Hubs, switches, bridges e roteadores

Os hubs, switches e roteadores são os dispositivos centrais de qualquer rede, encarregados de transmitir as informações de um PC a outro. Apesar disso, existem diferenças fundamentais na forma como eles trabalham, que são explicadas aqui, incluindo tecnologias como os layer 3 switches, switches empilháveis, smart

O hub ou switch é simplesmente o coração da rede. Ele serve como um ponto central, permitindo que todos os pontos se comuniquem entre si. Todas as placas de rede são ligadas ao hub ou switch e é possível ligar vários hubs ou switches entre si (até um máximo de 7) , caso necessário.

A diferença entre os hubs e switches é que o hub apenas retransmite tudo o que recebe para todos os micros conectados a ele, como se fosse um espelho. Isso significa que apenas um micro pode transmitir dados de cada vez e que todas as placas precisam operar na mesma velocidade, que é sempre nivelada por baixo. Caso você coloque um micro com uma placa de 10 megabits na rede, a rede toda passará a trabalhar a 10

Os switches por sua vez são aparelhos muito mais inteligentes. Eles fecham canais exclusivos de comunicação entre o micro que está enviando dados e o que está recebendo, permitindo que vários pares de micros troquem dados entre si ao mesmo tempo. Isso melhora bastante a

velocidade em redes congestionadas, com muitos micros. Outra vantagem dos switches é que eles permitem o uso do modo full-duplex (veja a seguir), onde são utilizados pares separados do cabo de rede para transmitir e para receber dados. Isso permite que os micros disponham de 100 ou 1000 megabits em cada sentido, agilizando as transmissões.

Hoje em dia, os hubs "burros" caíram em desuso. Quase todos à venda atualmente são "hub-switches", modelos de switches mais baratos, que custam quase o mesmo que um hub antigo. Depois destes, temos os switches "de verdade", capazes de gerenciar um número muito maior de portas, sendo, por isso, adequados a redes de maior porte.

Um switch pode operar de quatro formas. No sistema cut-through o switch inicia a retransmissão dos frames imediatamente após receber os headers (que contém os endereços de origem e de destino). Nesse modo o switch não faz nenhum tipo de verificação no frame, simplesmente o retransmite da forma como os dados foram recebidos. No modo store- and-forward o switch armazena o pacote na memória, realiza algumas verificações básicas e só então envia o pacote ao destinatário, descartando pacotes inválidos e solicitando retransmissão de pacotes corrompidos.

A vantagem do modo cut-through é a baixa latência, já que o switch executa muito pouco processamento e vai retransmitindo os dados do pacote conforme eles são recebidos. Entretanto, além da questão da estabilidade e melhor uso da banda da rede, o modo store-and-forward oferece uma vantagem importante, que é o fato de permitir que as portas do switch trabalham a diferentes velocidades, sem precisar reduzir a taxa de transmissão da porta mais rápida, limitando-a à da porta mais lenta.

Uma terceira tecnologia é a adaptative cut-through, disponível em modelos mais recentes. Nesse modo, o switch opera inicialmente em modo cut-through (para minimizar a latência), mas passa automaticamente a operar em modo storeand-forward caso detecte um grande volume de frames inválidos ou corrompidos, ou caso precise transmitir frames entre duas portas operando a diferentes velocidades (100 e 1000, por exemplo). No caso dos switches adaptative cut-through gerenciáveis, é possível também forçar um dos dois modos de operação.

Hoje em dia, o modo de operação do switch é mais uma opção de design do que uma diferença prática, pois em redes de 100 e 1000 megabits o tempo de latência é sempre muito baixo, independentemente do modo de operação. A maioria dos switches gigabit atuais operam com tempos de latência inferiores a 20 microsegundos (0.02 milisegundo), o que é uma necessidade, já que um switch lento não conseguiria encaminhar 1 gigabit de dados por segundo em primeiro lugar.

O quarto modo de operação, pouco relevante hoje em dia, é o fragment-free, onde o switch aguarda o recebimento dos primeiros 64 bytes do frame, certifica-se de que não ocorreu uma colisão e só então o retransmite. Este modo foi desenvolvido para minimizar a ocorrência de colisões, mas se tornou irrelevante com a popularização do modo full-duplex, onde é negociado um canal exclusivo de transmissão entre cada estação e o switch, eliminando o problema.

Tanto os "hub-switches", quanto os switches "de verdade" são dispositivos que trabalham no nível 2 do modelo OSI. O que muda entre as duas categorias é o número de portas e recursos. Os switches "de verdade" possuem interfaces de gerenciamento, que você acessa através do navegador em um dos micros da rede, que permitem visualizar diversos detalhes sobre o tráfego, descobrir problemas na rede e alterar diversas configurações, enquanto que os "hub-switches" são dispositivos burros.

Hoje em dia, existem ainda os "level 3 switches", uma categoria ainda mais inteligente de switches, que incorporam algumas características dos roteadores. Eles permitem definir rotas entre os diferentes micros da rede com base no endereço MAC ou endereço IP, criar redes virtuais (VLANs) e assim por diante.

O uso de VLANs permite dividir as portas do switch em dois ou mais switchs lógicos, que realmente funcionam como se fossem aparelhos separados, dando uma grande flexibilidade ao definir a topologia da rede.

Configuração de VLANs na interface de gerenciamento de um Netgear GS716T

Os switchs com interfaces de gerenciamento são genericamente chamados de "manageable switchs" (switches gerenciáveis) ou "fully managed switchs", enquanto os switchs mais simples são chamados de "unmanaged switchs" (switchs não-gerenciáveis).

Um exemplo de switch gerenciável de baixo custo é o Linksys SRW2008 que custa (no exterior) pouco mais de US$ 200. Nele, a interface de gerenciamento é acessível usando o navegador. Inicialmente ele fica disponível através do endereço "192.168.1.254" (você precisa configurar seu PC para um endereço dentro da mesma faixa para acessá-lo), mas o endereço pode ser alterado após o primeiro acesso. É possível também acessar a configuração do switch usando um cabo serial e um cliente de terminal, como o Hyper Terminal (no Windows) ou o Minicom (no Linux).

Linksys SRW2008

Existe ainda uma categoria de switchs intermediários, chamados de "smart switchs". Eles são switchs gerenciáveis de baixo custo, destinados a redes domésticas, que oferecem apenas um pequeno conjunto das opções disponíveis nos modelos fully managed, mas em troca custam menos. Duas características básicas disponíveis nos smart switchs são a possibilidade de criar redes virtuais e ativar o uso do QoS. O QoS permite priorizar o tráfego de determinados tipos de dados (streaming de vídeo, por exemplo) ou o tráfego de determinadas portas (a porta onde o servidor está conectado, por exemplo), evitando interrupções no fluxo de dados nos momentos de atividade intensa da rede.

Temos também os "stackable switchs" (switches empilháveis) que podem ser combinados para formar switches maiores. Eles normalmente são produzidos no formato 1U, de forma a serem instalados em racks para servidores:

Netgear FSM7328S, um exemplo de stackable switch

Se o objetivo fosse simplesmente obter mais portas, você poderia muito bem ligar vários switches baratos utilizando cabos de rede. Ligando três switches de 8 portas, você obteria um switch de 20 portas (4 das portas são sacrificadas para fazer a ligação) e assim por diante:

Antigamente, a ligação era feita usando cabos cross-over, ou utilizando a porta "uplink" do hub, mas nos hub-switches atuais você pode utilizar qualquer uma das portas e utilizar tanto cabos straight quanto cabos cross-over, pois o switch é capaz de detectar o tipo de cabo usado.

Esta configuração é apelidada de "daisy chain" e permite que você interconecte até 5 níveis de hubs ou de switches (o primeiro é ligado ao segundo, o segundo ao terceiro, o terceiro ao quarto e o quarto ao quinto) este limite existe por que as estações ligadas a um sexto switch excederiam o limite de repetições ao se comunicarem com as estações ligadas ao primeiro.

É possível interligar mais do que 5 switchs, desde que você ligue-os a um switch central. Você poderia ter, por exemplo, 8 switchs de 8 portas ligados às 8 portas do switch central, totalizando 56 portas disponíveis. O switch central passa então a ser chamada de "backbone switch", já que passa a ser a espinha dorsal da rede.

O problema é que nesse caso a comunicação entre os switches é feita na velocidade da rede, ou seja, a 100  ou 1000 megabits, o que cria um grande gargalo em situações onde vários micros (ligados a diferentes switches) precisem transmitir dados simultaneamente.

A principal vantagem dos stackable switchs é que eles possuem barramentos de comunicação dedicados (chamados de "stacking bus") para a comunicação entre os switches, que oferecem velocidades de transmissão muito mais elevadas, eliminando o gargalo:

Portas do stacking bus utilizado para interligar os switches. Neste modelo da Netgear, até 6 switchs podem ser interligados.

Além de serem ligados um ao outro, o último é ligado ao primeiro, de forma a manter a comunicação caso um dos 6 falhe ou seja desligado.

Para cortar custos nos modelos mais baratos, é comum que o barramento dedicado seja substituído por uma ou mais portas do padrão Ethernet seguinte, que podem ser usadas para fazer a interligação entre os switches. Um switch com portas de 100 megabits pode incluir então uma porta uplink de 1000  megabits, por exemplo.

Além disso, eles permitem a conexão de um número maior de switches (atendendo a situações onde você precisa de um número muito grande de portas, como no caso de datacenters), além de recursos de gerenciamento e recursos extras, como a presença de algumas portas para cabos de fibra óptica, que podem ser utilizados para criar backbones de longa distância interligando os switches.

O Netgear FSM7328S da foto anterior, por exemplo, possui 24 portas de 100 megabits e 4 portas gigabit, que suportam o uso de cabos de par trançado ou de fibra óptica. O switch trabalha utilizando o modo store and forward, de forma que as conexões envolvendo portas de velocidades diferentes não são niveladas por baixo. Um servidor ligado a uma das portas gigabit poderia (na ausência de outros gargalos, como a taxa de transferência do HD ou overhead do protocolo) atender 10  clientes ligados às portas de 100 megabits, enviando 100 megabits de dados para cada um, simultaneamente.