Bem-vindo ao Ethernet Switching!

Se você está planejando se tornar um administrador de rede ou um arquiteto de rede, você definitivamente precisará saber sobre Ethernet e switching Ethernet. As duas tecnologias de LAN mais proeminentes em uso hoje são Ethernet e WLAN. Ethernet suporta larguras de banda de até 100 Gbps, o que explica sua popularidade. Este módulo contém um laboratório usando Wireshark no qual você pode olhar para quadros Ethernet e outro laboratório onde você visualiza endereços MAC do dispositivo de rede. Há também alguns vídeos instrutivos para ajudá-lo a entender melhor a Ethernet. No momento em que você terminar este módulo, você também poderia criar uma rede comutada que usa Ethernet!

Título do módulo: Switching Ethernet

Objetivo do módulo: Explicar como a Ethernet funciona em uma rede de switches.

Título do Tópico

Objetivo do Tópico

Quadro Ethernet

Explicar como as subcamadas da Ethernet se relacionam com os campos do quadro.

Endereços MAC Ethernet

Descrever o endereço MAC da Ethernet.

A tabela de endereços MAC

Explicar como um switch cria sua tabela de endereços MAC e encaminha os quadros.

Métodos de encaminhamento e velocidades de switches

Descrever métodos de encaminhamento de switc

Quadros Ethernet

7.1.1

Encapsulamento Ethernet

Este módulo começa com uma discussão sobre a tecnologia Ethernet, incluindo uma explicação da subcamada MAC e os campos de quadro Ethernet.

A Ethernet é uma das duas tecnologias de LAN usadas atualmente, sendo a outra LANs sem fio (WLANs). A Ethernet utiliza comunicações com fios, incluindo par trançado, ligações de fibra óptica e cabos coaxiais.

Ela opera na camada de enlace de dados e na camada física. É uma família de tecnologias de rede definidas nos padrões IEEE 802.2 e 802.3. A Ethernet suporta larguras de banda de dados do seguinte:

• 10 Mbps

• 100 Mbps

• 1000 Mbps (1 Gbps)

• 10,000 Mbps (10 Gbps)

• 40,000 Mbps (40 Gbps)

• 100,000 Mbps (100 Gbps)

Subcamadas de Enlace de Dados

Protocolos IEEE 802 LAN/MAN, incluindo Ethernet, usam as seguintes duas subcamadas separadas da camada de link de dados para operar. Eles são o controle de link lógico (LLC) e o controle de acesso de mídia (MAC), como mostrado na figura.

Lembre-se de que LLC e MAC têm as seguintes funções na camada de link de dados:

Subcamada MAC

A subcamada MAC é responsável pelo encapsulamento de dados e acesso à mídia.

Encapsulamento de Dados

O encapsulamento de dados IEEE 802.3 inclui o seguinte:

• Quadro Ethernet - Esta é a estrutura interna do quadro Ethernet.

• Endereçamento Ethernet - O quadro Ethernet inclui um endereço MAC de origem e de destino para fornecer o quadro Ethernet da NIC Ethernet para a NIC Ethernet na mesma LAN.

• Detecção de erro Ethernet - O quadro Ethernet inclui um trailer de sequência de verificação de quadros (FCS) usado para detecção de erros.

Acessando a mídia

Como mostrado na figura, a subcamada MAC IEEE 802.3 inclui as especificações para diferentes padrões de comunicações Ethernet em vários tipos de mídia, incluindo cobre e fibra.

O diagrama está mostrando vários padrões Ethernet na subcamada MAC. Na parte superior do diagrama está a camada de rede e o protocolo de camada de rede. Abaixo disso está a camada de link de dados e suas subcamadas. A subcamada superior é a subcamada IEEE 802.2 LLC. Em seguida, é a subcamada MAC Ethernet IEEE 802.3. Abaixo estão cinco colunas com vários padrões Ethernet e tipos de mídia que abrangem a parte inferior da subcamada MAC e toda a camada física OSI. Da esquerda para a direita, as colunas são: IEEE 802.3u Fast Ethernet; IEEE 802.3z Gigabit Ethernet sobre fibra; IEEE 802.ab Gigabit Ethernet sobre cobre; IEEE 802.3ae 10 Gigabit Ethernet sobre fibra; e Etc.

Campos de um Quadro Ethernet

O tamanho mínimo de quadro Ethernet é 64 bytes e o máximo é 1518 bytes. Isso inclui todos os bytes do campo de endereço MAC de destino através do campo FCS (Frame Check Sequence). O campo de preâmbulo não é incluído ao descrever o tamanho do quadro.

Qualquer quadro com comprimento menor que 64 bytes é considerado um"fragmento de colisão" ou um "quadro desprezível" e é automaticamente descartado pelas estações receptoras. Quadros com mais de 1.500 bytes de dados são considerados “jumbo” ou “baby giant”.

Se o tamanho de um quadro transmitido for menor que o mínimo ou maior que o máximo, o dispositivo receptor descarta o quadro. É provável que quadros perdidos sejam resultado de colisões ou outros sinais indesejados. Eles são considerados inválidos. Os quadros jumbo geralmente são suportados pela maioria dos switches e NICs Fast Ethernet e Gigabit Ethernet.

A figura mostra cada campo no quadro Ethernet. Consulte a tabela para obter mais informações sobre a função de cada campo.

Endereços MAC Ethernet

7.2.1

Endereço MAC e Hexadecimal

Na rede, os endereços IPv4 são representados usando o sistema de dez números base decimal e o sistema de números de base binária 2. Endereços IPv6 e endereços Ethernet são representados usando o sistema hexadecimal base dezesseis números. Para entender hexadecimal, você deve primeiro estar muito familiarizado com binário e decimal.

O sistema de numeração hexadecimal usa os números de 0 a 9 e as letras de A a F.

Um endereço MAC Ethernet consiste em um valor binário de 48 bits. Hexadecimal é usado para identificar um endereço Ethernet porque um único dígito hexadecimal representa quatro bits binários. Portanto, um endereço MAC Ethernet de 48 bits pode ser expresso usando apenas 12 valores hexadecimais.

A figura compara os valores decimal e hexadecimais equivalentes para o binário 0000 a 1111.

Endereços MAC Ethernet

Em uma LAN Ethernet, todos os dispositivos de rede estão conectados à mesma mídia compartilhada. O endereço MAC é usado para identificar os dispositivos físicos de origem e destino (NICs) no segmento de rede local. O endereçamento MAC fornece um método para identificação de dispositivo na camada de enlace de dados do modelo OSI.

Um endereço MAC Ethernet é um endereço de 48 bits expresso usando 12 dígitos hexadecimais, como mostrado na figura. Como um byte é igual a 8 bits, também podemos dizer que um endereço MAC tem 6 bytes de comprimento.

O diagrama mostra que o endereço MAC são compostos de 48 bits total. Estes 48 bits podem ser divididos em doze agrupamentos de 4 bits, ou 12 dígitos hexadecimais. Combinar dois dígitos hexadecimais juntos faz um byte, portanto os 48 bits também são equivalentes a 6 bytes.

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

ByteByteByteByteByteByte= 6 bytesHexHexHexHexHexHexHexHexHexHexHexHex= 12 hex= 48 bits

Processamento de Quadros

Às vezes, o endereço MAC é referido como endereço gravado de fábrica (BIA, burned-in-address) porque o endereço é codificado na memória somente leitura (ROM) na NIC. Isso significa que o endereço é codificado no chip da ROM permanentemente.

Observação: Nos modernos sistemas operacionais de PC e NICs, é possível alterar o endereço MAC no software. Isso é útil para tentar obter acesso a uma rede que filtre com base no BIA. Consequentemente, a filtragem ou o controle de tráfego com base no endereço MAC não é mais tão seguro.

Quando o computador é inicializado, a NIC copia seu endereço MAC da ROM para a RAM. Quando um dispositivo está encaminhando uma mensagem para uma rede Ethernet, o cabeçalho Ethernet inclui:

• Endereço MAC de origem - Este é o endereço MAC da NIC do dispositivo de origem.

• Endereço MAC de destino - Este é o endereço MAC da NIC do dispositivo de destino.

A animação tem uma topologia que consiste em um switch com links para quatro PCs host rotulados, H1, H2, H3 e H4. H1 diz que preciso enviar informações para H3. Um quadro aparece na tela do PC e uma visão expandida do quadro aparece acima do PC. O quadro consiste no endereçamento de enquadramento e dados. O endereço de destino CC:CC:CC:CC:CC:CC, o endereço de origem A:A:A:A:A:A:A:AA e a parte de dados do quadro são encapsulados. O quadro de H1 é encaminhado para o switch. Em seguida, o switch encaminha o quadro para fora todas as interfaces, exceto a interface conectada ao H1. Quando H2 e H4 receber o quadro e eles dizem Isso não é endereçado a mim. Vou ignorar. Quando H3 recebe o quadro, ele diz Isso é meu.

Isso não está endereçado a mim. Vou ignorar.

Isso não está endereçado a mim. Vou ignorar.

Isso é meu.

Preciso enviar informações para H3.

Endereço Destino

Endereço Origem

CC:CC:CC:CC:CC:CC

AA:AA:AA:AA:AA:AA

Dados encapsulados

Endereçamento de Quadros

Quando uma NIC recebe um quadro Ethernet, examina o endereço MAC de destino para verificar se corresponde ao endereço MAC físico armazenado na RAM. Se não houver correspondência, o dispositivo descartará o quadro. Caso haja, ele passará o quadro para cima nas camadas OSI, onde o processo de desencapsulamento ocorre.

Note: As NICs Ethernet também aceitarão quadros se o endereço MAC de destino for uma transmissão ou um grupo multicast do qual o host é membro.

Qualquer dispositivo que seja a origem ou o destino de um quadro Ethernet terá uma NIC Ethernet e, portanto, um endereço MAC. Isso inclui estações de trabalho, servidores, impressoras, dispositivos móveis e roteadores.

A Tabela de Endereços MAC

7.3.1

Noções Básicas sobre Switches

Agora que você sabe tudo sobre endereços MAC Ethernet, é hora de falar sobre como um switch usa esses endereços para encaminhar (ou descartar) quadros para outros dispositivos em uma rede. Se um switch apenas encaminhasse cada quadro recebido de todas as portas, sua rede ficaria tão congestionada que provavelmente chegaria a uma parada completa.

Um switch Ethernet da camada 2 usa endereços MAC da camada 2 para tomar decisões de encaminhamento. Desconhece completamente os dados (protocolo) que estão sendo transportados na parte de dados do quadro, como um pacote IPv4, uma mensagem ARP ou um pacote ND IPv6. O switch toma suas decisões de encaminhamento com base apenas nos endereços MAC Ethernet da camada 2.

Um switch Ethernet examina sua tabela de endereços MAC para tomar uma decisão de encaminhamento para cada quadro, ao contrário dos hubs Ethernet herdados que repetem bits em todas as portas, exceto a porta de entrada. Na figura, o switch de quatro portas acaba de ser ligado. O switch toma decisões de encaminhamento com base apenas nos endereços MAC Ethernet da camada 2.

Filtragem de Quadros

A medida que um switch recebe quadros de dispositivos diferentes, ele é capaz de preencher sua tabela de endereços MAC examinando o endereço MAC de origem de cada quadro. Quando a tabela de endereços MAC do switch contém o endereço MAC de destino, ele pode filtrar o quadro e encaminhar uma única porta.

Métodos de encaminhamento e velocidades de switches

7.4.1

Métodos de Encaminhamento de Quadros em Switches da Cisco

Como você aprendeu no tópico anterior, os switches usam suas tabelas de endereço MAC para determinar qual porta usar para encaminhar quadros. Com os switches Cisco, existem realmente dois métodos de encaminhamento de quadros e há boas razões para usar um em vez do outro, dependendo da situação.

Os switches usam um dos seguintes métodos de encaminhamento para o switching (comutação) de dados entre suas interfaces de rede:

• Switching store-and-forward - Este método de encaminhamento de quadros recebe o quadro inteiro e calcula o CRC. O CRC usa uma fórmula matemática, baseada no número de bits (valores 1) no quadro, para determinar se o quadro recebido apresenta erro. Se o CRC é válido, o switch procura o endereço de destino, que determina a interface de saída. Em seguida, o quadro é encaminhado para fora da porta correta.

• Switching cut-through - Esse método de encaminhamento de quadros encaminha o quadro antes de ser totalmente recebido. Pelo menos o endereço de destino do quadro deve ser lido para que o quadro possa ser encaminhado.

Uma grande vantagem da troca de armazenamento e encaminhamento é que ele determina se um quadro tem erros antes de propagar o quadro. Quando um erro é detectado em um quadro, o switch o descarta. O descarte de quadros com erros reduz o consumo de largura de banda por dados corrompidos. O switch store-and-forward é necessário para a análise de qualidade de serviço (QoS) em redes convergentes onde a classificação de quadros para priorização de tráfego é necessária. Por exemplo, os fluxos de dados de voz sobre IP (VoIP) precisam ter prioridade sobre o tráfego de navegação na web.

Switching cut-through

No switching cut-through, o switch atua nos dados assim que eles são recebidos, mesmo que a transmissão não tenha sido concluída. O switch armazena em buffer apenas o quadro suficiente para ler o endereço MAC de destino, para que possa determinar para qual porta deve encaminhar os dados. O endereço MAC de destino está localizado nos primeiros 6 bytes do quadro após o preâmbulo. O switch consulta o endereço MAC de destino na tabela de switching, determina a porta da interface de saída e encaminha o quadro ao seu destino pela porta de switch designada. O switch não realiza nenhuma verificação de erros no quadro.

Há duas formas de switching cut-through:

• Comutação Fast-forward- A comutação de avanço rápido oferece o menor nível de latência. e encaminha imediatamente um pacote depois de ler o endereço de destino. Como o switching fast-forward começa o encaminhamento antes de receber todo o pacote, alguns pacotes podem ser retransmitidos com erros. Isso ocorre com pouca freqüência e a NIC de destino descarta o pacote com defeito após o recebimento. No modo fast-forward, a latência é medida do primeiro bit recebido até o primeiro bit transmitido. Switching fast-forward é o método cut-through típico de switching.

• Comutação Fragment-free - Na alternância sem fragmentos, o switch armazena os primeiros 64 bytes do quadro antes de encaminhar. Esse tipo de switching pode ser encarado como um compromisso entre o switching store-and-forward e o switching fast-forward. O motivo de o switching fragment-free armazenar somente os primeiros 64 bytes do quadro é que a maioria dos erros e das colisões de rede ocorre durante os primeiros 64 bytes. O switching fragment-free tenta melhorar o switching fast-forward executando uma pequena verificação de erros nos primeiros 64 bytes do quadro para garantir que não ocorra uma colisão antes de encaminhar o quadro. O switching fragment-free é um compromisso entre a alta latência e a alta integridade do switching store-and-forward e a baixa latência e a integridade reduzida do switching fast-forward.

Alguns switches são configurados para executar o switching cut-through por porta até que um limite de erro definido pelo usuário seja atingido e, depois, mudam automaticamente para store-and-forward. Quando a taxa de erros fica abaixo do limite, a porta retorna automaticamente para o switching cut-through.

Buffers de Memória em Switches

Um switch Ethernet pode usar uma técnica de armazenamento de quadros em buffers antes de enviá-los. O buffer também pode ser usado quando a porta de destino está ocupada devido ao congestionamento. O switch armazena o quadro até que ele possa ser transmitido.

Como mostrado na tabela, existem dois métodos de buffer de memória:

Memory Buffering Methods

Método

Descrição

Memória por porta

• Os quadros são armazenados em filas vinculadas a entradas e portas de saída.

• Um quadro é transmitido para a porta de saída somente quando todos os quadros à frente na fila foram transmitidos com sucesso.

• É possível para um único quadro atrasar a transmissão de todos os os quadros na memória devido a uma porta de destino ocupada.

• Esse atraso ocorre mesmo que os outros quadros possam ser transmitidos para portas de destino abertas.

Memória compartilhada

• Deposita todos os quadros em um buffer de memória comum compartilhado por todos os switches e a quantidade de memória de buffer necessária por uma porta é alocados dinamicamente.

• Os quadros no buffer são vinculados dinamicamente ao destino permitindo que um pacote seja recebido em uma porta e, em seguida, transmitida em outra porta, sem movê-la para uma fila diferente.

O buffer de memória compartilhada também resulta na capacidade de armazenar quadros maiores com potencialmente menos quadros descartados. Isso é importante com a comutação assimétrica, que permite taxas de dados diferentes em portas diferentes, como ao conectar um servidor a uma porta de switch de 10 Gbps e PCs a portas de 1 Gbps.

Configurações de Interface: Velocidade e Transmissão Duplex

Duas das configurações mais básicas em um switch são as configurações de largura de banda (às vezes denominadas "velocidade") e duplex para cada porta do switch individual. É fundamental a correspondência dessas configurações na porta do switch e nos dispositivos conectados, como um computador ou outro switch.

Há dois tipos de configurações duplex usadas para comunicação em uma rede Ethernet:

• Full-duplex - As duas extremidades da conexão podem enviar e receber simultaneamente.

• Half-duplex - Somente uma extremidade da conexão pode enviar por vez.

A negociação automática é uma função opcional encontrada na maioria dos switches Ethernet e das placas de interface de rede (NICs). Ele permite que dois dispositivos negociem automaticamente as melhores capacidades de velocidade e duplex. Full-duplex será escolhido se os dois dispositivos o tiverem para a largura de banda mais alta comum entre eles.

MDIX Automático

As conexões entre dispositivos exigiram uma vez o uso de um cabo cruzado ou direto. O tipo de cabo necessário dependia do tipo de dispositivos de interconexão.

Por exemplo, a figura identifica o tipo de cabo correto necessário para interconectar dispositivos switch para switch, switch para roteador, switch para host ou roteador para host. Um cabo cruzado é usado ao conectar dispositivos como, e um cabo direto é usado para conectar ao contrário de dispositivos.

O recurso auto-MDIX é ativado por padrão em switches que executam o Cisco IOS Release 12.2 (18) SE ou posterior. No entanto, o recurso pode ser desativado. Por esse motivo, você sempre deve usar o tipo de cabo correto e não confiar no recurso Auto-MDIX. O Auto-MDIX pode ser reativado usando o comando de configuração de mdix auto interface.

Quadro Ethernet

Ela opera na camada de enlace de dados e na camada física. Os padrões Ethernet definem os protocolos da Camada 2 e as tecnologias da Camada 1. Ethernet usa as subcamadas LLC e MAC da camada de link de dados para operar. O encapsulamento de dados inclui o seguinte: Estrutura Ethernet, endereçamento Ethernet e detecção de erros Ethernet. As LANs Ethernet usam switches que operam em full-duplex. Os campos de quadro Ethernet são: preâmbulo e delimitador de quadro inicial, endereço MAC de destino, endereço MAC de origem, EtherType, dados e FCS.

Endereço MAC Ethernet

O sistema de números binários usa os dígitos 0 e 1. O Decimal usa 0 a 9. Hexadecimal usa 0 a 9 e as letras A a F. O endereço MAC é usado para identificar os dispositivos físicos de origem e destino (NICs) no segmento de rede local. O endereçamento MAC fornece um método para identificação de dispositivo na camada de enlace de dados do modelo OSI. Um endereço MAC Ethernet é um endereço de 48 bits expresso usando 12 dígitos hexadecimais ou 6 bytes. Um endereço MAC Ethernet consiste em um código OUI de 6 fornecedor hexadecimal seguido por um valor atribuído de 6 fornecedor hexadecimal. Quando um dispositivo está encaminhando uma mensagem para uma rede Ethernet, o cabeçalho Ethernet inclui os endereços MAC de origem e de destino. Na Ethernet, são utilizados diferentes endereços MAC para comunicação unicast, broadcast e multicast da Camada 2.

A tabela de Endereços MAC

Um switch Ethernet da camada 2 toma suas decisões de encaminhamento com base apenas nos endereços MAC da camada 2 Ethernet. O switch cria a tabela de endereços MAC dinamicamente examinando o endereço MAC de origem dos quadros recebidos em uma porta. O switch encaminha quadros procurando uma correspondência entre o endereço MAC de destino no quadro e uma entrada na tabela de endereços MAC. A medida que um switch recebe quadros de dispositivos diferentes, ele é capaz de preencher sua tabela de endereços MAC examinando o endereço MAC de origem de cada quadro. Quando a tabela de endereços MAC do switch contém o endereço MAC de destino, ele pode filtrar o quadro e encaminhar uma única porta.

Alternar velocidades e métodos de encaminhamento

Os switches usam um dos seguintes métodos de encaminhamento para alternar dados entre portas de rede: comutação de armazenamento e encaminhamento ou comutação de corte. Duas variantes de comutação cut-through são fast-forward e fragment-free. Dois métodos de armazenamento em buffer de memória são memória baseada em porta e memória compartilhada. Existem dois tipos de configurações duplex usadas para comunicações em uma rede Ethernet: full-duplex e half-duplex. A negociação automática é uma função opcional encontrada na maioria dos switches Ethernet e das placas de interface de rede (NICs). Ele permite que dois dispositivos negociem automaticamente as melhores capacidades de velocidade e duplex. Full-duplex será escolhido se os dois dispositivos o tiverem para a largura de banda mais alta comum entre eles. A maioria dos dispositivos de switch agora suporta o recurso de (Auto-MDIX) interface dependente automática. Quando ativado, o switch detecta automaticamente o tipo de cabo conectado à porta e configura as interfaces de acordo.