LAN a Centro Stella con Switch

Scenario e topologia

La topologia è simile a quella vista con l’HUB: una LAN a centro stella fisico con uno switch 2960 al centro e più PC collegati alle sue porte FastEthernet. Cambia però completamente il comportamento logico della rete: lo switch lavora a livello 2 del modello ISO/OSI e prende decisioni in base agli indirizzi MAC.

Lo switch viene trattato in questa sezione per confrontarlo con l’HUB, che opera al livello fisico. La commutazione dei frame Ethernet appartiene invece al livello di collegamento dati. Nell’esempio tutte le porte dei PC appartengono alla stessa VLAN.

• Rete: 192.168.1.0/24
• Subnet mask: 255.255.255.0
• Numero di host: 7 PC collegati allo switch
• Indirizzi IP assegnati da 192.168.1.2 a 192.168.1.8

Ogni PC dispone di un collegamento dedicato verso una porta dello switch. Le porte separano i domini di collisione: una collisione su un segmento half-duplex non si propaga agli altri. Quando il collegamento opera in full-duplex, il PC e lo switch possono trasmettere e ricevere contemporaneamente senza collisioni. Host collegati a porte diverse possono quindi trasmettere nello stesso momento. Su un collegamento half-duplex, invece, possono ancora verificarsi collisioni anche in presenza di uno switch.

Indirizzamento IP degli host

Anche in questo caso la configurazione IP è statica: ogni PC appartiene alla stessa rete 192.168.1.0/24. Il default gateway non è impostato perché non è presente un router, e tutta la comunicazione rimane interna alla LAN.

Gli indirizzi IP servono agli host per la comunicazione al livello 3. Lo switch di livello 2 decide su quale porta inoltrare i frame Ethernet consultando i MAC, senza usare gli IP della tabella.

Tabella MAC e apprendimento degli indirizzi

La caratteristica fondamentale dello switch è la MAC address table (tabella di commutazione). Per ogni frame ricevuto, lo switch apprende il MAC sorgente e lo associa alla porta di ingresso e alla VLAN. Cerca poi il MAC di destinazione nella tabella per decidere dove inoltrare il frame. Apprendimento e inoltro usano quindi due indirizzi diversi dello stesso frame.

Prima dell’apprendimento: destinazione sconosciuta e flooding

All’inizio di questa simulazione la tabella non contiene indirizzi MAC appresi dinamicamente dagli host. Se il MAC di destinazione di un frame unicast è sconosciuto, lo switch effettua il flooding: inoltra una copia del frame sulle altre porte abilitate all’inoltro nella stessa VLAN, esclusa quella di ingresso. Il flooding dipende quindi dalla destinazione sconosciuta, non dal fatto che si tratti del primo traffico. La schermata seguente mostra la tabella prima dell’apprendimento degli indirizzi degli host.

Popolamento della tabella durante le comunicazioni

Appena i PC iniziano a scambiarsi frame, lo switch legge gli indirizzi MAC sorgente e li associa alla porta su cui li ha ricevuti. La tabella si popola progressivamente con associazioni VLAN–MAC–porta. Quando il MAC di destinazione è presente nella tabella, lo switch inoltra il frame soltanto sulla porta associata, evitando trasmissioni inutili sulle altre porte. Se la destinazione risulta sulla stessa porta di ingresso, non lo reinoltra. La separazione dei domini di collisione dipende dalle porte dello switch, non dal popolamento della tabella MAC.

Full-duplex, code e congestione

Su collegamenti Ethernet full-duplex non si verificano collisioni. Questo non elimina però la congestione: se più host inviano dati verso la stessa porta di uscita, quella porta può trasmettere un solo frame alla volta e ha una capacità limitata. Per esempio, più flussi diretti a una porta da 100 Mbit/s possono richiedere complessivamente più banda di quella disponibile.

Lo switch utilizza buffer e code per gestire i frame che non possono essere inoltrati immediatamente. I frame in attesa vengono trasmessi quando la porta di uscita è disponibile; se lo spazio di buffer disponibile si esaurisce, alcuni frame possono essere scartati. La posizione dei buffer, il numero di code e l’ordine di servizio dipendono dall’architettura dello switch e dalla configurazione delle priorità: non esiste un unico scheduler FIFO valido per tutti gli switch.

Le schermate di Packet Tracer rappresentano un modello didattico delle code e degli eventi. Le code mostrate dal simulatore non descrivono necessariamente l’organizzazione interna dei buffer di un dispositivo reale.

Per confrontare il comportamento con quello dell’HUB, si possono inviare più ping contemporaneamente tra coppie diverse di host. Con i collegamenti in full-duplex non ci si aspetta di osservare frame segnati come collided. L’assenza di collisioni, tuttavia, non dimostra l’assenza di congestione: con traffico sufficiente possono aumentare i tempi di attesa e possono verificarsi scarti di frame.

Idea chiave: le porte separano i domini di collisione, il full-duplex elimina le collisioni sul collegamento e la tabella MAC permette l’inoltro selettivo. I buffer assorbono temporaneamente il traffico in eccesso, ma non aumentano la capacità della porta di uscita.

Dominio di broadcast e VLAN

Tutte le porte appartenenti alla stessa VLAN fanno parte dello stesso dominio di broadcast. Un frame broadcast, con MAC di destinazione FF:FF:FF:FF:FF:FF, viene inoltrato sulle altre porte abilitate all’inoltro della VLAN, esclusa quella da cui è arrivato. Un esempio è la richiesta ARP usata da un PC per conoscere il MAC associato all’IP di un altro host della LAN.

In questa topologia i sette PC condividono quindi un unico dominio di broadcast, pur avendo collegamenti dedicati. Configurare VLAN diverse permette di creare domini di broadcast separati; per comunicare tra VLAN serve una funzione di routing.

Riferimenti tecnici

• Cisco: negoziazione Ethernet half-duplex e full-duplex
• Cisco: apprendimento MAC e inoltro al livello 2
• Cisco: switching LAN e domini di broadcast
• Cisco Catalyst 2960: buffer, code e priorità QoS