem de pontos), que é o número de roteadores intermediários entre a origem e o destino; outros protocolos determinam o caminho analisando a largura de banda disponível e calculando qual o roteador que oferece a melhor qualidade de serviço.
Por outro lado, distingue-se o roteamento, também, por estático e dinâmico. O roteamento estático é mais indicado para redes pequenas, subredes ou sistemas onde o número de máquinas é pequeno. A tabela de roteamento permanece fixa, tendo manutenção manual, mais fácil e confiável. Geralmente estas redes utilizam apenas um roteador para alcançar a Internet ou outra rede vizinha e os protocolos de roteamento são bastante simples. No roteamento dinâmico, o roteador é programado para que faça uma escolha da melhor rota, de forma automática, utilizando-se de algoritmos de roteamento mais complexos.
Roteamento Direto
Uma máquina ou rede física pode transmitir pacotes para outra máquina de uma mesma rede sem que seja requerido o uso de roteadores, conforme a figura 1. Para transmitir um pacote, o nó origem encapsula o mesmo num frame físico, mapea o endereço de rede e entrega o pacote diretamente ao nó destino.
Para determinar se um nó está conectado diretamente à rede, o nó origem compara seu endereço de rede ao endereço de rede do destino. Encontrando o destino na mesma rede, o pacote é enviado diretamente. Caso contrário, utilizará roteamento indireto para o envio do pacote.
Figura 1 – Roteamento Direto
Roteamento Indireto
O roteamento indireto será usado quando não se encontra o endereço de destino na mesma rede do nó origem, como na Figura 2. Ele requer que o nó origem envie o pacote para um roteador de modo que o mesmo seja transferido.
Este roteador irá usar, então, algoritmos específicos para a busca do endereço de destino, preocupando-se sempre em utilizar o método que tenha menor custo. O trabalho do roteador consiste em encontrar um caminho até o endereço destino e enviar os pacotes através da rede, pelos caminhos escolhidos pelos algoritmos de roteamento, usando as tabelas de roteamento e os protocolos específicos.
Figura 2 - Roteamento Indireto
SWITCHING
Switching é uma tecnologia que alivia o congestionamento de tráfego em redes Ethernet, Token-Ring e FDDI, reduzindo o tráfego e aumentando a largura de banda. Os dispositivos usados, conhecidos com LAN switches são dispositivos multiportas, projetados para trabalhar com a infraestrutura atual de cabeamento, de forma a serem instalados como um mínimo de interrupção das redes existentes. Frequentemente, os switches substituem os hubs, ou passam a trabalhar em conjunto com eles.
De forma geral, os switches trabalham na camada 2 (Link) do RM-OSI, embora já existam diversos modelos no mercado trabalhando como roteadores, ou seja, na camada 3 (Rede).
Os switches fornecem um mecanismo para direcionar um frame para uma porta de saída específica, normalmente utilizando o endereçamento físico. Este encaminhamento, realizado a nível de firmware, é mais rápido que a utilização de protocolos específicos, como ocorre com os roteadores. Esta tecnologia é similar a tecnologia de bridging em vários aspectos.
A tecnologia de bridging se refere a um dispositivo utilizado para conectar 2 ou mais segmentos de rede, denominado bridge (ponte). A bridge transmite os frames de um segmento para os destinos em outros segmentos. Ela examina os endereços físicos dos frames que passam por ela, e organiza uma tabela com os destinos conhecidos e em quais segmentos eles estão localizados (processo de learning). Quando a bridge recebe um frame, ela analisa a tabela. Se o nó destino está localizado no mesmo segmento do nó origem, ela simplesmente descarta o frame, pois não há necessidade de retransmiti-lo (processo de filtering). Se o nó destino está em outro segmento, ela transmite aquele frame apenas para o segmento destino (e não para todos os segmentos, como acontece com os hubs), no processo de forwarding. Se o endereço destino não está presente na sua tabela, a bridge transmite o frame para todos os segmentos (exceto o segmento de origem), numa técnica conhecida com flooding. O objetivo básico do processo de bridging é limitar o tráfego da rede somente aos segmentos necesários.
Como as bridges, os switches conectam segmentos de LAN, usam uma tabela com os endereços físicos para determinar o segmento destino e reduzem o tráfego na rede. Porém, os switches trabalham muito mais rápido que as bridges, e permitem novas funcionalidades, tais como a criação de VLANs e alguns switches não implementam o processo de flooding.
Modos de Switching
O modo como é realizado o switching determina a rapidez com que os pacotes são enviados e, assim, quanto de latência o pacote vai sofrer. Latência é o intervalo entre o momentoem que o pacote é recebido em uma porta e o momento em que ele é transmitido na porta apropriada.
Podem ser citados três métodos principais de switching: FastForward, FragmentFree e Store-and-Forward.
No modo FastForward oferece o menor nível de latência, retransmitindo o pacote assim que o endereço físico do destino é recebido. Uma vez que o processo de retransmissão é iniciado antes do pacote ser recebido totalmente, pode ocorrer do pacote ser retransmitido com erros.
O modo FragmentFree filtra fragmentos de colisões e a maioria dos pacotes de erros, antes de iniciar a retransmissão. Este método aguarda, na recepção do pacote, até que possa ser determinado que o pacote não é um fragmento de colisão, e então o retransmite.
O terceiro modo de switching é o store-and-forward. Neste modo o pacote é completamente recebido e verificado contra erros, antes de ser transmitido. Este método, embora mais seguro, pode trazer um retardo maior na transmissão.
Switching em ambientes Ethernet
A maioria das redes locais utilizam Ethernet, a uma largura de banda máxima de 10 Mbps. Ethernet é, tradicionalmente, uma tecnologia half-duplex. Cada nó em uma rede Ethernet checa a rede para verificar se estão sendo transmitidos dados, antes de transmitir, e adia a transmissão se o meio estiver em uso. Apesar disto, dois ou mais nós podem transmitir ao mesmo tempo, resultando em uma colisão. Quando uma colisão ocorre, os nós devem esperar um tempo (aleatório) e retransmitir mais tarde. Conforme mais nós são adicionados à rede, mais os nós devem esperar antes de poderem transmitir e maior a possibilidade de ocorrência de colisões (já que mais nós poderão transmitir ao mesmo tempo). Atualmente o throughput em redes Ethernet é maior, pois mais usuários estão utilizando softwares que usam intensivamente a rede, tais como aplicações client;server, onde os nós transmitem mais frequentemente e por períodos mais longos de tempo.
Um switch Ethernet aumenta a largura de banda através da separação dos domínios de colisão e mantendo o tráfego apenas nos segmentos apropriados. A figura 3 mostra a topologia de uma rede Ethernet típica, com um switch instalado.
Figura 3 - Switch Ethernet
Na figura 3, cada um dos segmentos (s1, s2, s3, s4 e s5) está conectado a uma porta do switch. Se o servidor A precisa transmitir para o cliente C, o switch transmite os pacotes da porta 1 para a porta 3 apenas, evitando que pacotes destinados ao cliente C sejam repassados para as portas 2, 4 e 5. Se o servidor B precisa mandar pacotes para o cliente D, ao mesmo tempo que o servidor A envia pacotes para o cliente C, isto pode ser realizado pois o switch pode transmitir os pacotes da porta 2 para a porta 4 ao mesmo tempo que envia pacotes da porta 1 para a porta 3. Se o servidor E envia pacotes para o cliente C, ambos estando ligados à porta 3, o switch não precisa retransmitir nenhum pacote.
Virtual LANs
Uma Lan Virtual (VLAN) é um grupo de máquinas e dispositivos de rede (como roteadores e bridges) que formam um único domínio de bridging. Os procotolos de bridging do nível 2 do MR-OSI possibilitam a existência de VLANs em vários equipamentos, tais como switches. Dentro de um domínio de bridging, os pacotes são retransmitidos em todas as portas que compõe a VLAN.
VLANs são formadas para agrupar logicamente usuários independente da localização física das máquinas utilizadas por eles. Os usuários podem estar espalhados pelo campus em uma universidade ou em diversos andares de um prédio. As estratégias para agrupar os usuários são variadas, podendo levar em consideração seus departamentos administrativos, ou os projetos em que eles participam. De forma geral, o objetivo é agrupar usuários em VLANs para que o trafégo gerado na comunicação entre eles permaneça dentro da VLAN (figura 4).
Os seguintes benefícios são alcançados com o uso de VLANs:
Controle de Broadcast - Da mesma forma que os switches isolam fisicamente os domínios de colisão e só transmitem um pacote para uma porta específica, VLANs provêm domínios de colisão lógicos, que confinam o tráfego de broadcast e multicast dentro do domínio de bridging.
Segurança - Se não for incluído um roteador em uma VLAN, nenhum usuário fora da VLAN será capaz de se comunicar com os usuários dentro da VLAN, e vice-versa.
Performance - Usuários que requerem alta performance da rede podem ser associados às suas próprias VLANs, como se fossem "LANs dedicadas".
Gerenciamento - O software no switch permite associar um usuário com uma VLAN e posteriormente associá-lo com outra VLAN. Não é mais necessária a troca de cabeamento para manter a conectividade, uma vez que a LAN pode ser reconfigurada logicamente em poucos segundos.
Figura 4 - Rede com 2 VLANs configuradas
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CISCO SYSTEMS, LAN Switching, 1995
[2] SOARES, Luiz Fernando G. (Luiz Fernando Gomes), Redes de Computadores: Lans, Mans e Wans, às redes ATM - Rio de Janeiro : Campus, 1995.
[3] MICROSOFT PRESS, Microsoft Windows NT 4.0 Networking Guide. MAKRON Books, 1998
[4] CARVALHO, José Eduardo, Introdução às Redes de Micros. MAKRON BOOKS, 1998
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Hub
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Hub
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Switch
S1
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S2
S5
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Servidor E
Cliente C
Cliente D
Servidor B
Servidor A
Hub
Hub
Switch
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