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Switches L3 - O que é e como funciona um switch de camada 3 (Layer 3)

Com a evolução contínua dos equipamentos que compõe a infraestrutura de dados corporativa, nossas redes locais ganharam novos recursos para organizar o tráfego e facilitar o gerenciamento dos dados.

A explosão do número de dispositivos conectados (end-points) aumentou a complexidade da maioria das redes corporativas, principalmente pela necessidade da criação de muitas sub-redes e LANs virtuais.

A utilização de switches que atuam exclusivamente na camada 2 se mostrou pouco eficaz na criação e no gerenciamento de muitos segmentos na mesma rede (VLANs), abrindo caminho para o desenvolvimento de novos produtos.

O que é um switch de camada 3?

Um switch layer 3 (ou camada 3) é um comutador de rede que atua na camada 2 e 3 do modelo OSI, ou seja, possui as funcionalidades de switch e roteador combinados no mesmo chassi, o que permite que dispositivos conectados na mesma sub rede ou VLAN troquem informações com maior velocidade.

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Diferentemente dos switches layer 2, que trabalham exclusivamente na segunda camada do modelo OSI e utilizam o MAC Address para endereçar seus pacotes de dados, os switches L3 também suportam o uso dos endereços lógicos do protocolo TCP/IP.

Além de operar na camada de enlace de dados do modelo OSI, o switch L3 possui inteligência de roteamento IP incorporada e seu funcionamento se assemelha a um roteador.

Geralmente utilizados para conectar switches L2 fisicamente na mesma LAN, os switches de camada 3 podem estabelecer VLANs lógicas centrais que dividem e organizam o tráfego interno de toda a rede.

Por conta destas características, um switch Layer 3 suporta protocolos de roteamento, pode inspecionar os pacotes recebidos e até mesmo decidir qual a melhor rota com base nos endereços de origem e destino.

Como os switches L3 atuam tanto na camada 2 como na 3 do modelo OSI, esses comutadores também são conhecidos como switches multicamada, e adicionam mais flexibilidade na construção de grandes redes locais.

Switch ou roteador?

Apesar de switches L3 e roteadores possuírem funções de roteamento, eles não podem ser comparados ou classificados como concorrentes.

Enquanto um roteador tem como principal função o roteamento de pacotes entre várias redes, um switch L3 tem como função interconectar dispositivos dentro da mesma rede.

Switch ou roteador? Switch Cisco de camada 3

Além disso, um roteador geralmente faz o encaminhamento de dados por software, suporta serviços como MPLS, VPN e possui tecnologias de segurança como o firewall.

Já um switch de rede geralmente não suporta esses serviços e não possui portas WAN, mas é equipado com hardware otimizado para o encaminhamento interno de dados na rede, é mais veloz e custa mais barato que um roteador.

O trabalho conjunto dos switches L2 e dos roteadores

Um network switch camada 2 geralmente entrega boa velocidade para a comutação de pacotes, várias portas para a conexão de dispositivos e não custa caro.

Ao adicionar a instalação de um roteador corporativo nessa equação, encontramos um modelo que tem atendido milhares de infraestruturas dentro de pequenas e médias empresas.

Como resultado, ao montar uma nova infraestrutura de rede, muitos profissionais de TI ainda fazem confusão sobre se há ou não a necessidade de uso de um switch layer 3.

Isso ocorre principalmente porque os switches layer 2 sempre foram encontrados em abundância na maioria das redes, deixando o trabalho de roteamento entre redes para os roteadores (que operam na camada 3).

As limitações dos switches de camada 2

Ao usar um switch de camada 2 ​​em pequenas redes locais, as VLANs de diferentes dispositivos geralmente são criadas em um único equipamento ou cluster, o que facilita a entrega dos pacotes e não exige processamento intensivo.

Na maioria desses casos, a velocidade de transmissão de dados entre os servidores, storages e computadores conectados será satisfatória, pois os pontos estão instalados física e logicamente no mesmo barramento.

Assim, sempre que surgia a necessidade de interligar dois segmentos LAN de diferentes localidades (filiais) dentro da mesma rede, sempre fez mais sentido usar um roteador em vez de um switch.

As limitações dos switches de camada 2

Porém, ao conectar duas VLANs distintas através do uso de um roteador associado ao switch de camada 2, o pacote precisa primeiro passar pelo switch de origem (primeiro salto L2), depois pelo roteador (segundo salto L2), ser endereçado para onde o pacote deve ser roteado (salto L3) e finalmente passar por outro switch (terceiro salto L2).

Como os roteadores são mais lentos que os switches, o resultado dessas conexões eram acompanhados de maior lentidão, limitações do gerenciamento e gargalos de utilização em estruturas de redes maiores.

Qual a função do switch L3?

Para superar essas dificuldades, a primeira ideia testada pelos fabricantes foi tentar implementar um roteador dentro de um switch.

Apesar de tecnicamente possível, essa solução não deu certo porque os switches da camada 2 operam apenas no quadro MAC Ethernet enquanto os dispositivos de camada 3 precisam lidar com vários protocolos de roteamento.

Essa solução foi sendo ajustada até chegarmos ao modelo que temos hoje: Um switch L3 que pode operar em ambas camadas e atuar como roteador, tendo como resultado o encaminhamento rápido feito através do hardware subjacente.

Um switch de camada 3 realiza a conexão de duas VLANs distintas sem a necessidade de um roteador, ou seja, sem o transporte de dados entre dispositivos e vários saltos adicionais.

Quem toma a decisão de roteamento é o próprio switch, que roteia o pacote para a outra sub-rede, diretamente para a porta de rede de destino e sem intermediários.

Vale reforçar que a principal diferença entre um switch camada 3 e um roteador é que switches oferecem hardware otimizado para melhorar o desempenho da rede interna enquanto roteadores possuem recursos voltados para rotear e gerenciar dados de forma segura entre redes externas.

Redes corporativas de alto tráfego precisam do TCP/IP

As LANs Virtuais (VLANs) criadas nos switches comuns funcionam bem em redes de baixo e médio tráfego, mas deixam a desejar quando o tráfego aumenta.

Para lidar com esse problema, foi necessário que os switches também incorporassem o protocolo IP para aumentar sua funcionalidade, saindo da camada de enlace do modelo OSI.

Apesar de também continuarem a gerenciar e distribuir os pacotes de dados via tabela de Mac Address, a chegada do protocolo IP permitiu a criação de sub redes lógicas utilizando portas de diferentes switches.

Redes corporativas de alto tráfego precisam do TCP/IP

O surgimento dos switches de camada 3 tem como objetivo melhorar o desempenho de roteamento em grandes redes, principalmente em intranets corporativas com diversas filiais.

Como os switches da camada 3 funcionam na rede?

Switches de camada 2 roteiam dinamicamente o tráfego entre suas interfaces físicas de acordo com os MAC address dos dispositivos envolvidos.

Já os switches da camada 3 não se limitam apenas ao uso do MAC address para endereçar os pacotes, eles também incorporam tabelas IP que permitem gerenciar o tráfego dentro de uma LAN com várias localidades e/ou de tráfego intenso.

Como vimos, o switch L3 foi elaborado com o intuito de acabar com a limitação da camada de enlace e usar tanto a camada 2 como 3 do modelo OSI.

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As duas formas de comutação dos switches L3

Switches PPL3 (Packet-by-Packet Layer 3): Os switches PPL3 funcionam essencialmente como roteadores de alta velocidade, mas com a funcionalidade de roteamento incorporada em seu hardware em vez de software. Esse recurso traz mais segurança ao transporte de dados e encarece o sistema.

Esses switches examinam cada pacote para determinar seu endereço de destino da camada 3 lógica (como seu endereço IP de destino). Além de encaminhar o pacote de dados ao seu destino, os switches PPL3 executam outras funções que um roteador comum executa.

Esses equipamentos também verificam a integridade dos pacotes, podem atualizar as informações de tempo de vida (TTL) do pacote após cada envio e processar as informações contidas no cabeçalho do encapsulamento dos dados.

Os switches PPL3 normalmente se comunicam entre si através de protocolos de roteamento como o Open Shortest Path First (OSPF) ou o Routing Information Protocol (RIP), que possuem recursos para que eles tomem conhecimento da topologia geral da rede.

Cut-through switches: Esses switches analisam apenas o primeiro pacote de uma série para determinar seu endereço de destino da camada 3 lógica (como o endereço IP de destino) e, em seguida, alternam o restante dos pacotes da série usando o endereço da camada 2 (MAC address), resultando em taxas de transferência de dados mais altas.

Esse método de envio encaminha um quadro ou um pacote de dados antes mesmo dele ser totalmente recebido, assim que o endereço destino é reconhecido. Essa forma de encaminhamento reduz o tempo de atraso mas deixa que os dispositivos de outras camadas façam o reconhecimento de erros.

Benefícios de um switch de camada 3

Um switch de camada 3 incorpora as funcionalidades de um roteador e de um switch no mesmo chassi, possibilitando que dispositivos conectados em duas sub redes ou VLANs troquem informações em alta velocidade.

Benefícios de um switch de camada 3

Considerando as funcionalidades de um switch L3, destacam-se os seguintes benefícios:

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Switch de Camada 3 vs Camada 2: Qual escolher?

Enquanto um switch de camada 2 trata apenas do endereçamento MAC, um switch de camada 3 pode implementar tanto a função de comutador como executar ações de roteamento.

Essa pluralidade ajuda a endereçar mais rapidamente os pacotes de dados em grandes redes, além permitir utilizar portas de uma rede virtual, sem limites para largura de banda de transmissão em rede.

Essa funcionalidade deixam switches de camada 3 mais rápidos do que os roteadores, já que eles não perdem tempo analisando todas as informações e verificando a integridade de cada pacotes recebido.

Considerando estes aspectos, se sua empresa possui uma infraestrutura com muitos dispositivos a serem conectados ou possui um alto tráfego, um switch de camada 3 pode reduzir investimentos e facilitar a comunicação entre as localidades ou VLANs.

Mas caso sua empresa precise apenas das funções básicas de um switch, não tenha muitos dispositivos conectados ou VLANs funcionando, um switch de camada 2 pode atender sua demanda.

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