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Come funziona uno switch di rete e a cosa serve: storia e vantaggi della tecnologia Ethernet

Il significato dello switch, rispetto alla continua evoluzione delle architetture di networking, non è cambiato: il dispositivo, infatti, agisce sull'instradamento dei dati e serve a veicolare il traffico in modo bidirezionale fra le macchine collegate a un sistema di rete. A cambiare sono le tecnologie di riferimento

di Laura Zanotti

NETWORKING

01 Settembre 2016

zoomIl significato dello switch, rispetto alla continua evoluzione delle architetture di rete, non è cambiato: a livello di configurazione, il dispositivo agisce sull'instradamento dei dati e serve a veicolare il traffico in modo bidirezionale tra più dispositivi collegati allo stesso sistema di rete o fra le macchine ospitate nei data center e praticamente il resto del mondo.

Se è vero che virtualizzazione, cloud computing, enterprise mobility, Internet of Things e Big Data hanno cambiato i paradigmi di lavoro e di business di tutto il macrocosmo aziendale, il presente e il futuro del networking oggi è più che mai incentrato sugli switch (in italiano: commutatore).

Dalle grandi aziende alle startup, è vero anche che le infrastutture di networking hanno cambiato protocolli ed esigenze rispetto al traffico di dati movimentato. Per chi non conoscesse la storia di queste tecnologie e dell'evoluzione della Ethernet alla fine di questo articolo un utile glossario vi farà da guida nella comprensione dei termini e della storia legate allo sviluppo.

Guida al networking: come configurare uno switch in un sistema di rete

Perché è importante usare uno switch? Ecco la spiegazione: un nodo, ovvero un qualsiasi dispositivo hardware (pc, stampante, modem, fax e via dicendo) in grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte di un sistema di rete, può cercare di accedere alla rete in qualunque momento. Se il dominio a cui appartiene ha la rete occupata da un'altra trasmissione in corso, si ha una cosiddetta collisione: il nodo deve attendere per un tempo casuale prima di ritentare di trasmettere i suoi dati. Il tempo casuale viene incrementato ad ogni nuovo tentativo fallito: in situazioni di traffico intenso, si può così avere un rapido decadimento delle prestazioni della rete. Poiché dispositivi come repeater o hub si limitano a inoltrare ogni trasmissione ricevuta a tutti i nodi cui sono collegati, espandere una rete tramite simili dispositivi può portare a creare domini di collisione sempre più ampi e quindi meno efficienti.

Se si vuole configurare una rete locale, dunque, lo switch serve a gestire il traffico dei dati quando ci sono più nodi collegati, separando i cosidetti domini di collisione connessi alle sue porte. Nel caso due o più calcolatori collegati a porte diverse trasmettono contemporaneamente, i pacchetti dei dati possono attraversare lo switch in maniera sincrona, senza mandare in blocco il sistema di rete. Per configurare uno switch domestico basta:

  1. Settare il router in modo che accetti le connessioni IP per ogni porta presente utilizzando il menù delle opzioni
  2. Impostare il firewall per le connessioni in ingresso per tutte le porte, compresa quella nella quale bisognerà andare a collegare lo switch, in maniera tale da evitare che eventuali virus o malware installati involontariamente su uno dei pc si possano diffondere a tutta la rete tramite i vari dispositivi presenti
  3. Collegare un cavo ethernet a una qualsiasi porta del router ADSL e alla porta denominata LAN1 dello switch (in alcuni dispositivi si chiama LINK o SWITCH o COND). 
  4. Una volta collegato il cavo di alimentazione della corrente allo switch verificate che gli sia stato attribuito un indirizzo IP

Come funziona uno switch e a cosa serve

Dal punto di vista tecnico, il significato dello switch in una configurazione di networking è proprio quello di commutare i pacchetti dei dati all'interno delle LAN (Local Area Network), sfruttando in entrata e in uscita il Media Access Control (MAC), ovvero l'indirizzo fisico, assegnato in modo univoco dal produttore di ogni scheda Ethernet o wireless, secondo lo standard ISO/OSI. Grazie alla corrispondenza univoca porta/indirizzo è in questo modo che i dati vengono instradati correttamente dallo switch, garantendo la qualità della connettività. Ogni switch è costituito da una o più schede, munite di porte, ognuna delle quali può essere connesso un cosidetto nodo, che può essere una stazione, un altro switch, un hub o un qualsiasi altro dispositivo di rete.

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Nella sua configurazione standard uno switch normalmente inoltra i pacchetti di dati in arrivo da una qualsiasi delle sue porte per inoltrarli solo al nodo destinatario. Grazie a un'intelligenza applicativa distribuita su ogni singola scheda, uno switch non solo riconosce nel flusso di bit il pacchetto dei dati ma riconosce l'indirizzo del destinatario e decide su quale porta in uscita veicolare il pacchetto e trasferirlo. L'amministratore di sistema, dal suo canto, può configurare lo switch per gestire la prioritizzazione del traffico, stabilendo quali flussi debbano essere favoriti rispetto ad altri meno importanti.

Ethernet: significato e vantaggi degli switch a 10 Gigabit

A livello aziendale, l'uso esclusivo di switch per collegare nodi (con esclusione di hub e bridge) consente di aumentare l'efficienza di una tipica rete 10Base-T fornendo una velocità dieci volte maggiore (10 gigabit al secondo) rispetto allo standard Gigabit Ethernet (GbE), rendendola economicamente più conveniente di una rete 100Base-T, con una configurazione logica a bus.

Se fino a qualche anno fa gli switch a 10GbE venivano adottati soprattutto dai data center e dalle grandi imprese, a livello della rete core, con la funzione di aggregazione di flussi di dati a velocità più ridotta, oggi anche le reti di medie e piccole dimensioni stanno rivolgendosi a questo tipo di standard. In sostanza, la tecnologia Gigabit Ethernet sta diventando lo standard di connettività anche sui desktop: questo sia perché le porte GbE oggi costano meno, sia per la fame di banda associata alla crescente digitalizzazione della nostra società. Un segno dei tempi è che molti computer desktop e laptop sono già equipaggiati con porte GbE.

Questa ampia adozione di GbE ha però condotto a un significativo incremento della quantità di traffico a livello dell’edge, cioè alla periferia della rete. Di conseguenza, oggi, il risultato è che, pur continuando a essere utilizzati e funzionanti, le infrastutture di rete e gli apparati di networking GbE esistenti tendono a generare colli di bottiglia e rallentamenti, specie quando all’interno delle organizzazioni, grandi o piccole che siano, si fa largo utilizzo di tecnologie e applicazioni che necessitano di maggiore banda. Ecco perché, parlando di significato dello switch è importante capire come la tecnologia 10GbE stia diventando una necessità tecnica anche sulle reti edge.

Switch: nel futuro del networking meglio in rame o in fibra?

Lo sviluppo del networking ha un grande passato e un grande futuro. Il 2002 è stata l’epoca dell’approvazione della specifica IEEE 802.3ae che ha favorito la diffusione dello standard 10GbE, implementato su fibra dalle grandi organizzazioni, nei propri data center e server farm, oltre che sulle dorsali (backbone) a livello corporate, per supportare applicazioni mission-critical a elevato consumo di banda. 

L'evoluzione tecnologica e gli investimenti dei produttori però non si sono fermati. Nel 2006 l’istituto IEEE è arrivato a ratificare la specifica per lo standard 10GBASE-T (IEEE 802.3an), che supporta anch’esso una capacità di 10 gigabit al secondo, ma utilizzando cavi in rame. Oggi, questi ultimi, se in CAT6 (schermato) o CAT7, nelle installazioni possono supportare un lunghezza fino a 100 metri. 

Dunque, se ieri la tecnologia 10GBASE-T non ha ottenuto il successo di mercato atteso, a causa essenzialmente dei costi degli switch, dei loro consumi di energia e dei loro livelli di latenza (il ritardo nei tempi di risposta del dispositivo), oggi le cose sono molto cambiate. Dal 2013, sono stati compiuti alcuni progressi fondamentali che hanno permesso di portare sul mercato switch a 10 gigabit con porte in rame con rapporti prezzo/prestazioni molto interessanti. Dunque, se ieri gli switch in rame arrivavano a richiedere anche 20 W (watt) per porta, i dispositivi di nuova generazione oggi consumano anche meno di 4 W per porta. Dal punto di vista della latenza, invece, in funzione della dimensione dei pacchetti, il ritardo per gli apparati 10GBASE-T si aggira in un intervallo tra 2 e meno di 4 µs (microsecondi); un livello che rende l’uso di tale tecnologia accettabile anche in applicazioni bandwidth-intensive, come la gestione di audio e video, il backup di dati o lo storage di rete.    

Un altro vantaggio della tecnologia 10GBASE-T è il fatto di essere retrocompatibile con le reti aziendali basate sugli standard precedenti e tuttora funzionanti, come le reti Fast Ethernet a 100 Mb/s (100BASE-T) e le reti Gigabit Ethernet (GbE) a 1000 Mb/s (1000BASE-T). Ciò significa interoperabilità con le attrezzature di networking preesistenti e possibilità di mantenere o riutilizzare, in fase di installazione, le tipologie di cavi, CAT6, CAT6a, o CAT7, già presenti nell’infrastruttura. 

Questo non solo consente una riduzione della complessità dei cablaggi ma evita anche l’acquisto di costosi cavi in fibra e apparati, il che si traduce in un ulteriore abbattimento delle spese Capex, in particolare quando le dimensioni del cablaggio da realizzare sono significative. In aggiunta, un altro vantaggio è la possibilità di lavorare sfruttando anche la familiarità e la praticità di utilizzo dei connettori RJ45 per la connessione dei vari dispositivi. Connettori che, in sostanza, funzionano in modalità plug-and-play.

Infine, va considerato che un'implementazione dell’infrastruttura di rete in rame può risultare anche meno complicata e più economica da gestire e manutenere rispetto a una in fibra che richiede, ad esempio, tecniche più sofisticate per la terminazione della fibra nei cablaggi, oltre a costosi apparati di test per collaudare la funzionalità della rete e la sua connettività. Attività di manutenzione e collaudo che, per altro, richiedono personale esperto e installatori specializzati e certificati. 

Guida alle terminologie LAN switching: storia, significato e acronimi

ISO/OSI: si tratta di uno standard per le reti informatiche il cui acronimo sta per Open Systems Interconnection (OSI) ed è stato stabilito dall'International Organization for Standardization (ISO), ovvero il principale ente di standardizzazione internazionale. In sintesi, l'OSI stabilisce in un'architettura di rete come sia composta la pila di protocolli di comunicazione, secondo una struttura a 7 strati che, secondo un modello logico-gerarchico, eseguono tutte le funzionalità.

Protocollo di rete: si tratta di un insieme di regole che due macchine devono rispettare per poter comunicare tra di loro. L'utilizzo di protocolli è necessaria quando la tipologia di macchina varia (es: computer e palmare) o più semplicemente quando il costruttore è diverso. L'insieme di più protocolli definisce un'architettura di rete a strati, che altro non è che un'astrazione per concettualizzare le funzionalità logiche di un sistema di networking.

Ethernet: le origini affondano nella storia. L'idea di realizzare una famiglia di tecnologie standardizzate per migliorare il funzionamento delle reti locali è stata di Robert Metcalfe e David Boggs (suo assistente) allo Xerox PARC: nel 1975 chiamarono il sistema Ethernet ispirandosi a quel luminiferous ether, attraverso il quale un tempo si pensava si propagassero le radiazioni elettromagnetiche. Il successo di questo approccio portò nel 1978 un gruppo di imprese (Xerox, Intel e Digital Equipment) a caratterizzare meglio le specifiche tecniche a livello fisico (includendo tipologia di connettori, di cavi, di trasmissione e via dicendo) e a livello MAC. 

IEEE 802.3: nel 1985  l'Institute of Electrical and Electronic Engineers (associazione internazionale di scienziati e professionisti) ha perfezionato e consolidato l'Ethernet creando uno standard tecnologico basato sull'originale specifica, dando vita a una famiglia di nuovi protocolli, chiamati IEEE 802. In seguito, lo standard Ethernet come tale non è più stato mantenuto, ma il termine continua ad essere usato come fosse un sinonimo di IEEE 802.3, pur non coincidendo completamente.

10Base-T: è una specifica di livello fisico dello standard IEEE 802.3, caratterizzata da velocità di trasmissione di 10 Mbps in banda base su due doppini di derivazione telefonica intrecciati e non schermati di categoria 4 o 5.

CSMA/CD: acronimo di Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (accesso multiplo tramite rilevamento della portante con rilevamento delle collisioni) è un protocollo di accesso multiplo, evoluzione del protocollo di livello MAC CSMA, nato per la risoluzione dei conflitti di trasmissione, ovvero collisioni, dovuti al CSMA puro, presenti in un certo dominio di collisione su reti locali cablate di tipo broadcast.

100BASE-T: si tratta di uno dei tanti standard CSMA/CD per cavi UTP (Unshielded Twisted Pair - ovvero cavi non schermati usati per collegare le reti Ethernet) a 100 Mbps. che include: 100BASE-TX (100 Mbps su due coppie - cavi Cat 5 o migliori), 100BASE-T4 (100 Mbps su quattro coppie - cavi Cat 3, deprecato), 100BASE-T2 (100 Mbps su due coppie Cat 3 o migliore, deprecato). La lunghezza del segmento per un cavo 100BASE-T è limitato a 100 metri (come 10Base-T e 1000Base-T). Tutti sono o erano parte dello standard IEEE 802.3 CSMA/CD approvato nel 1995.

Bus: è un canale di comunicazione che permette a periferiche e componenti di un sistema elettronico di scambiare informazioni o dati di sistema tra loro attraverso la trasmissione di segnali.

Gigabit Ethernet: GbE (standard IEEE 802.3z su fibra e IEEE 802.3ab su rame) è l'evoluzione a 1.000 Mbit/s del protocollo Fast Ethernet (standard IEEE 802.3u) operante a 100 Mbit/s. Per rendere possibile il Gigabit Ethernet si è reso necessario introdurre delle modifiche al protocollo IEEE 802.3u.

 


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