Compreendendo a função de um switch de rede: de roteadores a hubs Ethernet

Até o final da década de 1990, muitas pessoas ingenuamente pensavam que micro-ondas cozinhavam alimentos fazendo-os explodir em segundos, todos invisivelmente desejavam que a internet fosse tão rápida quanto é agora, e a transmissão de dados era considerada um processo manual. A transmissão de dados é uma função central das redes modernas, ativas ou passivas, quer sirvam a infraestruturas corporativas ou à configuração doméstica de um indivíduo. Central para cada dispositivo de transferência de dados ou de cada sistema é um switch de rede de computadores – um componente integral, embora frequentemente subestimado, da rede de computadores. Mas qual é a principal diferença entre um switch, roteadores e hubs? Qual é seu propósito principal e por que é importante garantir que os dados fluam perfeitamente? Neste contexto, o termo “switches” será expandido para incluir comutadores de rede, e seus recursos subjacentes serão avaliados com outros componentes de hardware de comutação, juntamente com o papel vital que desempenham em levar dados aos usuários finais. Para profissionais da indústria, interessados ​​em tecnologia e pessoas com natureza inquisitiva básica, este artigo se esforça para explicar como e quais são as coisas mais críticas a serem observadas em comutadores de rede.

Como funciona um switch de rede?

O que é um switch e como ele funciona?

Dispositivos dentro de uma rede local (LAN) podem ser conectados/comunicados de forma eficiente pelos switches de rede. O switch manipula dados, armazena-os, processa-os e então os envia para o dispositivo receptor pretendido. Há uma distinção entre um hub e um switch, que é, com um hub, todos os dados são enviados para qualquer dispositivo que esteja conectado, enquanto um switch direciona dados especificamente para o dispositivo apropriado usando seu endereço MAC (Media Access Control). Esta forma assistida de a transferência de dados reduz o tráfego de rede e melhora o desempenho, tornando os switches de rede muito importantes em ambientes LAN modernos.

Como um switch de rede encaminha dados?

Usando a comutação de pacotes, um switch de rede consegue encaminhar dados. Depois que um pacote de dados chega a um switch de rede, o switch olha o cabeçalho do pacote para reconhecer seu endereço MAC de destino. Esse processo informa como um switch de rede opera. Isso é possível pela tabela de endereços MAC do switch, que correlaciona endereços MAC de dispositivos a portas específicas do switch. Se o endereço MAC de destino estiver na tabela, o switch envia o pacote de dados para a porta adequada, o que garante uma entrega eficiente em vez de transmiti-lo para todos os dispositivos conectados. 

Os switches modernos também incorporam VLANs (Virtual Local Area Networks), bem como recursos de QoS (Quality of Service). Esses recursos avançados permitem melhor segmentação do tráfego de rede com segurança aprimorada e congestionamento de rede reduzido. Diferentes tipos de tráfego reconhecidos nacionalmente, como voz sobre IP e streaming de vídeo, têm qualidade e confiabilidade garantidas, mesmo durante horas congestionadas de uso da rede.

Estatísticas validam ainda mais os benefícios dos switches de rede. Por exemplo, um estudo da Cisco descobriu que empregar switches com recursos de Camada 3 tem o potencial de reduzir a latência em redes corporativas em até 80%, ao mesmo tempo em que acomoda conexões simultâneas em infraestruturas extensas. Além disso, a adoção de switches modernos com tecnologia Power over Ethernet (PoE) permite implantações mais fáceis, pois dispositivos como câmeras IP e pontos de acesso agora podem ser alimentados e alimentados com dados por meio de um único cabo Ethernet.  

Esse processo de encaminhamento de dados rápido e proposital torna os switches fundamentais para baixa latência e conectividade altamente escalável em redes de alto desempenho, tanto em estruturas pequenas quanto grandes.  

O papel do endereço MAC na funcionalidade do switch:  

Os switches identificam e roteiam datagramas com o uso de endereços MAC (Media Access Control). Cada dispositivo que se conecta a uma rede recebe um endereço MAC que o switch salva em uma tabela de endereços MAC. Esta tabela relaciona endereços MAC a portas, permitindo que os switches minimizem a transmissão enquanto garantem que os dados sejam buscados corretamente. O uso de endereços MAC permite switches de rede para otimizar a comunicação dentro da rede em uma escala mais precisa e segura.

Quais são os tipos de switches em redes?

Switch gerenciado e switch não gerenciado explorados

Switch gerenciado: com um switch gerenciado, os usuários ganham um nível mais alto de controle sobre a rede na qual operam. Ele dá aos administradores o poder de modificar configurações como VLANs, QoS e velocidade de porta para fornecer mais opções de personalização e aprimorar a segurança da rede. Esses switches funcionam melhor em redes maiores e mais complexas, onde monitoramento, solução de problemas e otimização são necessários. 

Switch não gerenciado: Um switch não gerenciado é praticamente o oposto de um gerenciado switch, pois funciona melhor com um modelo plug-and-play que não precisa de configurações prévias. Este switch conecta o dispositivo a uma rede e transfere dados automaticamente sem supervisão. Esses switches são mais bem utilizados em redes pequenas ou ambientes mais casuais onde a supervisão é mínima. 

O que é um switch de camada 3?

Os switches da camada 3 funcionam como switches de alto desempenho que agem como uma mistura entre um switch da camada dois e um roteador, pois ele tem a capacidade de comutar e rotear. A camada três do modelo OSI usa switches da camada 3 de uma forma mais complexa, pois eles são necessários para rotear entre VLANs e executar funções de ordem superior. Ao contrário dos switches tradicionais de duas camadas, que apenas executam a função de encaminhar pacotes dependendo dos endereços MAC, os switches da camada três agora usam o endereço IP do pacote de dados para determinar qual rota os dados são mais adequados para permitir que todas as células da rede funcionem em harmonia.

Os switches de Camada 3 são frequentemente usados ​​em empresas que precisam de transferência rápida de dados e baixa latência. Muitos switches de Camada 3 modernos apresentam suporte para protocolos de roteamento estático e dinâmico, como OSPF e BGP, bem como roteamento multicast e QoS para priorização de tráfego. Além disso, eles são mais escaláveis ​​do que os switches de Camada 3 tradicionais em redes complexas e maiores. 

Benchmarks recentes sugerem que os switches de camada 3 agora podem processar milhões de pacotes por segundo (PPS), superando roteadores tradicionais em desempenho. Como outros tipos de switches de camada 3, esses dispositivos apresentam comutação baseada em hardware, o que reduz significativamente os atrasos, tornando os dados mais rápidos. Esses dispositivos estão ganhando popularidade em data centers, redes de campus e empresas para integração aos sistemas existentes para eliminar gargalos, otimizar as operações de rede e aumentar a eficiência.

Diferença entre um switch e um roteador

Em Tecnologia de Comunicação, um switch e um roteador são usados ​​dentro de um sistema descrito em uma rede. Assim, de acordo com meu entendimento, a função fundamental de um switch está na Camada 2 do modelo OSI, onde ele permite o encaminhamento de dados dentro de uma única rede por meio de endereços MAC. Em contraste, um roteador trabalha na Camada 3 e é responsável pela interconexão de redes distintas, bem como pelo encaminhamento de informações entre elas usando endereços IP, ao contrário de um switch confinado a uma LAN para uma única rede. Um switch é particularmente eficiente no controle de problemas de tráfego interno de uma rede, mantendo rotas internas abertas. E um roteador toma uma decisão sobre qual rota tomar para obter as informações em uma rede, garantindo conectividade e roteamento de dados ideal. O propósito de cada dispositivo é fundamentalmente diferente, mas neles trabalhar juntos dá origem a uma integração perfeita em ambientes de rede modernos.

Onde um switch é usado em uma rede?

Conectando dispositivos em uma rede local

Em uma rede local (LAN), os switches conectam vários dispositivos como servidores, impressoras e computadores para que eles possam se comunicar entre si. Eles agem como hubs centrais que controlam o tráfego de dados – as informações são enviadas diretamente para o dispositivo relevante, então não há necessidade de transmiti-las para todos os outros dispositivos. Isso aumenta a velocidade da rede, minimiza o congestionamento e permite uma comunicação confiável e segura entre os dispositivos conectados.

Função de um switch em uma rede empresarial

Os switches melhoram muito as redes empresariais modernas por serem os componentes fundamentais para conectividade e gerenciamento de dados proficiente. Dentro de uma empresa, os switches facilitam a interconexão de vários dispositivos, como servidores, estações de trabalho, pontos de acesso e dispositivos IoT para criar uma infraestrutura de rede bem definida e escalável. Eles utilizam endereços MAC (Media Access Control) para direcionar informações para o dispositivo certo, o que aumenta a eficiência e diminui o tráfego.

Um switch gerenciado de desempenho avançado é importante para segmentação de VLAN, QoS e redundância de rede. VLANs criam segmentos de rede para restringir o tráfego de rede e aumentar a segurança. QoS incorpora tráfego sensível à latência, como VoIP e chamadas de vídeo. No setor de redes de computadores, os switches também são responsáveis ​​por criar redes resilientes por meio de agregação de links, TAG e protocolos de fallback redundantes, como STP, que interrompe loops em uma rede que causam travamentos e também permite o funcionamento suave quando um link ou dispositivo para de funcionar.

Pesquisas mostram que muitas organizações estão confiando mais em switches empresariais, com um gasto global de US$ 35.8 bilhões em switches Ethernet em 2022 já mostrando a necessidade de aumentar a infraestrutura de rede. Além disso, aplicativos habilitados para nuvem e trabalho híbrido mudaram o foco para switches com velocidades de 10 GbE e 40 GbE, que formam a linha de base para uma variedade de aplicativos que exigem alta largura de banda e extensa transferência de dados.

No geral, os switches corporativos não são apenas uma adição à rede; eles representam um salto substancial no desempenho, na segurança e na escalabilidade da infraestrutura digital e da conectividade de uma organização.

Conectando dispositivos em uma rede usando switches de rede

Um switch identifica os dados dos pacotes usando seu endereço MAC de destino e reduz o tráfego somente para o destinatário pretendido. Esta função consome uma pequena quantidade de tempo, pois apenas a parte de dados do usuário do quadro precisa ser processada. Uma vez que os dados são processados, um switch, que é um dispositivo de camada 2, encaminha os dados para a porta relevante no switch.

O Switch inclui uma tabela de endereços MAC contendo o endereço MAC dos dispositivos que se conectam ao Switch. Dessa forma, quando um dispositivo envia um quadro de dados para o switch pela primeira vez, o switch aprende o endereço MAC do dispositivo, armazena-o em sua tabela e habilita comunicações sem colisões dentro de uma LAN.

Com a incorporação da funcionalidade de roteamento, switches avançados como switches de Camada 3 podem fazer muito mais. Esses switches permitem a transferência de dados entre várias VLANs, ou sub-redes, para que a transferência completa de dados possa ser alcançada dentro de redes grandes e complexas. Os switches de rede ajudam a minimizar o congestionamento e otimizar o fluxo de dados, o que é crítico para o desempenho e a confiabilidade das infraestruturas de rede modernas.

Escolhendo um switch Ethernet: coisas a serem observadas

Coisas que afetam o desempenho da rede

1. Número de portas e sua velocidade: O dispositivo deve ter o número necessário de portas que não só se ajustem aos dispositivos atuais, mas também aos dispositivos futuros. Switches que sejam capazes de velocidades de Gigabit ou acima devem ser adquiridos para transferência rápida de dados.
2. Switches gerenciados/não gerenciados: Se a rede exigir recursos mais sofisticados como VLANs ou priorizar determinado tráfego, um switch gerenciado seria adequado. Para redes menos complexas, switches não gerenciados devem dar conta do recado.
3. Energia sobre Ethernet: Caso as câmeras IP e telefones em sua rede precisem de energia por meio do cabo Ethernet, você deve optar por switches com recursos PoE.
4. Capacidade de expansão: Avalie se o switch pode aceitar os requisitos de crescimento da rede de portas adicionais e maior largura de banda.
5. Confiança da marca: Para garantir confiabilidade e reduzir o tempo de inatividade devido a falhas de hardware, opte por switches de fabricantes confiáveis.
6. Custo de Operação: Adquira interruptores que consumam menos energia, pois isso ajudará a reduzir as despesas operacionais.

Considerar esses aspectos ajudará na seleção de um switch Ethernet que atenderá aos requisitos de desempenho da rede.

Significado do pingente em dispositivos de rede usando o recurso Power Over Ethernet

Com o Power over Ethernet, pode-se usar um único cabo Ethernet para instalar energia e dados em um dispositivo de rede. Isso reduz a necessidade de ter uma fonte de alimentação de cada estação de trabalho, reduzindo assim a desordem e os custos gerais de instalação. É muito útil para dispositivos como câmeras IP, pontos de acesso sem fio ou telefones VoIP, pois esses dispositivos podem ser colocados livremente longe de tomadas elétricas. Além disso, o PoE pode monitorar e controlar remotamente os dispositivos alimentados, o que melhora a eficiência e o gerenciamento da rede. Redes e outras configurações de dispositivos se beneficiarão da versatilidade suplementar porque, sem o pendente, as operações diminuem. Portanto, fica claro que o uso do Power over Ethernet fornece às redes operações simplificadas, juntamente com versatilidade de implantação aprimorada.

Uma análise aprofundada das portas do switch e suas conexões de rede

Portas de switch são os soquetes essenciais nos quais diferentes dispositivos podem ser conectados em uma rede para permitir a troca de dados entre eles. Elas são adicionadas nos switches para computadores e servidores para permitir uma conexão fácil aos dispositivos já existentes. Conexões de rede feitas por meio de portas de switch permitem que os dispositivos sejam mais produtivos, pois se comunicam entre si, além de enviar e receber informações da rede global, incluindo a internet. Para tornar a funcionalidade dos switches superior às outras, esses dispositivos devem conter portas com diferentes capacidades de velocidade (1 Gbps ou 10 Gbps) que atendam à infinidade de necessidades de rede. E é por isso que gerenciar essas portas de switch é vital se você deseja que sua rede funcione de forma adequada e eficiente.

Como os switches impactam a infraestrutura de uma rede?

Aumentando o desempenho de uma rede por meio de comutação

O uso cuidadoso de switches de rede melhora muito o desempenho da rede, aliviando o congestionamento e aprimorando o fluxo de dados. Os switches dividem as redes em unidades menores e mais fáceis de gerenciar, o que permite que os dispositivos se comuniquem sem nenhuma interferência. Os switches também têm recursos de QoS (Quality of Service), que permitem que eles canalizem tráfego crítico para uma operação suave de aplicativos de alto desempenho. Além disso, switches com velocidades de porta mais altas e suporte a protocolos modernos podem ajudar a acomodar os crescentes requisitos de largura de banda. O monitoramento contínuo do usuário e a configuração dos switches são necessários para atingir o desempenho, a estabilidade e a segurança ideais da infraestrutura de rede.

Otimizando o congestionamento da rede com a implantação do switch

Ao segmentar o tráfego, a implantação do switch ajuda a eliminar congestionamentos desnecessários que, em última análise, tornam a comunicação do dispositivo mais lenta dentro de uma determinada rede. Os switches facilitam uma melhor comunicação do dispositivo por meio do encaminhamento inteligente de pacotes para determinados dispositivos dentro de uma rede. Essas técnicas avançadas minimizam a transmissão para toda a rede, o que alivia drasticamente as colisões de dispositivos que tentam se comunicar simultaneamente. Essa abordagem otimiza o tráfego e garante fendas mais amplas para escalabilidade. Isso é garantido pela implantação de switches com capacidade de porta suficiente e pelo uso de VLANs (Virtual Local Area Networks). Essas estratégias minimizam a utilização da largura de banda enquanto maximizam o desempenho da rede.

Como os switches funcionam na administração de uma rede

Transferência de dados eficiente e operações de rede são simplificadas com o uso de switches, tornando-os ferramentas importantes no gerenciamento de rede. Switches são dispositivos de conexão central, portanto, eles servem ao propósito de interconectar vários dispositivos e receber informações de cada fonte de dados e transferi-las para os assuntos necessários. Por meio da segmentação de tráfego, o congestionamento da rede é minimizado e os dispositivos de switch de rede aumentam a eficiência. Ainda mais, eles melhoram a segurança ao oferecer suporte a políticas de rede, como comunicação de isolamento e controle de acesso. Switches modernizados também podem incluir priorização de tráfego, monitoramento de integridade de rede e suporte de configuração avançada, tornando esses switches partes críticas em redes confiáveis ​​e escaláveis.

Perguntas Mais Frequentes (FAQ) 

P: Explique o que é um switch de rede e compare-o com um hub.

R: Um switch de rede é um ponto central de conexão para vários dispositivos em uma rede. Enquanto um hub envia informações para todos os dispositivos, um switch envia dados apenas para o destinatário pretendido, o que resulta em segurança e eficiência na rede. 

P: Em que tipo de rede um switch normalmente opera?

R: Um switch de rede funciona principalmente em redes locais (LANs). Em LANs baseadas em Ethernet, é um componente importante para conectar diferentes dispositivos, como computadores e impressoras, a um único switch ou a vários switches em redes maiores. 

P: Como um switch de rede gerencia endereços IP? 

R: Os switches de rede funcionam usando a Camada 2 do modelo OSI. Eles não funcionam com endereços IP diretamente, mas, em vez disso, encaminham os pacotes de dados usando endereços MAC. Alguns switches têm capacidades limitadas de Camada 3, o que significa que eles também podem usar endereços IP para rotear tráfego em certas situações.

P: O que é um switch empilhável e como ele funciona em grandes redes?

R: Switches empilháveis ​​são aqueles dispositivos que podem formar uma única unidade quando conectados a dispositivos similares. É por isso que é mais fácil gerenciar e escalar a pilha de switches, o que é particularmente útil em grandes redes ou redes de data center.

P: De que maneiras um switch pode ser utilizado para monitoramento de rede? 

R: Quase todos os switches modernos têm recursos como espelhamento de porta e SNMP, que permitem o monitoramento de rede. Com o espelhamento de porta, informações de uma ou mais portas podem ser enviadas para outra porta para exame posterior. Em contraste, o SNMP permite que um administrador de rede observe e controle as operações gerais e a saúde da rede e resolva proativamente quaisquer problemas enquanto coleta dados no processo. 

P: Qual é a contribuição da placa de interface de rede (NIC) para um único usuário de switch? 

R: Dispositivos com switches de rede devem ter uma Placa de Interface de Rede (NIC). Ela serve como ponto de contato e como protocolo de comunicação com o dispositivo. A placa de interface de rede tem um endereço MAC distinto incorporado a ela, o que permite que o switch identifique o dispositivo e roteie dados de e para o dispositivo adequadamente.

Fontes de Referência

1. Hipernetch: Switch de rede FPGA de alto desempenho

• autores: Philippos Papaphilippou et al.
• Diário: Transações da ACM sobre tecnologia e sistemas reconfiguráveis
• Data de publicação: 31 de março de 2022
• Principais conclusões:
  • O documento apresenta o Hipernetch, um novo design baseado em FPGA para redes de comutação com altas larguras de banda.
  • Ele substitui as estruturas típicas de barras transversais por um “árbitro round-robin paralelo combinado” que melhora o desempenho do pipeline e diminui os atrasos.
  • A implementação obtém uma taxa de transferência superior a 100 Gbps por porta para switches de até 16 portas.
• Metodologia:
  • Os autores criaram a arquitetura do Hipernetch e analisaram o desempenho em relação às arquiteturas de comutação tradicionais, revelando as vantagens em taxa de transferência e latência.

Citação: (Papaphilippou et al., 2022, p. 3:1-3:31)

2. Evolução da arquitetura do switch para acomodar a inteligência na rede

• autores: Shuangwu Chen e outros.
• Diário: Revista de Comunicações IEEE
• Data de publicação: 1 de janeiro de 2020
• Principais conclusões:
  • Aqui estamos nos concentrando nas melhorias feitas na arquitetura do switch por meio da incorporação de um plano de inteligência que permite a tomada de decisões e o processamento dentro da rede.
  • O design sugerido permite o fornecimento de desempenho robusto e alto rendimento de aplicação, permitindo que a IA seja facilmente integrada às operações de rede.
• Metodologia:
  • Os autores oferecem uma estrutura conceitual para a arquitetura de switch evoluída e demonstram sua implantação em uma rede de campus. A implementação é verificada por resultados experimentais relativos a seus recursos.

Citação: (Chen et al., 2020, pp.)

3. Arquitetura de switch-memória-switch acionado por tempo para switches de rede sensíveis ao tempo

• autores: Zonghui Li e outros.
• Diário: Transações IEEE sobre Projeto Assistido por Computador de Circuitos e Sistemas Integrados
• Data de publicação: 1 de janeiro de 2020
• Principais conclusões:
  • O documento apresenta a arquitetura de comutação-memória-comutação (SMS) com término de tempo, que visa atingir baixo consumo de memória em redes sensíveis ao tempo (TSN).
  • Isso permite o agendamento estático de alocação de memória, o que melhora tanto a utilização de recursos quanto a tolerância a falhas.
• Metodologia:
  • Os autores implementaram a estrutura SMS e executaram simulações para testar sua eficácia em relação ao uso de memória e eficiência de agendamento.

Citação: (Li et al., 2020, pp.)

4. Implantação incremental de switches programáveis ​​para detecção de ataques pesados ​​em toda a rede

• autores: Damu Ding e outros.
• Diário: Conferência IEEE 2019 sobre Softwareização de Rede
• Data de publicação: 1 de Junho de 2019
• Principais conclusões:
  • Este documento busca apresentar um método para a implementação gradual de switches programáveis ​​em uma rede de Provedor de Serviços de Internet com a finalidade de monitorar fluxos de rede exclusivos.
  • Este método reduz a quantidade de informações necessárias do plano de dados, ao mesmo tempo em que garante a detecção precisa de fluxos intensos.
• Metodologia:
  • Os escritores projetaram dois modelos de Programação Linear Inteira (ILP) para a alocação de switches programáveis ​​e verificaram seu método com simulações em topologias reais de ISP.

Citação: (Ding et al., 2019, pp.)

5. Poseidon: Mitigando ataques DDoS volumétricos com switches programáveis

• autores: Menghao Zhang e outros.
• Diário: Anais 2020 Simpósio de Segurança de Redes e Sistemas Distribuídos
• Data de publicação: 2020
• Principais conclusões:
  • O artigo relata o Poseidon, que usa interruptores programáveis ​​para proteger contra ataques DDoS volumétricos.
  • Ele permite que os usuários definam estratégias de defesa modulares que podem ser modificadas de forma flexível em correlação com os padrões de ataque em desenvolvimento.
• Metodologia:
  • Os autores implantaram o Poseidon em switches programáveis ​​e realizaram testes para validar sua eficiência na detecção e mitigação de ataques DDoS com gasto mínimo de recursos, garantindo tráfego estável pela rede.

Citação: (Zhang et al., 2020)

6. Interruptor de rede

7. Rede de computadores