MELHORANDO A PERFORMANCE DE REDES ETHERNET

CAPÍTULO 2 INTRODUÇÃO ÀS REDES LOCAIS DE COMPUTADORES

2.8 MELHORANDO A PERFORMANCE DE REDES ETHERNET

Embora os repetidores permitam as LANs se estenderem além de limitações de distância normais, eles ainda limitam o número de nós que podem ser suportados.

Porém, as pontes (bridges) e switches (comutadores) permitem às LANs crescerem significativamente em virtude da habilidade desses equipamentos suportarem segmentos Ethernet full-duplex em cada porta. Adicionalmente, pontes e switches seletivamente filtram o tráfego de rede, permitindo tráfego apenas de pacotes

CABEAMENTO ESTRUTURADO: DA TEORIA À PRÁTICA

necessários em cada segmento - isto aumenta o processamento significativamente, em cada segmento e na rede como um todo.

Provendo melhor desempenho e mais flexibilidade para topologias de rede, as pontes e switches (principalmente este último na atualidade) continuarão ganhando popularidade entre os administradores de rede. Os roteadores, por permitirem a separação de ambientes de broadcasting, auxiliam na melhora da performance de uma rede local de computadores.

A seguir comentaremos com maiores detalhes os benefícios da inserção desses equipamentos para melhoria da performance de uma rede LAN.

2.8.1 Pontes (Bridges)

A função de uma ponte é conectar redes separadas. Pontes conectam tipos de redes diferentes (como o Ethernet e Fast Ethernet) ou redes do mesmo tipo.

Pontes mapeiam os endereços Ethernet (endereços MAC) dos nós que residem em cada segmento de rede e permitem somente o tráfego necessário para atravessar a ponte. Quando um pacote é recebido pela ponte, a ponte determina os segmentos de destino e de origem.

Se os segmentos são o mesmo, o pacote é roteado ("filtrado"); se os segmentos forem diferentes, então o pacote é retransmitido ao segmento correto.

Adicionalmente, pontes não retransmitem pacotes defeituosos ou desalinhados. Pontes também são chamados dispositivos de armazenamento e retransmissão ("store and forward") porque eles analisam os pacotes Ethernet inteiros antes de tomar decisões de filtragem ou retransmissão.

A filtragem e a regeneração de pacotes na retransmissão habilitam a tecnologia de bridging para dividir uma rede em domínios de colisão separados. Isso permite maiores distâncias e mais repetidores serem usados no projeto completo da rede.

A maioria das pontes é auto-configurável; elas determinam o endereço do usuário Ethernet no segmento construindo uma tabela com os pacotes que passam pela rede. Porém, esta capacidade de auto-aprendizagem dramaticamente aumenta o potencial de loops na rede em redes que têm muitas pontes. Um loop apresenta informação conflitante sobre em qual segmento um endereço específico fica situado e força o dispositivo para retransmitir todo o tráfego. O Algoritmo Spanning Tree é um padrão de software (encontrado na especificação IEEE 802.1d) para descrever como switches e pontes podem se comunicar para evitar loops de rede.

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As pontes (Bridges) trabalham na camada 2 do modelo OSI (camada de enlace).

2.8.2 Switch Ethernet

Os switches (comutadores) Ethernet são uma expansão do conceito de bridging Ethernet. Os switches LAN podem unir quatro, seis, dez ou mais segmentos de redes, e tem duas arquiteturas básicas: cut-through e store-and-forward. No passado, switches cut-through eram mais rápidos porque eles examinavam somente o endereço de destino dos pacotes antes de retransmiti-los para seu segmento de destino. Por outro lado, um switch store-and-forward aceita e analisa o pacote inteiro antes de retransmiti-lo para seu destino.

Leva mais tempo para examinar o pacote inteiro, mas permite ao switch detectar certos erros de pacotes e os impedir de serem propagados pela rede. Hoje, a velocidade de switches store-and-forward tem se nivelado com os switches cut- through e assim a diferença entre os dois é mínima. Também, há um número grande de switches híbridos disponíveis que usa ambas as arquiteturas cut-through e store- and-forward.

Figura 2.17 Switch Cisco 2950.5

Ambos os switches, cut-through e store-and-forward, separam uma rede em domínios de colisão independentes, permitindo estender regras de projetos de rede. Cada um dos segmentos ligados a um switch Ethernet tem uma largura da banda de 100 Mbps full-duplex (ou velocidade maior conforme a tecnologia utilizada) compartilhados por menos usuários, o que resulta em desempenho melhor (ao invés de hubs que só permitem uma largura da banda que compartilha um único segmento Ethernet).

Na atualidade, switches mais novos oferecem links de alta velocidade (uplink) de várias tecnologias (FDDI, Fast Ethernet, Giga Ethernet ou ATM). Eles são usados para ou interligar switches ou para dar maior largura da banda para servidores de alto tráfego. Uma rede composta de vários switches unidos por uplinks é chamada de rede de "backbone congestionado".

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Figura 2.18 Exemplo de interligação de Switches.1

Quando acrescentados à rede, os Switches Ethernet proveem várias melhorias nas redes compartilhadas. Em primeiro lugar, eles possuem a habilidade para dividir redes em segmentos menores e mais rápidos. Os Switches Ethernet examinam cada pacote, determinam para onde aquele pacote é destinado e então retransmite aquele pacote só para as portas para as quais o pacote precisa ir. Switches modernos podem fazer todas estas tarefas "na velocidade do cabo", quer dizer, sem demora. Enfatizamos aqui novamente a importância de o cabeamento estruturado estar projetado de acordo com os equipamentos de comunicação para poder dar vazão ao tráfego suportado.

Além de decidir quando retransmitir ou quando filtrar o pacote, os Switches Ethernet também regeneram completamente o pacote Ethernet. Essa regeneração e resincronização permitem cada porta em um Switch ser tratada como um segmento de Ethernet completo, capaz de suportar o comprimento total de cabo, juntamente com todas as restrições de repetidores.

Adicionalmente, pacotes com problemas são identificados através de Switches Ethernet e imediatamente descartados de qualquer transmissão futura. Essa atividade de "limpeza" mantém problemas isolados a um único segmento e os impede de interromper outra atividade de rede. Esse aspecto de comutação (switching) é extremamente importante em um ambiente de rede, onde falhas de hardware podem acontecer.

A operação full-duplex dobra a largura da banda em uma ligação, provendo 20 Mbps para a Ethernet e 200 Mbps para Fast Ethernet e é outro método usado para aumentar a largura da banda para estações de trabalho dedicadas ou servidores. Para usar o modo full-duplex, cartões de interface de rede especiais são instalados no servidor ou na estação de trabalho, e o Switch é programado para suportar a operação full-duplex. No entanto, a maioria das placas de redes modernas automaticamente ajusta o modo de operação e velocidade do tráfego de dados, como mencionado anteriormente.

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A implementação da Fast Ethernet ou Giga Ethernet para aumentar o desempenho é o próximo passo lógico. Podem ser conectados dispositivos de tráfego mais altos a Switches ou um ao outro por portas Fast Ethernet a 100 Mbps, ou por Giga Ethernet a 1 Gbps, representando um grande aumento de largura da banda. São projetados muitos Switches pensando nisso e existem uplinks de Fast Ethernet ou Giga Ethernet disponíveis para conexão para um servidor de arquivo ou outros Switches. Eventualmente a Fast Ethernet ou Giga Ethernet pode ser desenvolvida para os desktops dos usuários equipando todos os computadores com cartões de interface de rede Fast Ethernet ou Giga Ethernet, usando Switches e repetidores compatíveis.

Na atualidade, existem switches na velocidade de 1 a 10 Gbps utilizados em redes de alta performance e data center.

Os switches trabalham na camada 2 do modelo OSI (camada de enlace). Eles analisam o endereço MAC e tomam a decisão para a comutação do frame somente para as portas envolvidas na comunicação em andamento.

2.8.3 Roteadores

Os roteadores trabalham na camada 3 do modelo OSI (camada de rede). Eles analisam o campo de endereço de destino (inserido no cabeçalho do pacote ou datagrama) e decidem para qual interface encaminhar o pacote encapsulado no frame. A velocidade da rede diminui frequentemente devido a este tipo de retransmissão inteligente.

Os roteadores filtram todo o tráfego da rede através de protocolo específico (IP), realizando a análise do endereço lógico do pacote. Tais filtros levam mais tempo do que o exercido em um switch ou bridge (ponte), os quais somente verificam o endereço físico do protocolo Ethernet (camada 2 do modelo OSI). Porém, em redes mais complexas, a eficiência geral é melhorada usando roteadores.

Os roteadores também dividem redes logicamente, em vez de fisicamente. Um roteador IP pode dividir uma rede em várias subnets (sub-redes) de forma que só o tráfego destinado para endereços IP particulares pode passar entre segmentos. As sub-redes são formadas tomando-se bits emprestados da parte do endereço do host. Por exemplo, para se formar 8 sub-redes a partir de um endereço IPv4 classe C, são necessários 3 bits emprestados, pois 2 elevado na 3 totalizam um total de 8 sub-redes.

No documento Cabeamento-Estruturado-da-Teoria-a-Pratica-2ª-Ed-2014.pdf (páginas 57-61)