EL SWITCH EN LA RED LAN ETHERNET: FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS
El switch o conmutador es el dispositivo que se encarga de interconectar todos los equipos dentro de una misma red. Forma junto al cableado la red de área local o LAN.
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A continuación te explico lo que debes saber si quieres comprar el mejor switch:
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1. La misión del switch en la red del hogar
2. Funcionamiento y características de un switch
3. Diferencias entre un hub y un switch
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1. LA MISIÓN DEL SWITCH EN LA RED DEL HOGAR
El switch es para la LAN lo que el punto de acceso inalámbrico para la WLAN. Su función en ambas redes es posibilitar la comunicación de los equipos conectados.
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Las redes locales cableadas o LAN siguen el estándar Ethernet y utilizan una topología en estrella. El switch es el equipo que centraliza las conexiones de todos los equipos terminales de datos. Veámoslo en la siguiente imagen:
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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. Para conectarnos a otra red, por ejemplo a Internet, es imprescindible disponer de un router, como se ve en la imagen anterior.
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Por otro lado, también es conveniente saber que casi cualquier router incorpora un switch (generalmente con cuatro puertos LAN). Podemos ver los 4 puertos amarillos de dicho switch en la siguiente imagen:
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Esto no nos debe llevar a confusión. Cuando conectamos varios equipos a las entradas LAN en color amarillo (conectores RJ-45) del router, es como si los estuviéramos conectando a un switch independiente.
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2. 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 en la misma red.
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En la imagen anterior, vemos 3 equipos conectados al switch, el cual está conectado a un router que dispone de firewall. Si el router deja de funcionar, los equipos conectados podrán continuar intercambiando información entre ellos, pero no podrán conectarse a Internet.
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Vamos a ver cómo trabaja el switch para posibilitar dicho intercambio de datos. También veremos sus características más importantes, lo cual te ayudará a la hora de comprar uno u otro modelo.
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2.1 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 leyendo la dirección MAC de destino.
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El fabricante suele indicar en las especificaciones la capacidad de dicha memoria más o menos así:
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“Tabla de direcciones MAC: 4000 entradas”
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Cualquier switch tendrá capacidad más que suficiente, por lo que es un parámetro que no nos preocupa. 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.
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Los fabricantes suelen indicar esto así:
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“Soporta aprendizaje y caducidad automáticas de direcciones MAC (Auto-Learning y Auto-Aging)”
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2.2 MODOS DE CONMUTACIÓN
Existen dos posibles modos de funcionamiento para realizar el reenvío de paquetes de un puerto a otro:
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2.2.1 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, destinados a detectar errores. Este modo sólo se puede utilizar cuando las velocidades de transmisión de todos los puertos son iguales.
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2.2.2 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. Este modo de conmutación no presenta ningún problema cuando tenemos puertos trabajando a diferentes velocidades.
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2.3 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.
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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 la tasa de reenvío de 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.
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Teniendo en cuenta que la cabecera o preámbulo de la trama Ethernet siempre tiene 8 bytes, 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.
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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:
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1000 Mbps / 672 bits = 1,488 Mpps
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Para calcular el rendimiento de reenvío total de un switch, habría que multiplicar el valor anterior por el número de puertos del switch.
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Nota: 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:
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El switch Gigabit Ethernet TP-LINK TL-SG108E de 8 puertos indica en sus especificaciones lo siguiente:
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"Tasa de reenvío de paquetes = 11,9 Mpps"
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¿No habíamos visto que la tasa de reenvío de un puerto Gigabit Ethernet era de 1,488 Mpps? ¿De dónde sale este número?
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Lo que ha hecho el fabricante es tan simple como multiplicar la tasa de reenvío de un puerto por el número de puertos del switch:
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1,488 Mpps * 8 = 11,9 Mpps
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2.4 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. Se tendrá en cuenta el modo full-duplex (multiplicar por 2, ya que envía y recibe al mismo tiempo). La fórmula es muy sencilla:
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Capacidad de conmutación = Número puertos * Velocidad máxima del puerto * 2
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Si cogemos como ejemplo el switch TP-Link TL-SG108PE de 8 puertos Gigabit Ethernet, vemos que en sus especificaciones nos indica lo siguiente:
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"Capacidad de conmutación = 16 Gbps"
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¿De dónde sale este número? Muy sencillo, de multiplicar por el número de puertos y doblar esta cantidad debido al full-duplex:
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Capacidad de conmutación = 8 puertos * 1 Gbps * 2 = 16 Gbps
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2.5 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). Esto ayuda a aumentar el rendimiento cuando se transmiten grandes ficheros, ya que se reducen la cantidad de tramas a enviar para cada archivo. Al reducir la cantidad de tramas se reducen los bits que no contienen información útil (preámbulo, direcciones MAC, tipo y CRC).
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2.6 LOS PUERTOS
Los puertos son las entradas físicas para los cables de red que conectan al switch con el resto de equipos:
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En la imagen vemos un switch con 8 puertos, numerados del 1 al 8, compatibles con el protocolo 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.
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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. Estos puertos no serán suficientes si queremos ampliar la red para tener un punto de acceso en cada habitación. 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:
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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 los 5 estuvieran conectados al router, nada cambiaría, ya que los 3 equipos que están conectados al router realmente lo hacen al switch que lleva integrado.
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Para saber cuántos 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. Esto es normal, ya que este equipo normalmente va integrado en los routers de las compañías que ofrecen los servicios de Internet.
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2.7 VELOCIDADES SOPORTADAS
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:
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"Gigabit Ethernet 10/100/1000”
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Lo que quiere decir que es compatible con los estándares:
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- 10BASE-T (10 Mbps)
- 100BASE-T (100 Mbps)
- 1000BASE-T (1 Gbps)
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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 al menos 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 de este estilo:
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“Integración inteligente del hardware de 10 Mbps, 100 Mbps y 1000 Mbps gracias
a la negociación automática de puertos”.
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2.8 EL BUFFER
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. También facilita la gestión necesaria 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. En la siguiente imagen se ven los buffers de un switch.
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2.9 AUTO MDI / MDIX
Antes de explicarte en qué consiste el "Auto-MDI / MDIX", debo hablarte de los tipos de conectores de red Ethernet que existen y de los dos tipos de cables que originan.
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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:
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Pero el conexionado interno es diferente, tal y como se puede ver en la siguiente imagen:
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La existencia de estos dos tipos de conector genera dos tipos de cable en las redes Ethernet. Estamos hablando de los cables directos y los cables cruzados, que veremos a continuación.
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CABLE DERECHO O DIRECTO (STRAIGHT-THROUGH)
Un cable derecho o directo utiliza el mismo conector en ambos extremos del cable (ya sea T568A o T568B). Se utiliza para conectar equipos con una función diferenciada dentro de la red:
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- Conexión de un router y un switch
- Conexión de un servidor y un switch
- Conexión entre un PC y un switch
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CABLE CRUZADO
Un cable cruzado utiliza un conector diferente en ambos extremos del cable. Se utiliza para conectar equipos con una función equivalente dentro de la red:
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- 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 confundirlos. 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, a continuación te doy algunos detalles.
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AUTO MDI/MDIX
Para eliminar la confusión entre ambos tipos de cables, surgió la tecnología Auto MDI / MDIX, que permite al receptor reconocer la señal y adaptarse. Un switch con Auto MDI/MDIX funcionará sin problemas, independientemente del tipo de cable Ethernet que se le conecte.
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Generalmente, para poder utilizar esta tecnología será necesario configurar las velocidades de los puertos del switch y la negociación en automático. En las especificaciones del switch encontraremos algo así:
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"5 Puertos RJ-45 de Negociación Automática de 10/100/1000 Mbps"
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Cuando compres un router, exige que disponga de esta opción. Por ejemplo, el switch D-Link DGS-105 Switch 5 Puertos 10/100/1000Mbps indica en sus características lo siguiente:
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"Auto MDI / MDIX cruzado para todos los puertos"
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El switch Tripp Litte NG5 apunta lo siguiente en las características:
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"Soporta función de detección automática de cruce MDI / MDIX"
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Esto quiere decir que, en ambos casos, podemos conectar los cables indistintamente, sin preocuparnos de si es cruzado o derecho.
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2.10 CONTROL DE TRANSMISIÓN DE TORMENTAS
El control de transmisión de tormentas evita que una LAN caiga debido a que un PC esté generando un tráfico excesivo. Este exceso puede ser debido a algún error de configuración o a un ataque de DoS (Denial of Service) de algún usuario conectado a la red.
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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, predefinido en el propio switch. Si se supera el valor umbral, el switch bloquea el puerto hasta que el tráfico se normaliza.
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Nota: si el switch que piensas comprar lleva control de transmisión de tormentas, mejor que mejor, pero no es probable que lo necesites en la red de tu casa.
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2.11 ESTÁNDARES SOPORTADOS
Antes de comprar un switch, verifica que cumple al menos con los siguientes estándares:
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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.
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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.
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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 (las que alcanzan los 2,5 Gbps ya empiezan a ser habituales). Si no quieres limitar tu velocidad de conexión a la red, comprueba que el switch soporta este estándar.
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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.
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3. DIFERENCIAS ENTRE UN HUB Y UN SWITCH
Las primeras redes 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.
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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.
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El funcionamiento del hub es muy simple: cuando un equipo envía a otro una trama de datos 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. Luego cada equipo tiene que aceptar la trama o desecharla, según si va dirigida a ellos o no.
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El funcionamiento de un switch es algo más complejo, aunque no es difícil de comprender. Dispone de una memoria interna llamada CAM (Content Addressable Memory) donde almacena las direcciones MAC de los equipos que tiene conectados en cada puerto. Cuando un equipo envía una trama de datos, el switch procesa la trama, lee a quién va dirigida y reenvía los datos únicamente al destinatario.
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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 que genera el switch.
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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.
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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 con la consiguiente pérdida de rendimiento. Una red que utiliza un switch no requiere del uso de este protocolo ya que la comunicación es siempre full‑duplex.
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