Switch de red LAN: Qué es y Cómo Funciona

Vamos a explicar la forma en que funciona un switch y cómo arma su tabla de direcciones MAC y reenvía las tramas. ¡Venga!

El hardware esencial para la conectividad de redes se incluye en la lista de a continuación. Primero daremos un repaso a algunos dispositivos ya sin uso y los otros más importantes, como los switches y ruteadores, hablaremos más adelante.

• Repetidores: aquellos que extienden la distancia para que el tráfico de red puede transferirse en
  un tipo de medio de transmisión en particular.
• Hubs (concentradores): los cuales se utilizan para conectar nodos entre sí cuando utiliza una topología estrella, como 100Base-T
• Switches: aquellos que forman conexiones rápidas punto a punto para todos los dispositivos conectados a ellos.
• Puentes: los cuales son repetidores inteligentes que envían el tráfico de un segmento a otro sólo cuando el tráfico está destinado para ese otro segmento.
• Ruteadores: los cuales pueden enrutar, de manera inteligente, el tráfico de la red de muchas maneras.
• Compuertas: son interfases de aplicación específica que enlazan las siete capas del modelo OSI cuando son diferentes en uno o todos los niveles
• Módems de corto alcance para conexiones pequeñas entre edificios

1. ¿Qué es un Switch?

Un switch Ethernet es un dispositivo de capa 2 que crea una tabla de direcciones MAC para tomar una decisión de
reenvío para cada trama.

En ocasiones, la tabla de direcciones MAC se denomina “tabla de memoria de contenido direccionable” (CAM)

Los switches, como su nombre (en inglés) lo indica, pueden conmutar conexiones de un puerto a otro y de una manera muy rápida. Están orientados a la conexión y, de forma dinámica, conmutan entre sus diferentes puertos para crear estas conexiones.

Lo interesante es que, debido a que las conexiones de un puerto a otro del switch se llevan a cabo conforme se necesiten (y no se envían a los puertos que no estén involucrados en el tráfico), los switches pueden ayudar a
eliminar las colisiones de tráfico provocadas por los segmentos que no se comuniquen.

A diferencia de los hubs Ethernet que repiten los bits por todos los puertos excepto el de entrada, un switch Ethernet consulta una tabla de direcciones MAC para tomar una decisión de reenvío para cada trama. (ver imagen)

En la imagen: se enciende el switch de cuatro puertos. Todavía no conoce las direcciones MAC de las cuatro PC conectadas.

2. Obtención de direcciones MAC

Los switches elaboran dinámicamente la CAM al monitorear las direcciones MAC de origen. El switch reenvía las tramas si encuentra una coincidencia entre la dirección MAC de destino de la trama y una entrada de la tabla de direcciones MAC

Existen dos procesos que se realizan para cada trama de Ethernet que ingresa a un switch:

2.1. Examinar la dirección MAC de origen

Se revisa cada trama que ingresa a un switch en busca de direcciones nuevas. Esto se realiza examinando la dirección MAC de origen de la trama y el número de puerto por el que ingresó al switch.

• Si la dirección MAC de origen no existe, se la agrega a la tabla, junto con el número de puerto de entrada.

En la imagen: la PC-A está enviando una trama de Ethernet a la PC-D. El switch agrega a la tabla la dirección MAC de la PC-A.

• Si la dirección MAC de origen existe, el switch actualiza el temporizador de actualización para esa entrada. De manera predeterminada, la mayoría de los switches Ethernet guardan una entrada en la tabla durante cinco minutos.

2.2. Examinar la dirección MAC de destino

Si la dirección MAC de destino es una dirección de unidifusión, el switch busca una coincidencia entre la dirección MAC de destino de la trama y una entrada de la tabla de direcciones MAC.

• Si la dirección MAC de destino está en la tabla, reenvía la trama por el puerto especificado.

En la imagen: el switch no tiene la dirección MAC de destino de la PC-D en la tabla, por lo que envía la trama por todos los puertos, excepto el 1.

• Si la dirección MAC de destino no está en la tabla, el switch reenvía la trama por todos los puertos, excepto el de entrada. Esto se conoce como “unidifusión desconocida”.

Si la dirección MAC de destino es de difusión o de multidifusión, la trama también se envía por todos los puertos, excepto el de entrada.

3. Tabla de direcciones MAC del switch

Para una mejor comprensión veamos la siguiente imagen y los siguientes pasos:

En la imagen: Explicación de la Tabla de direcciones MAC

1. El switch recibe una trama de broadcast de la PC 0 en el puerto 0.
2. El switch ingresa la dirección MAC de origen y el puerto del switch que recibió la trama en la tabla de direcciones.
3. Dado que la dirección de destino es broadcast, el switch satura todos los puertos enviando la trama, excepto el puerto que la recibió.
4. El dispositivo de destino responde al broadcast con una trama de unicast dirigida a la PC 0
5. El switch introduce en la tabla de direcciones la dirección MAC de origen de la PC 1 y el número del puerto de switch que recibió la trama.
6. Ahora el switch puede enviar tramas entre los dispositivos de origen y destino sin saturar el tráfico, ya que cuenta con entradas en la tabla de direcciones que identifican a los puertos asociados.
7. Cuando un switch envía tráfico a una dirección MAC destino que no está en su tabla MAC, ésta se reenviará a todos los puertos excepto al puerto de origen.

3.1. Filtrado de tramas

Como el switch sabe dónde encontrar una dirección MAC específica, puede filtrar las tramas que se dirigen a ese puerto únicamente.

En la imagen: la PC-A envía una trama a la PC-D. Como la tabla de direcciones MAC ya contiene la dirección MAC de la PC-A y PC-D, el switch envía la trama solamente por el puerto 4.

3.2. Métodos de reenvío de tramas de los switches Cisco

Los switches utilizan uno de los siguientes métodos de reenvío para el switching de datos entre puertos de la red:

• Switching de Almacenamiento y reenvío: Recibe la trama completa y calcula la Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC). Si la CRC es válida, el switch busca la dirección de destino y envía la trama por el puerto correcto.

La CRC utiliza una fórmula matemática basada en la cantidad de bits (números uno) para determinar si esta tiene algún error.

• Switching de Método de corte: El switch no lleva a cabo ninguna verificación de errores en la trama y presenta dos variantes:

1. Reenvío rápido (típico): El nivel de latencia más bajo reenvía el paquete de inmediato después de leer la dirección de destino.
2. Libre de fragmentos: El switch almacena los primeros 64 bytes de la trama antes del reenvío. La mayoría de los errores y las colisiones de la red se producen en esos primeros 64 bytes.

• Almacenamiento en búfer de memoria en los switches: Utiliza esta técnica para almacenar tramas antes de enviarlas o cuando el puerto de destino está ocupado debido a una congestión.

Existen dos métodos de almacenamiento en búfer de memoria: memoria basada en puerto y memoria compartida.

1. Búfer de memoria basada en puerto: las tramas se almacenan en colas conectadas a puertos de entrada y de salida específicos
2. Búfer de memoria compartida: deposita todas las tramas en un búfer de memoria común que comparten todos los puertos del switch.

4. Configuración de los puertos de un switch

Dos de los parámetros más básicos de un switch son el ancho de banda y los parámetros de dúplex para cada puerto de switch individual. Es fundamental ambos coincidan entre el puerto de switch y los dispositivos conectados, como una computadora u otro switch.

Existen dos tipos de parámetros de dúplex utilizados para las comunicaciones en una red Ethernet:

• Dúplex completo: ambos extremos de la conexión pueden enviar y recibir datos simultáneamente.
• Dúplex medio: solo uno de los extremos de la conexión puede enviar datos por vez.

Los puertos Gigabit Ethernet solamente funcionan en dúplex completo

4.1. Auto-MDX

Esta característica ayuda a reducir los errores de configuración ya que el switch detecta el tipo de cable conectado al puerto y configura las interfaces de manera adecuada.