Como funcionam os switches LAN (rede de comunicação local)

Como funcionam os switches LAN (rede de comunicação local)
por Jeff Tyson - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Introdução

Se você já leu outros artigos sobre redes ou Internet, já conhece o funcionamento básico de uma rede, que depende de:

• nós (computadores)
• um meio de conexão (com ou sem fios)
• equipamento de rede especializado, como roteadores ou hubs.

Na Internet, todas estas peças trabalham conjuntamente para permitir que o seu computador envie informações para outros computadores que podem estar do outro lado do mundo!

Os switches, também conhecidos como comutadores, são peças fundamentais de muitas redes porque agilizam as coisas. Os switches permitem que diferentes nós (um ponto de conexão da rede, geralmente um computador) de uma rede se comuniquem diretamente uns com os outros de maneira simples e eficaz.

Imagem cedida Cisco Systems, Inc. Ilustração de um switch Cisco Catalyst

Existem vários tipos diferentes de switches e redes. Os switches que fornecem uma conexão independente para cada nó em uma rede interna de uma empresa são chamados switches LAN. Um switch LAN cria uma série de redes instantâneas que contêm apenas 2 dispositivos se comunicando em um determinado momento. Neste artigo, vamos falar sobre as redes Ethernet que usam estes switches LAN. Você vai aprender o que é um switch LAN e como funcionam o aprendizado automático, as VLANs (redes locais virtuais), o trunking e spanning tree.

Básico sobre as redes

Abaixo veremos os componentes básicos de uma rede.

• Rede - grupo de computadores conectados que trocam informações entre si.
  
  
  
• Nó - qualquer coisa que está conectada à rede. Geralmente, um nó é um computador, mas também pode ser uma impressora ou uma torre de CD-ROM.
  
  
  
• Segmento - qualquer porção da rede separada por um switch, ponte ou roteador.
  
  
  
• Backbone - cabeamento principal de uma rede, sendo que todos os segmentos se conectam a ele. Geralmente, o backbone é capaz de carregar mais informações do que os segmentos individuais. Por exemplo, cada segmento pode ter uma taxa de transferência de 10 Mbps (megabits por segundo), enquanto o backbone opera a 100 Mbps.
  
  
  
• Topologia - maneira como cada nó se conecta fisicamente à rede (mais informações na próxima seção).
  
  
  
• Rede local (LAN) - rede de computadores que geralmente estão em um mesmo local, que pode ser um prédio ou um campus de universidade. Se os computadores estiverem muito distante um do outro (em bairros ou cidades diferentes), uma rede de longa distância (WAN) é utilizada.
  
  
  
• Placa de interface de rede - cada computador (e a maioria dos outros dispositivos) se conecta à rede através de uma placa de rede. A maioria dos computadores de mesa utiliza uma placa Ethernet(normalmente de 10 ou 100 Mbps) conectada a um slot da placa-mãe do computador.
  
  
  
• Endereço MAC (Media Access Control) - este é o endereço físico de qualquer dispositivo (como uma placa de rede em um computador) na rede. O endereço MAC, formado por 2 partes iguais, tem 6 bytes de comprimento. Os primeiros 3 bytes identificam a empresa que fabricou a placa de rede. Os 3 bytes seguintes representam o número de série da placa de rede.
  
  
  
• Unicast - transmissão de um nó endereçado, especificamente, para outro nó.
  
  
  
• Multicast - em multicast, um nó envia um pacote endereçado a um grupo especial de endereços. Os dispositivos interessados neste grupo podem se registrar para receber os pacotes endereçados ao grupo. Um exemplo pode ser um roteador Cisco (em inglês) que envia uma atualização para todos os outros roteadores Cisco.
  
  
  
• Broadcast - em uma transmissão broadcast, um nó envia um pacote endereçado a todos os outros nós da rede.

Na próxima seção vamos discutir as topologias mais comuns das redes.

Topologias de rede

Veja abaixo algumas das topologias mais utilizadas.

• Barramento - cada nó é ligado em "série" (um nó é conectado atrás do outro) em um mesmo backbone, de forma semelhante às luzinhas de natal. As informações enviadas por um nó trafegam pelo backbone até chegar ao nó de destino. Cada extremidade de uma rede de barramento deve serterminada por um resistor para evitar que o sinal enviado por um nó através da rede volte quando chegar ao fim do cabo.

Topologia da rede de barramento

• Anel - como uma rede de barramento, os anéis também têm nós ligados em série. A diferença é que a extremidade da rede volta para o primeiro nó e cria um circuito completo. Em uma rede em anel, cada nó tem sus vez para enviar e receber informações através de um token (ficha). O token, junto com quaisquer informações, é enviado do primeiro para o segundo nó, que extrai as informações endereçadas a ele e adiciona quaisquer informações que deseja enviar. Depois, o segundo nó passa o token e as informações para o terceiro nó e assim por diante, até chegar novamente ao primeiro nó. Somente o nó com o token pode enviar informações. Todos os outros nós devem esperar o token chegar.

Topologia de rede em anel

• Estrela - em uma rede em estrela, cada nó se conecta a um dispositivo central chamado hub. O hub obtém um sinal que vem de qualquer nó e o passa adiante para todos os outros nós da rede. Um hub não faz nenhum tipo de roteamento ou filtragem de dados. Ele simplesmente une os diferentes nós.

Topologia de rede em estrela

• Barramento em estrela - provavelmente a topologia de rede mais utilizada hoje. A rede de barramento em estrela combina elementos da topologia em barramento e da topologia em estrela para criar um ambiente de rede versátil. Os nós em determinadas áreas se conectam aos hubs (criando estrelas) e os hubs se conectam uns aos outros ao longo do backbone da rede (como uma rede de barramento). É comum observar redes em estrela dentro de outras redes em estrela, como no exemplo abaixo:

Topologia de rede em estrela

O problema: tráfego

No tipo mais básico de rede encontrada hoje, os nós são conectados simplesmente através de hubs. À medida que a rede cresce, surgem alguns problemas com esta configuração.

• Escalabilidade - em uma rede em hub, a largura de banda compartilhada limitada dificulta seu crescimento significativo sem sacrificar o desempenho. Os aplicativos modernos também precisam de mais banda do que nunca. Neste caso, a rede inteira precisa ser redesenhada, periodicamente, para acomodar o crescimento.
  
  
  
• Latência - é a quantidade de tempo que um pacote leva para chegar ao destino. Já que cada nó de uma rede baseada em hub precisa esperar uma oportunidade para transmitir e evitar colisões, a latência aumenta significativamente quando você adiciona mais nós. Se alguém estiver enviando um arquivo grande pela rede, todos os outros nós terão de esperar uma oportunidade para enviar seus próprios pacotes. Você já deve ter vivenciado isso no trabalho. Você tenta acessar um servidor ou a Internet e, de repente, tudo fica muito lento.
  
  
  
• Falha de rede - em uma rede típica, um dispositivo conectado a um hub pode causar problemas em outros dispositivos conectados a este mesmo hub devido a configurações incorretas de velocidade (por exemplo, 100 Mbps em um hub de 10 Mbps) ou excesso de transmissões broadcast. Os switches podem ser configurados para limitar os níveis de broadcast.
  
  
  
• Colisões - a Ethernet utiliza um processo chamado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - Múltiplo Acesso com Verificação de Presença de Portadora e Detecção de Colisão) para se comunicar através da rede. Sob o CSMA/CD, um nó só envia um pacote de dados quando não existe tráfego na rede. Se 2 nós enviarem pacotes ao mesmo tempo, uma colisão ocorre e os pacotes são perdidos. Quando isto acontece, os 2 nós esperam por um tempo aleatório e depois retransmitem os pacotes. Um domínio de colisão é uma parte da rede onde os pacotes de 2 ou mais nós podem colidir. Uma rede com mais nós em um mesmo segmento sempre vai ter uma grande quantidade de colisões e, portanto, um domínio de colisão maior.

Os hubs são uma maneira fácil de encurtar as distâncias percorridas pelos pacotes de um nó para o outro. Mas, não quebram a rede em segmentos menores. Esta é a função dos switches. Na próxima seção, você vai descobrir como os switches direcionam o tráfego da rede.

A solução: adicionando switches

Pense em um hub como um cruzamento em que todos têm de parar. Se mais de um carro chegar ao cruzamento ao mesmo tempo, ele vai ter de esperar a sua vez para poder seguir adiante.

Imagine que cada veículo é um pacote de dados que espera uma oportunidade para continuar sua viagem

Imagine agora como deveria ser uma dezena ou até centenas de estradas cruzando em um único ponto. O tempo de espera e as possibilidades de colisão aumentariam significativamente. Mas não seria fantástico se você pudesse escolher uma rampa de saída de cada uma dessas estradas para o caminho que você deseja seguir? É exatamente isso que um switch faz para o tráfego da rede. Um switch funciona como um trevo. Cada carro pode pegar uma rampa de saída para chegar ao seu destino sem ter de esperar pelo trânsito.

A principal diferença entre um hub e um switch é que todos os nós conectados a um hub dividem a banda, enquanto um dispositivo conectado a um switch tem toda a disponibilidade da banda para si. Por exemplo, se 10 nós estão se comunicando através de um hub numa rede de 10 Mbps, cada nó pode usar somente uma porção desse 10 Mbps se os outros nós estiverem se comunicando também. Mas se fosse utilizado um switch, cada nó poderia se comunicar utilizando a velocidade máxima de 10 Mbps. Compare com a analogia da estrada. Se todo o tráfego vai para o mesmo cruzamento, então cada carro vai ter de dividir aquele mesmo cruzamento com todos os outros carros. Mas um trevo permite que todo o tráfego escoe facilmente de uma estrada para a outra.

Redes totalmente comutadas

Em uma rede totalmente comutada, os switches substituem todos os hubs numa rede ethernet por um segmento dedicado para cada nó. Estes segmentos se conectam a um switch que suporta múltiplos segmentos dedicados (às vezes, centenas destes segmentos). Como os únicos dispositivos em cada segmento são o switch e o nó, o switch intercepta todas as transmissões antes que elas cheguem ao próximo nó. O switch então encaminha o frame para o segmento apropriado. Como cada segmento contém um único nó, o frame só chega ao destinatário desejado. Este procedimento permite múltiplas conversações numa rede comutada.

Imagem cedida Cisco Networks Um exemplo de rede que utiliza um switch

Ao utilizar switches, uma rede ethernet se torna full-duplex. Antes do switch, a ethernet era half-duplex. Isso significa que os dados só podiam ser transmitidos em uma direção de cada vez. Numa rede totalmente comutada, os nós só se comunicam com o switch e não diretamente com outros nós. As informações podem viajar de um nó para um switch e de um switch para um nó simultaneamente.

As redes comutadas utilizam cabeamento de par trançado ou de fibra ótica. Ambos utilizam condutores independentes para enviar e receber dados. Neste tipo de ambiente, os nós ethernet podem esquecer o processo de detecção de colisão e transmitir à vontade, já que são os únicos dispositivos que podem acessar o meio. Em outras palavras, o fluxo de tráfego tem uma pista para cada direção. Isto permite que os nós transmitam para o switch enquanto o switch transmite para eles. É um ambiente livre de colisões. A transmissão em ambas as direções pode dobrar a velocidade aparente da rede quando 2 nós estão trocando informações. Se a velocidade da rede for de 10 Mbps, então cada nó pode transmitir, simultaneamente, a 10 Mbps.

Redes mistas

A maioria das redes não é 100% comutada devido aos custos de substituição dos hubs pelos switches.

Uma rede mista com 2 switches e 3 hubs

Geralmente, uma combinação de switches e hubs é utilizada para criar uma rede eficiente e barata. Por exemplo, uma empresa pode ter hubs conectando os computadores em cada departamento e um switch conectando os hubs de cada departamento.

Roteadores e switches

Como você pode ver, um switch pode mudar radicalmente a maneira como os nós se comunicam uns com os outros. Mas qual a diferença do switch para o roteador? Os switches geralmente utilizam a Camada 2 (camada de enlace de dados) do modelo de referência OSI, utilizando endereços MAC, enquanto os roteadores trabalham na Camada 3 (Rede) com endereços da camada 3 - IP, IPX ou Appletalk, dependendo do protocolo da camada 3 (em inglês) utilizado. O algoritmo que os switches usam para decidir como encaminhar os pacotes é diferente dos algoritmos utilizados pelos roteadores.

Uma das diferenças destes algoritmos é a maneira como os endereços broadcast são tratados. Um pacote broadcast é vital para a operacionalidade de qualquer rede. Quando um dispositivo precisa enviar informações, mas não sabe para quem deve enviá-las, ele envia um broadcast. Por exemplo, toda vez que um novo computador ou outro dispositivo chega à rede, ele envia um pacote broadcast para anunciar sua presença. Os outros nós (como o servidor de nomes de domínio) podem adicionar o computador à sua lista de endereços e se comunicar diretamente com esse computador a partir deste momento. Os broadcasts são utilizados sempre que um dispositivo precisa fazer um comunicado para o resto da rede ou quando não tem certeza do destinatário das informações.

O modelo de referência OSI consiste em 7 camadas que vão do cabo (camada física) até o software (camada da aplicação)

Um hub ou switch, ao contrário de um roteador, deixa passar qualquer pacote broadcast que recebe para todos os outros segmentos do domínio broadcast. Pense novamente no exemplo do cruzamento. Todo o tráfego passa pelo cruzamento, não importa o destino. Agora imagine que este cruzamento está situado em uma fronteira. Para passar pelo cruzamento, você deve informar ao fiscal o endereço específico para onde está indo. Se você não souber o endereço específico, o fiscal não vai deixar você passar. Um roteador funciona desta maneira. Sem um endereço específico de outro dispositivo, ele não permite que o pacote de dados passe. Isso é bom para separar redes, mas não tão prático quando você quer que partes diferentes da mesma rede conversem. É aí que entram os switches.

Comutação de pacotes

Os switches LAN funcionam através da comutação de pacotes. O switch estabelece uma conexão entre dois segmentos por um tempo suficiente para enviar o pacote atual. Os pacotes recebidos (que são parte de umframe ethernet) são armazenados em uma memória temporária (buffer). O endereço MAC contido nocabeçalho do frame é lido e comparado com a lista de endereços mantida pelo switch. Em uma LAN Ethernet, um frame Ethernet contém um pacote normal que são os dados do frame e um cabeçalho especial que contém a informação do endereço MAC do remetente e do destinatário do pacote.

Switches de comutação de pacotes utilizam 1 dos 3 métodos a seguir para rotear o tráfego:

• corte de caminho (cut-through)
• armazena e passa adiante (store-and-foward)
• livre de fragmentos(fragment-free)

Os switches cut-through lêem o endereço MAC assim que o pacote é detectado pelo switch. Após armazenar os 6 bytes que contêm as informações sobre o endereço, eles imediatamente começam a mandar o pacote para o nó de destino, mesmo se o restante do pacote ainda estiver chegando ao switch.

Um switch que utiliza o método store-and-forward salva o pacote completo em um buffer e verifica se existem erros CRC ou outros problemas antes de transmiti-lo. Se o pacote contiver um erro, ele é descartado. Se não existir erro, o switch verifica o endereço MAC e envia o pacote para o nó de destino. Muitos switches combinam os dois métodos. O método cut-through é utilizado até alcançar um certo nível de erro e depois o switch muda para store-and-forward. Poucos switches utilizam somente cut-through, já que este método não corrige erros.

Um método menos comum é o fragment-free. Ele funciona como um cut-through, mas armazena os primeiros 64 bytes do pacote antes de enviá-lo. O motivo é que a maioria dos erros e todas as colisões acontecem nos 64 bytes iniciais de um pacote.

Configurações de switches

Os switches LAN variam quanto ao seu projeto. Atualmente, existem três configurações populares.

• Memória compartilhada - este tipo de switch armazena todos os pacotes recebidos em um buffer comum, compartilhado por todas as portas de switch (conexão de entrada/saída), e depois envia os pacotes pela porta correta para o nó de destino.
• Matrix - este tipo de switch tem uma grade interna com as portas de entrada e saída que se cruzam entre si. Quando o pacote é detectado numa porta de entrada, o endereço MAC é comparado com a lista de endereços para localizar a porta de saída apropriada. O switch então faz uma conexão na grade onde estas duas portas se encontram.
• Arquitetura de barramento - em vez de uma grade, um caminho interno de transmissão (barramento comum) é compartilhado por todas as portas utilizando o TDMA. Um switch com essa configuração tem um buffer dedicado para cada porta, assim como um ASIC para controlar o acesso ao barramento interno.

Pontes transparentes

Aprendizagem automática

A maioria dos switches LAN Ethernet utiliza um sistema muito interessante, chamado aprendizagem automática para criar as suas listas de endereços. Essa é uma tecnologia que permite que o switch aprenda tudo sobre a localização dos nós de uma rede sem que o administrador da rede tenha de fazer qualquer coisa. A aprendizagem automática está dividida em cinco partes:

• aprendizado
• flooding
• filtragem
• encaminhamento
• envelhecimento

Veja como funciona: 

 Apresentação em flash

Clique  nos termos do menu para aprender mais sobre as pontes transparentes

Pontes transparentes: o processo

Aqui está uma descrição passo-a-passo das pontes transparentes.

• O switch é adicionado à rede e vários segmentos são ligados às portas do switch.
• Um computador (nó A) no primeiro segmento (segmento A) envia dados para um computador (nó B) em outro segmento (segmento C).
• O switch pega o primeiro pacote de dados do nó A, seu endereço MAC e o salva na lista de endereços do segmento A. O switch agora sabe onde achar o nó A toda vez que um pacote de dados for endereçado para ele. Este processo é chamado de aprendizado (learning).
• Já que o switch não sabe onde está o nó B, ele envia o pacote para todos os segmentos, com exceção do segmento A. O processo de enviar um pacote para todos os segmentos para encontrar um nó específico é conhecido como flooding.
• O nó B pega o pacote e envia-o novamente para o nó A para avisá-lo que o pacote foi recebido.
• O pacote do nó B chega ao switch. Agora o switch pode adicionar o endereço MAC do nó B à lista de endereços do segmento C. Como o switch já sabe o endereço do nó A, ele envia o pacote diretamente para ele. O nó A está num segmento diferente do nó B, por isso o switch deve conectar os dois segmentos para enviar o pacote. Isto é conhecido como encaminhamento (forwarding).
• Um novo pacote do nó A para o nó B chega ao switch. O switch agora sabe onde está o nó B, então direciona o pacote diretamente para o nó B.
• O nó C envia informação para que o switch localize o nó A. O switch consulta o endereço MAC do nó C e o adiciona à lista de endereços do segmento A. O switch já sabe o endereço do nó A e entende que os 2 nós estão no mesmo segmento. Então, ele não precisa conectar o segmento A a outro segmento para que os dados viajem do nó C para o nó A. Portanto, o switch vai ignorar os pacotes que viajam entres nós de um mesmo segmento. Isto é a filtragem (filtering).
• Os processos de aprendizado e flooding continuam até que todos os nós estejam armazenados nas listas de endereços. A maioria dos switches tem muita memória disponível para administrar estas listas de endereços. Entretanto, para otimizar o uso da memória, eles removem informações antigas para que o switch não perca tempo com endereços obsoletos. Para fazer isso, eles utilizam uma técnica chamada envelhecimento. Quando uma nova informação é adicionada à lista de endereços, o switch atribui uma data e hora ao endereço. Toda vez que um pacote é enviado para um nó, a data e a hora são atualizadas. O switch tem um timer configurável que apaga o endereço depois de um certo tempo de inatividade daquele nó, que libera a memória para a inclusão de outros endereços. Como você pode ver, uma ponte transparente é uma maneira fácil e prática de adicionar e gerenciar todas as informações que um switch precisa para realizar o seu trabalho.

No nosso exemplo, 2 nós estavam no segmento A, enquanto o switch criava segmentos independentes para os nós B e D. Em uma rede comutada ideal, cada nó deve ter o seu próprio segmento. Isto eliminaria a possibilidade de colisões e também a necessidade da filtragem.

Redundância

Quando falamos anteriormente sobre as redes de barramento e as redes em anel, uma questão levantada foi a possibilidade de um ponto único de falha. Numa rede em estrela, o ponto de erro mais comum é o switch ou hub. Veja este exemplo:

Neste exemplo, se o switch A ou C falhar, os nós conectados a este switch são afetados, mas os nós nos outros dois switches ainda podem se comunicar. Entretanto, se o switch B falha, toda a rede cai. Mas e se adicionarmos outro segmento à rede que conecte os switches A e C?

Neste caso, mesmo que um dos switches falhe, a rede continuará funcionando. Isto gera redundância, o que efetivamente elimina o ponto único de falha.

Mas agora temos um novo problema.

Congestionamento broadcast

Na última seção, você descobriu como os switches aprendem a localizar os nós. Com todos os switches conectados em loop, um pacote vindo de um nó poderia passar por um switch através de 2 segmentos diferentes. Por exemplo, imagine que o nó B está conectado ao switch A e precisa se comunicar com o nó A no segmento B. O switch A não sabe onde o nó A está, então ele faz uma transmissão broadcast do pacote.

O pacote viaja pelo segmento A ou C para outros dois switches (B e C). O switch B vai adicionar o nó B à lista de endereços do segmento A, enquanto o switch C vai adicioná-lo à lista de endereços do segmento C. Se nenhum switch aprendeu o endereço do nó A, eles vão fazer uma varredura no segmento B procurando pelo nó A. Cada switch vai pegar o pacote enviado pelo outro switch e enviá-lo de volta imediatamente, já que eles não sabem onde está o nó A. O switch A vai receber o pacote de cada segmento e enviá-lo de volta para outro segmento. Isto gera um congestionamento broadcast. Os pacotes broadcast são recebidos e retransmitidos por cada switch, o que causa um congestionamento severo na rede.

Isto nos leva às spanning trees.

Spanning trees (árvores de abrangência)

Para prevenir os congestionamentos broadcast e outros efeitos colaterais indesejados das ligações em loop, a empresa Digital Equipment Corporation criou o protocolo spanning tree (STP), que foi padronizado como a especificação 802.1d pelo IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers - Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (em inglês). Um protocolo spanning tree utiliza um algoritmo spanning tree (STA), que percebe que o switch tem mais de uma maneira de se comunicar com um nó. Este protocolo determina o melhor caminho e bloqueia os outros. Outra vantagem é que ele memoriza os outros caminhos, caso o caminho principal esteja indisponível.

Veja abaixo de que maneira funciona o STP.

• Cada switch administra um grupo de IDs, um para o próprio switch e um para cada porta do switch. O identificador do switch, chamado de ID de ponte (BID), tem 8 bytes que contêm a prioridade da ponte (2 bytes) junto com um dos endereços MAC do switch (6 bytes). Cada ID de porta tem 16 bits formados por duas partes: uma configuração de prioridade de 6 bits e um número de porta de 10 bits.
  
  
  
• Um valor de custo de caminho é atribuído a cada porta. O custo é baseado num guia estabelecido pelo padrão 802.1d. De acordo com a especificação original, o custo é de 1 mil Mbps (1 gigabit por segundo) dividido pela largura de banda do segmento conectado à porta. Portanto, uma conexão de 10 Mbps teria um custo de (1.000/10) 100.
  
  
  
  Para compensar as velocidades de redes que ultrapassam a velocidade de um gigabit, o custo padrão foi levemente modificado. Os novos valores são:

  Largura de banda	Custo do STP
  4 Mbps	250
  10 Mbps	100
  16 Mbps	62
  45 Mbps	39
  100 Mbps	19
  155 Mbps	14
  622 Mbps	6
  1 Gbps	4
  10 Gbps	2

  Também é possível que o administrador da rede atribua um valor arbitrário ao custo de caminho, em vez de usar um dos valores padrão.
• cada switch inicia um processo de exploração para descobrir qual caminho de rede ele deve usar para cada segmento. Essa informação é compartilhada com todos os switches através de uma rede especial de frames conhecida como BPDU (bridge protocol data units - unidades de dados de protocolo de ponte). 
  
  
  
  • BID raiz. Este é o BID da ponte raiz atual.
  • Custo de caminho para a ponte raiz. Determina o quão longe está a ponte raiz. Por exemplo, se os dados trafegam por três segmentos de 100 Mbps para chegar à ponte raiz, o custo é de (19 + 19 + 0) 38. O segmento conectado à ponte raiz normalmente tem um custo de caminho igual a zero.
  • BID remetente. Este é o BID que o switch envia para o BPDU.
  • ID de porta. Esta é a porta real no switch da qual as informações BPDU foram enviadas.
  Todos os switches estão constantemente enviando BPDUs uns para os outros, tentando determinar o melhor caminho entre os vários segmentos. Quando um switch recebe um BPDU (de outro switch) que é melhor do que ele está transmitindo na direção oposta, o switch pára de enviar BPDU para este segmento. Em vez disso, ele armazenará o BPDU do outro switch como referência e para fazer a difusão para segmentos inferiores, como aqueles que estão mais distantes da ponte raiz.
• uma ponte raiz é escolhida com base nos resultados dos processos BPDU entre os switches. Inicialmente, cada switch se considera uma ponte raiz. Quando um switch é conectado à rede, ele envia um BPDU com o seu próprio BID com BID raiz. Quando os outros switches recebem o BPDU, eles comparam este BID com os outros BIDs armazenados como BID raiz. Se o novo BID raiz tiver um valor mais baixo, eles substituem o BID armazenado. Mas se o BID raiz armazenado for menor, um BPDU é enviado para o novo switch com o novo valor. Quando o novo switch recebe o BPDU, ele descobre que não é a ponte raiz e substitui o BID raiz na lista de endereços pelo BID raiz que acabou de receber. O resultado é que o switch que tem o menor BID é eleito pelos outros switches como ponte raiz;
  
  
  
• de acordo com a localização da ponte raiz, os outros switches determinam as portas com o menor custo para a ponte raiz. Estas portas são chamadas portas raízes e cada switch (exceto a ponte raiz atual) deve ter uma;
  
  
  
• os switches determinam quem terá as portas designadas. Uma porta designada é a conexão utilizada para enviar e receber pacotes em um segmento específico. Se existir somente uma porta designada para cada segmento, todos os problemas da ligação em loop estarão resolvidos;
  
  
  
  As portas designadas são selecionadas de acordo com o custo mais baixo para a ponte raiz em cada segmento. Como a ponte raiz tem custo "0", quaisquer de suas portas que estiverem conectadas a segmentos serão portas designadas. Para outros switches, o custo é comparado com o segmento em questão. Se uma porta tiver um custo menor, ela se torna uma porta designada para aquele segmento. Se duas ou mais portas tiverem o mesmo custo, o switch com o menor BID é escolhido.
• uma vez que uma porta designada para o segmento é escolhida, todas as outras portas que se conectam àquele segmento se tornam portas não-designadas. Elas bloqueiam o tráfego naquele caminho e só acessam o segmento através da porta designada.

Cada switch tem uma tabela de BPDUs atualizada constantemente. A rede é configurada como uma única spanning tree. A ponte raiz se torna o tronco da árvore e os outros switches se tornam os galhos. Cada switch se comunica com a ponte raiz através das portas raízes e com cada segmento através das portas designadas. Assim, a rede fica livre de ligações em loop. Se a ponte raiz começar a falhar ou se a rede apresentar problema, o STP permite que outros switches reconfigurem a rede e designem outro switch como ponte raiz. Este processo incrível dá a uma empresa a possibilidade de ter uma rede complexa e tolerante a falhas, mas ainda assim,  fácil de gerenciar.

Roteadores e comutação da camada 3

  Enquanto a maioria dos switches opera na camada de enlace de dados (camada 2) do Modelo de referência OSI, alguns incorporam funções de um roteador e também operam na camada de rede (camada 3). Na verdade, um switch de camada 3 é muito parecido com um roteador.

Os switches da camada 3 operam na camada de rede

Quando um roteador recebe um pacote, ele observa os endereços da fonte e do destino da camada 3 para determinar o caminho que o pacote deve tomar. Um switch padrão utiliza os endereços MAC para determinar a fonte e o destino do pacote. Este procedimento é feito na camada 2 (enlace de dados) da rede.

A principal diferença entre um roteador e um switch de camada 3 é que os switches têm hardware otimizado para transmitir dados tão rapidamente quanto os switches de camada 2. Entretanto, eles ainda decidem como transmitir o tráfego na camada 3, exatamente como um roteador faria. Dentro de um ambiente LAN, um switch de camada 3 é geralmente mais rápido do que um roteador porque é construído para ser um hardware de comutação. Muitos switches de camada 3 da Cisco são, na verdade, roteadores que operam mais rapidamente porque são construídos com pastilhas personalizadas de comutação.

O reconhecimento de padrões (pattern matching) e a memória cache em switches de camada 3 funcionam de maneira semelhante a um roteador. Ambos utilizam um protocolo e uma tabela de roteamento para determinar o melhor caminho. Entretanto, um switch de camada 3 tem a capacidade de reprogramar dinamicamente um hardware com as informações atuais de roteamento da camada 3. Por isso o processamento dos pacotes é mais rápido.

Nos switches de camada 3 atuais, as informações recebidas pelos protocolos de roteamento são utilizadas para atualizar a memória cache das tabelas do hardware.

VLANs

Com o crescimento e aumento da complexidade das redes, muitas empresas adotaram as VLANs (redes locais virtuais) para tentar estruturar esse crescimento de maneira lógica. Uma VLAN é, basicamente, uma coleção de nós que são agrupados em um único domínio broadcast, baseado em outra coisa que não a localização física.

Já falamos sobre os broadcasts e sobre como um roteador não deixa o broadcast passar. Um domínio broadcast é uma rede (ou uma parte de uma rede) que vai receber um pacote broadcast de qualquer nó localizado dentro daquela rede. Numa rede comum, tudo que estiver de um mesmo lado do roteador faz parte do mesmo domínio broadcast. Um switch com uma VLAN implementada tem múltiplos domínios broadcast e funciona de maneira semelhante a um roteador. Mas você ainda precisa de um roteador (ou um mecanismo de roteamento de camada 3) para rotear uma VLAN para a outra. O switch não consegue fazer isto sozinho.

Abaixo veremos algumas das razões para uma empresa criar as VLANs.

• Segurança. Separar os sistemas que contêm dados sigilosos do resto da rede reduz a possibilidade de acesso não autorizado.
• Projetos/aplicativos especiais. As tarefas de gerenciar um projeto ou trabalhar com um aplicativo podem ser simplificadas pelo uso de uma VLAN que congrega todos os nós necessários.
• Desempenho/Largura de banda. Um monitoramento cuidadoso da utilização da rede permite que o administrador crie VLANs que reduzam o número de saltos entre os roteadores e aumentem a largura de banda aparente para os usuário da rede.
• Broadcasts/Fluxo de tráfego. A característica principal de uma VLAN é que ela não permite que o tráfego broadcast chegue aos nós que não fazem parte da VLAN. Isso ajuda a reduzir o tráfego de broadcasts. As listas de acesso permitem que o administrador da rede controle quem vê o tráfego da rede. Uma lista de acesso é uma tabela criada pelo administrador nomeando os endereços que têm acesso àquela rede.
• Departamentos/Tipos específicos de cargos. As empresas podem configurar VLANs para os departamentos que utilizam muito a Internet (como os departamentos de multimídia e engenharia) ou VLANs que conectam categorias específicas de empregados de departamentos diferentes (gerentes ou pessoal de vendas).

Na maioria dos switches, você pode criar uma VLAN, simplesmentepor uma conexão através da Telnet (em inglês). Depois, basta configurar os parâmetros da VLAN (nome, domínio e configuração das portas). Depois que você criar a VLAN, qualquer segmento de rede conectado às portas designadas vai se tornar parte desta VLAN.

Você pode criar mais de uma VLAN em um switch, mas estas redes não podem se comunicar diretamente por ele. Se elas pudessem, não faria sentido ter uma VLAN. Afinal, o objetivo da VLAN é isolar uma parte da rede. A comunicação entre as VLANs requer o uso de um roteador.

As VLANs podem se expandir por múltiplos switches e você pode configurar mais de uma VLAN em cada switch. Para que múltiplas VLANs em múltiplos switches possam se comunicar através de um link entre os switches, você deve usar um processo chamado trunking. Trunking é a tecnologia que permite que as informações de múltiplas VLANs trafeguem em um único link.

Na próxima seção, você aprenderá mais sobre trunking.

VTP (VLAN Trunking Protocol)

O VLAN trunking protocol (VTP) é um protocolo que os switches usam para se comunicar uns com os outros e trocar informações sobre as configurações da VLAN.

Na imagem acima, cada switch tem 2 VLANs. No primeiro switch, a VLAN A e a VLAN B são enviadas através de uma única porta (trunked) para o roteador e através de outra porta para o segundo switch. A VLAN C e a VLAN D utilizam trunking do segundo para o primeiro switch e do primeiro switch para o roteador. Este processo de trunking pode carregar tráfego de todas as quatro VLANs. O link de trunking do primeiro switch para o roteador também pode carregar dados das quatro VLANs. Na verdade, esta conexão do roteador permite que este mesmo roteador apareça em todas as quatro VLANs, como se existissem quatro portas físicas diferentes conectadas ao switch.

As VLANs podem se comunicar entre si por meio da conexão trunking entre os dois switches utilizando o roteador. Por exemplo, dados do computador na VLAN A que precisam chegar a um computador na VLAN B (ou VLAN C ou VLAN D) devem trafegar do switch para o roteador e novamente para o switch. Devidoao aprendizado automático e ao trunking, os PCs e o roteador acham que eles estão no mesmo segmento físico.

Como você pode ver, os switches LAN representam uma tecnologia maravilhosa que pode fazer diferença na velocidade e qualidade de uma rede.