Switch Layer 2 vs Layer 3, qual è la differenza?

Gli switch Layer 2 sono onnipresenti per collegare dispositivi di rete e client. Tuttavia, il progresso delle moderne applicazioni di rete e delle implementazioni di reti convergenti ha portato alla diffusa adozione degli switch Layer 3 nelle reti aziendali complesse, nei data center e nelle applicazioni business. Questo articolo mira a introdurre la distinzione tra switch Layer 2 e Layer 3 e a fornire indicazioni per selezionare lo switch di rete ottimale.

Che cos'è il modello OSI?

Il modello Open Systems Interconnect (OSI) funge da modello di riferimento utilizzato per definire e spiegare le comunicazioni di rete. Comprende sette livelli distinti, tra cui il livello applicazione, il livello presentazione, il livello sessione, il livello trasporto, il livello rete, il livello collegamento dati e il livello fisico. I modelli OSI di Layer 2 e Layer 3 riguardano rispettivamente i livelli collegamento dati e rete. In conformità alle linee guida del modello OSI, gli switch che operano in questi rispettivi livelli sono identificati come switch Layer 2 e switch Layer 3.

Che cos'è uno switch Layer 2?

Gli switch Layer 2 operano al livello di collegamento dati del modello OSI e utilizzano dispositivi di rete per determinare la destinazione dei frame tramite indirizzi Media Access Control (MAC). La funzione principale di switch e bridge è facilitare lo switching Layer 2, che comporta la divisione di un grande dominio di collisione in più domini di conflitto più piccoli.

Il dominio di collisione si riferisce al segmento specifico di una rete in cui possono verificarsi collisioni di pacchetti di dati. Tali collisioni si verificano quando due o più dispositivi di rete all'interno di un segmento di rete comune tentano di trasmettere pacchetti di dati simultaneamente. Come conseguenza della collisione, i dispositivi interessati devono ritrasmettere i loro pacchetti, causando una diminuzione dell'efficienza di trasmissione della rete.

In una rete locale (LAN), i dispositivi sono interconnessi tramite un dispositivo centrale, comunemente noto come hub. Tuttavia, gli hub presentano svantaggi significativi, come l'incapacità di gestire il flusso del traffico, e creano grandi domini di collisione. Per superare questo problema, sono stati introdotti i bridge, che suddividono efficacemente i domini di collisione. Tuttavia, i bridge sono limitati in termini di numero di porte, rendendoli inefficaci per reti più grandi. Al contrario, gli switch sono ampiamente utilizzati grazie alla loro capacità di ispezionare il traffico in entrata e determinarne il percorso di inoltro ottimale. Inoltre, gli switch forniscono più domini di collisione indipendenti tramite le loro porte, eliminando così la possibilità di collisioni.

La funzione dello switch Layer 2

Uno switch Layer 2 svolge le seguenti funzioni:

Apprendimento degli indirizzi MAC: Lo switch apprende l'indirizzo MAC del dispositivo collegato a ciascuna porta, analizzando l'indirizzo sorgente dei frame ricevuti su quella porta.

Inoltro dei messaggi: Lo switch inoltra i frame in due modalità: Unicast (diretta a una destinazione specifica) e Unknown Unicast (flooding verso tutte le porte tranne quella di origine). Ciò viene realizzato utilizzando circuiti integrati specializzati specifici per applicazione (ASIC).

Filtraggio: Lo switch filtra i frame e li inoltra solo alla porta dello switch in cui l'indirizzo MAC è stato precedentemente appreso, riducendo così la congestione della rete.

Spanning Tree Protocol (STP): Lo switch utilizza STP per prevenire loop di rete identificando e disabilitando i collegamenti ridondanti.

Bridging trasparente: Lo switch agisce come un bridge trasparente, inoltrando frame tra segmenti connessi di una LAN.

VLAN: Lo switch può creare domini di broadcast più piccoli e logicamente indipendenti chiamati Virtual Local Area Network (VLAN), che possono migliorare la sicurezza e le prestazioni della rete segmentandola in domini di broadcast più piccoli.

I vantaggi dello switch Layer 2

Ci sono diverse ragioni convincenti per utilizzare uno switch Layer 2 all'interno di una rete locale (LAN). I principali vantaggi degli switch Layer 2 includono:

1. Più veloce dei router

2. Bridging basato su hardware

3. Basso costo

4. Bassa latenza

5. Velocità wire-speed

Che cos'è lo switching Layer 3?

La differenza principale tra gli switch Layer 2 e Layer 3 è rappresentata dalle loro funzionalità di routing. Mentre uno switch Layer 3 comprende tutte le funzioni di uno switch Layer 2, possiede inoltre capacità di routing statico e dinamico. Gli switch Layer 3 sono in grado di valutare i pacchetti in ingresso e prendere decisioni di routing in base agli indirizzi di origine e destinazione di questi pacchetti, integrando sia le funzioni di switch sia quelle di router.

La funzione dello switch Layer 3

Gli switch Layer 3 vengono utilizzati nei livelli collegamento dati e rete del modello OSI e, oltre alle funzioni degli switch Layer 2 menzionate sopra, le funzioni di routing possono essere implementate anche in una delle due forme:

Gli switch cut-through utilizzano una tecnica di commutazione che considera solo il primo riepilogo del pacchetto per determinare l'indirizzo IP. Successivamente, i pacchetti rimanenti vengono indirizzati verso l'indirizzo MAC, ottenendo così una maggiore velocità di trasmissione dei dati. 

Gli switch Packet-by-Packet Layer 3 (PPL3) esaminano ogni pacchetto in una sequenza per determinare l'indirizzo IP. Lo switch PPL3 possiede una funzione di routing hardware integrata, che ne consente l'uso come router ad alta velocità. Inoltre, gli switch PPL3 possono eseguire altre funzioni standard del router, quali:

1. Verifica dell'integrità dei pacchetti mediante checksum

2. Aggiornamento del time-to-live (TTL) dei pacchetti dopo ogni hop

3. Gestione di tutte le informazioni opzionali nelle intestazioni dei pacchetti.

I vantaggi dello switch Layer 3

I principali vantaggi degli switch Layer 3 includono:

1. Abilita il routing VLAN

2. Migliora l'isolamento dei guasti

3. Semplifica la gestione della sicurezza

4. Riduce il traffico broadcast

5. Facilita la configurazione eliminando la necessità di un router separato tra VLAN

6. Migliora la segregazione del traffico tramite tabelle di routing

7. Semplifica la risoluzione dei problemi

8. Riduce la latenza di rete

La differenza tra switch Layer 2 e Layer 3

La distinzione fondamentale tra switch Layer 2 e Layer 3 è la differenza nelle funzioni di routing. Gli switch Layer 2 utilizzano indirizzi MAC e sono indifferenti agli indirizzi IP o ad altri elementi di livello superiore. Al contrario, gli switch Layer 3 sono dotati di capacità di routing statico e dinamico supplementari, oltre a tutte le funzionalità di uno switch Layer 2. Gli switch Layer 3 dispongono sia di tabelle degli indirizzi MAC sia di tabelle di routing IP, facilitando la comunicazione intra-VLAN e il routing dei pacchetti tra VLAN diverse. Inoltre, sono diventati disponibili switch Layer 2+ (Layer 3 Lite), che introducono solo il routing statico rispetto agli switch Layer 2. Oltre al routing dei pacchetti, gli switch Layer 3 offrono anche funzionalità avanzate che richiedono informazioni sull'indirizzo IP dei dati in ingresso nello switch, come la marcatura del traffico VLAN basata sull'indirizzo IP, anziché la configurazione manuale delle porte. Gli switch Layer 3 offrono inoltre potenza e sicurezza superiori rispetto agli switch Layer 2.

Determinare lo switch appropriato per la propria azienda comporta una valutazione approfondita dell'ambiente di rete in cui verrà utilizzato. Nel caso in cui gli switch vengano impiegati in un dominio di rete Layer 2, optare per uno switch Layer 2 è sufficiente. Uno switch Layer 2 puro viene utilizzato a livello di accesso di una topologia di rete, dove collega gli host. Al contrario, se l'obiettivo è consolidare l'accesso e configurare route inter-VLAN tramite l'integrazione di più switch, è necessario selezionare uno switch Layer 3. La rete Layer 3 si trova al livello di distribuzione della topologia di rete.

Che cosa dovresti considerare quando scegli uno switch L2 o L3?

Quando scegli di ordinare uno switch L2 o L3, dovresti considerare questi parametri chiave per determinare quale sia più adatto al tuo ambiente di rete: velocità di inoltro, larghezza di banda del backplane, numero di VLAN, memoria degli indirizzi MAC, latenza, ecc.

La velocità di inoltro è la capacità di inoltro del backplane. Quando la capacità di inoltro è maggiore della somma delle velocità di tutte le porte, definiamo il backplane non bloccante, e l'unità di misura della velocità di inoltro è pacchetti al secondo (pps). Ecco la formula per calcolare la velocità di inoltro di uno switch.

Velocità di inoltro (pps) = numero di porte 10Gbit/s * 14,880,950 pps + numero di porte 1 Gbit/s * 1,488,095 pps + numero di porte 100Mbit/s * 148,809 pps

Un altro parametro più importante è la larghezza di banda del backplane, che corrisponde alla somma delle velocità di tutte le porte dello switch. Si noti che la somma è pari al doppio della velocità di tutte le porte, poiché deve includere la direzione Tx e la direzione Rx. L'unità di misura della larghezza di banda del backplane è bit al secondo(bps o bit/s).

Larghezza di banda del backplane (bps) = numero di porte * velocità dati della porta * 2

Altri tre parametri importanti sono il numero di VLAN che possono essere configurate. In genere, 1K=1024 VLAN sono sufficienti per gli switch Layer 2. Il numero tipico di VLAN per gli switch Layer 3 è 4k=4096. La memoria della tabella degli indirizzi MAC si riferisce al numero di indirizzi MAC che possono essere riservati da uno switch, generalmente 8k o 128k. Il ritardo si riferisce al tempo di ritardo subito dallo switch per trasmettere i dati. Più breve è il tempo di ritardo per gli utenti, meglio è, quindi l'unità di misura del ritardo è generalmente il nanosecondo (ns).

Conclusione

Questo articolo presenta le principali differenze tra switch Layer 2 e switch Layer 3. Presenta inoltre le funzioni e i vantaggi degli switch Layer 2 e Layer 3. Quando devi ordinare uno switch, quello più costoso non è necessariamente il più adatto a te. Devi considerare i parametri chiave degli switch Layer 2 o Layer 3 introdotti in precedenza: per te è più importante scegliere uno switch adatto alla tua applicazione specifica.