Switches: Funcionamento e Tipos

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Switches: Funcionamento e Tipos: Até agora, exploramos os fundamentos das redes de computadores, classificamos seus tipos e topologias, entendemos como os dispositivos são identificados com endereços IP (IPv4 e IPv6) e como os roteadores direcionam o tráfego entre diferentes redes (o roteamento na Camada 3). Mas como a comunicação acontece dentro de uma única rede local (LAN), onde dispositivos precisam trocar dados de forma rápida e direta sem precisar passar por um roteador a cada vez?

Esta é a função da Comutação, ou Switching. A comutação é o processo de encaminhar quadros de dados (frames) de um dispositivo para outro dentro do mesmo segmento de rede local. O dispositivo principal que realiza essa função é o Switch. Os switches são a espinha dorsal da vasta maioria das redes locais modernas, desde a sua casa até grandes data centers.

Este artigo tem como objetivo desmistificar a comutação. Vamos explicar o que é switching, como um switch funciona para aprender a localização dos dispositivos e encaminhar dados eficientemente, por que eles substituíram os antigos hubs, e quais são os diferentes tipos de switches que você encontrará no mundo do networking. Nosso foco é ser o mais didático possível, tornando este conceito claro para quem está começando e fornecendo insights úteis para profissionais de infraestrutura.

O Que é Comutação (Switching)?

Switches: Funcionamento e Tipos: A Comutação é uma função que opera na Camada de Enlace de Dados (Camada 2) do Modelo OSI. Sua principal responsabilidade é mover quadros de dados entre dispositivos que estão conectados ao mesmo segmento de rede. Diferente do roteamento (Camada 3), que lida com o endereçamento lógico (endereços IP) para enviar pacotes entre redes, a comutação lida com o endereçamento físico (endereços MAC) para encaminhar quadros dentro de uma rede local.

Pense na comutação como o sistema de correio interno de um grande edifício. O roteamento é como o serviço postal que traz as cartas de fora do edifício para a portaria (o roteador). A comutação é como o porteiro ou o sistema de distribuição interna que lê o número do apartamento (o endereço MAC) e entrega a carta diretamente ao apartamento correto dentro do prédio (a rede local), sem precisar anunciar o conteúdo para todos os moradores.

Neste artigo vamos abordar o principal objetivo da comutação que é otimizar a comunicação local, garantindo que o tráfego de dados seja enviado apenas para o dispositivo de destino correto, em vez de ser transmitido para todos os dispositivos na rede, como acontecia com dispositivos mais antigos como os hubs.

O Switch: Mais Inteligente Que o Hub

Switches: Funcionamento e Tipos: Antes dos switches se tornarem populares, os hubs eram comuns em redes locais. Um hub é um dispositivo da Camada Física (Camada 1) muito simples: ele recebe um sinal elétrico ou óptico em uma porta e o retransmite para todas as outras portas. Isso cria um único e grande domínio de colisão – se dois dispositivos tentarem transmitir dados ao mesmo tempo, ocorrerá uma colisão, e ambos terão que retransmitir. Isso torna as redes baseadas em hubs ineficientes e lentas à medida que mais dispositivos são adicionados ou o tráfego aumenta.

O Switch, por outro lado, é um dispositivo da Camada de Enlace de Dados (Camada 2) muito mais inteligente. Ele não simplesmente retransmite dados. Ele aprende a localização dos dispositivos na rede e encaminha os quadros de dados de forma seletiva. Cada porta em um switch geralmente representa um domínio de colisão separado (no modo full-duplex), eliminando as colisões na maioria dos cenários e permitindo que múltiplos pares de dispositivos se comuniquem simultaneamente.

Como um Switch Aprende e Encaminha Dados

O funcionamento de um switch baseia-se em duas operações principais: Aprendizado (Learning) e Encaminhamento (Forwarding).

Aprendizado (Learning): Construindo a Tabela MAC
- Quando um switch é ligado, sua Tabela MAC (ou Tabela de Comutação, ou Tabela CAM – Content Addressable Memory) está vazia.
- Quando o switch recebe um quadro de dados em uma de suas portas, ele examina o endereço MAC de origem no cabeçalho do quadro.
- O switch associa esse endereço MAC de origem à porta onde o quadro chegou e armazena essa informação na sua Tabela MAC. Por exemplo, “MAC Address XX:XX:XX:XX:XX:XX está na Porta 5”.
- Com o tempo, o switch “aprende” os endereços MAC de todos os dispositivos conectados às suas portas ao receber quadros deles. A Tabela MAC é preenchida dinamicamente. As entradas na tabela possuem um tempo de expiração para que endereços MAC de dispositivos desconectados sejam removidos.
Encaminhamento (Forwarding): Entregando o Quadro
- Quando o switch recebe um quadro e precisa decidir para onde enviá-lo, ele examina o endereço MAC de destino no cabeçalho do quadro.
- O switch então consulta sua Tabela MAC em busca desse endereço MAC de destino:
  - Destino Encontrado na Tabela e na Porta Certa: Se o endereço MAC de destino for encontrado na Tabela MAC e estiver associado a uma porta diferente da porta onde o quadro chegou, o switch encaminha o quadro diretamente para apenas essa porta de destino específica (Comunicação Unicast – um para um).
  - Destino Encontrado na Tabela, Mas na Mesma Porta: Se o endereço MAC de destino for encontrado na Tabela MAC e estiver associado à mesma porta onde o quadro chegou (situação rara e que pode indicar problema ou tráfego de volta), o switch não reencaminha o quadro pela mesma porta.
  - Destino Não Encontrado na Tabela: Se o endereço MAC de destino não estiver na Tabela MAC (porque o dispositivo ainda não enviou tráfego, a entrada expirou, ou o destino está em outra rede), o switch inunda o quadro, enviando-o para todas as portas, exceto a porta onde o quadro chegou. Isso garante que o quadro chegue ao destino se ele existir em alguma porta desconhecida ou a um roteador se o destino estiver em outra rede.
  - Endereço de Broadcast ou Multicast: Quadros enviados para o endereço MAC de broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF) ou endereços multicast são sempre inundados para todas as portas (exceto a de origem), pois se destinam a múltiplos dispositivos.

Switches: Funcionamento e Tipos: Este processo de aprendizado e encaminhamento seletivo permite que os switches criem múltiplos canais de comunicação simultâneos e reduzam significativamente o tráfego desnecessário na rede local, melhorando o desempenho e a segurança em comparação com os hubs.

Tipos de Switches

Os switches vêm em diferentes variedades para atender a diversas necessidades e orçamentos:

Switches Não Gerenciáveis (Unmanaged Switches):
- Características: São os mais simples e de menor custo. Funcionam plug-and-play – basta conectar os cabos e eles começam a aprender e encaminhar automaticamente. Não possuem interface de configuração ou opções avançadas.
- Uso Típico: Redes domésticas, pequenos escritórios, ou adicionar mais portas a uma rede existente onde não são necessários recursos avançados.
Switches Gerenciáveis (Managed Switches):
- Características: Oferecem uma ampla gama de opções de configuração e monitoramento, geralmente através de uma interface de linha de comando (CLI), interface web (GUI) ou SNMP. São mais caros e complexos, mas oferecem controle granular sobre o comportamento da rede.
- Recursos Chave:
  - VLANs (Virtual LANs): Permitem segmentar logicamente uma única rede física em múltiplas redes virtuais separadas. Isso isola domínios de broadcast, aumenta a segurança (tráfego entre VLANs requer um roteador Camada 3 ou switch Camada 3), melhora a organização e o desempenho. Essencial em ambientes corporativos.
  - Port Security: Restringe quais endereços MAC são permitidos em portas específicas, controlando o acesso à rede.
  - QoS (Quality of Service): Permite priorizar determinados tipos de tráfego (como voz e vídeo) para garantir que eles recebam largura de banda e tenham baixa latência.
  - STP (Spanning Tree Protocol): Protocolo crucial para evitar loops na rede em topologias com redundância, bloqueando automaticamente caminhos redundantes até que sejam necessários.
  - Link Aggregation (LAG / EtherChannel): Combina múltiplos links físicos entre dois switches ou entre um servidor e um switch em um único link lógico de maior largura de banda e com redundância.
  - Monitoramento: Fornecem estatísticas de tráfego, logs de eventos, e permitem o monitoramento remoto da saúde e do desempenho da rede.
- Uso Típico: Redes corporativas de todos os tamanhos, data centers, redes de provedores de serviços – onde controle, segurança, desempenho e resiliência são fundamentais.
Switches Camada 3 (Layer 3 Switches):
- Características: São switches de alta performance que também incluem funcionalidades básicas de roteamento IP. Eles podem encaminhar tráfego com base em endereços IP (Camada 3), além de encaminhar com base em endereços MAC (Camada 2). São otimizados para roteamento rápido dentro de uma rede local ou campus (especialmente entre VLANs – Roteamento Inter-VLAN).
- Uso Típico: Frequentemente usados na camada de distribuição ou mesmo na camada de acesso em grandes redes corporativas para fornecer roteamento local de alta velocidade. Eles não substituem roteadores completos em funções de roteamento de WAN ou funcionalidades avançadas de segurança de roteamento, mas são excelentes para comunicação rápida entre sub-redes dentro da LAN.

Comutação e Roteamento: Funções Complementares

Switches: Funcionamento e Tipos: É importante entender que comutação (switching) e roteamento são funções complementares em redes de computadores. O switch mantém o tráfego local (dentro da mesma sub-rede ou VLAN) confinado e eficiente, enquanto o roteador é necessário para enviar o tráfego para qualquer destino fora da rede local.

Uma rede típica moderna usa switches para conectar todos os dispositivos dentro de cada sub-rede ou VLAN e um roteador (ou um switch Camada 3 com função de gateway padrão) para conectar essas sub-redes ou VLANs entre si e à Internet.

Conclusão

Switches: Funcionamento e Tipos: A Comutação (Switching) é a tecnologia fundamental que permite a comunicação eficiente e de alta velocidade dentro de uma única rede local. O switch é o dispositivo inteligente que aprende a localização dos dispositivos usando endereços MAC e encaminha quadros de dados de forma seletiva, eliminando as ineficiências dos antigos hubs e segmentando a rede em domínios de colisão menores.

Exploramos os tipos de switches, desde os simples não gerenciáveis até os poderosos gerenciáveis (com recursos como VLANs, segurança de porta e STP) e os switches Camada 3 que adicionam roteamento local. Dominar o conceito de switching e o funcionamento dos switches é essencial para qualquer profissional que trabalhe com redes de computadores, pois eles formam a base física e da Camada 2 da vasta maioria das redes em todo o mundo.

Esperamos que este artigo tenha desmistificado a comutação e destacado o papel crucial dos switches em manter suas redes locais rápidas, seguras e organizadas. Com este conhecimento, você está pronto para explorar tópicos mais avançados relacionados à Camada de Enlace de Dados, como a configuração de VLANs e a operação de protocolos como o STP. Continue aprendendo e conectando-se ao conhecimento em redes de computadores!

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