Encaminhamento de quadros
Encaminhamento de quadros

Encaminhamento de Quadros

Mudança na rede

O conceito de comutação e encaminhamento de quadros é universal em redes e telecomunicações. Vários tipos de switches são usados ​​em LANs, WANs e na rede telefônica pública comutada (PSTN).

A decisão sobre como um switch encaminha o tráfego é feita com base no fluxo desse tráfego. Existem dois termos associados aos frames que entram e saem de uma interface:

  • Ingress – É usado para descrever a porta por onde um quadro entra no dispositivo.
  • Egress – É usado para descrever a porta que os frames usarão ao deixar o dispositivo.

Um switch LAN mantém uma tabela que é referenciada ao encaminhar o tráfego através do switch. A única inteligência de um switch LAN é sua capacidade de usar sua tabela para encaminhar o tráfego. Um switch LAN encaminha o tráfego com base na porta de entrada e no endereço MAC de destino de um quadro Ethernet. Com um switch LAN, há apenas uma tabela de switch master que descreve uma associação estrita entre endereços MAC e portas; portanto, um quadro Ethernet com um determinado endereço de destino sempre sai da mesma porta de saída, independentemente da porta de ingresso em que entra.

Nota: Um quadro Ethernet nunca será encaminhado pela mesma porta em que foi recebido.

Clique em Reproduzir para ver uma animação do processo de troca.

Processo de troca

A tabela de endereços MAC do switch

Um switch é composto de circuitos integrados e o software que o acompanha que controla os caminhos de dados através do switch. Os switches usam endereços MAC de destino para direcionar as comunicações de rede através do switch, pela porta apropriada, em direção ao destino.

Para que um switch saiba qual porta usar para transmitir um quadro, ele deve primeiro aprender quais dispositivos existem em cada porta. À medida que o switch aprende a relação das portas com os dispositivos, ele constrói uma tabela chamada tabela de endereços MAC. Esta tabela é armazenada na memória endereçável de conteúdo (CAM), que é um tipo especial de memória usado em aplicativos de pesquisa de alta velocidade. Por esse motivo, a tabela de endereços MAC às vezes também é chamada de tabela CAM.

Os switches LAN determinam como lidar com os quadros de dados recebidos, mantendo a tabela de endereços MAC. Um switch preenche sua tabela de endereços MAC registrando o endereço MAC de origem de cada dispositivo conectado a cada uma de suas portas. O switch faz referência às informações na tabela de endereços MAC para enviar frames destinados a um dispositivo específico para fora da porta que foi atribuída a esse dispositivo.

O Método Switch Aprender e Encaminhar

O seguinte processo de duas etapas é executado em cada quadro Ethernet que entra em um switch.

Etapa 1. Aprenda – Examinando o endereço MAC de origem

Cada quadro que entra em um switch é verificado para novas informações a serem aprendidas. Ele faz isso examinando o endereço MAC de origem do quadro e o número da porta onde o quadro entrou no switch:

  • Se o endereço MAC de origem não existir na tabela de endereços MAC, o endereço MAC e o número da porta de entrada serão adicionados à tabela.
  • Se o endereço MAC de origem existir, o switch atualizará o cronômetro de atualização para essa entrada. Por padrão, a maioria dos switches Ethernet mantém uma entrada na tabela por cinco minutos. Se o endereço MAC de origem não existir na tabela, mas em uma porta diferente, o switch tratará isso como uma nova entrada. A entrada é substituída usando o mesmo endereço MAC, mas com o número de porta mais atual.

Etapa 2. Avançar – Examinando o endereço MAC de destino

Se o endereço MAC de destino for um endereço unicast, o switch procurará uma correspondência entre o endereço MAC de destino do quadro e uma entrada em sua tabela de endereços MAC:

  • Se o endereço MAC de destino estiver na tabela, ele encaminhará o quadro para fora da porta especificada.
  • Se o endereço MAC de destino não estiver na tabela, o switch encaminhará o quadro por todas as portas, exceto pela porta de entrada. Isso é chamado de unicast desconhecido. Se o endereço MAC de destino for um broadcast ou multicast, o quadro também inundará todas as portas, exceto a porta de entrada.

Alternando Métodos de Encaminhamento

Os switches tomam decisões de encaminhamento da Camada 2 muito rapidamente. Isso ocorre por causa do software em circuitos integrados de aplicativos específicos (ASICs). Os ASICs reduzem o tempo de tratamento de quadros dentro do dispositivo e permitem que o dispositivo gerencie um número maior de quadros sem degradar o desempenho.

Os switches da Camada 2 usam um de dois métodos para alternar quadros:

  • Comutação armazenar e encaminhar – Este método toma uma decisão de encaminhamento em um quadro depois que ele recebe o quadro inteiro e verifica se há erros no quadro, usando um mecanismo de verificação de erros matemático conhecido como verificação de redundância cíclica (CRC). A comutação armazenar e encaminhar é o principal método de comutação de LAN da Cisco.
  • Comutação direta – Este método inicia o processo de encaminhamento após o endereço MAC de destino de um quadro de entrada e a porta de saída terem sido determinados.

Comutação Store-and-Forward

A comutação store-and-forward, distinta da comutação cut-through, tem as seguintes duas características principais:

  • Verificação de erros – Depois de receber o quadro inteiro na porta de ingresso, o switch compara o valor da sequência de verificação de quadro (FCS) no último campo do datagrama com seus próprios cálculos de FCS. O FCS é um processo de verificação de erros que ajuda a garantir que o quadro esteja livre de erros físicos e de link de dados. Se o quadro estiver livre de erros, o switch encaminha o quadro. Caso contrário, o quadro é descartado.
  • Buffer automático – O processo de buffer de porta de entrada usado por switches store-and-forward fornece a flexibilidade para suportar qualquer combinação de velocidades Ethernet. Por exemplo, lidar com um quadro de entrada que viaja para uma porta Ethernet de 100 Mbps que deve ser enviado por uma interface de 1 Gbps exigiria o uso do método armazenar e encaminhar. Com qualquer incompatibilidade de velocidades entre as portas de entrada e saída, o switch armazena todo o quadro em um buffer, calcula a verificação do FCS, encaminha para o buffer da porta de saída e o envia.

A figura ilustra como armazenar e encaminhar toma uma decisão com base no quadro Ethernet.

Comutação Store-and-Forward

Comutação Cut-Through

O método de comutação armazenar e encaminhar descarta os quadros que não passam na verificação do FCS. Portanto, ele não encaminha quadros inválidos.

Em contraste, o método de comutação cut-through pode encaminhar frames inválidos porque nenhuma verificação FCS é executada. No entanto, a comutação direta tem a capacidade de realizar a comutação rápida de quadros. Isso significa que o switch pode tomar uma decisão de encaminhamento assim que procurar o endereço MAC de destino do quadro em sua tabela de endereços MAC, conforme mostrado na figura.

Comutação Cut-Through

O switch não precisa esperar que o resto do quadro entre na porta de ingresso antes de tomar sua decisão de encaminhamento.

A comutação sem fragmentos é uma forma modificada de comutação direta na qual o switch só começa a encaminhar o quadro depois de ler o campo Tipo. A comutação sem fragmentos fornece uma verificação de erros melhor do que o cut-through, com praticamente nenhum aumento na latência.

A velocidade de latência mais baixa do switch cut-through o torna mais apropriado para aplicativos de computação de alto desempenho (HPC) extremamente exigentes que exigem latências de processo a processo de 10 microssegundos ou menos.

O método de comutação cut-through pode encaminhar frames com erros. Se houver uma alta taxa de erros (quadros inválidos) na rede, a comutação direta pode ter um impacto negativo na largura de banda, obstruindo assim a largura de banda com quadros danificados e inválidos.

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