4.5 Comparación y Diferenciación del Uso de Switches Ethernet en Lugar de Hubs en una LAN
4.5 Comparación y Diferenciación del uso de Switches Ethernet en Lugar de Hubs en una LANEn secciones anteriores, vimos cómo la Ethernet clásica utiliza medios compartidos y Control de acceso al medio basado en contenciones. La Ethernet clásica utiliza hubs para interconectar los nodos del segmento de LAN. Los hubs no realizan ningún tipo de filtro de tráfico. En cambio, el hub reenvía todos los bits a todos los dispositivos conectados al hub. Esto obliga a todos los dispositivos de la LAN a compartir el ancho de banda de los medios. Además, esta implementación de Ethernet clásica origina a menudo grandes niveles de colisiones en la LAN. Debido a estos problemas de rendimiento, este tipo de LAN Ethernet tiene un uso limitado en las redes actuales. Las implementaciones de Ethernet con hubs se utilizan generalmente en la actualidad en LAN pequeñas o LAN con pocos requisitos de ancho de banda. El hecho de que los dispositivos compartan medios crea problemas importantes a medida que la red crece. La figura ilustra algunas de los problemas que aquí se presentan. Escalabilidad En una red con hubs, existe un límite para la cantidad de ancho de banda que los dispositivos pueden compartir. Con cada dispositivo que se agrega al medio compartido, el ancho de banda promedio disponible para cada dispositivo disminuye. Con cada aumento de la cantidad de dispositivos en los medios, el rendimiento se ve degradado.
Latencia La latencia de la red es la cantidad de tiempo que le lleva a una señal llegar a todos los destinos del medio. Cada nodo de una red basada en hubs debe esperar una oportunidad de transmisión para evitar colisiones. La latencia puede aumentar notablemente a medida que la distancia entre los nodos se extiende. La latencia también se ve afectada por un retardo de la señal en los medios, así como también por el retardo añadido por el procesamiento de las señales mediante hubs y repetidores. El aumento de la longitud de los medios o de la cantidad de hubs y repetidores conectados a un segmento origina una mayor latencia. A mayor latencia, mayor probabilidad de que los nodos no reciban las señales iniciales, lo que aumenta las colisiones presentes en la red.
Falla de Red Debido a que la Ethernet clásica comparte los medios, cualquier dispositivo de la red puede potencialmente ocasionar problemas para otros dispositivos. Si cualquier dispositivo conectado al hub genera tráfico perjudicial, puede verse impedida la comunicación de todos los dispositivos del medio. Este tráfico perjudicial puede deberse a una velocidad incorrecta o a los ajustes de full-duplex de la NIC. Colisiones Según el CSMA/CD, un nodo no debería enviar un paquete a menos que la red esté libre de tráfico. Si dos nodos envían paquetes al mismo tiempo, se produce una colisión y los paquetes se pierden. Entonces, ambos nodos envían una señal de congestión, esperan una cantidad de tiempo aleatoria y retransmiten sus paquetes. Cualquier parte de la red en donde los paquetes de dos o más nodos puedan interferir entre ellos se considera como un dominio de colisiones. Una red con una gran cantidad de nodos en el mismo segmento tiene un dominio de colisiones mayor y, generalmente, más tráfico. A medida que aumenta la cantidad de tráfico en la red, aumentan las posibilidades de colisión.
Los switches proporcionan una alternativa para el entorno basado en contenciones de la Ethernet clásica. En los últimos años, los switches se convirtieron rápidamente en una parte fundamental de la mayoría de las redes. Los switches permiten la segmentación de la LAN en distintos dominios de colisiones. Cada puerto de un switch representa un dominio de colisiones distinto y brinda un ancho de banda completo al nodo o a los nodos conectados a dicho puerto. Con una menor cantidad de nodos en cada dominio de colisiones, se produce un aumento en el ancho de banda promedio disponible para cada nodo y se reducen las colisiones. Una LAN puede tener un switch centralizado que conecta a hubs que todavía proporcionan conectividad a los nodos. O bien, una LAN puede tener todos los nodos conectados directamente a un switch. Estas topologías se muestran en la figura. En una LAN en la que se conecta un hub a un puerto de un switch, todavía existe un ancho de banda compartido, lo que puede producir colisiones dentro del entorno compartido del hub. Sin embargo, el switch aislará el segmento y limitará las colisiones para el tráfico entre los puertos del hub.
Los Nodos se Conectan Directamente En una LAN en la que todos los nodos están conectados directamente al switch, el rendimiento de la red aumenta notablemente. Las tres principales razones de este aumento son:
Estas topologías físicas en estrella son esencialmente enlaces punto a punto. Ancho de Banda Dedicado Cada nodo dispone del ancho de banda de los medios completo en la conexión entre el nodo y el switch. Debido a que un hub replica las señales que recibe y las envía a todos los demás puertos, los hubs de Ethernet clásica forman un bus lógico. Esto significa que todos los nodos deben compartir el mismo ancho de banda para este bus. Con los switches, cada dispositivo tiene una conexión punto a punto dedicada entre el dispositivo y el switch, sin contención de medios. A modo de ejemplo, pueden compararse dos LAN de 100 mbps, cada una de ellas con 10 nodos. En el segmento de red A, los 10 nodos se conectan a un hub. Cada nodo comparte el ancho de banda de 100 Mbps disponible. Esto ofrece un promedio de 10 Mbps para cada nodo. En el segmento de red B, los 10 nodos se conectan a un switch. En este segmento, los 10 nodos tienen el ancho de banda completo de 100 Mbps disponible. Incluso en este ejemplo de red pequeña, el aumento del ancho de banda es importante. A medida que la cantidad de nodos aumenta, la discrepancia entre el ancho de banda disponible para las dos implementaciones aumenta significativamente.
Entorno Libre de Colisiones Una conexión punto a punto dedicada a un switch también evita contenciones de medios entre dispositivos, lo que permite que un nodo funcione con pocas colisiones o ninguna colisión. En una red Ethernet clásica de tamaño moderado que utiliza hubs, aproximadamente entre el 40% y el 50% del ancho de banda se consume en la recuperación por colisiones. En una red Ethernet con switch, en la que prácticamente no hay colisiones, el gasto destinado a la recuperación por colisiones se elimina casi por completo. Esto le proporciona a la red con switches tasas de rendimiento notablemente mejoradas.
Operación full-duplex El uso de switches también le permite a una red funcionar como entorno de Ethernet full-duplex. Antes de que existieran los switches, la Ethernet sólo era half-duplex. Esto implicaba que en un momento dado un nodo podía transmitir o recibir. Con la característica full-duplex habilitada en una red Ethernet con switches, los dispositivos conectados directamente a los puertos del switch pueden transmitir y recibir simultáneamente con el ancho de banda completo de los medios. La conexión entre el dispositivo y el switch está libre de colisiones. Esta disposición efectivamente duplica la velocidad de transmisión cuando se le compara con la half-duplex. Por ejemplo, si la velocidad de la red es de 100 Mbps, cada nodo puede transmitir una trama a 100 Mbps y, al mismo tiempo, recibir una trama a 100 Mbps.
Uso de Switches en Lugar de Hubs Gran parte de la Ethernet moderna utiliza switches para los dispositivos finales y funciona en full duplex. Debido a que los switches brindan mucho más throughput que los hubs y aumentan el rendimiento tan notablemente, es justo preguntarse: ¿por qué no utilizamos switches en todas las LAN Ethernet? Existen tres razones por las que los hubs siguen utilizándose: Disponibilidad: los switches de LAN no se desarrollaron hasta comienzos de la década de 1990 y no estuvieron disponibles hasta mediados de dicha década. Las primeras redes Ethernet utilizaban hubs de UTP y muchas de ellas continúan funcionando en la actualidad. Económicas. En un principio, los switches resultaban bastante costosos. A medida que el precio de los switches se redujo, la utilización de hubs disminuyó y el costo es cada vez menos un factor al momento de tomar decisiones de implementación. Requisitos: las primeras redes LAN eran redes simples diseñadas para intercambiar archivos y compartir impresoras. Para muchas ubicaciones, las primeras redes evolucionaron hasta convertirse en las redes convergentes de la actualidad, lo que originó una necesidad imperante de un mayor ancho de banda disponible para los usuarios individuales. No obstante, en algunos casos será suficiente con un hub de medios compartidos y estos productos permanecen en el mercado. |
