Sistemi e Reti - Anno 4 - Modulo 1 - Lezione 08 - Switch Ethernet Tabella MAC e Switching
Sistemi e Reti · Anno 4 · Modulo 1 · Lezione 08
✍ Autore: profgiagnotti · Materia: Sistemi e Reti

Switch Ethernet: tabella MAC, switching e STP

Dall'hub allo switch: come lo switch impara dinamicamente gli indirizzi MAC, come decide tra unicast, flooding e broadcast, le modalità Store-and-Forward / Cut-Through / Fragment-Free e come STP elimina i loop.

⏱ 60 min 📚 Anno 4 🧠 Switch L2 💻 CAM Table · STP 🎬 Comandi base hostname → 🎬 Esploriamo l'IOS → 🎬 Configuriamo lo switch → 🖧 Lab navigate-the-ios.pka →
// OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO
✓Spiegare come uno switch popola dinamicamente la tabella MAC (CAM table) e come la usa per inoltrare i frame
✓Distinguere le tre modalità di switching: Store-and-Forward, Cut-Through e Fragment-Free, con i relativi trade-off su latenza e affidabilità
✓Descrivere i comportamenti di unicast, flooding e broadcast nello switch e le condizioni che li attivano
✓Capire il problema dei loop tra switch e il ruolo dello Spanning Tree Protocol (STP 802.1D / RSTP / MSTP)
✓Confrontare switch L2 e router L3 sui domini di broadcast e comprendere il ruolo delle VLAN 802.1Q

1. Dall'hub allo switch: perché conta

Un hub è stupido per definizione: riceve un segnale su una porta e lo ritrasmette su tutte le altre. Tutte le stazioni condividono lo stesso dominio di collisione e ricevono tutti i pacchetti, anche quelli non destinati a loro. Con molte stazioni la rete degrada rapidamente.

Uno switch risolve entrambi i problemi: instrada i frame solo verso la porta corretta e crea un dominio di collisione separato per ogni porta. Risultato: latenza inferiore, banda dedicata per ogni dispositivo, rete scalabile.

📌 Definizione da ricordare

Uno switch Ethernet è un dispositivo di livello 2 che instrada i frame in base agli indirizzi MAC. Opera in modalità store-and-forward (o cut-through): legge il MAC di destinazione e lo consulta in una tabella di forwarding (CAM table) per decidere su quale porta inviare il frame.

01 · HUB

Broadcast fisico

Un frame = tutte le porte. Un solo dominio di collisione. CSMA/CD necessario.

02 · SWITCH

Intelligenza L2

Tabella MAC → porta. Un dominio di collisione per porta. Full-duplex.

03 · VANTAGGIO

Scalabilità

Banda dedicata, isolamento del traffico, supporto VLAN e QoS.

HUB - 1 DOMINIO HUB 💻 💻 💻 FLOODING SEMPRE SWITCH - N DOMINI ISOLATI SWITCH CAM TABLE 💻 🖥️ 💻 UNICAST MIRATO

2. La CAM Table e l'apprendimento dinamico

Il cuore dello switch è la CAM table (Content Addressable Memory): una struttura che associa ogni indirizzo MAC alla porta fisica su cui è stato visto. È implementata in hardware per garantire lookup a velocità di linea.

// Esempio CAM table – switch a 4 porte – aging 300s default Cisco
MAC AddressPortaVLANAge (s)
3C:22:FB:11:AA:01Fa0/11120
08:00:27:4E:CC:FFFa0/2145
B4:2E:99:00:11:22Fa0/31280
DC:A6:32:88:44:77Fa0/4110
Le entry scadono (default 300 s su Cisco) se non si ricevono frame da quel MAC. Se lo stesso MAC appare su un'altra porta, la tabella si aggiorna: mobilità supportata.

Come si popola: apprendimento dinamico

🎯 Flusso in 5 passi
  1. Arriva un frame sulla porta X
  2. Leggi il MAC sorgente
  3. Se MAC sorgente non è in tabella → aggiungi voce MAC → porta X
  4. Se MAC sorgente è già in tabella → aggiorna aging timer
  5. Ora leggi il MAC destinazione e decidi il forwarding
CISCO IOS · SHOW MAC ADDRESS-TABLE
Switch> enable Switch# show mac address-table Mac Address Table ------------------------------------------- Vlan Mac Address Type Ports ---- ----------- -------- ----- 1 3c22.fb11.aa01 DYNAMIC Fa0/1 1 0800.274e.ccff DYNAMIC Fa0/2 1 b42e.9900.1122 DYNAMIC Fa0/3 Total Mac Addresses for this criterion: 3 Switch# show mac address-table dynamic Switch# clear mac address-table dynamic

3. Algoritmo di forwarding: unicast, flooding, broadcast

Una volta letto il MAC destinazione, lo switch ha tre comportamenti possibili. Questa logica è deterministica e va saputa a memoria per la verifica.

UNICAST · OTTIMALE

MAC trovato

Frame inviato solo sulla porta associata. Le altre porte non vedono nulla. Efficienza massima.

FLOODING · APPRENDIMENTO

MAC sconosciuto

Frame inviato su tutte le porte tranne quella di arrivo. Quando il destinatario risponde, lo switch impara.

BROADCAST · INEVITABILE

FF:FF:FF:FF:FF:FF

Flooding sempre. Motivo per cui il broadcast eccessivo degrada LAN estese. Serve router o VLAN.

📌 Nota – dominio di broadcast

Tutti i dispositivi sullo stesso switch (o switch interconnessi) sono nello stesso dominio di broadcast. Per segmentarlo occorre un router L3 o usare le VLAN 802.1Q, che creano domini virtuali separati sullo stesso hardware.

UNICAST MAC dst → Fa0/3 → solo porta 3 💻 FLOODING MAC ? sconosciuto → tutte tranne ingress BROADCAST FF:FF:FF:FF:FF:FF → sempre flooding 📢

4. Modalità di switching: latenza vs affidabilità

Quando arriva un frame, lo switch decide quando iniziare a inviarlo sulla porta di uscita. Tre strategie con trade-off diversi. Sapere tabella a memoria.

ModalitàLegge prima di inviareVerifica CRCLatenzaPropaga corrotti?
Store-and-ForwardFrame intero✅ SìAlta (proporzionale)❌ No – scarta
Cut-ThroughSolo MAC dst (6 byte)❌ NoMinima (~1 µs)⚠️ Sì – non vede FCS
Fragment-FreePrimi 64 byte❌ NoMediaParziale – filtra runt
STORE-AND-FORWARD

Il più usato

Aspetta frame intero, verifica FCS. Elimina runt/jabber. Default enterprise. Latenza trascurabile su Gigabit.

CUT-THROUGH

Il più veloce

Dopo 6 byte MAC dst inizia TX. Zero controllo. Usato in HFT e HPC dove latenza < integrità.

FRAGMENT-FREE

Compromesso

Legge 64 byte = min frame Ethernet. Filtra collision fragment senza aspettare frame intero.

💬 Tip del docente

All'interrogazione: Store-and-Forward = sicuro ma lento, Cut-Through = velocissimo ma insicuro, Fragment-Free = via di mezzo a 64 byte. Ricorda: runt < 64 byte sempre da collisione.

5. Il problema dei loop e STP

Nelle reti reali servono percorsi ridondanti tra switch. Problema: percorsi multipli creano loop L2 e i broadcast si moltiplicano all'infinito – broadcast storm che satura la rete in millisecondi.

⚠️ Pericolo – loop tra switch

Immagina switch A e B con due cavi per ridondanza. Broadcast di PC1 arriva su A → propagato su tutti i link → arriva su B da due cavi → B lo rimanda su A → ciclo infinito. Tempesta broadcast.

📌 Definizione – STP IEEE 802.1D

Lo Spanning Tree Protocol elimina i loop logici. Elegge un Root Bridge e blocca le porte ridondanti, costruendo un albero logico senza cicli. Se un link attivo cade, STP sblocca automaticamente una porta alternativa.

SENZA STP – LOOP SW-A SW-B STORM ∞ CON STP – ALBERO ROOT SW-A SW-B BLOCKED LOOP FREE – CONVERGENCE

Evoluzioni: RSTP (802.1w) converge in 1–2 s invece di 30–50 s, MSTP (802.1s) gestisce VLAN multiple con istanze separate.

IOS · STP
Switch# show spanning-tree Switch# show spanning-tree vlan 1 Switch(config)# spanning-tree mode rapid-pvst Switch(config)# spanning-tree vlan 1 root primary # Verifica porta bloccata Switch# show spanning-tree blockedports

6. Switch vs Router: dove opera ciascuno

CaratteristicaSwitch (L2)Router (L3)
Livello OSI2 – Data Link3 – Network
Indirizzo usatoMAC 48 bitIP 32/128 bit
TabellaCAM table (MAC → porta)Routing table (rete → next hop)
Dominio broadcastNon separa (propaga)Separa i domini
Uso tipicoDispositivi in LANReti diverse (LAN-WAN, VLAN)
🎯 Collegamento

Per separare i domini di broadcast senza router fisico si usano le VLAN 802.1Q: lo stesso switch crea LAN virtuali isolate. Trunk necessario tra switch.

7. Verifica / Esercizio

🔬 Attività Packet Tracer – Navigate IOS

Apri il lab navigate-the-ios.pka e svolgi:

  1. Mostra la CAM table prima di ogni ping. Perché è vuota all'avvio?
  2. Esegui ping tra PC1 e PC2. Osserva come si popola la tabella con show mac address-table
  3. Analizza flooding: avvia cattura su switch, invia frame verso MAC sconosciuto. Dove arriva?
  4. Simula loop: collega due cavi tra SW1 e SW2 senza STP. Cosa succede ai broadcast? Attiva RSTP e verifica blocked port.
✅ Soluzione ragionata

1) Tabella vuota perché switch non ha ancora visto MAC sorgente. 2) Dopo primo frame apprende MAC sorgente → porta ingress; destinazione sconosciuta → flooding; risposta fa apprendere secondo MAC → da unicast. 3) Flooding su tutte eccetto ingress. 4) Senza STP: storm broadcast, CPU 100%, LED lampeggiano. Con RSTP: una porta in BLK, albero root-elected, ridondanza mantenuta ma loop-free. Show spanning-tree conferma.

✓CAM table: MAC → porta, popolata dinamicamente leggendo MAC sorgente, aging 300 s Cisco
✓Forwarding: unicast se MAC noto → sola porta, flooding se ignoto → tutte tranne ingress, broadcast FF:FF:FF:FF:FF:FF → sempre flooding
✓Modalità: Store-and-Forward verifica CRC (sicuro), Cut-Through 6 byte (velocissimo), Fragment-Free 64 byte (filtra runt)
✓Loop & STP: ridondanza → loop → broadcast storm; STP 802.1D elimina loop bloccando porte, elegge Root Bridge; RSTP 1-2 s
✓Switch vs Router: switch L2 non separa broadcast domain, router L3 sì; VLAN 802.1Q segmenta broadcast su switch

📚 Prossimo passo – Reti Wireless 802.11, CSMA/CA e infrastruttura

Dopo aver dominato il mondo cablato L2 e STP, passiamo al wireless: come funziona CSMA/CA, infrastruttura BSS/ESS, frame 802.11 e differenze con Ethernet. Porta con te il concetto di dominio di collisione.