Per risolvere le problematiche di interconnessione delle reti è necessario utilizzare appositi nodi di connessione che siano in grado di trasferire l'informazione attraverso gli strati del modello OSI. In questo articolo introduciamo i concetti dell'interconnessione tra dispositivi su reti Ethernet, illustrando il funzionamento degli HUB, oggi praticamente abbandonati e sostituiti dai più efficienti SWITCH. Gli hub furono creati per fornire un punto di connessione centralizzato per i dispositivi di rete, parallelamente all'aumento della popolarità del cablaggio con il doppino intrecciato (twisted pairs). L'HUB è stato il dispositivo di rete più semplice utilizzato per realizzare reti Ethemet in topologia a stella. Una rete realizzata con hub si rivelò da subito più semplice ed economica rispetto ad un cablaggio realizzato su cavo coassiale.

Gli HUB replicano a tutte le porte il segnale elettrico ricevuto su una singola porta, ossia replicano il segnale in transito su un segmento fisico (cavo ethernet) a tutti gli altri segmenti ad esso collegati, lavorando a livello 1 della pila OSI. Nell'esempio sottostante la stazione a sinistra trasmette dati alla stazione di destra. L'hub replica il segnale elettrico su tutte le porte attive comportandosi logicamente come un bus collassato.

Nell'esempio sottostante, è presente un hub per ogni piano di un ipotetico edificio. Un singolo HUB non può accettare il collegamento con i PC di tutti i piani, per cui verranno semplicemente collegati tra loro gli HUB di ogni piano. La connessione tra gli hub richiede il collegamento con un cavo "cross-over" tra due porte standard. Poichè la tecnologia di rete utilizzata è quella Ethernet, in tutto l'edificio e in un dato momento può trasmettere solo un PC alla volta, tramite il meccanismo del CSMA/CD (Ethernet Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection), mediante il quale si determina l'assenza di traffico sulla rete e quindi la possibilità di trasmettere.

Il dominio di collisione è uno solo, e questo ci fa capire perché con l'aumentare del numero di nodi aumenta la possibilità di collisioni e ritrasmissioni, con un proporzionale decadimento delle prestazioni dell'intera rete. Questo limite viene superato con l'utilizzo degli switch.

Introduzione allo switching in rete

Gli switch operano al livello 2 (Data Link) del modello OSI (vedere schema sotto), riconoscendo gli indirizzi MAC delle interfacce di rete.  Lo switch infatti connette tra loro segmenti di rete che rappresentano ognuno un dominio di collisione separato; è in grado di determinare, in base ad una sua tabella interna, la porta a cui è collegato il dispositivo di destinazione, inoltrando così il frame solo al segmento di rete collegato a quella porta, piuttosto che replicarlo a tutti i segmenti di rete come farebbe un HUB.  Si rende possibile in questo modo la trasmissione contemporanea di frame tra più dispositivi di rete, con un notevole incremento di prestazioni della rete.

A sinistra, fronte e retro di un HUB. A destra, uno switch. Esteticamente, HUB e switch appaiono dispositivi simili.

Mac Address table

All'interno di uno switch esiste una tabella che associa un indirizzo di livello 2 (Mac Address) a una porta dello switch stesso. Tutto il funzionamento degli switch si basa sulle address table: ogni volta che viene ricevuto un frame, lo switch ne estrae l'indirizzo sorgente, verifica la propria address table per verificare se l'indirizzo è già presente, ed in caso contrario lo aggiunge associandolo alla porta da cui è stato ricevuto. Se l'indirizzo è già presente, ma con un'associazione diversa, allora viene modificato il valore della porta. Se l'indirizzo è già presente con l'associazione corretta ovviamente la tabella non viene modificata. Nell'immagine sottostante viene mostrata la tabella di uno switch Cisco.

Forwarding

Quando uno switch riceve un frame su una porta, determina l'indirizzo di destinazione estraendolo dall'header e reinoltra il frame verso la porta associata a quell'indirizzo, senza alterarlo in nessun modo. Questa operazione è nota con il nome di forwarding.

Filtering

Se la porta di uscita corrisponde alla porta di ingresso, si assume che la stazione di destinazione abbia già ricevuto il frame, trovandosi già nel segmento di rete collegato a quella specifica porta. Il frame viene quindi eliminato con un'operazione nota con il nome di filtering.

Flooding

Quando lo switch non possiede in tabella un certo indirizzo di destinazione, non può associare ad esso alcuna porta di uscita: il frame viene allora inoltrato a tutte le porte tranne quella sorgente, secondo un processo noto con il nome di flooding.

VLAN

Nella pagina precedente, parlando di HUB Ethernet, abbiamo messo in evidenza il fatto che tutte le porte di un hub sono parte della stessa LAN. In una rete TCP/IP, queste porte sono legate alla stessa rete IP, Ciò crea alcuni problemi: se una rete necessita solo di poche connessioni e l'HUB ha molte porte, non c'è modo di utilizzare queste ultime per un'altra LAN. Se una macchina deve essere spostata in un'altra rete IP, bisogna spostare fisicamente i cavi da un hub ad un altro. E ovviamente, ci possono essere valori significativi di tempo e costi associati al cambio. Tali inconvenienti sono risolti dalle LAN virtuali (VLAN), implementate tramite gli switch. In pratica uno switch con supporto alle VLAN può essere suddiviso in gruppi di reti indipendenti: i pacchetti inviati da una stazione appartenente ad una determinata VLAN saranno visti e ricevuti solo dalle macchine appartenenti a quella VLAN.  Le VLAN sono trattate in modo più dettagliato in un articolo a parte.

Switch e tecniche di switching

Proseguiamo il nostro discorso sugli switch in un articolo ad essi dedicato.