Switch de camada 2 vs switch de camada 3: qual é a diferença?

Switches de Camada 2 são onipresentes para conectar dispositivos de rede e clientes. No entanto, o avanço das aplicações de rede modernas e das implementações de redes convergentes levou à ampla adoção de switches de Camada 3 em redes empresariais complexas, data centers e aplicações empresariais. Este artigo tem como objetivo apresentar a distinção entre switches de Camada 2 e Camada 3 e fornecer insights sobre a seleção do switch de rede ideal.

O que é o modelo OSI?

O Modelo de Interconexão de Sistemas Abertos (OSI) serve como um modelo de referência utilizado para definir e elucidar as comunicações de rede. Compreende sete camadas distintas, incluindo a camada de aplicação, a camada de apresentação, a camada de sessão, a camada de transporte, a camada de rede, a camada de enlace de dados e as camadas físicas. Os modelos OSI de Camada 2 e Camada 3 referem-se às camadas de enlace de dados e de rede, respectivamente. Em conformidade com as diretrizes do Modelo OSI, switches que operam nessas respectivas camadas são identificados como switches de Camada 2 e switches de Camada 3.

O que é um switch de camada 2?

Switches de camada 2 operam na camada de enlace de dados do modelo OSI e utilizam dispositivos de rede para determinar o destino dos quadros por meio de endereços de Controle de Acesso à Mídia (MAC). A função principal dos switches e bridges é facilitar a comutação de camada 2, que envolve a divisão de um grande domínio de colisão em vários domínios de conflito menores.

O domínio de colisão refere-se ao segmento específico de uma rede onde podem ocorrer colisões de pacotes de dados. Essas colisões surgem quando dois ou mais dispositivos de rede dentro de um segmento de rede comum tentam transmitir pacotes de dados simultaneamente. Como consequência da colisão, os dispositivos afetados precisam retransmitir seus pacotes, levando a uma queda na eficiência de transmissão da rede.

Em uma rede local (LAN), os dispositivos são interconectados por meio de um dispositivo central, comumente conhecido como hub. No entanto, os hubs apresentam desvantagens significativas, como sua incapacidade de gerenciar o fluxo de tráfego, e criarão grandes domínios de colisão. Para superar esse problema, foram introduzidas as bridges, que efetivamente dividem os domínios de colisão. Ainda assim, as bridges são limitadas em termos de número de portas, tornando-as ineficazes para redes maiores. Em contraste, os switches são amplamente utilizados devido à sua capacidade de inspecionar o tráfego de entrada e determinar seu caminho ideal de encaminhamento. Além disso, os switches fornecem vários domínios de colisão independentes por meio de suas portas, eliminando assim a possibilidade de colisões.

A função do switch de camada 2

Um switch de Camada 2 executa as seguintes funções:

Aprendizado de endereços MAC: O switch aprende o endereço MAC do dispositivo conectado a cada porta, analisando o endereço de origem dos quadros recebidos nessa porta.

Encaminhamento de mensagens: O switch encaminha quadros em dois modos: Unicast (direcionado a um destino específico) e Unicast desconhecido (inundação para todas as portas, exceto a de origem). Isso é realizado usando Circuitos Integrados de Aplicação Específica (ASICs) especializados.

Filtragem: O switch filtra os quadros e os encaminha apenas para a porta do switch onde o endereço MAC foi aprendido anteriormente, reduzindo assim o congestionamento da rede.

Spanning Tree Protocol (STP): O switch usa STP para evitar loops de rede identificando e desabilitando links redundantes.

Bridging transparente: O switch atua como uma ponte transparente, encaminhando quadros entre segmentos conectados de uma LAN.

VLANs: O switch pode criar domínios de broadcast menores e logicamente independentes, chamados Redes Locais Virtuais (VLANs), que podem melhorar a segurança e o desempenho da rede ao segmentá-la em domínios de broadcast menores.

Os benefícios do switch de camada 2

Há vários motivos convincentes para utilizar um switch de Camada 2 em uma rede local (LAN). Os principais benefícios dos switches de Camada 2 incluem:

1. Mais rápido que roteadores

2. Ponte baseada em hardware

3. Baixo custo

4. Baixa latência

5. Velocidade de linha

O que é comutação de camada 3?

A principal diferença entre switches Layer 2 e Layer 3 está em suas funcionalidades de roteamento. Enquanto um switch Layer 3 engloba todas as funções de um switch Layer 2, ele também possui recursos de roteamento estático e dinâmico. Switches Layer 3 são equipados para avaliar pacotes de entrada e tomar decisões de roteamento com base nos endereços de origem e destino desses pacotes, incorporando funções tanto de switch quanto de roteador.

A função do switch de Camada 3

Os switches de camada 3 são usados nas camadas de enlace de dados e de rede do OSI e, além das funções de switch de camada 2 mencionadas acima, as funções de roteamento também podem ser implementadas em uma das duas formas:

Os switches cut-through utilizam uma técnica de comutação que considera apenas o primeiro resumo do pacote para determinar o endereço IP. Em seguida, os pacotes restantes são direcionados para o endereço MAC, resultando, assim, em maior taxa de transferência de dados. 

Switches Packet-by-Packet Layer 3 (PPL3) examinam cada pacote em uma sequência para determinar o endereço IP. O switch PPL3 possui uma função de roteamento de hardware integrada, permitindo seu uso como roteador de alta velocidade. Além disso, switches PPL3 podem executar outras funções padrão de roteador, como:

1. Verificação da integridade dos pacotes usando somas de verificação

2. Atualização do tempo de vida (TTL) dos pacotes após cada salto

3. Gerenciamento de todas as informações opcionais nos cabeçalhos de pacotes.

Os benefícios do switch de camada 3

Os principais benefícios dos switches de Camada 3 incluem:

1. Permite roteamento VLAN

2. Melhora o isolamento de falhas

3. Simplifica o gerenciamento de segurança

4. Reduz o tráfego de broadcast

5. Facilita a configuração ao eliminar a necessidade de um roteador separado entre VLANs

6. Melhora a segregação de tráfego por meio de tabelas de roteamento

7. Simplifica a solução de problemas

8. Reduz a latência da rede

A diferença entre switch de camada 2 e camada 3

A distinção fundamental entre switches de Camada 2 e Camada 3 é a diferença nas funções de roteamento. Os switches de Camada 2 empregam endereços MAC e são indiferentes a endereços IP ou outros elementos de nível superior. Por outro lado, os switches de Camada 3 são equipados com recursos suplementares de roteamento estático e dinâmico, além de todos os recursos de um switch de Camada 2. Os switches de Camada 3 possuem tabelas de endereços MAC e de roteamento IP, facilitando a comunicação intra-VLAN e o roteamento de pacotes entre VLANs distintas. Além disso, switches de Camada 2+ (Camada 3 Lite) tornaram-se disponíveis, introduzindo apenas roteamento estático em comparação com os switches de Camada 2. Além do roteamento de pacotes, os switches de Camada 3 também oferecem funcionalidades avançadas que exigem informações sobre o endereço IP dos dados que entram no switch, como marcação de tráfego VLAN com base no endereço IP, em vez de configuração manual de portas. Os switches de Camada 3 também oferecem potência e segurança superiores em comparação com os switches de Camada 2.

Determinar o switch apropriado para sua empresa envolve uma avaliação minuciosa do ambiente de rede no qual ele será utilizado. Caso os switches sejam empregados em um domínio de rede de Camada 2, optar por um switch de Camada 2 é suficiente. Um switch de Camada 2 puro é utilizado na camada de acesso de uma topologia de rede, onde conecta hosts. Por outro lado, se o objetivo for consolidar o acesso e configurar rotas inter-VLAN por meio da integração de vários switches, deve-se selecionar um switch de Camada 3. A rede de Camada 3 está situada na camada de distribuição da topologia de rede.

O que você deve considerar ao escolher um switch L2 ou L3?

Ao optar por solicitar um switch L2 ou L3, você deve considerar estes parâmetros-chave para determinar qual é mais apropriado para o seu ambiente de rede: taxa de encaminhamento, largura de banda do backplane, número de VLANs, memória de endereços MAC, latência etc.

A taxa de encaminhamento é a capacidade de encaminhamento do backplane. Quando a capacidade de encaminhamento é maior que a soma das velocidades de todas as portas, chamamos o backplane de não bloqueante, e a unidade da taxa de encaminhamento é pacote por segundo (pps). Aqui está a fórmula para calcular a taxa de encaminhamento de um switch.

Taxa de encaminhamento (pps) = número de portas de 10Gbit/s * 14,880,950 pps + número de portas de 1 Gbit/s * 1,488,095 pps + número de portas de 100Mbit/s * 148,809 pps

Outro parâmetro mais importante é a largura de banda do backplane, que é a soma das velocidades de todas as portas do switch. Observe que a soma é o dobro da velocidade de todas as portas, pois precisa incluir a direção Tx e a direção Rx. A unidade de largura de banda do backplane é bits por segundo(bps ou bit/s).

Largura de banda do backplane (bps) = número de portas * taxa de dados da porta * 2

Outros três parâmetros importantes são o número de VLANs que podem ser configuradas. Geralmente, 1K=1024 VLANs são suficientes para switches de Camada 2. O número típico de VLANs para switches de Camada 3 é 4k=4096. A memória da tabela de endereços MAC refere-se ao número de endereços MAC que podem ser reservados por um switch, geralmente 8k ou 128k. Atraso refere-se ao tempo de atraso sofrido pelo switch para transmitir dados. Quanto menor o tempo de atraso para os usuários, melhor; portanto, a unidade de atraso geralmente é nanossegundos (ns).

Conclusão

Este artigo apresenta as principais diferenças entre switches de Camada 2 e switches de Camada 3. Ele também apresenta as funções e os benefícios dos switches de Camada 2 e Camada 3. Quando você precisa encomendar um switch, o mais caro não é necessariamente o mais adequado para você. Você precisa considerar os principais parâmetros dos switches de Camada 2 ou Camada 3 apresentados anteriormente; é mais importante escolher um switch adequado para sua aplicação específica.