O princípio de funcionamento dos interruptores
- O switch estabelece o mapeamento entre o endereço MAC de origem e a porta do switch de acordo com o quadro de dados recebido e o grava na tabela de endereços MAC.
- O switch compara o endereço MAC de destino no quadro de dados com a tabela de endereços MAC estabelecida para decidir qual porta irá encaminhá-lo.
- Se o endereço MAC de destino no quadro não estiver na tabela de endereços MAC, ele será encaminhado para todas as portas. Este processo é chamado de inundação.
- Quadros broadcast e quadros multicast são encaminhados para todas as portas.
As três principais funções dos interruptores
Aprendizado: o switch Ethernet aprende o endereço MAC de cada dispositivo conectado à porta e mapeia o endereço para a porta correspondente na tabela de endereços MAC no cache do switch.
Encaminhamento/Filtragem: Quando o endereço de destino de um quadro de dados é mapeado na tabela de endereços MAC, ele é encaminhado para a porta do nó de destino conectado em vez de para todas as portas (ou para todas as portas se o quadro de dados for um broadcast/multicast quadro).
Eliminação de loops: Quando um switch inclui um loop redundante, o switch Ethernet evita a criação de loops através do protocolo Spanning Tree, ao mesmo tempo em que permite a existência de uma rotina de backup.
Características operacionais dos interruptores
- Cada porta do switch está conectada a um segmento que é um domínio de conflito independente.
- Os dispositivos conectados ao switch continuam no mesmo domínio de broadcast, ou seja, o switch não está isolado do broadcast (a única exceção é em um ambiente com VLAN).
- O switch encaminha informações com base no cabeçalho do quadro. Portanto, o switch é um dispositivo de rede que trabalha na camada de enlace de dados (o switch aqui se refere apenas ao dispositivo de comutação tradicional da Camada 2).
Classificação dos interruptores
De acordo com os diferentes modos de operação do switch ao processar quadros, existem duas categorias principais.
- Comutação de armazenar e encaminhar: o switch deve receber o quadro inteiro e executar a verificação de erros antes de encaminhar. Se não houver erros, o quadro é enviado para o endereço de destino. O atraso de encaminhamento do quadro através do switch varia com o comprimento do quadro.
- Cut-through switching: O switch encaminha o quadro assim que verifica o endereço de destino contido no cabeçalho do quadro, sem esperar que o quadro seja recebido em sua totalidade e sem verificação de erros. Como o comprimento do cabeçalho do quadro Ethernet é sempre fixo, o atraso no encaminhamento do quadro pelo switch permanece o mesmo.
Camada 2 vs camada 3 vs switch camada 4
Entendimento 1:
A comutação da camada 2 (também conhecida como ponte) é uma ponte baseada em hardware. Os pacotes são encaminhados com base no endereço MAC exclusivo de cada site final. O alto desempenho da comutação da Camada 2 pode resultar em projetos de rede que aumentam o número de hosts por sub-rede. Ainda tem as características e limitações da ponte.
A comutação da camada 3 é um roteamento baseado em hardware. A principal diferença entre um roteador e um switch de Camada 3 em operações de comutação de pacotes é a implementação física.
A comutação da camada 4 é simplesmente definida como a capacidade de tomar decisões de encaminhamento com base não apenas no MAC (ponte da camada 2) ou nos endereços IP de origem/destino (roteamento da camada 3), mas também nas portas de aplicativos TCP/UDP. Ele permite que a rede diferencie entre aplicativos ao decidir sobre o roteamento. A capacidade de priorizar fluxos de dados com base em aplicativos específicos. Ele fornece uma solução mais granular para as técnicas de qualidade de serviço baseadas em políticas. Fornece uma maneira de diferenciar entre os tipos de aplicativos.
Entendimento 2:
Switch da camada 2: baseado no endereço MAC
Switch de camada 3: fornece a função VLAN para comutação e roteamento. baseado em IP (rede)
Switch de camada 4: baseado em porta (aplicativo)
Entendendo 3:
A tecnologia de comutação da camada 2 evoluiu de pontes para VLAN (Virtual Local Area Network) e tem sido amplamente utilizada na construção e transformação de LAN. A tecnologia de comutação da camada 2 funciona na segunda camada da Open System Interconnection (OSI), ou seja, a camada de enlace de dados. Ele encaminha pacotes de acordo com o endereço MAC de destino dos pacotes recebidos e é transparente para a camada de rede ou protocolos de camada superior. Ele não processa o endereço IP da camada de rede ou o endereço de porta de protocolos de camada superior, como TCP e UDP, apenas precisa do endereço físico do pacote (endereço MAC). A troca de dados é realizada por hardware e sua velocidade é bastante rápida, o que é uma vantagem significativa da comutação da Camada 2. No entanto, ele não pode lidar com a troca de dados entre diferentes sub-redes IP. Os roteadores tradicionais podem lidar com um grande número de pacotes em sub-redes IP, mas sua eficiência de encaminhamento é menor do que a da Camada 2. Portanto, para aproveitar a alta eficiência de encaminhamento da Camada 2 e lidar com pacotes IP da Camada 3, a comutação da Camada 3 nasceu a tecnologia.
O princípio de funcionamento da tecnologia de comutação da camada 3: a comutação da camada 3 funciona na terceira camada do OSI, ou seja, a camada de rede. Ele usa as informações do cabeçalho do pacote IP no protocolo da camada 3 para marcar o tráfego de dados subsequente, e os pacotes subsequentes do tráfego com o mesmo rótulo são comutados para a camada de enlace de dados 2. Dessa forma, um canal pode ser aberto entre o endereço IP original e o endereço IP de destino. Esse caminho passa pela camada de enlace 2. Com esse caminho, o switch da camada 3 não precisa desempacotar os pacotes recebidos toda vez para determinar a rota, mas encaminha diretamente os pacotes e troca o fluxo de dados.
Entendimento 4:
Tecnologia de comutação de camada 2
A tecnologia de comutação da camada 2 está madura. Os switches da camada 2 são dispositivos na camada de enlace de dados. Eles podem identificar endereços MAC em pacotes de dados, encaminhar pacotes de dados com base em endereços MAC e registrar os endereços MAC e as portas correspondentes em uma tabela de endereços internos. O fluxo de trabalho específico é o seguinte:
Quando um switch recebe um pacote de uma porta, ele primeiro lê o endereço MAC de origem no cabeçalho do pacote para saber a qual porta a máquina com o endereço MAC de origem está conectada.
Em seguida, leia o endereço MAC de destino no cabeçalho do pacote e encontre a porta correspondente na tabela de endereços;
Se houver uma porta correspondente ao endereço MAC de destino na tabela, o pacote de dados é copiado diretamente para a porta.
Se nenhuma porta correspondente for encontrada na tabela, o switch transmite o pacote para todas as portas. Quando a máquina de destino responde à máquina de origem, o switch aprende qual porta corresponde ao endereço MAC de destino. Então, o switch não precisa transmitir todas as portas na próxima transmissão de dados.
Neste processo, as informações de endereço MAC de toda a rede podem ser aprendidas. Dessa forma, o switch da Camada 2 estabelece e mantém sua própria tabela de endereços.
O princípio de funcionamento dos switches da Camada 2 pode ser inferido da seguinte forma:
Como o switch troca simultaneamente os dados da maioria das portas, ele requer uma ampla largura de banda do barramento de comutação. Se o switch da Camada 2 tiver N portas, a largura de banda de cada porta for M e a largura de banda do barramento do switch exceder N×M, o switch poderá realizar a comutação wire-speed.
Aprenda o endereço MAC da máquina conectada à porta, escreva na tabela de endereços, o tamanho da tabela de endereços (geralmente duas maneiras: BEFFER RAM, valor de entrada MAC), o tamanho da tabela de endereços afeta a capacidade de acesso do switch .
Outra é que os switches da camada 2 geralmente contêm um chip ASIC (Application Specific Integrated Circuit) usado especialmente para processar o encaminhamento de pacotes, de modo que a velocidade de encaminhamento pode ser muito rápida. Como diferentes fabricantes usam ASIC, isso afeta diretamente o desempenho do produto.
Os três pontos acima também são os principais parâmetros técnicos para julgar o desempenho dos switches das camadas 2 e 3, que por favor preste atenção à comparação ao considerar a seleção do equipamento.
tecnologia de roteamento
O roteador opera na Camada 3 do modelo OSI, a camada de rede, que funciona de maneira semelhante à comutação da Camada 2, mas o roteador funciona na Camada 3. Essa distinção determina que o roteamento e a comutação usam informações de controle diferentes ao passar pacotes e implementar funciona de forma diferente. O princípio de funcionamento é que também existe uma tabela dentro do roteador, e o que essa tabela indica é que se ele está indo para um determinado local, o próximo passo deve ir para lá e se ele pode descobrir na tabela de roteamento para onde o pacote vai em seguida, as informações da camada de enlace são adicionadas e encaminhadas; se não puder saber para onde está indo, o pacote é descartado e uma mensagem é retornada ao endereço de origem.
A tecnologia de roteamento é essencialmente apenas duas funções: determinar a rota ideal e encaminhar pacotes. Várias informações são gravadas na tabela de roteamento, o algoritmo de roteamento calcula o melhor caminho para o endereço de destino e, em seguida, o mecanismo de encaminhamento direto e relativamente simples envia o pacote de dados. O próximo roteador que receber os dados continua encaminhando-os da mesma forma, e assim sucessivamente, até que o pacote chegue ao roteador de destino. A tabela de roteamento é mantida de duas maneiras diferentes. Uma delas é a atualização das informações de roteamento, que divulga parte ou todas as informações de roteamento. Os roteadores podem dominar a estrutura da topologia de toda a rede aprendendo as informações de roteamento uns dos outros. Esse tipo de protocolo de roteamento é chamado de protocolo de roteamento de vetor de distância. A outra é que os roteadores transmitem suas próprias informações de estado de link, aprendem uns com os outros para dominar as informações de roteamento de toda a rede e, em seguida, calculam o melhor caminho de encaminhamento. Esse tipo de protocolo de roteamento é chamado de protocolo de roteamento de estado de link. Como o roteador precisa fazer muitos cálculos de caminho, o desempenho do processador geral é determinado diretamente por sua capacidade de trabalho. Obviamente, esse julgamento ainda é para roteadores de baixo custo, porque os roteadores de alto nível geralmente adotam o design do sistema de processamento distribuído.
Tecnologia de comutação de camada 3
A rede é relativamente simples
Dispositivo A usando IP —- Switch de camada 3 —- Dispositivo B usando IP
Por exemplo, se A deseja enviar dados para B e o IP de destino é conhecido, então A usa a máscara de sub-rede para obter o endereço de rede e determinar se o IP de destino está no mesmo segmento de rede que ele.
Se o usuário estiver no mesmo segmento de rede, mas não souber o endereço MAC necessário para o encaminhamento de dados, o Usuário A enviará uma solicitação ARP. O usuário B retorna seu endereço MAC. O usuário A usa o endereço MAC para encapsular o pacote de dados e enviá-lo ao switch.
Se os endereços IP de destino forem exibidos em diferentes segmentos de rede. Para habilitar a comunicação entre A e B, o primeiro pacote normal é enviado para um gateway padrão se não houver uma entrada de endereço MAC correspondente na entrada do cache de fluxo. Este gateway padrão foi configurado no sistema operacional, correspondendo ao módulo de roteamento da camada 3, para que os dados sejam visíveis para diferentes sub-redes. O endereço MAC do gateway padrão é colocado primeiro na tabela de endereços MAC. Em seguida, o módulo da camada 3 recebe o pacote, consulta a tabela de roteamento para determinar a rota para B e constrói um novo cabeçalho de quadro, no qual o endereço MAC do gateway padrão é o endereço MAC de origem e o do host B é o destino Endereço MAC. A relação correspondente entre os endereços MAC e as portas de encaminhamento dos hosts A e B é estabelecida por meio de um determinado mecanismo de disparo de identificação, e a tabela de entrada do cache de entrada é registrada. Os dados subseqüentes de A para B são transferidos diretamente para o módulo de switch da Camada 2. Isso é comumente chamado de encaminhamento múltiplo de rota.
O acima é um breve resumo do processo de trabalho de um switch de Camada 3, que mostra as características da comutação de Camada 3.
- O encaminhamento de dados em alta velocidade é realizado pela combinação de hardware.
Este não é um simples switch de Camada 2 e roteador sobreposto. Os módulos de roteamento da Camada 3 são sobrepostos diretamente no barramento de backplane de alta velocidade da comutação da Camada 2, ultrapassando o limite de taxa de interface dos roteadores tradicionais, e a taxa pode atingir dezenas de Gbit/s. Juntamente com a largura de banda do backplane, esses são dois parâmetros importantes para o desempenho do switch da Camada 3.
- O software de roteamento simples simplifica o processo de roteamento.
A maior parte do encaminhamento de dados, exceto a seleção de rota necessária que é processada pelo software de roteamento, é encaminhada pelo módulo da camada 2 em alta velocidade. O software de roteamento é mais eficiente e otimizado após o processamento, em vez de simplesmente copiar o software no roteador.
Conclusão:
Os switches da camada 2 são usados em pequenas redes LAN. Em LANs pequenas, os pacotes de transmissão têm pouco impacto. Os switches de camada 2, com sua função de comutação rápida, múltiplas portas de acesso e baixo custo, fornecem uma solução perfeita para pequenos usuários de rede.
As vantagens do roteador são tipos de interface avançados, poderosas funções de Camada 3 e poderosas capacidades de roteamento. É adequado para roteamento entre grandes redes. Suas vantagens estão nas funções de seleção da melhor rota, compartilhamento de carga, backup de enlaces e troca de informações de roteamento com outras redes.
A função mais importante do switch de Camada 3 é acelerar o encaminhamento rápido de dados dentro da grande LAN. A função de roteamento também é adicionada para atender a essa finalidade. Se uma grande rede for dividida em pequenas Lans com base em departamentos, regiões e outros fatores, isso levará a um grande número de acessos à Internet, o que não pode ser realizado simplesmente usando switches da Camada 2. Por exemplo, devido ao número limitado de interfaces e velocidade lenta de roteamento e encaminhamento, a velocidade e a escala da rede serão limitadas se apenas roteadores forem usados. Portanto, os switches da Camada 3 com funções de roteamento e funções de encaminhamento rápido são os preferidos.
De um modo geral, se os switches da Camada 3 forem usados para executar esta tarefa em uma rede com intenso tráfego de dados de Intranet e exigirem encaminhamento e resposta rápidos, os switches da Camada 3 serão sobrecarregados e a velocidade de resposta será afetada. Portanto, é uma boa estratégia de rede atribuir roteadores para completar o roteamento entre redes e aproveitar ao máximo as vantagens de diferentes dispositivos.
Tecnologia de comutação de camada 4
Uma definição simples de comutação da camada 4 é que ela é uma função que determina o transporte com base não apenas nos endereços MAC (pontes da camada 2) ou nos endereços IP de origem/destino (rotas da camada 3), mas também na aplicação TCP/UDP (camada 4). números de porta. As funções de comutação da camada 4 são como IP virtual, apontando para servidores físicos. Ele transmite serviços usando vários protocolos, como HTTP, FTP, NFS, Telnet e outros protocolos. Esses serviços são baseados em servidores físicos e requerem algoritmos complexos de balanceamento de carga.
No mundo IP, o tipo de serviço é determinado pelo endereço da porta TCP ou UDP do terminal. Na comutação da camada 4, o intervalo de aplicação é determinado pelos endereços IP da origem e do terminal e pelas portas TCP e UDP. Na comutação da Camada 4, um endereço IP virtual (VIP) é definido para cada grupo de servidores de pesquisa. Cada grupo de servidores oferece suporte a determinados aplicativos. Cada endereço de servidor de aplicativos armazenado no servidor de nome de domínio (DNS) é um VIP, não um endereço de servidor real. Quando um usuário se inscreve para um aplicativo, uma solicitação de conexão VIP (por exemplo, um pacote TCP SYN) com um grupo de servidores de destino é enviada ao switch do servidor. O switch de servidor seleciona o melhor servidor do grupo, substitui o VIP no endereço do terminal pelo endereço IP do servidor real e envia a solicitação de conexão ao servidor. Desta forma, todos os pacotes no mesmo intervalo são mapeados pelo switch servidor e transmitidos entre o usuário e o mesmo servidor.
O Princípio da Comutação da Quarta Camada:
A quarta camada do modelo OSI é a camada de transporte. A camada de transporte é responsável pela comunicação de ponta a ponta, ou seja, coordenar a comunicação entre a origem da rede e os sistemas de destino. Na pilha de protocolos IP, esta é a camada de protocolo onde residem o TCP (um protocolo de transporte) e o UDP (User Packet Protocol). Na camada 4, os cabeçalhos TCP e UDP contêm números de porta que distinguem exclusivamente quais protocolos de aplicativo (como HTTP, FTP etc.) cada pacote contém. Os sistemas de endpoint usam essas informações para distinguir dados em pacotes e, em particular, o número da porta permite que um sistema de computador receptor determine o tipo de pacote IP que recebeu e o entregue ao software de alto nível apropriado. A combinação de um número de porta e um endereço IP do dispositivo geralmente é chamada de soquete. Os números de porta entre 1 e 255 são reservados. Elas são chamadas de portas “familiares”, ou seja, são as mesmas em todas as implementações de host da pilha TCP/IP. Os serviços UNIX padrão recebem números de porta que variam de 256 a 1024, com exceção do número de porta “familiar”. Os aplicativos personalizados recebem números de porta acima de 1024. A lista mais recente de números de porta atribuídos pode ser encontrada em RFc1700 “Números atribuídos”. O número da porta TCP/UDP fornece informações adicionais que podem ser utilizadas pelo switch de rede, que é a base da comutação da Camada 4.
Exemplos de números de porta familiares são:
Número da porta do protocolo do aplicativo
FTP 20 (Dados), 21 (Controle)
TELNET 23
SMTP25
HTTP 80
NNTP119
NNMP 16 162 (armadilhas SNMP)
O número da porta TCP/UDP fornece informações adicionais que podem ser utilizadas pelo switch de rede, que é a base da comutação da Camada 4. Um switch de Camada 4 pode atuar como um front-end de “IP virtual” (VIP) para um servidor. Configure um endereço VIP para cada servidor e grupos de servidores que suportam aplicativos únicos ou genéricos. O endereço VIP é enviado e registrado no sistema de nome de domínio. Ao fazer uma solicitação de serviço, o switch da Camada 4 reconhece o início de uma sessão determinando o início do TCP. Em seguida, ele usa algoritmos complexos para determinar o melhor servidor para lidar com a solicitação. Uma vez tomada esta decisão, o switch será associado a um endereço IP específico, substituindo o endereço VIP no servidor pelo endereço IP real do servidor. Cada switch da Camada 4 contém uma tabela de conexão associada ao endereço IP de origem e à porta TCP de origem que corresponde ao servidor selecionado. O switch da Camada 4 encaminha a solicitação de conexão para esse servidor. Todos os pacotes subseqüentes são remapeados e encaminhados entre o cliente e o servidor até que o switch descubra a sessão. No caso da comutação da Camada 4, o acesso pode ser vinculado a servidores reais para atender às regras especificadas pelo usuário, como ter uma quantidade igual de acesso em cada servidor ou alocar o tráfego de acordo com a capacidade de diferentes servidores.