EL SWITCH O CONMUTADOR

 

El switch o conmutador es el dispositivo que se encarga de interconectar todos los equipos dentro de una misma red, formando junto con el cableado la red de área local o LAN. El switch es para la LAN lo que el punto de acceso inalámbrico para la WLAN, que también posibilita la interconexión de equipos conectados mediante wifi.

 

Las redes locales cableadas o LAN siguen el estándar Ethernet (para saber más clica aquí) en las que se utiliza una topología en estrella, siendo el switch el equipo que centraliza las conexiones de todos los equipos terminales de datos:

El switch como punto de conexión de los equipos de una LAN

 

Es importante remarcar que el switch no nos permite conectarnos a otras redes, sólo nos da conexión con otros equipos conectados en la propia LAN en la que se encuentra instalado. Para conectarnos a otra red, por ejemplo a Internet, es imprescindible disponer de un router, como se ve en la imagen anterior.

 

Por otro lado, también es conveniente saber que casi cualquier router incorpora un switch (generalmente con cuatro puertos LAN), como podemos ver en la siguiente imagen:

El router lleva integrado un switch de 4 puertos en color amarillo. En color azul el puerto WAN.

 

 

Esto no nos debe llevar a confusión: cuando conectamos varios ordenadores a las entradas LAN del router, realmente los estamos conectando al switch que lleva integrado (conectores RJ-45 amarillos).

FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS DE UN SWITCH

 

Como ya hemos comentado, la función básica de un switch es unir o conectar dispositivos en red. Un switch no proporciona conectividad con otras redes: sólo conecta equipos dentro de la misma red.

El switch se conecta por un lado con los equipos de la red y por el otro con el router.

 

 

En la imagen anterior, vemos 3 equipos conectados al switch, el cual está conectado a un router que dispone de firewall (clic aquí para saber más). Si el router deja de funcionar, los equipos conectados podrán continuar intercambiando información entre ellos, pero no podrán conectarse a Internet.

 

Vamos a ver cómo trabaja el switch para posibilitar dicho intercambio de datos y sus características más importantes, lo cual te ayudará a la hora de decantarte por un modelo u otro si estás pensando en comprar uno.

LA CONMUTACIÓN

 

La función más importante del switch es la conmutación, de ahí que también se conozca este equipo como conmutador. Consiste en transferir datos entre los diferentes dispositivos de la red, cogiendo las tramas que le llegan por un puerto y enviándolas por otro.

 

Para saber por qué puerto tiene que redirigir la información, el switch procesa las cabeceras de cada trama para obtener la dirección MAC de destino. El switch guarda en una memoria interna llamada CAM (Content Addressable Memory) las direcciones MAC de los equipos conectados, junto con el puerto físico. Esto permite al switch saber por qué puerto tiene que reenviar cada trama, simplemente leyendo la dirección MAC de destino. El fabricante suele indicar en las especificaciones la capacidad de dicha memoria con una frase similar a esta:

 

“Tabla de direcciones MAC: 4000 entradas”

 

Cualquier switch tendrá capacidad más que suficiente, por lo que no es un parámetro que nos deba preocupar. Sí que es importante en cambio que el switch incorpore las opciones de aprendizaje y caducidad automáticas de direcciones MAC, ya que esto hace su gestión más sencilla. Los fabricantes suelen indicar una frase del estilo:

“Soporta aprendizaje y caducidad automáticas de direcciones MAC (Auto-Learning y Auto-Aging)”

MODOS DE CONMUTACIÓN

 

Existen dos posibles modos de funcionamiento para realizar el reenvío de paquetes de un puerto a otro:

 

CUT-THROUGH

Este modo de conmutación es el que introduce un retardo inferior en la comunicación. El switch empieza a redirigir los datos hacia el puerto de destino en cuanto ha leído la dirección MAC del receptor del paquete, sin esperar a leer la trama completa. El inconveniente es que se podría transmitir una trama errónea, ya que es redirigida antes de leer los bytes de CRC (clica aquí), destinados a detectar errores y que se encuentran al final de la trama. Además, este modo sólo se puede utilizar cuando las velocidades de transmisión de todos los puertos son iguales.

 

STORE AND FORWARD

Este modo de conmutación introduce un retardo superior al cut-through. Antes de redirigir la trama hacia el puerto de destino, el switch la almacena entera en el buffer. De esta forma, al disponer de toda la trama antes de enviarla, puede detectar algunos errores mediante los bytes de CRC y solicitar reenvío al emisor en caso de error. Otra ventaja de este modo de conmutación es que no presenta ningún problema cuando tenemos puertos trabajando a diferentes velocidades.

 

 

RENDIMIENTO O TASA DE REENVÍO

 

El rendimiento o tasa de reenvío de un conmutador es la cantidad de tramas o paquetes por segundo (pps) que es capaz de enviar. Esto depende de las características de la trama Ethernet, de la velocidad máxima de cada puerto y del número de puertos. Esto quiere decir que el rendimiento de reenvío para dos switches de diferentes marcas pero igual número de puertos e igual de veloces, será exactamente el mismo. El cálculo del rendimiento de reenvío se hace con el tamaño mínimo de la trama, según veremos de inmediato para un switch Gigabit Ethernet.

 

Teniendo en cuenta que la cabecera o preámbulo siempre tiene 8 bytes (clica aquí para saber más), que el espacio entre tramas siempre es de 12 bytes y que la cantidad de datos más pequeña que podemos transmitir es de 64 bytes, obtenemos que la trama más pequeña tiene 8 + 64 + 12 = 84 bytes = 672 bits.

 

Sabiendo que la velocidad de un puerto Gigabit Ethernet es de 1000 Mbps, no hay más que dividir este valor entre los bits que ocupa una trama para saber la cantidad de tramas por segundo que puede enviar: 1000 Mbps / 672 bits = 1,488 Mpps (1,488 millones de paquetes por segundo o tramas por segundo). 

 

Obviamente, para calcular el rendimiento de reenvío total de un switch, habría que multiplicar el valor anterior por el número de puertos del switch.

 

Consejo: en ocasiones el fabricante ofrece el rendimiento de reenvío de un puerto y en ocasiones el de todos sus puertos, lo que puede inducir a confusión. Por ejemplo, el switch Gigabit Ethernet TP-LINK    TL-SG108E de 8 puertos indica en sus especificaciones lo siguiente:

 

"Tasa de reenvío de paquetes = 11,9 Mpps"

 

¿No habíamos visto que la tasa de reenvío de un puerto Gigabit Ethernet era de 1,488 Mpps? 

¿De dónde sale este número? 

Lo que ha hecho el fabricante es tan simple como multiplicar el valor obtenido anteriormente por el número de puertos del switch:

 

1,488 Mpps * 8 = 11,9 Mpps

Switch Zyxel de 8 puertos

CAPACIDAD DE CONMUTACIÓN

 

La capacidad de conmutación de un switch indica la cantidad máxima de datos en bits/s que puede redirigir por todos sus puertos a la vez y a la máxima velocidad de cada uno de ellos, teniendo en cuenta el modo full-duplex (multiplica por 2, ya que envía y recibe al mismo tiempo). La fórmula es muy sencilla:

 

Capacidad de conmutación = Número puertos * Velocidad máxima del puerto * 2

 

Si cogemos como ejemplo el switch TP-Link TL-SG108PE de 8 puertos Gigabit Ethernet, vemos que en sus especificaciones nos indica lo siguiente:

 

"Capacidad de conmutación = 16 Gbps"

 

¿De dónde sale este número? Muy sencillo, de multiplicar por el número de puertos y doblar esta cantidad debido al full-duplex:

 

Capacidad de conmutación = 8 puertos * 1 Gbps * 2 = 16 Gbps

 

 

TRAMAS JUMBO 9K

Las tramas Jumbo o Jumbo Frame, es una opción extra disponible por algunos switches que permite aumentar hasta 9000 los bytes de datos incorporados en cada trama (lo habitual son 1500 bytes de datos por trama, clica aquí para más detalles). Esto ayuda a aumentar el rendimiento cuando se transmiten grandes ficheros, ya que se reducen la cantidad de tramas a enviar para cada archivo y en consecuencia los bits que no son útiles (preámbulo, direcciones MAC, tipo y CRC).

PUERTOS

Los puertos son las entradas físicas para los cables de red que conectan al switch con el resto de equipos:

Switch HP de 8 puertos

En la imagen vemos un switch con 8 puertos, numerados del 1 al 8, compatibles con Ethernet 10/100/1000 Base-T. La cantidad de puertos de un switch es un parámetro importante, ya que nos indica el número máximo de equipos que podemos conectar. En la red del hogar habitualmente partimos de base con los 4 puertos del switch que viene integrado en el router de la compañía que nos da acceso a Internet, pero si queremos ampliar la red para tener un punto de acceso en cada habitación, no serán suficientes. En mi caso instalé un switch con 8 puertos adicionales, que unidos a los 4 del router, me permiten conectar hasta 12 equipos en red. La idea es la siguiente:

3 equipos de una red conectados al router y 2 conectados al switch

Vemos 3 equipos conectados a un router y 2 equipos conectados a un switch, formando una LAN o red de área local. Gracias a esta configuración, los 5 equipos pueden conectarse a Internet y también pueden intercambiar información entre ellos. Si los 5 ordenadores estuvieran conectados al switch o todos estuvieran conectados al router, nada cambiaría, ya que los 3 equipos que están conectados al router realmente lo hacen al switch que lleva integrado. Para saber cuantos equipos podemos conectar en la red de casa tenemos que sumar los puertos LAN que tiene el rúter más los puertos que tiene el conmutador. También se ve en la imagen un equipo llamado "DSL/Cable Modem", que quizás no puedas identificar en la red de tu casa y que se conoce como ONT (clica aquí para saber más). Esto es normal, ya que este equipo normalmente va integrado en los routers de las compañías que ofrecen los servicios de Internet, y por eso pasa desapercibido.

VELOCIDAD

A la hora de elegir el switch más adecuado para la red de nuestra casa, hay que tener en cuenta las velocidades soportadas por cada puerto. Lo más habitual es que todos alcancen 1 Gbps, correspondiente al estándar 1000BASE-T. Los fabricantes suelen indicar en sus especificaciones lo siguiente:

"Gigabit Ethernet 10/100/1000”

Lo que quiere decir que es compatible con los estándares:

 

- 10BASE-T (10 Mbps)

- 100BASE-T (100 Mbps)

- 1000BASE-T (1 Gbps)

 

Esto implica que un PC puede conectarse a 1 Gbps y otro PC a 100 Mbps al mismo tiempo. Elegiremos siempre un switch que alcance 1 Gbps en todos sus puertos y que gestione de forma inteligente la velocidad de cada puerto. En estos casos, el fabricante suele indicar una frase del estilo a esta:

 

“Integración inteligente del hardware de 10 Mbps, 100 Mbps y 1000 Mbps gracias

a la negociación automática de puertos”. 

BUFFERS

 

El buffer es una memoria que permite al switch almacenar las tramas de datos antes de enviarlas al puerto adecuado. Esta memoria permite el procesado de la trama para encontrar errores en ella y también la realización de la gestión correspondiente cuando las velocidades de los puertos de origen y destino son diferentes. Los chips de memoria se suelen implementar en la salida de los puertos, aumentando la eficacia de la transmisión, tal y como se ve en la siguiente imagen de los internos de un switch comercial:

Buffers de un switch Cisco

 

 

CONECTOR RJ-45

 

Como ya comentamos anteriormente, las redes Ethernet actuales utilizan cable de par trenzado no apantallado (UTP, Unshielded Twisted Pair), de acuerdo a la norma estadounidense TIA/EIA-568-B y a la internacional ISO/IEC 11801. Estos cables terminan con un conector de 8 pines, conocido como RJ-45. Existen dos tipos de conectores RJ-45: T568A y T568B. Ambos tienen el mismo aspecto exterior:

Conector RJ-45 de color azul

Pero el conexionado interno es diferente, tal y como se puede ver en la siguiente imagen:

Conexionado interno conectores tipo T568A y T568B (RJ-45)
RJ-45_TIA-568A_Right.png
RJ-45_TIA-568B_Left.png

 

La existencia de estos dos tipos de conector genera dos tipos de cable en las redes Ethernet, los cables directos y los cables cruzados, que veremos a continuación.

 

CABLE DERECHO O DIRECTO (STRAIGHT-THROUGH)

Un cable derecho o directo utiliza el mismo conector en ambos extremos del cable (ya sea 568A o 568B). Se utiliza para conectar equipos con una función diferenciada dentro de la red:

 

- Conexión de un router a un switch

- Conexión de un servidor a un switch

- Conexión de un PC a un switch

Conectores cable derecho o directo

CABLE CRUZADO

Un cable cruzado utiliza diferente conector en ambos extremos del cable. Se utiliza para conectar equipos con una función equivalente dentro de la red:

 

-Conexión entre switches (uplink)

-Conexión entre un switch y un hub

-Conexión entre hubs

-Conexión entre routers

-Conexión directa entre dos terminales


La existencia de estos dos tipos de cables es una fuente de error durante la instalación de una red Ethernet, ya que es fácil intercambiarlos. Para evitar esto, en el estándar Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ab) se eliminó la necesidad de utilizar uno u otro cable para una u otra conexión, permitiendo al receptor reconocer la señal y adaptarse a la recepción de la misma. Esta tecnología se conoce como Auto MDI / MDIX, la cual explicaremos brevemente a continuación.

MDI / MDIX

 

Antes de ver que es Auto MDI/MDIX, es bueno saber qué es MDI y MDIX. Ambas son dos formas de implementar las interfaces Ethernet para el conector RJ-45, dependiendo del equipo:

 

MDI (Medium Dependent Interface)

Hace referencia a la implementación física de la interfaz de una tarjeta de red.

 

MDIX (Medium Dependent Interface Crossover)

Hace referencia la implementación física de la interfaz de un switch.

 

Estas dos diferentes estructuras están completamente ligadas con los dos tipos de cable explicados en el apartado anterior. Para conectar un puerto MDI con un puerto MDIX necesitaremos un cable derecho o directo y para conectar dos puertos MDI entre ellos, o dos puertos MDIX entre ellos, necesitaremos un cable cruzado para garantizar la conectividad.

 

Para eliminar este requerimiento, surgió la tecnología Auto-MDI / MDIX, que permite al receptor reconocer la señal y adaptarse a la recepción de la misma. Generalmente, para poder utilizar esta tecnología será necesario configurar las velocidades de los puertos del switch en automático y la negociación también en automático. En las especificaciones del switch encontraremos algo así:

 

"5 Puertos RJ-45 de Negociación Automática de 10/100/1000 Mbps"

 

Consejo: cuando vayamos a comprar un router, debemos adquirirlo con esta opción. Por ejemplo, el switch D-Link DGS-105 Switch 5 Puertos 10/100/1000Mbps, nos indica en sus características lo siguiente:

 

"Auto MDI / MDIX cruzado para todos los puertos"

El switch Tripp-Litte NG5 apunta lo siguiente en las características:

"Soporta función de detección automática de cruce MDI / MDIX"

 

Esto quiere decir que, en ambos casos, podemos conectar los cables indistintamente, sin preocuparnos de si es cruzado o derecho.

 

CONTROL DE TRANSMISIÓN DE TORMENTAS

 

El control de transmisión de tormentas evita que una LAN caiga debido a que una interfaz física (un PC, por ejemplo) esté generando un tráfico excesivo. Este tráfico excesivo puede ser debido a algún error de configuración o a un ataque de DoS (Denial of Service, Denegación de Servicio) de algún usuario conectado a la red.

 

El switch compara la cantidad de tramas de un tipo concreto dentro de un intervalo de tiempo y constata si se supera un valor admisible o no, predefinido en el propio switch. Si se supera el valor umbral o admisible, el switch bloquea el puerto (la conexión del PC, por ejemplo) hasta que el tráfico se normaliza.

 

Consejo: si el switch que queremos comprar lleva control de transmisión de tormentas, mejor que mejor, aunque es bastante improbable que lo vayamos a necesitar en la red de nuestra casa.

ESTÁNDARES SOPORTADOS

 

Antes de comprar un switch, verificaremos que cumple al menos con los siguientes estándares:

 

IEEE 802.3 (10BASE-T o Ethernet)

En caso de que tengamos algún dispositivo muy antiguo, nos garantiza que podremos conectarlo a la red a través del switch.

 

IEEE 802.3u (100BASE-TX o Fast Ethernet)

Aún existen dispositivos que funcionan a 100 Mbps, por lo que no está de más comprobar que el switch es capaz de trabajar a esta velocidad, cumpliendo con el estándar comentado.

 

IEEE 802.3ab (1000BASE-T o Gigabit Ethernet)

El más importante de todos, ya que la mayoría de tarjetas de red integradas en las placas base de los PC actuales funcionan a 1 Gbps. Si no queremos limitar nuestra velocidad de conexión a la red, comprobaremos que el switch soporta este estándar.

 

IEEE 803.3x (Control de flujo)

Los conmutadores que cumplen con este estándar evitan la pérdida de datos por desbordamiento del buffer. Cuando el buffer del switch está a punto de llenarse, envía una señal al PC para que espere hasta que se vacíe y continuar con la transmisión.

Switch D-link Fast Ethernet de 5 puertos en color negro

 

DIFERENCIAS ENTRE UN HUB Y UN SWITCH

 

En los inicios de Ethernet, se utilizaban los hub en lugar de los switch. Hoy en día el hub es un dispositivo obsoleto, ya que el switch lo supera por completo. Vamos a analizar las diferencias entre uno y otro, ya que esto nos ayudará a terminar de comprender el funcionamiento del switch.

 

Tanto el hub como el switch sirven para interconectar diferentes equipos conectados a una LAN cableada, utilizando el conector RJ-45. La diferencia está en su funcionamiento: el hub trabaja “a lo bruto” y el switch de forma más inteligente.

 

El funcionamiento del hub es muy simple: cuando un equipo envía a otro una trama de datos (clica aquí) el hub capta dicha trama y la reenvía a todos los equipos que tiene conectados, excepto al emisor. El hub no conoce el destinatario ya que no analiza el contenido de la trama, por eso tiene que reenviarla a todos los equipos para que sean ellos mismos los que acepten la trama o la desechen, según si va dirigida a ellos o no.

 

El funcionamiento de un switch es más complejo, aunque tampoco es difícil de comprender, tal y como hemos visto. Dispone de una memoria interna llamada CAM (Content Addressable Memory) donde almacena las direcciones MAC de los equipos que tiene conectados en cada puerto físico. Cuando un equipo envía una trama de datos, el switch procesa la trama, lee a quién va dirigida (la dirección MAC de destino está incluida en la trama) y reenvía los datos únicamente al destinatario.

 

Ahora que ya tenemos una idea de cómo trabajan ambos equipos, se ve claramente la principal desventaja del hub: el tráfico que genera es muchísimo mayor que el generado por el switch. Si un hub tiene 10 equipos conectados y hay 2 comunicándose, enviará 9 tramas, de las que 8 serán rechazadas por los equipos a los que no va dirigida y 1 la aceptará, lo que supone un 89% de tráfico inútil. Si el número de equipos conectados aumenta, la situación empeora, por lo que la limitación del hub es clara.

 

En línea con lo anterior, en una red conectada mediante un hub se pueden producir colisiones de paquetes, con mayor probabilidad a mayor número de equipos conectados. Por tanto, será necesario el uso del protocolo CSMA/CD (clica aquí) con la consiguiente pérdida de rendimiento. Una red que trabaja con un switch no requiere del uso de este protocolo ya que la comunicación es full‑duplex en todas las comunicaciones.

Switch Gigabyte de 8 puertos modelo Netgear en color azul

 

Si no te ha quedado claro alguno de los conceptos contacta conmigo a través del chat o mediante Facebook y te ayudaré sin compromiso.