Fesp - Tópicos Avançados II - Switching

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1 SWITCHING Quando o ethernet foi originalmente desenhado, os computadores eram lentos e as redes eram pequenas. Portanto, uma rede rodando a 10 mbps era mais que suficiente para qualquer aplicação. Atualmente, os computadores estão dezenas de vezes mais rápidos e as redes consistem de centenas ou milhares de nodes, e a demanda por banda na rede é frequentemente maior do que esta pode fornecer. Quando a carga na rede é muito alta, o resultado é um grande número de colisões e frames que se perdem, a produtividade dos usuários é reduzida drásticamente. Isto é chamado congestionamento e pode ser resolvido dividindo a rede em segmentos menores, e interligando estas redes através de um equipamento central. PC PC PC Ethernet PC PC PC Rede Local Única PC PC PC Ethernet Equipamento de Interconexão Ethernet PC PC PC Rede Local Segmetalizada 1

2 O QUE É SWITCHING? Fesp - Tópicos Avançados II - Switching Como visto anteriormente, o objetivo de uma bridge é fazer a segmentação de uma rede local e evitar desta maneira que o nível de colisão seja aceitável para que o usuário trabalhe normalmente. Convencionalmente, uma bridge pode repassar um frame em um momento, recebendo em uma porta e colocando em uma ou mais portas o frame recebido. Reconhecendo as limitações associado com a operação de bridges, fabricantes incorporaram tecnologia de switching paralelo em um equipamento chamado de intelligent switching hubs. Este equipamento foi desenvolvido baseado em uma tecnologia que utiliza matriz de comutação.que por décadas foi empregado em operações de telecomunicações. Adicionando memória para armazenar tabela de endereços, frames que atravessam redes que estão conectados em diferentes portas podem ser simultaneamente lidos e encaminhados pela estrutura de comutação para a porta conectado com outras redes. Figura 1 Componentes básicos de inteligent hub switch. Um inteligent hub switch consiste de buffers e tabela de endereços (BAT), lógica e uma estrutura de switching que permite que frames entrando em uma porta sejam roteados para qualquer porta do switch. O endereço de destino no frame é utilizado para determinar a porta associada com o endereço através de uma pesquisa na tabela de endereço, A figura 1 ilustra os componentes básicos de um switch inteligente com 4 portas. Embora alguns switches funcionam de forma semelhante a bridges que lêem frames vindo de uma rede para construir uma tabela de endereços fontes, outros switches requerem que suas tabelas sejam pré-configuradas. Outro método permite que o endereço de destino seja comparado com uma tabela de 2

3 endereços de destino e associado a um número de porta. Quando a igualdade ocorre entre o endereço de destino de um frame que viaja de uma rede que esta conectado a uma porta e o endereço da tabela de endereço de uma porta, o frame é copiado para dentro do switch e roteado através da estrutura de comutação para a porta de destino, onde é colocado na rede dentro da rede que está conectado na porta. Se a porta de destino está em uso devido a uma conexão anteriormente estabelecida entre portas, o frame é mantido no buffer até que o switch possa encaminhar o frame para o destino. Figura 2 3

4 Ítem Execução da Função Operação Executada 1. A envia frame para C Frame enviado para as portas 1, 2, 3 como destino não conhecido. Porta 1, 2 e 3 atualizam a tabela de endereço da porta e agora sabem que o endereço A está associado a porta 0 2. C envia frame para B Frame enviado para as portas 0, 1,e 3 como destino não conhecido. Portas 0, 1 e 3 atualizam suas tabelas de endereços e agora sabem que o endereço C está associado com a porta C envia frame para A Tabela de endereço da porta 2 tem entrada para o destino A e causa a conexão para a porta 0 Para ilustrar a construção e utilização de uma tabela de endereço de uma porta, vamos assumir que estamos utilizando um switch de quatro portas, com uma estação conectado em cada porta. O endereço MAC de cada estação é A, B, C e D como indicado na figura 2. Por exemplo, quando o endereço A necessita mandar um frame para o endereço C depois que o switch foi inicializado, a tabela de endereço de cada porta está vazio preenchido com zeros binários (estado inicial). Como a porta 0 não pode encontrar uma porta de destino, o switch envia o frame para todas as outras portas, menos para a porta que recebeu, operação semelhante a de uma bridge. Esta operação faz a interligação através de circuitos lógicos internos, habilitar as portas 1, 2 e 3 que o endereço A está ligado a porta 0. Igualmente, quando a estação C transmite o próximo frame destinado a estação B, o port 0 não consegue encontrar a estação B em sua tabela de endereço. Portanto, este envia o frame para dentro das portas 0, 1 e 3, e associa estação C com a porta 2. 4

5 TEMPO DE DELAY Switching ocorre na base de frame por frame, a conexão é estabelecida para o roteamento do frame e a seguir é interrompida. Desta forma, frames podem ser intercalados de duas ou mais portas para uma porta de destino comum com um mínimo de delay. Por exemplo, considerando um tamanho máximo de frame ethernet de 1518 bytes, compreendendo 1500 bytes de dados e 18 de cabeçalho, a uma taxa de transmissão de 10 mbps em que o tempo de bit é 100 ns. Para rotear um frame de 1518 bytes o delay mínimo se um frame precede este na tentativa de ser roteado para um destino comum: 1518 bytes x 8 bits x 100 ns = ns = µs = 1.21 ms O resultado computado acima representa o delay de bloqueamento resultante de frames em duas portas que tem um destino comum e não pode ser confundido com outro delay chamado de latência. Latência representa o delay associado com a transferência física de um frame de uma porta para outra através de switching e é baseado na arquitetura do switch que adiciona delay acima ou além do delay associado ao tamanho físico de um frame sendo transportado através do switch. Comparando o delay de bloqueamento depende do número de frames das diferentes portas tentanto acessar a porta de destino comum e o método pela qual o switch está previsto para responder ao bloqueamento. Alguns switches tem um grande número de buffers para cada porta e serviços de porta no modo round-robin quando frames em duas ou mais portas tentam acessar uma porta de destino comum. Este método de serviço não é igual a uma política e pois não faz demonstração de favoritismo. Entretanto não leva em consideração o fato de uma que esteja ligado a ele esteja trabalhando a uma taxa diferente da outra rede que também está atachado. Outros switches projetados reconhecem que buffers de porta estão preenchido com base no número de frames com endereço de destino de uma rede diferente e a taxa de operação da rede. VANTAGENS DE UTILIZAÇÃO DE SWITCH A vantagem da utilização de intelligent switching hub é a sua habilidade de suportar switching paralelo, permitindo múltiplas conexões entre a fonte e o destino para ocorrer simultaneamente. Por exemplo, se quatros redes 10 base-t estiverem conectados em um switch de quatro portas como mostrado na figura 1, duas conexões simultaneamente podem ocorrer, cada um com 10 mbps, resultando em um aumento de banda de 20 mbps. Aqui cada conexão representa uma banda de 10 mbps para transmissão do frame. Desta forma, de uma forma 5

6 teorica, um switch hub com N portas suportando uma taxa de operação de 10 mbps em cada porta fornece um thruoghput ate (N/2)x10. Por exemplo, um switch hub com 128 portas, suportará um throughput até (128/2)x10 mbps ou 640 mbps. Enquanto que uma rede construída utilizando uma série de hubs convencionais conectados em série estão limitado a uma taxa de 10 mbps, com cada estação na rede tenda uma taxa de 10 mbps/128 ou 78 kbps. Através da utilização de intelligent switch hub, podemos ultrapassar a limitação da taxa de operação de uma LAN. Em um ambiente ethernet, a conexão através de um hub switching representa um conexão dedicada em que nunca haverá colisão. Este fato possibilita que muitos vendedores que utilizam a tecnologia convencional do ethernet suportem transmissão simultanea em ambas as direções entre um nó conectado e uma porta do hub resultando em uma capacidade de transmissão full-duplex. TÉCNICAS DE SWITCHING Existem três técnicas básicas de switching utilizado por intellingent switching hub: cut through, store and forward e o método hibrido qu alterna entre os dois métodos baseados na taxa de erros de frame. Como vamos notar, cada técnica tem suas vantagens e desvantagens associado com a operação. CUT THROUGH A operação cut through é baseado no exame do destino do frame. O switch utiliza o endereço de destino como critério de decisão para obter a porta de destino de uma tabela de pesquisa (table look up). Uma vez que a porta é obtida, uma conexão através do switch é iniciado, como resultado o frame é roteado para a porta de destino, onde é colocado na rede na qual o endereço de destino reside. Como notado anteriormente, um switch pode ser considerado uma sofisticação de bridge. Assim não é nenhuma surpresa que um switch cut through está limitado a fornecer conexão entre tipos de lan semelhante, m 6

7 STORE AND FORWARD Um switch Store and Forward opera conforme seu nome indica. Primeiro é armazenado cada frame que chega, é verificado se existe erros no frame, e se tudo estiver bom, este então é enviado para a porta de destino. A vantagem deste tipo de switch é que este evita que frames com erros consumam a banda da rede. A desvantagem é que aumenta a latência no switch. Store and Forward é mais conveniente em redes que apresentam altas taxas de erro. HÍBRIDO Um switch híbrido é uma tentativa de pegar o melhor dos Switches Store and Forward e Cut Through. Um switch híbrido opera em modo Cut Through, mas constantemente monitora a taxa de frames inválidos ou danificados que são enviados. Se estes erros ocorrem com uma frequencia maior que um certo valor de threshold, então o switch para de operar em modo Cut Through e começa a operar em modo Store and Forward. Se a taxa de erro diminui abaixo do valor de threshold então o switch volta a trabalhar novamnente no modo Cut Through. Desta forma é garantida a performance de um switch cut through quando a taxa de erros na rede é baixa e chaveando para store and forwarnding quando a taxa de erros aumenta. 7

8 OBSERVAÇÃO Nos três tipos de switches acima somente se aplica quando as portas fonte e destino estão executando na mesma velocidade. Se um switch tem que executar uma conversão de velocidade, que é um caso usual quando estamos utilizando um backbone de alta velocidade, então o switch deve operar em modo Store and Forward. SUPORTE À ENDEREÇOS DE PORTA Adicionalmente as técnicas utilizadas para categorizar os switches, podemos ainda classificar de acordo com o suporte a um único endereço ou multiplos endereços na mesma porta, sendo port-based e segmented-based switching respectivamente. PORT-BASED SWITCHING Um switch hub que trabalha como port-based suporta apenas um endereço por porta. Isto restringe o switch a um único equipamento por porta, entretanto, isto diminui a quantidade de memória no switch e melhora a velocidade de busca na table-lookup quando for executar o roteamento do frame entre as portas. Não existe competição pelo meio físico. Tower System 8

9 SEGMENT-BASED SWITCHING Utilizando a técnica segment-based switching, o switching hub suporta múltiplos endereços por porta. Através deste tipo de swithing, podemos adicionar flexibilidade de rede, como por exemplo, conectar um hub a uma porta do switch. Quando utilizamos esta tecnica, existe competição pelo meio físico. Tower System Ethernet Tower System Ethernet Tower System Na figura acima, quando um node da rede transmite um frame, não existe o processo de switching. Cada frame recebido pela porta de switch, é verificado contra a tabela interna do switch para verificar a necessidade de roteamento, se não houver a necessidade de roteamento, o frame é descartado. Através do segment-based, podemos manter o servidor que atende a rede local, dentro do segmento.quando for necessário acessar o servidor corporativo, o switch encaminha o frame através de um processo de switching de porta. Podemos estabelecer filtros de acesso em cada porta, e assim, permitir que somente algumas estações possam acessar o servidor corporativo. 9

10 ARQUITETURA DE SWITCHING O sistema de switching pode ser considerado como o elemento central da tecnologia de switching. Os sistemas são baseado em microprocessadores RISC, (Reduced Instruction Set Code), ASIC (Aplication Specific Integrated Circuit) e em menor escala os processadores CISC (Complex Instruction Set Code). Os sistemas de switching que utilizam processadores ASIC são desenvolvidos para executarem uma função específica e por isso apresentam um desempenho melhor, porém tendem a ficar obsoleto em um menor período de tempo. Ao contrário, os sistemas que utilizam processadores CISC e RISC, não apresentam um desempenho semelhante a um processador ASIC, mas oferencem a possibilidade de evoluir a tecnologia do processador e com isso podemos presenvar o investimento feito. A maioria dos switches trabalham com processadores do tipo ASIC, por oferecerem um melhor desempenho. 10

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