Comprender la función de un conmutador de red: de enrutadores a concentradores Ethernet

Hasta finales de la década de 1990, muchos creían ingenuamente que los microondas cocinaban la comida explotándola en segundos; todos deseaban, invisiblemente, que internet fuera tan rápido como lo es ahora, y la transmisión de datos se consideraba un proceso manual. La transmisión de datos es una función esencial de las redes modernas, activas o pasivas, ya sea que presten servicio a infraestructuras corporativas o a la configuración doméstica de una persona. Un conmutador de red informática es fundamental para cada dispositivo de transferencia de datos o para cada sistema: un componente integral, aunque a menudo subestimado, de las redes informáticas. Pero ¿cuál es la diferencia clave entre un conmutador, un enrutador y un concentrador? ¿Cuál es su propósito principal y por qué es importante garantizar la fluidez de los datos? En este contexto, el término "conmutadores" se ampliará para incluir... conmutadores de redSe evaluarán sus características subyacentes junto con otros componentes de hardware de conmutación, así como su papel vital en la entrega de datos a los usuarios finales. Para profesionales de la industria, interesados ​​en la tecnología y personas con curiosidad, este artículo busca explicar cómo y cuáles son los aspectos más importantes a considerar en los conmutadores de red.

¿Cómo funciona un conmutador de red?

¿Qué es un interruptor y cómo funciona?

Los dispositivos dentro de una red de área local (LAN) pueden conectarse y comunicarse eficientemente mediante conmutadores de red. El conmutador gestiona los datos, los almacena, los procesa y los envía al dispositivo receptor previsto. Existe una diferencia entre un concentrador y un conmutador: con un concentrador, todos los datos se envían a cualquier dispositivo conectado, mientras que un conmutador dirige los datos específicamente al dispositivo correspondiente mediante su dirección MAC (Control de Acceso al Medio). Esta forma asistida de... La transferencia de datos reduce el tráfico de la red y mejora el rendimiento., lo que hace que los conmutadores de red sean muy importantes en los entornos LAN modernos.

¿Cómo un conmutador de red reenvía datos?

Mediante la conmutación de paquetes, un conmutador de red reenvía datos. Tras llegar un paquete de datos a un conmutador de red, este examina su encabezado para identificar su dirección MAC de destino. Este proceso le indica cómo funciona un conmutador de red. Esto es posible gracias a la tabla de direcciones MAC del conmutador, que correlaciona las direcciones MAC de los dispositivos con sus puertos específicos. Si la dirección MAC de destino se encuentra en la tabla, el conmutador envía el paquete de datos al puerto correcto, lo que garantiza una entrega eficiente en lugar de transmitirlo a todos los dispositivos conectados. 

Los conmutadores modernos también incorporan VLAN (Redes de Área Local Virtuales) y funciones de QoS (Calidad de Servicio). Estas funciones avanzadas permiten una mejor segmentación del tráfico de red, con mayor seguridad y menor congestión. Diversos tipos de tráfico reconocidos a nivel nacional, como VoIP y streaming de vídeo, garantizan calidad y fiabilidad incluso durante las horas de mayor congestión de la red.

Las estadísticas confirman aún más los beneficios de los conmutadores de red. Por ejemplo, un estudio de Cisco reveló que el uso de conmutadores con capacidades de Capa 3 tiene el potencial de reducir la latencia en redes empresariales hasta en un 80 %, a la vez que permite conexiones simultáneas en infraestructuras extensas. Además, la adopción de conmutadores modernos con tecnología Power over Ethernet (PoE) facilita las implementaciones, ya que dispositivos como cámaras IP y puntos de acceso ahora pueden alimentarse y suministrar datos a través de un solo cable Ethernet.  

Este proceso de reenvío de datos rápido y decidido hace que los conmutadores sean fundamentales para una conectividad de baja latencia y altamente escalable en redes de alto rendimiento, tanto en estructuras pequeñas como grandes.  

El papel de la dirección MAC en la funcionalidad del conmutador:  

Los conmutadores identifican y enrutan datagramas mediante direcciones MAC (Control de Acceso al Medio). Cada dispositivo que se conecta a una red recibe una dirección MAC, que el conmutador guarda en una tabla de direcciones MAC. Esta tabla relaciona las direcciones MAC con los puertos, lo que permite a los conmutadores minimizar la difusión y garantizar la correcta obtención de los datos. El uso de direcciones MAC permite conmutadores de red para optimizar la comunicación dentro de la red a una escala más precisa y segura.

¿Cuáles son los tipos de conmutadores en redes?

Exploración de conmutadores administrados y no administrados

Switch administrado: Con un switch administrado, los usuarios obtienen un mayor control sobre la red en la que operan. Permite a los administradores modificar configuraciones como VLAN, QoS y velocidad de puerto para ofrecer más opciones de personalización y mejorar la seguridad de la red. Estos switches funcionan mejor en redes más grandes y complejas que requieren monitorización, resolución de problemas y optimización. 

Conmutador no administrado: un conmutador no administrado es prácticamente lo opuesto a un conmutador administrado. Switch, ya que funciona mejor con un modelo plug-and-play que no requiere configuraciones previas. Este switch conecta el dispositivo a una red y transfiere datos automáticamente sin supervisión. Estos switches son más adecuados para redes pequeñas o entornos más informales donde la supervisión es mínima. 

¿Qué es un conmutador de capa 3?

Los switches de capa 3 funcionan como switches de alto rendimiento que actúan como una combinación entre un switch de capa 3 y un router, ya que tienen la capacidad de conmutar y enrutar. La capa XNUMX del modelo OSI utiliza los switches de capa XNUMX de forma más compleja, ya que son necesarios para enrutar entre VLAN y realizar funciones de orden superior. A diferencia de los switches de dos capas tradicionales, que solo reenvían paquetes según las direcciones MAC, los switches de capa XNUMX ahora utilizan la dirección IP del paquete de datos para determinar la ruta más adecuada para que todas las celdas de la red funcionen en armonía.

Los switches de capa 3 se utilizan frecuentemente en empresas que requieren transferencias de datos rápidas y baja latencia. Muchos switches de capa 3 modernos son compatibles con protocolos de enrutamiento estático y dinámico como OSPF y BGP, así como con enrutamiento multidifusión y QoS para la priorización del tráfico. Además, son más escalables que los switches de capa 3 tradicionales en redes complejas y de mayor tamaño. 

Estudios comparativos recientes sugieren que los conmutadores de capa 3 ahora pueden procesar millones de paquetes por segundo (PPS), superando en rendimiento a los enrutadores tradicionales. Al igual que otros tipos de conmutadores de capa 3, estos dispositivos cuentan con conmutación basada en hardware, lo que reduce significativamente los retrasos y acelera la transmisión de datos. Estos dispositivos están ganando popularidad en centros de datos, redes de campus y empresas, ya que se integran en los sistemas existentes para eliminar cuellos de botella, optimizar las operaciones de red y aumentar la eficiencia.

Diferencia entre un conmutador y un enrutador

En Tecnología de la Comunicación, un conmutador y un enrutador se utilizan dentro de un sistema descrito en una red. Por lo tanto, según mi entendimiento, la función fundamental de un conmutador reside en la Capa 2 del modelo OSI, donde permite el reenvío de datos dentro de una misma red mediante direcciones MAC. En cambio, un enrutador funciona en la Capa 3 y se encarga de la interconexión de redes dispares, así como del reenvío de información entre ellas mediante direcciones IP, a diferencia de un conmutador confinado a una LAN para una sola red. Un conmutador es particularmente eficiente para controlar los problemas de tráfico interno de una red, manteniendo abiertas las rutas internas. Por su parte, un enrutador decide qué ruta tomar para obtener la información en una red, garantizando la conectividad y un enrutamiento óptimo de datos. La finalidad de cada dispositivo es fundamentalmente diferente, pero su funcionamiento conjunto permite una integración perfecta en los entornos de red modernos.

¿En qué lugar de una red se utiliza un conmutador?

Conexión de dispositivos en una red de área local

En una red de área local (LAN), los conmutadores conectan múltiples dispositivos, como servidores, impresoras y computadoras, para que puedan comunicarse entre sí. Actúan como concentradores que controlan el tráfico de datos: la información se envía directamente al dispositivo correspondiente, sin necesidad de transmitirla a los demás. Esto mejora la velocidad de la red, minimiza la congestión y permite una comunicación fiable y segura entre los dispositivos conectados.

Función de un conmutador en una red empresarial

Los switches mejoran considerablemente las redes empresariales modernas al ser componentes fundamentales para la conectividad y la gestión eficiente de datos. Dentro de una empresa, los switches facilitan la interconexión de numerosos dispositivos, como servidores, estaciones de trabajo, puntos de acceso y dispositivos IoT, para crear una infraestructura de red bien definida y escalable. Utilizan direcciones MAC (Control de Acceso al Medio) para dirigir la información al dispositivo correcto, lo que aumenta la eficiencia y reduce el tráfico.

Un conmutador con gestión de rendimiento avanzado es fundamental para la segmentación de VLAN, la calidad de servicio (QoS) y la redundancia de red. Las VLAN crean segmentos de red para restringir el tráfico y aumentar la seguridad. La QoS incorpora tráfico sensible a la latencia, como VoIP y videollamadas. En el sector de las redes informáticas, los conmutadores también son responsables de crear redes resilientes mediante la agregación de enlaces, TAG y protocolos de respaldo redundantes como STP, que detiene los bucles que causan caídas en la red y permite un funcionamiento fluido cuando un enlace o dispositivo deja de funcionar.

Las investigaciones muestran que muchas organizaciones dependen cada vez más de los conmutadores empresariales, y un gasto global de 35.8 2022 millones de dólares en conmutadores Ethernet en 10 ya demuestra la necesidad de ampliar la infraestructura de red. Además, las aplicaciones en la nube y el trabajo híbrido han centrado la atención en conmutadores con velocidades de 40 GbE y XNUMX GbE, que constituyen la base para diversas aplicaciones que requieren un alto ancho de banda y una gran capacidad de transferencia de datos.

En definitiva, los conmutadores empresariales no son simplemente un complemento a la red; representan un salto sustancial en el rendimiento, la seguridad y la escalabilidad de la infraestructura digital y la conectividad de una organización.

Conexión de dispositivos dentro de una red mediante conmutadores de red

Un conmutador identifica los datos de los paquetes mediante su dirección MAC de destino y reduce el tráfico únicamente al destinatario. Esta función consume poco tiempo, ya que solo se procesa la parte de datos de usuario de la trama. Una vez procesados ​​los datos, un conmutador (dispositivo de capa 2) los reenvía al puerto correspondiente.

El conmutador incluye una tabla de direcciones MAC que contiene las direcciones MAC de los dispositivos que se conectan a él. De esta forma, cuando un dispositivo envía una trama de datos al conmutador por primera vez, este aprende la dirección MAC, la almacena en su tabla y permite la comunicación sin colisiones dentro de una LAN.

Con la incorporación de la funcionalidad de enrutamiento, los conmutadores avanzados, como los de Capa 3, pueden hacer mucho más. Estos conmutadores permiten la transferencia de datos entre varias VLAN o subredes, lo que permite una transferencia completa de datos dentro de redes grandes y complejas. Los conmutadores de red ayudan a minimizar la congestión y optimizar el flujo de datos, lo cual es fundamental para el rendimiento y la fiabilidad de las infraestructuras de red modernas.

Cómo elegir un conmutador Ethernet: aspectos a tener en cuenta

Factores que afectan el rendimiento de la red

1. Número de puertos y su velocidadEl dispositivo debe tener la cantidad de puertos necesaria para que sea compatible no solo con los dispositivos actuales, sino también con los futuros. Se recomienda adquirir switches con velocidades Gigabit o superiores para una transferencia de datos rápida.
2. Conmutadores administrados/no administrados: Si la red requiere funciones más sofisticadas, como VLAN o la priorización de cierto tráfico, un switch administrado sería adecuado. Para redes menos complejas, los switches no administrados deberían ser suficientes.
3. Alimentación a través de Ethernet: Si las cámaras IP y los teléfonos de su red necesitan alimentación a través del cable Ethernet, entonces debería optar por conmutadores con capacidades PoE.
4. Capacidad de expansión:Evalúe si el conmutador puede aceptar los requisitos de crecimiento de la red de puertos adicionales y mayor ancho de banda.
5. Confianza en la marca: Para garantizar la confiabilidad y reducir el tiempo de inactividad debido a fallas de hardware, opte por conmutadores de fabricantes confiables.
6. Costo de Operación: Adquiera interruptores que consuman menos energía ya que esto ayudará a reducir los gastos operativos.

Tener en cuenta estos aspectos ayudará a seleccionar un conmutador Ethernet que cumpla con los requisitos de rendimiento de la red.

Importancia del colgante en dispositivos de red que utilizan la función de alimentación a través de Ethernet

Con la alimentación por Ethernet (PoE), se puede usar un solo cable Ethernet para conectar la alimentación y los datos a un dispositivo de red. Esto reduce la necesidad de una fuente de alimentación en cada estación de trabajo, lo que reduce el desorden y los costos generales de instalación. Es muy útil para dispositivos como cámaras IP, puntos de acceso inalámbricos o teléfonos VoIP, ya que estos dispositivos pueden ubicarse libremente lejos de las tomas de corriente. Además, la PoE permite monitorear y controlar remotamente los dispositivos alimentados, lo que mejora la eficiencia y la gestión de la red. Las redes y otras configuraciones de dispositivos se beneficiarán de esta versatilidad adicional, ya que, sin el dispositivo colgante, las operaciones se reducen. Por lo tanto, es evidente que el uso de la alimentación por Ethernet (PoE) optimiza las operaciones de las redes y mejora la versatilidad de implementación.

Análisis en profundidad de los puertos de conmutación y sus conexiones de red

Los puertos de switch son las conexiones esenciales que permiten conectar diferentes dispositivos en una red para el intercambio de datos. Se instalan en los switches de computadoras y servidores para facilitar la conexión a los dispositivos existentes. Las conexiones de red realizadas a través de los puertos de switch permiten que los dispositivos sean más productivos, ya que se comunican entre sí y envían y reciben información de la red global, incluyendo internet. Para que la funcionalidad de los switches sea superior a la de otros, estos dispositivos deben incluir puertos con diferentes velocidades (1 Gbps o 10 Gbps) que satisfagan las diversas necesidades de la red. Por eso, la gestión de estos puertos de switch es vital para que la red funcione de forma correcta y eficiente.

¿Cómo impactan los conmutadores en la infraestructura de una red?

Mejorar el rendimiento de una red mediante la conmutación

El uso cuidadoso de los conmutadores de red mejora considerablemente el rendimiento de la red al reducir la congestión y optimizar el flujo de datos. Los conmutadores dividen las redes en unidades más pequeñas y fáciles de administrar, lo que permite que los dispositivos se comuniquen sin interferencias. Además, cuentan con funciones de QoS (Calidad de Servicio), que les permiten canalizar el tráfico crítico para el funcionamiento fluido de aplicaciones de alto rendimiento. Además, los conmutadores con mayores velocidades de puerto y compatibilidad con protocolos modernos pueden ayudar a satisfacer las crecientes necesidades de ancho de banda. La monitorización y configuración continuas de los conmutadores por parte de los usuarios es necesaria para lograr un rendimiento, una estabilidad y una seguridad óptimos de la infraestructura de red.

Optimización de la congestión de la red mediante la implementación de conmutadores

Al segmentar el tráfico, la implementación de switches ayuda a eliminar la congestión innecesaria que, en última instancia, ralentiza la comunicación entre dispositivos dentro de una red. Los switches facilitan una mejor comunicación entre dispositivos mediante el reenvío inteligente de paquetes a ciertos dispositivos dentro de la red. Estas técnicas avanzadas minimizan la difusión a toda la red, lo que reduce drásticamente las colisiones entre dispositivos que intentan comunicarse simultáneamente. Este enfoque optimiza el tráfico y garantiza ranuras más amplias para la escalabilidad. Esto se garantiza mediante la implementación de switches con suficiente capacidad de puerto y el uso de VLAN (redes de área local virtuales). Estas estrategias minimizan el uso del ancho de banda y maximizan el rendimiento de la red.

Cómo funcionan los conmutadores en la administración de una red

La transferencia eficiente de datos y las operaciones de red se simplifican con el uso de switches, lo que los convierte en herramientas importantes para la gestión de redes. Los switches son dispositivos de conexión central, por lo que sirven para interconectar diversos dispositivos, recibir información de cada fuente de datos y transferirla a los destinatarios necesarios. Mediante la segmentación del tráfico, se minimiza la congestión de la red y los switches de red mejoran la eficiencia. Además, mejoran la seguridad al implementar políticas de red como la comunicación de aislamiento y el control de acceso. Los switches modernizados también pueden incluir priorización del tráfico, monitorización del estado de la red y soporte avanzado de configuración, lo que los convierte en componentes esenciales de redes fiables y escalables.

Preguntas más frecuentes (FAQ) 

P: Explique qué es un conmutador de red y compárelo con un concentrador.

R: Un conmutador de red es un punto central de conexión para los diversos dispositivos de una red. Mientras que un concentrador envía información a todos los dispositivos, un conmutador solo envía datos al destinatario previsto, lo que se traduce en seguridad y eficiencia en la red. 

P: ¿En qué tipo de red suele operar un conmutador?

R: Un conmutador de red funciona principalmente en redes de área local (LAN). En las LAN basadas en Ethernet, es un componente importante para conectar diferentes dispositivos, como computadoras e impresoras, a un solo conmutador o a varios conmutadores en redes más grandes. 

P: ¿Cómo gestiona un conmutador de red las direcciones IP? 

R: Los conmutadores de red funcionan con la Capa 2 del modelo OSI. No trabajan directamente con direcciones IP, sino que reenvían los paquetes de datos mediante direcciones MAC. Algunos conmutadores tienen capacidades limitadas de Capa 3, lo que significa que también pueden usar direcciones IP para enrutar el tráfico en ciertas situaciones.

P: ¿Qué es un conmutador apilable y cómo funciona en redes grandes?

R: Los switches apilables son dispositivos que pueden formar una sola unidad al conectarse a dispositivos similares. Por ello, facilitan la gestión y escalabilidad de la pila de switches, lo cual resulta especialmente útil en redes grandes o de centros de datos.

P: ¿De qué maneras se puede utilizar un conmutador para la monitorización de la red? 

R: Casi todos los switches modernos cuentan con funciones como la duplicación de puertos y SNMP, que permiten la monitorización de la red. Con la duplicación de puertos, la información de uno o más puertos se puede enviar a otro puerto para su posterior análisis. Por el contrario, SNMP permite al administrador de red observar y controlar el funcionamiento y el estado general de la red, y resolver proactivamente cualquier problema mientras recopila datos. 

P: ¿Cuál es la contribución de la tarjeta de interfaz de red (NIC) hacia un usuario de conmutador único? 

R: Los dispositivos con conmutadores de red deben contar con una tarjeta de interfaz de red (NIC). Esta sirve como punto de contacto y protocolo de comunicación con el dispositivo. La tarjeta de interfaz de red tiene una dirección MAC específica integrada que permite al conmutador identificar el dispositivo y enrutar los datos hacia y desde él correctamente.

Fuentes de referencia

1. Hipernetch: conmutador de red FPGA de alto rendimiento

• Autores: Philippos Papaphilippou et al.
• Diario: Transacciones ACM sobre tecnología y sistemas reconfigurables
• Fecha de publicación: Marzo 31, 2022
• Conclusiones principales:
  • El documento presenta Hipernetch, que es un nuevo diseño basado en FPGA para conmutar redes con altos anchos de banda.
  • Reemplaza las estructuras de barras cruzadas típicas con un “árbitro round-robin paralelo combinado” que mejora el rendimiento del pipeline y disminuye las demoras.
  • La implementación obtiene un rendimiento superior a 100 Gbps por puerto para conmutadores de hasta 16 puertos.
• Metodología:
  • Los autores crearon la arquitectura de Hipernetch y analizaron el rendimiento en comparación con las arquitecturas de conmutación tradicionales, revelando las ventajas en rendimiento y latencia.

Cita: (Papaphilippou et al., 2022, pág. 3:1-3:31)

2. Evolución de la arquitectura de conmutación para integrar la inteligencia en la red

• Autores: Shuangwu Chen y otros.
• Diario: Revista de comunicaciones IEEE
• Fecha de publicación: Enero 1, 2020
• Conclusiones principales:
  • Aquí nos centraremos en las mejoras realizadas en la arquitectura del switch mediante la incorporación de un plano de inteligencia que permite la toma de decisiones y su procesamiento dentro de la red.
  • El diseño sugerido permite proporcionar un rendimiento sólido y un alto rendimiento de las aplicaciones, lo que permite que la IA se integre fácilmente en las operaciones de la red.
• Metodología:
  • Los autores ofrecen un marco conceptual para la arquitectura de conmutación evolucionada y demuestran su implementación en una red de campus. La implementación se verifica mediante resultados experimentales relativos a sus características.

Cita: (Chen et al., 2020, págs. 33–39)

3. Arquitectura de conmutación-memoria-conmutación activada por tiempo para conmutadores de red sensibles al tiempo

• Autores: Zonghui Li y otros.
• Diario: Transacciones IEEE sobre diseño asistido por computadora de circuitos y sistemas integrados
• Fecha de publicación: Enero 1, 2020
• Conclusiones principales:
  • El documento presenta la arquitectura de conmutación-memoria-conmutación con terminación temporal (SMS) destinada a lograr una baja huella de memoria en redes sensibles al tiempo (TSN).
  • Esto permite la programación estática de la asignación de memoria, lo que mejora tanto la utilización de recursos como la tolerancia a fallas.
• Metodología:
  • Los autores implementaron el marco SMS y ejecutaron simulaciones para probar su efectividad con respecto al uso de memoria y la eficiencia de programación.

Cita: (Li et al., 2020, págs. 185–198)

4. Implementación incremental de conmutadores programables para la detección de dispositivos de alto impacto en toda la red

• Autores: Damu Ding y otros.
• Diario: Conferencia IEEE de 2019 sobre softwarización de redes
• Fecha de publicación: 1 de junio de 2019
• Conclusiones principales:
  • Este documento busca introducir un método para la implementación gradual de conmutadores programables en una red de un Proveedor de Servicios de Internet con el fin de monitorear flujos de red únicos.
  • Este método reduce la cantidad de información necesaria del plano de datos y al mismo tiempo garantiza la detección precisa de flujos pesados.
• Metodología:
  • Los autores diseñaron dos modelos de programación lineal entera (ILP) para la asignación de conmutadores programables y verificaron su método con simulaciones en topologías de ISP reales.

Cita: (Ding et al., 2019, págs. 160-168)

5. Poseidon: Mitigación de ataques DDoS volumétricos con interruptores programables

• Autores: Menghao Zhang y otros.
• Diario: Actas del Simposio sobre seguridad de redes y sistemas distribuidos 2020
• Fecha de publicación: 2020
• Conclusiones principales:
  • El artículo informa sobre Poseidon, que utiliza interruptores programables para protegerse contra ataques DDoS volumétricos.
  • Permite a los usuarios definir estrategias de defensa modulares que pueden modificarse de forma flexible en correlación con los patrones de ataque en desarrollo.
• Metodología:
  • Los autores implementaron Poseidon en conmutadores programables y realizaron pruebas para validar su eficiencia en la detección y mitigación de ataques DDoS con un gasto mínimo de recursos, garantizando un tráfico constante a través de la red.

Cita: (Zhang et al., 2020)

6. Interruptor de red

7. Red de computadoras