Reenvío de Tramas

1. Switching en la Red

El concepto de switching y reenvío de tramas es universal en las redes y las telecomunicaciones. Se utilizan varios tipos de switches en las LAN, WAN y en la red telefónica pública conmutada (PSTN).

La decisión de cómo un switch reenvía el tráfico se basa en el flujo de ese tráfico. Hay dos términos asociados con las tramas que entran y salen de una interfaz:

• Ingreso/Ingress – Se utiliza para describir el puerto donde una trama entra en el dispositivo.
• Egreso/Egress – Se utiliza para describir el puerto que las tramas usarán al salir del dispositivo.

Un switch de LAN mantiene una tabla que es referenciada cuando se reenvía el tráfico a través del switch. La única inteligencia de un switch LAN es su capacidad de utilizar su tabla para reenviar el tráfico. Un switch LAN reenvía el tráfico basándose en el puerto de entrada y la dirección MAC de destino de una trama Ethernet. Con un switch LAN, sólo hay una tabla maestra de switching que describe una asociación estricta entre las direcciones MAC y los puertos; por lo tanto, una trama Ethernet con una dirección de destino determinada siempre sale del mismo puerto de salida, independientemente del puerto de entrada al que entre.

Haga clic en Reproducir para ver una animación del proceso de switching.

2. La tabla de direcciones MAC del Switch

Un switch está compuesto por circuitos integrados y el software que lo acompaña, que controla las rutas de datos a través del switch. Los Switches utilizan direcciones MAC de destino para dirigir las comunicaciones de la red a través del switch, por el puerto apropiado, hacia el destino.

Para que un switch sepa qué puerto usar para transmitir una trama, primero debe aprender qué dispositivos existen en cada puerto. A medida que el switch aprende la relación de los puertos con los dispositivos, construye una tabla llamada tabla de direcciones MAC. Esta tabla se almacena en Content Addressable Memory (CAM), que es un tipo especial de memoria que se utiliza en aplicaciones de búsqueda de alta velocidad. Por este motivo, la tabla de direcciones MAC a veces también se denomina tabla CAM.

Los switches LAN determinan cómo manejar las tramas de datos entrantes manteniendo la tabla de direcciones MAC. Un switch rellena su tabla de direcciones MAC registrando la dirección MAC de origen de cada dispositivo conectado a cada uno de sus puertos. El switch hace referencia a la información de la tabla de direcciones MAC para enviar tramas destinadas a un dispositivo específico desde el puerto que se le ha asignado.

3. El Método de Aprendizaje y Envío del Switch

El siguiente proceso de dos pasos se lleva a cabo en cada trama Ethernet que entra en un switch.

Paso 1. Aprender – Examinar la dirección MAC de origen

Cada trama que entra en un switch se comprueba en busca de nueva información para aprender. Lo hace examinando la dirección MAC de origen de la trama y el número de puerto donde la trama entró en el switch:

• Si la dirección MAC de origen no existe en la tabla de direcciones MAC, la dirección MAC y el número de puerto entrante se añaden a la tabla.
• Si la dirección MAC fuente existe, el switch actualiza el timer/temporizador de actualización para esa entrada. Por defecto, la mayoría de los switches Ethernet mantienen una entrada en la tabla durante cinco minutos. Si la dirección MAC de origen existe en la tabla pero en un puerto diferente, el switch trata esto como una nueva entrada. La entrada se reemplaza utilizando la misma dirección MAC, pero con el número de puerto más actual.

Paso 2. Reenviar – Examinar la dirección MAC de destino

Si la dirección MAC de destino es una dirección unicast, el switch buscará una coincidencia entre la dirección MAC de destino de la trama y una entrada en su tabla de direcciones MAC:

• Si la dirección MAC de destino está en la tabla, reenviará la trama fuera del puerto especificado.
• Si la dirección MAC de destino no está en la tabla, el switch reenviará la trama fuera de todos los puertos excepto el puerto de entrada. Esto se denomina un unicast desconocido (unknown unicast). Si la dirección MAC de destino es una broadcast o una multicast, la trama también se inundará de todos los puertos excepto el puerto de entrada.

4. Tablas de direcciones MAC en los Switches conectados

Haga clic en la figura para ver una demostración de cómo dos switches conectados construyen tablas de direcciones MAC.

5. Métodos de Reenvío Switching

Los Switches toman decisiones de reenvío de la Capa 2 muy rápidamente. Esto se debe al software de los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC). Los ASIC reducen el tiempo de manipulación de tramas dentro del dispositivo y permiten que el dispositivo gestione un mayor número de tramas sin degradar el rendimiento.

Los switches de la capa 2 utilizan uno de los dos métodos para reenviar tramas:

• Conmutación por almacenamiento y reenvío / Store-and-forward switching – Este método toma una decisión de reenvío en una trama después de haber recibido todo la trama y haber comprobado que no hay errores en la trama utilizando un mecanismo matemático de comprobación de errores conocido como comprobación de redundancia cíclica (CRC). La conmutación de almacenamiento y reenvío es el principal método de conmutación de LAN de Cisco.
• Conmutación por método de corte / Cut-through switching – Este método inicia el proceso de reenvío después de que se hayan determinado la dirección MAC de destino de una trama entrante y el puerto de salida.

6. Conmutación por Almacenamiento y reenvío

La conmutación de almacenamiento y reenvío (Store-and-forward switching), a diferencia de la conmutación de corte, tiene las dos características principales siguientes:

• Comprobación de errores – Después de recibir toda la trama en el puerto de entrada, el switch compara el valor de la secuencia de comprobación de tramas (FCS) en el último campo del datagrama con sus propios cálculos de FCS. La FCS es un proceso de comprobación de errores que ayuda a asegurar que la trama esté libre de errores físicos y de enlace de datos. Si la trama está libre de errores, el switch reenvía la trama. De lo contrario, la switch se cae.
• Búfer automático – El proceso de búfer del puerto de entrada utilizado por los switches de almacenamiento y reenvío proporciona la flexibilidad necesaria para soportar cualquier combinación de velocidades de Ethernet. Por ejemplo, el manejo de una trama entrante que viaja a un puerto Ethernet de 100 Mbps que debe enviarse a una interfaz de 1 Gbps requeriría el uso del método de almacenamiento y reenvío. Con cualquier desajuste de velocidad entre los puertos de entrada y salida, el switch almacena toda la trama en un buffer, calcula la comprobación FCS, la reenvía al buffer del puerto de salida y luego la envía.

La figura ilustra cómo el almacenamiento y el reenvío toman una decisión basada en la trama Ethernet.

7. Conmutación por corte

El método de conmutación de almacenamiento y reenvío deja caer las tramas que no pasan el control del FCS. Por lo tanto, no reenvía tramas inválidas.

Por el contrario, el método de conmutación de corte (cut-through switching) puede reenviar las tramas inválidas porque no se realiza la comprobación del FCS. Sin embargo, la conmutación de corte tiene la capacidad de realizar una rápida conmutación de tramas. Esto significa que el switch puede tomar una decisión de reenvío tan pronto como haya buscado la dirección MAC de destino de la trama en su tabla de direcciones MAC, como se muestra en la figura.

El switch no tiene que esperar a que el resto de la trama entre en el puerto de entrada antes de tomar su decisión de reenvío.

La conmutación libre de fragmentos (Fragment free switching) es una forma modificada de conmutación de corte en la que el switch sólo comienza a reenviar la trama después de haber leído el campo Type. La conmutación sin fragmentos proporciona una mejor comprobación de errores que la de corte, sin prácticamente ningún aumento de la latencia.

La menor velocidad de latencia de la conmutación por corte la hace más apropiada para aplicaciones informáticas de alto rendimiento (HPC) extremadamente exigentes que requieren latencias de proceso a proceso de 10 microsegundos o menos.

El método de conmutación por corte puede reenviar tramas con errores. Si hay una alta tasa de errores (tramas inválidas) en la red, la conmutación cut-through puede tener un impacto negativo en el ancho de banda, obstruyendo así el ancho de banda con tramas dañadas e inválidas.

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