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Network Switches: O que é e como funciona um switch de rede

O que são switches de rede e como eles funcionam?

Qualquer infraestrutura de rede para a transmissão de dados, vídeo ou voz exige a utilização de ao menos um switch. Presente na maioria das redes residenciais ou corporativas, o switch é o dispositivo responsável pela conexão física entre servidores, storages e computadores.

As redes podem ser usadas para gravar ou compartilhar dados, acessar imagens de segurança e ou serem a estrutura física do sistema de telefonia corporativo.

Essas infraestruturas conectadas são essenciais para o funcionamento da maioria das empresas, pois criam uma linha de comunicação (física e lógica) entre diversos equipamentos para transmitir, compartilhar e gravar dados.

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Essencialmente, switches são os equipamentos ou softwares responsáveis para organizar e fazer a entrega dos dados, trabalhando como orientadores de tráfego dentro de uma rede. São eles que estabelecem a trajetória dos pacotes de dados entre os pontos e como eles se movem de uma área da rede para outra.

O que é um switch de rede?

Um switch é um dispositivo físico ou lógico, equipado com várias portas de comunicação que conecta os elementos de uma rede para a transmissão de dados, vídeo ou voz.

Trata-se de um intermediário que recebe os pacotes de dados enviados por qualquer dispositivo e os redireciona para seu respectivo destino dentro da rede.

De maneira geral, os switches são um componente comum nas redes locais baseadas no padrão ethernet.

Apesar disso, não é raro encontrarmos switches FC (Fibre Channel), Asynchronous Transfer Mode (ATM) ou InfiniBand em estruturas de TI maiores, como datacenters e provedores de serviços de internet.

O que é um switch de rede?

Os switches podem estar em ambientes residenciais ou corporativos, possuir muitas portas de rede, serem empilháveis, gerenciáveis, não gerenciáveis e PoE, ou seja, transmitirem dados e energia elétrica simultaneamente para os dispositivos conectados.

O identificador MAC Address

Antes de entendermos como funciona um switch de rede, é preciso contextualizarmos o que é MAC address.

MAC address (Media Acess Control Address) é um endereço exclusivo, grafado através de um número hexadecimal, que identifica todo hardware que usa uma conexão ethernet ou WiFi.

Esses endereços são os identificadores exclusivos utilizados para diferenciar os diversos dispositivos que enviam e recebem dados dentro de uma rede. Ok, mas o que isso tem a ver com o switch?

Como qualquer dispositivo físico conectado à rede LAN possui um número MAC address, o switch simplesmente grava esses endereços para transmitir os pacotes de dados corretamente para seus destinos.

Desta maneira, o MAC address serve para que o switch identifique e trace rotas de comunicação entre um dispositivo físico que precisa transmitir dados para outro, bem como a rota que esses pacotes percorrem dentro da infraestrutura de rede.

Portanto, o MAC address sempre identifica um dispositivo físico e exclusivo da camada de rede ao invés de usar um endereço IP, que pode ser atribuído dinamicamente aos dispositivos e/ou mudar com o tempo.

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Como funciona um switch de rede?

Em poucas palavras, quando um dispositivo envia um pacote para outro dentro da rede, este pacote é transmitido para o switch, que determina o que será feito com ele.

O switch recebe o pacote, identifica se o endereço MAC de destino é válido, verifica se a informação pode ser transmitida e encaminha os dados pelas portas apropriadas ao destino correto.

Em alguns casos, pode haver a perda de pacotes e colisões na transmissão e recepção de dados entre os dispositivos. Quando isso acontece, o switch recebe uma notificação de falha na entrega e os pacotes danificados, faltantes ou incompletos são enviados novamente.

Para reduzir a chance de colisões, a maioria dos switches oferecem a transmissão full-duplex, ou seja, podem transmitir e receber pacotes ao mesmo tempo através de um caminho duplo dentro da mesma infraestrutura, para otimizar o uso de toda largura de banda disponível.

O Modelo OSI

Apesar de parecer simples, transmitir e receber dados por computadores, servidores, celulares, câmeras de vigilância, switches e roteadores não é um processo simples.

Conectar os dispositivos físicos através de cabos, hubs, switches e roteadores é apenas uma pequena parte do processo.

Para facilitar o entendimento do funcionamento das redes, a International Organization for Standardization (Organização Internacional de padronização) criou o Modelo OSI, padronizando a regra de comunicação entre máquinas heterogêneas e diretivas genéricas sobre a construção de redes de computadores, independentemente da tecnologia utilizada.

Este modelo é dividido em sete camadas hierárquicas, ou seja, cada camada é responsável por uma parte da construção de uma rede.

As camadas 1 e 2 do modelo OSI

A primeira camada (Camada 1) define especificações elétricas e físicas de cada dispositivo.

Essa camada define a relação entre um dispositivo e os meios de transmissão, como a porta para conexão física de um computador, o tipo de cabo que ele irá usar, os conectores e a forma como tudo irá funcionar.

Isso inclui o layout de pinos, tensões, impedância da linha, especificações de cabos, temporização, hubs, repetidores, adaptadores de rede e controladoras HBA.

Por sua vez, um switch de rede opera na camada de enlace de dados ou Camada 2. Essa camada do modelo OSI detecta e, opcionalmente, corrige erros que possam acontecer no nível físico.

Ela é responsável por controlar o fluxo de dados (recepção, delimitação e transmissão de frames) e estabelece um protocolo de comunicação entre sistemas diretamente conectados. Isso quer dizer que um switch de rede é capaz de ler o MAC address dos dispositivos conectados, receber os pacotes de dados e tomar a decisão de encaminhamento para o endereço de destino que o pacote está registrado.

Vale destacar que um switch Layer 2 também pode ser chamado de bridge, onde sua função basicamente é inspecionar, filtrar e enviar pacotes de dados entre diversos segmentos de uma rede, minimizando as colisões.

Switches podem operar na Camada 3?

Embora normalmente os switches operem na Camada 2, eles também podem operar na camada de rede ou Camada 3, onde ocorre o roteamento.

É na camada 3 que os dados são enviados entre múltiplas redes ou de uma rede local para outra.

Neste contexto, os switches layer 3 podem conectar diversos segmentos de rede como múltiplas VLANs, utilizando protocolos de transporte confiáveis (TCP/IP) além de fornecer comunicação full-duplex, facilitada pelos recursos de roteamento integrados aos switches gerenciáveis.

Tipos de switches

Tipos de switches

No geral, os switches variam em tamanho, quantidade e tipos de portas, protocolos compatíveis, capacidade de empilhamento, clusterização, recursos de gerenciamento e velocidade na entrega das requisições.

Em um pequeno escritório ou home office, por exemplo, um switch de quatro ou oito portas geralmente consegue atender todos os dispositivos de rede disponíveis.

Porém, para implantações maiores dentro de empresas, existem soluções baseadas em switches clusterizados que podem possuir centenas de portas físicas para diferentes dispositivos.

Um switch pode ser apenas uma placa PCIe instalada em um computador desktop ou servidor, um equipamento com 12 portas RJ-45 para ser montado em rack ou ser uma solução com centenas portas, com tamanhos que variam de 1U a 4U, equipando datacenters ou infraestruturas de TI corporativas.

Os switches profissionais

Switches profissionais possuem, além das portas de comunicação, uma ou mais portas para Uplink.

As portas de Uplink são destinadas a conexão de um switch com outros elementos de transmissão, como outro switch, roteadores ou linhas de alta velocidade.

As velocidades de um switch variam e podem ser do padrão Fast ethernet (10/100 Mbps), Gigabit ethernet (10/100/1000 Mbps), 10 Gigabit (10/100/1000/10000 Mbps) ou até possuírem 40/100/200 Gbps de velocidade.

Como cada switch possui caraterísticas próprias, alguns fatores devem ser considerados antes de começar a montar sua rede local.

A primeira pergunta que deve ser respondida antes de adquirir um novo switch é se o equipamento atende os tipos de aplicações envolvidas e é compatível com os dados que serão transportados.

Fatores como a distância entre os pontos instalados, a quantidade de portas e o tipo de dispositivos que serão conectados, bem como a velocidade de rede/largura de banda necessária exigida pela aplicação também deve ser analisada.

Vale destacar que a velocidade a ser escolhida dependerá da taxa de transferência necessária para as aplicações, o número de dispositivos na rede, quantos usuários acessarão simultaneamente o sistema e a quantidade de tarefas suportadas pelo sistema.

Switches cascateáveis ou empilháveis?

Os switches cascateáveis

Como o próprio nome diz, é possível ligar dois switches em cascata através das portas de rede de uso. Esse cascateamento nada mais é do que a interconexão entre dois ou mais switches através de uma porta ethernet qualquer.

Ao ligar dois switches em cascata, uma porta LAN qualquer de cada equipamento é conectada, trafegando todos os pacotes de dados dos dois sistemas por esse caminho físico.

Essa técnica possui sérias limitações como a escalabilidade, desempenho da comunicação entre os switches e muitos problemas relacionados ao gerenciamento do sistema.

Switches cascateados geralmente são gerenciados individualmente: Cada switch que compõe a “cascata” precisa ser acessado isoladamente. Isto acarreta maior esforço para a administração do sistema e torna o ambiente ainda mais complexo.

Switches empilháveis

Ao contrário dos switches que utilizam qualquer porta LAN para fazer o cascateamento, um switch empilhável emprega uma ou mais portas de alta velocidade dedicadas para a interconexão, que são exclusivas para esse fim.

Estas portas dedicadas são conhecidas como conexões de uplink e possuem alto desempenho, muito superior às portas Fast Ethernet e Gigabit Ethernet que conhecemos.

Essa performance promove um ganho de desempenho muito superior quando comparado ao cenário de cascateamento.

Nesse cenário, uma solução baseada em switches empilháveis permite a união de vários equipamentos num único sistema lógico de comutação, gerenciada como se fosse apenas um elemento físico.

Switches inteligentes, gerenciáveis e não gerenciáveis

Switches inteligentes, gerenciáveis e não gerenciáveis

Switches Não gerenciáveis

Os switches não gerenciáveis são os mais básicos dos comutadores de rede, pois oferecem uma configuração fixa. Geralmente, costumam ser do tipo Plug-And-Play, o que significa que têm poucas ou nenhuma opção para o usuário escolher.

Além disso, muitos deles podem ter uma configuração padrão para recursos como a qualidade de serviço (QoS), que não podem ser alterados.

A vantagem dos switches não gerenciáveis é que essas unidades são relativamente baratas, porém sua falta de recursos muitas vezes os torna inadequados para o uso corporativo.

Switches Gerenciáveis

Já os switches gerenciáveis oferecem mais funcionalidade e recursos para profissionais de TI, sendo encontrados com mais frequência em ambientes de negócios ou corporativos.

Neste caso, os switches gerenciáveis possuem interfaces de linha de comando (CLI) e podem ser configurados de acordo com cada projeto.

Normalmente, oferecem suporte a agentes como o SNMP (Simple Network Management Protocol), que fornece informações para ajudar a solucionar problemas de rede.

Os switches gerenciáveis também oferecem suporte a VLANs (LANs virtuais), configurações de Qualidade de Serviço e roteamento IP.

Vale destacar que a preocupação com a segurança de dados nesses equipamentos também é maior, sendo que a maioria deles possuem recursos para a proteção de todos os tipos de tráfego com que lidam.

Dado aos seus recursos avançados, os switches gerenciáveis geralmente custam muito mais caro do que seus pares não gerenciáveis.

Switches inteligentes

Por fim, existem os switches inteligentes, que nada mais são do que comutadores que incorporam alguns serviços não oferecidos por switches não gerenciáveis, mas não são tão recheados de recursos como um switch gerenciável. Portanto, podemos enquadrar os switches inteligentes entre as duas famílias apresentadas.

Esses equipamentos são mais sofisticados que os switches não gerenciáveis e mais baratos do que switches totalmente gerenciáveis, mas nem sempre possuem todos os serviços para atender estruturas de TI mais complexas.

Normalmente, os switches inteligentes não possuem suporte para acesso Telnet e têm GUIs da Web em vez de CLIs.

Outros serviços importantes como a capacidade de criar VLANs, também pode ser limitada e não oferecer os mesmos recursos que switches totalmente gerenciáveis.

Mas, como os switches inteligentes são mais baratos, eles acabam sendo uma boa opção para redes menores, aplicações que não exigem tantos recursos ou empresas com recursos financeiros reduzidos.

Qual a diferença entre um Hub e um switch?

Frequentemente, switches são confundidos com equipamentos chamados hubs. De maneira geral, um hub também pode conectar vários dispositivos com o objetivo de compartilhar recursos.

Mas, embora exista alguns pontos comuns entre esses comutadores, eles não são nada parecidos.

Um hub difere de um switch principalmente porque todos os pacotes enviados por qualquer dispositivo são transmitidos a todos os dispositivos conectados.

Essa situação não se repete em redes baseadas em switches, pois esses equipamentos são capazes de direcionar os pacotes apenas para a porta de destino do dispositivo ao qual o pacote foi endereçado.

Vale destacar que os switches normalmente também conectam segmentos de LAN, que podem ser um conjunto de dispositivos conectados a um hub dentro da rede local.

Em resumo, enquanto um hub disponibiliza os pacotes dentro de uma rede para todos os dispositivos de forma indiscriminada, os switches filtram o tráfego destinado aos dispositivos no mesmo segmento de LAN, fazem um uso mais eficiente dos recursos de processamento e da largura de banda da rede disponível.

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Switches ou roteadores?

Por serem fisicamente parecidos, os switches também são confundidos com roteadores. Afinal de contas, os roteadores também oferecem encaminhamento e roteamento de tráfego de rede, mas, fazem isso com propósito e para locais diferentes.

Assim como alguns switches mais sofisticados, os roteadores operam na camada 3, que é usada para conectar redes a outras redes, através de serviços como os protocolos TCP/IP.

Mesmo assim, existem diferenças significativas quanto ao modo como esses equipamentos funcionam.

Uma maneira fácil de pensar sobre a diferença entre esses dispositivos é que um switch geralmente faz a conexão de dispositivos dentro de uma rede local (LAN) enquanto um roteador conecta uma rede a outra externa via banda larga (WAN).

Caso essa linguagem seja complicada, uma forma simples de raciocinar é que switches conecta dispositivos, enquanto os roteadores conectam redes.

Logo, os dispositivos se conectam localmente por meio de switches e as redes são conectadas à outras redes por meio de roteadores.

Esse modelo teórico de um caminho que os pacotes de dados geralmente precisam seguir para chegar à Internet também deve ajudar: Dispositivo > Hub > Switch > Roteador > Internet.

Obviamente, há casos em que a funcionalidade de comutação é integrada ao hardware do roteador. Neste caso, o roteador também funciona como um switch. O caso mais fácil aqui, é pensar no seu roteador sem fio doméstico.

Todos os roteadores domésticos possuem pelo menos uma conexão de banda larga (porta WAN), mas também portas ethernet livres para a conexão de computadores, TVs, impressoras ou mesmo consoles de videogame.

Embora alguns roteadores forneçam conexão Wi-Fi para dispositivos como notebooks e celulares, ele também oferece funções de comutação por meio da LAN cabeada. Portanto, em muitos casos, o roteador também faz o papel de um switch.

Neste contexto, sempre é possível conectar um switch ao roteador e fornecer acesso à Internet para dispositivos conectados a uma rede local.

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QoS, SNMP e outros recursos de gerenciamento

Empresas como Dlink, Tp-link, Netgear e Linksys se especializaram na fabricação de switches para o mercado doméstico enquanto a Cisco, Juniper, HPe e Brocade são exemplos de fabricantes de switches corporativos.

De qualquer forma, a lista completa de recursos e funcionalidades de um network switch irá variar de acordo com o fabricante, modelo e softwares adicionais fornecidos.

Dentre os recursos de gerenciamento mais populares disponíveis nesses sistemas, temos:

• Habilitar e desabilitar portas específicas no switch

• Definir as configurações para duplex (half ou full), bem como a largura de banda

• Definir os níveis de qualidade de serviço (QoS) para uma porta de rede específica

• Habilitar a filtragem de MAC e outros recursos de controle de acesso

• Configurar o monitoramento SNMP de dispositivos, incluindo a integridade do link

• Configurar o espelhamento de porta para monitorar o tráfego de rede

Outras aplicações que envolvem switches

Em sua forma mais básica, a função de um switch de rede é entregar pacotes de forma rápida e eficiente do computador A para o computador B, estejam os computadores localizados do outro lado do corredor ou do outro lado do mundo.

Apesar de serem amplamente utilizados em redes computacionais, esses equipamentos também atendem sistemas de telefonia, em soluções de vídeo-vigilância e na conexão de outros dispositivos que precisam ter comunicação com outros sistemas.

Para isso que tudo isso aconteça, outros dispositivos também contribuem para que a entrega de dados aconteça corretamente, mas o switch é uma parte essencial da arquitetura de rede.

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