Switch o Conmutador

En las redes actuales el switch es el dispositivo utilizado como elemento de interconexión de los equipos que forman parte de las mismas, existiendo una gran variedad de modelos para cubrir todas las necesidades de las redes actuales, tanto de pequeñas redes con unos pocos equipos como de grandes redes con cientos o incluso miles de equipos.

Sin embargo, su uso no se ha hecho extensivo a prácticamente todas las redes hasta hace unos años, cuando su precio permitió utilizarlo de forma masiva. Repasemos brevemente los dispositivos utilizados hasta ese momento.

Existen tres tipos de Conmutación según los switches que trabajen con las tramas de red:

Store and forward (almacenamiento y retransmisión)

Cut-through (cortar a través)

Existe otro tipo intermedio de Conmutación llamado adaptative cut-through (cortar a través con adaptación)

 

Hub o concentrador: en las primeras redes 10Base-T el dispositivo utilizado como elemento central de interconexión era el hub o concentrador. Un HUB se puede considerar un dispositivo de interconexión de nivel 1, ya que opera exclusivamente en el nivel 1 del modelo OSI. Como ya se ha comentado anteriormente, cuando un HUB recibe datos por uno de sus puertos, lo que hace es simplemente retransmitir esos datos por el resto de los puertos, es decir, lleva a cabo una simple transferencia de niveles eléctricos.con la llegada de la Ethernet conmutada y el abaratamiento de los switches, los hub dejaron de utilizarse y actualmente prácticamente no se utilizan.

Existen tres tipos de concentradores de red:

• Activos: aquellos que necesitan proveerse de alimentación eléctrica externa a través de un transformador, ya que, además de repartir la señal, son capaces de regenerarla.
• Pasivos: no necesitan ningún tipo de alimentación externa, pero no regeneran.
• Inteligentes: capaces de detectar excesos de colisiones, gestión de alarmas, visor de prestaciones de red y ciertos parámetros básicos de configuración.

Puente (Bridge):

Un puente, a diferencia de un hub, operaba en el nivel físico y de enlace, por lo que se les considera dispositivos de interconexión de nivel 2. Su función principal era la de dividir una red grande en segmentos más pequeños. Para llevar a cabo esta función, los puentes contienen la lógica necesaria para separar el tráfico de cada segmento.

El rendimiento de las primeras redes Ethernet que utilizaban CSMA/CD dependía en gran medida del número de equipos conectados, ya que cuantos más equipos, más colisiones y más reintentos sucesivos penalizando dicho rendimiento si el número de colisiones era muy elevado. En esta situación se utilizaban los puentes, dividiendo la red en dos segmentos, repartiendo el número de equipos y, por tanto, la carga de datos. Se dice que los puentes reducen el dominio de colisión.

Un dominio de colisión está formado por todos los equipos que propagan sus tramas por un medio común y que por tanto son susceptibles de producir colisión.

OJO! No hay que confundir un dominio de colisión con un dominio de difusión. Un dominio de difusión está formado por todos los equipos que recibirían una trama de Broadcast dentro de una red. Los puentes reducen los dominios de colisión pero mantienen los dominios de difusión.

Los puentes normalmente tienen dos puertos, en cada uno de los cuales se conecta un segmento de red. cuando se recibe una trama por uno de los puertos, el puente lee la trama para obtener la dirección de destino. si dicha dirección se corresponde con un equipo conectado al segmento de red desde el que se envió la trama, ésta no se propaga al otro segmento. si la dirección de destino se corresponde con un equipo conectado al otro segmento, reenvía la trama por el puerto correspondiente.

Como se observa en la figura, el puente debe almacenar en una tabla interna todas las direcciones físicas de la red y el segmento al que pertenecen. en función de la forma en la que se obtenga esta Información existen dos tipos de puentes:

• Puente simple. La tabla se gestiona de forma manual, es decir, un técnico debe introducir los datos adecuados. es una técnica fácil de implementar pero difícil de mantener.
• Puente transparente. Han sido los más utilizados. La tabla se genera de forma dinámica por medio de un proceso de aprendizaje. Este proceso es igual al que se utiliza en los switches, que se verá en el próximo apartado.

La otra gran función de los puentes era conectar dos redes LAN que utilicen protocolos diferentes en el nivel de enlace, como, por ejemplo, Ethernet y Token Ring, aunque en la actualidad esto tampoco sería necesario. Con la aparición de los conmutadores, los puentes han ido progresivamente desapareciendo y actualmente se pueden considerar extinguidos.

Switch

Un switch es el dispositivo de interconexión utilizado en Ethernet que posibilita el uso de la Conmutación Ethernet. Externamente un switch es muy similar a un hub, y se utiliza en los mismos casos que los hubs, es decir, como elemento de interconexión de las redes Ethernet en estrella. Sin embargo, internamente un switch es un dispositivo con unas prestaciones muy superiores a los hubs.

Aunque el término switch tiene su traducción al español, que sería conmutador, lo cierto es que apenas se utiliza.

Al switch se le considera un dispositivo de interconexión de nivel 2, ya que opera tanto en el nivel 1 como en el nivel 2 del modelo osi. su funcionamiento es muy similar a un puente multipuerto. cuando un switch recibe una trama por uno de sus puertos, en lugar de redirigir la trama al resto de los puertos como hacen los hubs, la reenvía solo al puerto donde está conectado el dispositivo al que va dirigida la trama.

Switches utilizan una sencilla técnica para conocer qué dispositivos están conectados a sus puertos. esta técnica se basa en almacenar la dirección mac de los dispositivos y asociar dicha dirección al puerto en el que están conectados. esta asociación se almacena en una tabla interna en la memoria del switch.

Puerto – Dirección MAC

• 8 – 00:04:3B:8C:A5:73
• 3 – 00:0C:29:95:1F:B1
• 1 – 00:17:D8:65:20:03
• 2- 200:09:7D:27:77:A8
• 4 – 00:24:98:C2:23:44

La técnica para generar la tabla de direcciones mac sigue el siguiente Procedimiento:

• Inicialmente la tabla estará vacía.

Estado inicial de un switch con la tabla de direcciones MAC vacíancuando el switch recibe una trama por uno de sus puertos con una dirección de destino que no está en la tabla, reenvía la trama al resto de los puertos (igual que un hub).

• Si la dirección origen de una trama no está en la tabla, almacena dicha dirección y el puerto desde el que ha recibido la trama.

• Si la dirección destino está en la tabla, envía dicha trama directamente al puerto de destino.

• Cada cierto tiempo los datos de la tabla de direcciones se invalidan para actualizar posibles cambios en la topología de la red, por ejemplo, que un dispositivo cambie de puerto.

Esta técnica considera la posibilidad de que exista más de una dirección MAC en un puerto. Esta situación se puede dar cuando lo que hay conectado en el puerto es otro switch (o hub). Por ello, cuando recibe una trama con una dirección destino que no está en la tabla de direcciones, reenvía la trama al resto de los puertos, aunque algunos de ellos ya tuvieran entrada en la tabla.

El reenvío que hace el switch de una trama cuando no encuentra la dirección mac de destino en la tabla de direcciones no se hace realmente como en un hub. en los switches cada puerto tiene asociado un buffer de memoria. Lo que hace el switch es copiar la trama a los buffers del resto de los puertos. De esta forma nunca habrá más de una trama en ninguno de los enlaces que unen el switch y los dispositivos y, por tanto, no habrá colisiones.

Al igual que en los puentes, cada puerto en un switch es un dominio de colisión separado, con lo cual no propaga colisiones. si se conectan equipos a cada uno de los puertos del switch, cada equipo forma su propio dominio de colisión. al igual que los puentes, todos los equipos conectados a un switch pertenecen al mismo dominio de difusión. Una de las características de los switches, al igual que los hubs, es el número de puertos que ofrecen para la conexión de los dispositivos a la red. existen switches de 4 y 8 puertos para pequeñas redes domésticas, aunque en entornos más profesionales los valores típicos suelen oscilar entre 24 y 48 puertos. en los próximos apartados se mostrarán algunas de las principales características de los switches.

Puertos

Uno de los aspectos básicos que define las prestaciones de los switches son los puertos, que son los elementos que permiten la conexión del switch a otros dispositivos. El primer dato sobre los puertos es su número. En el mercado podemos encontrar switches con diferente cantidad de puertos, que van desde 4 puertos los más básicos hasta varios cientos de puertos los más sofisticados. además del número de puertos que proporciona un switch, conviene tener en cuenta otras características.

Velocidad y medio de transmisión

Dado que Ethernet permite varias velocidades y medios de transmisión, otras de las características destacables sobre los puertos de los switches son precisamente la velocidad a la que pueden trabajar y el medio de transmisión utilizado. Podemos encontrar puertos definidos como 10/100, es decir, que pueden funcionar bajo los estándares 10Base-T y 100Base-TX. otra posibilidad es encontrar puertos 10/100/1000, es decir, añaden el estándar 1000Base-T. También se pueden encontrar puertos que utilicen fibra óptica usando conectores hembra de algún formato para fibra óptica. existen puertos 100Base-FX y 1000Base-X.

Por último, los switches de altas prestaciones pueden ofrecer puertos que cumplan con el estándar 10Gbe, tanto en fibra como en cable UTP.

Funcionamiento Half/full-dúplexcomo se ha visto en los apartados anteriores, el método de acceso al medio CSMA/CD obliga a que las comunicaciones en una LAN sean half-dúplex. Sin embargo, el uso de switches permite las comunicaciones full-dúplex, por lo que el ancho de banda efectivo respecto a redes con hub se duplica. Así, una red Fast Ethernet con una velocidad de 100 mbps aumentará a 200 mbps utilizando un switch que permita el modo full-dúplex. Lógicamente, este modo de funcionamiento también lo deben soportar las tarjetas de red de los dispositivos conectados al switch. Todos los switches fabricados en la actualidad admiten ambos modos. habitualmente la selección del modo se hace de forma automática negociando con la NIC del equipo conectado al puerto mediante el método de autoconfiguración del estándar IEEE 802.3.

Algunos switches admiten la posibilidad de configurar manualmente el modo de transmisión y la velocidad de cada uno de sus puertos.

Modo Auto MDI/MDI-XEN

Se explicaban los dos tipos de configuraciones de cable UTP utilizadas en redes Ethernet. La configuración de cable UTP directo se utiliza para conectar equipos a un switch. Pero también existe la configuración de cable UTP cruzado necesaria para conectar dos switches entre sí o dos PC entre sí. los primeros hubs o switches tenían puertos especiales que realizaban el ajuste necesario en la asignación de los pines para poder utilizar un cable UTP directo. Este tipo de puertos se conocían como puertos MDI/MDI-X o puertos uplink.

En la actualidad, la mayor parte de los switches y NIC funcionan con el llamado modo Auto MDI/MDI-X, que detecta de forma automática el tipo de cable conectado y realiza la asignación conveniente de los pines del conector. De esta forma, si utilizamos un switch que tenga esta característica, no es necesario tener en cuenta el tipo de cable utilizado en una conexión.

Puertos Modulares: GBIC y SFP

La mayor parte de los switches de gamas media y alta ofrecen los llamados puertos modulares. estos puertos realmente no tienen ningún conector específico, sino que a ellos se conecta un módulo que contiene el puerto. De esta forma podemos adaptar el puerto al tipo de medio y velocidad que necesitemos. es habitual que los fabricantes ofrezcan módulos de diferentes tipos con conectores RJ-45 o de fibra óptica. Los puertos modulares proporcionan flexibilidad en la configuración de los switches.

Existen dos tipos de módulos para conectar a los puertos modulares:

• El primer tipo de módulo que apareció es el módulo GBIC (Gigabit Interface Converter), diseñado para ofrecer flexibilidad en la elección del medio de transmisión para Gigabit Ethernet.
• Posteriormente apareció el módulo SFP (Small Form-factor Puggable), que es algo más pequeño que GBIC (de hecho, también se denomina mini-GBIC) y que ha sido utilizado por los fabricantes para ofrecer módulos tanto Gigabit como 10Gbe en fibra o en cable UTP.

 

Puertos modulares para módulos SFP:

Buffers

El elemento clave en los switches para llevar a cabo el proceso de Conmutación son los buffers, que son zonas de memoria donde las tramas son almacenadas antes de ser reenviadas al puerto correspondiente. Esta característica, además, permite al switch conectar puertos que trabajen a diferentes velocidades.

Los buffers pueden ser implementados en la salida de los puertos, en la entrada de los puertos o una combinación de ambos. Lo más habitual es implementarlos en la salida, ya que es el modo más eficiente, consiguiéndose unos índices de eficacia cercanos al 98%.

Los buffers se implementan en memorias RAM integradas en la circuitería del dispositivo.

Técnicas de Conmutación

Existen dos técnicas para llevar a cabo la transferencia de los datos entre puertos de un switch:

• Reenvío directo (cut-through): en esta técnica, cuando un switch comienza a recibir datos por un puerto, no espera a leer la trama completa para reenviarla al puerto destino. en cuanto lee la dirección de destino de la trama MAC, comienza a transferir los datos al puerto destino.

Esta técnica proporciona unos tiempos de retardo bastante bajos, sin embargo, tiene como inconveniente que solo puede usarse cuando las velocidades de todos los puertos son iguales.

Otro problema que plantea la técnica cut-through, debido a su forma de funcionamiento, es que los switches propagan tramas erróneas o tramas afectadas por colisiones. Una posible mejora para evitar la propagación de tramas con colisiones es retrasar el reenvío hasta que se lean los primeros 64 bytes de trama, ya que las colisiones solo se pueden producir en los primeros 64 bytes de la trama. Esta mejora sin embargo aumenta el tiempo de retardo.

• Almacenamiento y reenvío (store and forward): en este caso, cuando un switch recibe datos por un puerto, almacena la trama completa en el buffer para luego reenviarla al puerto destino. La utilización de esta técnica permite realizar algunas comprobaciones de error antes de ser enviada al puerto de destino.

El tiempo de retardo introducido es variable, ya que depende del tamaño de la trama, aunque suele ser superior al proporcionado por la técnica cut-through, sin embargo, es imprescindible utilizar esta técnica cuando existen puertos funcionando a diferentes velocidades.

Control de Bucles: Spanning Tree

El algoritmo spanning tree (árbol de expansión) se utiliza en los switches para prevenir los bucles lógicos que pueden aparecer en una red. Los bucles se producen cuando existen varios caminos distintos entre dos puntos de la red y su efecto es que las tramas pueden circular de forma indefinida atrapadas en un bucle sin conseguir alcanzar su destino, lo que además afectará negativamente al rendimiento de la red. El algoritmo Spanning Tree ayuda a los switches a elegir el camino más idóneo y, por tanto, elimina los bucles.

El uso de este algoritmo está especificado en el estándar IEEE 802.1d. En 1998 se hizo una revisión del mismo añadiendo variaciones para optimizar su funcionamiento, el resultado se llamó Spanning Tree Rápido y está especificado en la norma IEEE 802.1w.

Power Over Ethernet (POE)

Power Over Ethernet (alimentación eléctrica por Ethernet), también conocido como POE, es una tecnología que permite el envío de alimentación eléctrica junto con los datos en el cableado de una red Ethernet. La primera versión de esta tecnología se publicó en el estándar IEEE 802.3af en 2003 y en el año 2009 se publicó una revisión y ampliación en el estándar IEEE 802.3at.

La tecnología POE permite suministrar alimentación eléctrica a dispositivos conectados a una red Ethernet, simplificando por tanto la infraestructura de cableado para su funcionamiento. Un dispositivo que soporte POE obtendrá tanto los datos como la alimentación por el cable de red Ethernet.

Los dispositivos que utilizan esta característica son puntos de acceso inalámbricos Wi-Fi, cámaras de video IP, teléfonos de VoIP, switches remotos y en general cualquier dispositivo que esté conectado a una red Ethernet, que no tenga un consumo energético muy elevado y que su ubicación física dificulte la instalación de cableado.

En el estándar POE se distinguen dos dispositivos:

• PSE (Power Sourcing Equipment). Son los dispositivos que generan la alimentación que viajará por los cables de datos Ethernet. Hay a su vez dos tipos:

–Endspans, son switches Ethernet que incluyen la electrónica para la transmisión de la señal de alimentación eléctrica.

–Midspans, son inyectores de potencia que se ubican entre un switch sin POE y el dispositivo que requiere alimentación por POE.

• PD (Powered Devices). Son los dispositivos que reciben alimentación eléctrica mediante la tecnología POE.

Del estándar IEEE 802.3at especifica dos tipos de sistemas POE: tipos I y II.

• Tipo I cumple las características de la primera versión del estándar IEEE 802.3af
• Tipo II es el nuevo sistema POE con características mejoradas.

El siguiente cuadro muestra un resumen de las características de los dos tipos.

	Tipo I (IEEE 802.3af)	Tipo II (IEEE 802.3at)
Categoría mínima de cableado	Categoría 3	Categoría 5
Potencia Suministrada por el PSE	15,4 W	30 W
Potencia máxima disponible para el PD	12,95 W	25,5 W
Rango de tensión de salida PSE	44 – 57 V cc	50 – 57 V cc
Tensión nominal de salida del PSE	48 V cc	53 V cc
Corriente Máxima	350 mA por par	600 mA por par

Switches de Nivel 3 y Nivel 3/4

Los switches de gama alta utilizados en el troncal de redes Ethernet de mediana y gran envergadura suelen ofrecer capacidades de enrutamiento de paquetes IP. A este tipo de switches se los conoce como switches de nivel 3. Un switch de nivel 3 realiza todas las funciones de Conmutación de un switch pero, además, proporciona funciones de enrutamiento IP.

También pueden existir switches que ofrecen características relacionadas con funciones del nivel 4, como control de puertos. a estos switches se les conoce como switches de nivel 3/4.

Existen dos tipos de conmutadores de nivel 3:

• Packet-by-packet (PPL3): tiene capacidades de enrutamietno.
• Flow based o cut-trough(CTL3): opera investigando el primer paquete recibido dentro de una serie de ellos.