Hardware de Interconexão, Switches e VLANs

Como o switch aprende, encaminha e segmenta a LAN

Professor: Gabriel Soares Baptista

Da Aula Anterior Para Hoje

Na aula passada, o foco foi a subcamada MAC, a Ethernet e o endereçamento MAC.

Hoje vamos responder outras perguntas importantes:

• como o switch decide a porta de saída de um quadro
• por que loops entre switches são perigosos
• como as VLANs dividem logicamente uma mesma infraestrutura física

O Problema de Uma LAN Muito Plana

Em uma LAN grande, três dificuldades aparecem rapidamente:

1. Quadros demais circulam por lugares desnecessários.
2. Broadcasts atingem máquinas demais.
3. A administração física da rede fica mais rígida e trabalhosa.

Ideia central:

Se o equipamento central souber onde está o destino, ele não precisa repetir o quadro para todos.

Hub x Switch

Leitura conceitual:

O switch funciona como uma bridge multiporta na camada de enlace.

O Que o Switch Observa

Um switch Ethernet de camada 2 toma decisões olhando principalmente para:

1. MAC de origem
2. MAC de destino
3. Tag VLAN, quando existir

Importante:

Ele não precisa abrir o pacote IP para fazer o encaminhamento local tradicional.

A Pergunta Central

Se o switch deve encaminhar um quadro apenas para a porta correta, como ele descobre em qual porta está cada MAC?

Resposta:

Ele aprende observando o tráfego.

Esse mecanismo é chamado de aprendizado de MAC ou aprendizado reverso.

Aprendizado de MAC

Sempre que um quadro entra por uma porta, o switch observa o MAC de origem e registra uma associação.

Exemplo:

AA:AA:AA:AA:AA:AA -> porta 3

Consequência:

Com o tempo, a tabela MAC é preenchida dinamicamente.

Exemplo de Aprendizado

1. O host A envia um quadro para D pela porta 1.
2. O switch aprende A -> porta 1.
3. Como ainda não sabe onde está D, trata o destino como desconhecido.
4. Quando D responder, o switch aprenderá também D -> porta correspondente.

Ideia importante:

O tráfego ensina o caminho ao switch.

Três Decisões Básicas do Switch

Resumo:

Essas três ações explicam grande parte do comportamento do switch Ethernet.

Flood, Forward e Filter na Prática

Situação 1: destino desconhecido

O switch faz flood.

Situação 2: destino conhecido

O switch faz forward para a porta correta.

Situação 3: destino já está no mesmo segmento de entrada

O switch faz filter e evita retransmissão desnecessária.

O Switch Melhora Muito, Mas Não Resolve Tudo

Mesmo com comutação, dois problemas continuam importantes:

1. Broadcast ainda circula dentro do domínio correspondente.
2. Muito tráfego para a mesma porta pode gerar fila, buffer e descarte.

Cuidado:

Switch reduz colisões típicas do meio compartilhado clássico, mas não elimina gargalos.

O Problema dos Loops

Redundância física entre switches é útil para tolerância a falhas.

Mas, sem controle, ela pode criar loops de camada 2.

Efeito de um loop:

• quadros podem circular repetidamente
• broadcasts podem se multiplicar
• a tabela MAC pode ficar instável

Spanning Tree

O objetivo do spanning tree é manter a redundância física sem deixar loops ativos na topologia lógica.

Em termos intuitivos:

1. switches trocam mensagens de controle
2. escolhem uma bridge raiz
3. definem portas ativas
4. bloqueiam portas redundantes

Resultado:

A malha física continua existindo, mas o encaminhamento lógico vira uma árvore.

Bridge e Switch

Visão conceitual:

$$ \text{switch de camada 2} \approx \text{bridge multiporta} $$

Leitura didática:

• bridge é o nome mais clássico
• switch é o nome dominante na Ethernet moderna

O mecanismo de aprendizado e encaminhamento por MAC é o mesmo.

Onde as VLANs Entram

Mesmo com switches, uma LAN ainda pode continuar em um único domínio de broadcast.

Isso é ruim quando grupos diferentes precisam ficar logicamente separados.

Exemplo:

• Financeiro
• Desenvolvimento
• Laboratório

Pergunta:

Como separar esses grupos sem depender apenas da fiação física?

VLAN: LAN Virtual

Uma VLAN divide a infraestrutura Ethernet em LANs lógicas distintas.

Efeito principal:

Cada VLAN cria seu próprio domínio de broadcast.

Exemplo:

• portas 1 a 4 -> VLAN 10
• portas 5 a 8 -> VLAN 20

Um broadcast da VLAN 10 não deve ser entregue aos membros da VLAN 20.

O Que a VLAN Resolve

As VLANs ajudam a obter:

1. melhor organização lógica
2. menos broadcast desnecessário
3. administração mais flexível
4. separação entre grupos da rede

Cuidado:

VLAN ajuda a isolar tráfego em camada 2, mas não substitui toda a política de segurança.

Como Definir Quem Pertence a uma VLAN

A forma mais simples de pensar é VLAN por porta.

Porta 1 -> VLAN 10
Porta 2 -> VLAN 10
Porta 3 -> VLAN 20
Porta 4 -> VLAN 20

Outros critérios possíveis:

• endereço MAC
• endereço IP
• regras definidas por software

Porta de Acesso e Porta Trunk

Porta de acesso

Liga normalmente um host final a uma única VLAN.

Porta trunk

Transporta tráfego de múltiplas VLANs entre switches ou equipamentos compatíveis.

Pergunta central:

Se várias VLANs passam pelo mesmo enlace, como o switch receptor sabe a qual VLAN cada quadro pertence?

IEEE 802.1Q

O padrão 802.1Q introduz uma tag VLAN no quadro Ethernet.

Função da tag:

Identificar a qual VLAN aquele quadro pertence, especialmente em enlaces trunk.

O campo mais importante aqui:

VLAN ID

VLAN em Dois Switches

Imagine dois switches ligados por um trunk.

1. No switch A, a porta 2 pertence à VLAN 10.
2. No switch B, a porta 7 também pertence à VLAN 10.
3. Um broadcast da VLAN 10 atravessa o trunk com identificação de VLAN.
4. O switch B replica esse quadro apenas nas portas da VLAN 10.

Resultado:

A VLAN atravessa a infraestrutura física sem virar uma LAN plana única.

O Que VLAN Não Faz Sozinha

VLAN não substitui roteamento

Hosts em VLANs diferentes normalmente precisam de roteamento entre VLANs para se comunicar.

VLAN não substitui segurança completa

É comum combiná-la com ACLs, firewalls, autenticação e outras políticas.

Comparação Final

Progressão importante:

Quanto mais alto o dispositivo opera na pilha, mais rica é a decisão que ele pode tomar.

Próximos Passos

Camada de Rede e Algoritmos de Roteamento.