No tópico passado falávamos sobre infraestrutura da rede e os componentes nela existentes. Aqui estamos, num tópico separado, para falar um pouco sobre switches.
Conceitualmente é um item de infraestrutura, mas na prática (e aproveitando que realiza uma séria de conexões na rede) utilizamos para inúmeras funções adicionais.
Switches vs hubs
Switches e hubs, são elementos fundamentais na estrutura da rede PROFINET, pois facilitam a comunicação entre dispositivos e controladores. Embora switches e hubs tenham funções similares, eles operam de maneiras distintas e apresentam diferenças significativas em termos de desempenho e eficiência. Neste artigo, abordaremos as diferenças entre switches e hubs e a importância dos switches na estrutura da rede PROFINET.
Hubs
Comecemos pelos mais velhos! Os hubs são dispositivos de rede mais simples, que atuam como um ponto central para conectar dispositivos em uma rede Ethernet e neste quesito executam papel semelhante aos switches. Eles recebem pacotes de dados de um dispositivo e os retransmitem para todos os outros dispositivos na rede, independentemente do destino pretendido (como os úteis HUBs PROFIBUS). Isso pode levar a colisões de dados e congestionamento da rede, além de perder eficiência e o sentido de uma comunicação Full Duplex otimizada. Em PROFIBUS ou em Ethernet os HUBs recebem uma mensagem em uma porta/canal e replicam para todos os outros sem qualquer tipo de filtro ou conferência. A figura abaixo ilustra o fluxo das mensagens cujo destino não é filtrado.
Limitações em redes PROFINET
Devido a forma de funcionamento, os hubs apresentam várias limitações em redes PROFINET:
- Menor eficiência na transmissão de dados, pois os pacotes são enviados a todos os dispositivos na rede, resultando em maior tráfego e congestionamento;
- Aumento de colisões de dados e menor confiabilidade na comunicação;
- Falta de recursos avançados, como suporte a VLANs e priorização de tráfego.
Quer saber como funciona na prática? Sendo bem simplista e direto: a rede pode ficar caótica e não encontraremos no mercado para comprar (ao menos não coisas novas com todo o suporte à tecnologia da qual estamos tratando).
Switches
Os switches são dispositivos de rede inteligentes que estabelecem conexões entre dispositivos em uma rede Ethernet, como a PROFINET. Fundamentalmente, são capazes de identificar e direcionar pacotes de dados para o dispositivo de destino específico, melhorando a eficiência da rede e reduzindo colisões. Esta é a função elementar executada por qualquer switch e é o salto tecnológico e a principal diferença entre switches e hubs (sim, falaremos sobre switches mais avançados adiante, mas por hora seguimos nos fundamentos). A imagem a seguir ilustra o fluxo direcionado e otimizado que ocorre com switches.
Na estrutura da rede PROFINET, os switches oferecem diversos benefícios, incluindo:
- Maior eficiência na transmissão de dados, pois os pacotes são enviados apenas ao dispositivo de destino ao invés de serem transmitidos para todos os dispositivos na rede;
- Redução de colisões de dados e congestionamento da rede, melhorando a confiabilidade e a velocidade da comunicação;
- Suporte a VLANs (Virtual Local Area Networks) e priorização de tráfego, permitindo a segregação e o gerenciamento eficiente do tráfego de dados;
- Possibilidade de inúmeras funções (aqui estamos falando de switches gerenciáveis).
Classes de switches
Especificar os switches para um projeto pode ser um desafio e tanto. Antes de descrever algumas funções, vamos conhecer os conceitos fundamentais das principais classes de switches:
Switches Layer 2
Switches desta categoria realizam o encaminhamento de pacotes utilizando o endereço MAC (relativo a camada 2 do modelo OSI), aprendendo automaticamente e gravando em um campo de memória as relações de endereço e porta (tabela ARP). Já nestes modelos de entrada há conferência da integridade dos pacotes, permitindo que erros não se propaguem na rede. Importante salientar que estes switches já dão suporte a VLANs para segmentação;
Switches Layer 3
Switches de camada 3 (Layer 3) utilizam o endereço IP para encaminhar pacotes de dados entre dispositivos ou redes diferentes. Estes equipamentos já são capazes de segregar (e unir) redes diferentes, otimizando o uso de equipamentos e segurança (comunicação entre VLANs). Usualmente fornecem mais funções para segmentação de tráfego para uso em redes mais densas;
Switches Layer 4
Estes equipamentos realizam, além das funções anteriores, inspeção profunda dos pacotes, principalmente, para finalidade de segurança e otimização de tráfego em redes críticas. Aqui é possível implementar filtros por portas TCP/UDP, aplicação e inúmeras outras funções avançadas de QoS (Quality of Service). Estes dispositivos executam todo o trabalho de um switch e já se assemelham mais a Firewalls por permitirem configuração de políticas de segurança, monitoramento e análise de tráfego. Falando de “chão de fábrica”, improvável encontrar um deste ali no painel elétrico.
Funções de switches
Vamos a algumas funções possíveis com switches (muito além do encaminhamento de pacotes):
- Criação de VLANs (Virtual LANs): permite segmentar a rede logicamente, aumentando a segurança e a eficiência do tráfego;
- QoS (Quality of Service): prioriza tipos específicos de tráfego, como voz, vídeo e PROFINET, garantindo desempenho para aplicações críticas;
- Link Aggregation (LACP): permite combinar múltiplas portas de rede físicas em uma lógica para aumentar a largura de banda e fornecer redundância (caso de rompimento de um cabo, por exemplo);
- STP/RSTP (Spanning Tree Protocol/Rapid Spanning Tree Protocol): protocolo para prevenção de loops na rede e manutenção de caminhos redundantes;
- Espelhamento de porta (port mirroring): espelha o tráfego de uma determinada porta para outra com a finalidade de monitoramento e análise de rede;
- 7. ACLs (Access Control List): controlam o acesso a porta com base em critérios como IP, porta ou endereço MAC;
- LLDP (Link Layer Discovery Protocol): descoberta de dispositivos e conexões na rede para facilitar o gerenciamento;
- PoE (Power over Ethernet): sim, switches poderão ser utilizados para alimentar outros dispositivos. Fornece energia elétrica a dispositivos como sensores, câmeras IP, pontos de acesso e telefones VoIP. Aqui, se já fez a tarefa de casa de estudar o Ethernet-APL algumas ideias já devem estar se destacando em sua mente;
- Configuração e monitoramento remoto: suporte a interfaces baseadas na web, SNMP e linha de comando (CLI) para gerenciar remotamente o switch e vizinhos conectados;
- Controle de broadcast: limita a quantidade de tráfego (uni/multi/broadcast) para evitar perda de desempenho da rede;
- Segurança de portas/acesso: senha, desligamento de porta e filtros de conexão como endereço de IP/MAC permitidos previnem uso indevido ou mal-intencionado;
Switches em PROFINET
Na estrutura da rede PROFINET, os switches desempenham papel importante. Ainda que estruturas de redes PROFINET possam existir sem um único switch, o uso destes equipamentos traz uma série de vantagens como melhoria na distribuição, monitoramento e disponibilidade.
Switches são dispositivos de rede preferíveis em comparação aos hubs devido à sua capacidade de direcionar pacotes de dados de maneira eficiente e reduzir colisões e congestionamento. O termo preferível foi um eufemismo onde deveria estar escrito obrigatório, uma vez que HUBs não serão encontrados no mercado e seu uso em redes PROFINET de alto desempenho não faz qualquer sentido.
Switches (PROFINET ou não) apresentam inúmeras funções e podem trazem benefícios significativos para monitoramento, redundância e alta disponibilidade. Por estas razões, conhecer as possibilidades dentro deste mundo é importante e necessário.
Divirta-se, mas não se desespere, com este seletor da Cisco que dá uma ideia da imensidão de possibilidades de uso de switches. Seletor da Cisco.
