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.
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.
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.
Broadcast fisico
Un frame = tutte le porte. Un solo dominio di collisione. CSMA/CD necessario.
Intelligenza L2
Tabella MAC → porta. Un dominio di collisione per porta. Full-duplex.
Scalabilità
Banda dedicata, isolamento del traffico, supporto VLAN e QoS.
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.
| MAC Address | Porta | VLAN | Age (s) |
|---|---|---|---|
| 3C:22:FB:11:AA:01 | Fa0/1 | 1 | 120 |
| 08:00:27:4E:CC:FF | Fa0/2 | 1 | 45 |
| B4:2E:99:00:11:22 | Fa0/3 | 1 | 280 |
| DC:A6:32:88:44:77 | Fa0/4 | 1 | 10 |
Come si popola: apprendimento dinamico
- Arriva un frame sulla porta X
- Leggi il MAC sorgente
- Se MAC sorgente non è in tabella → aggiungi voce
MAC → porta X - Se MAC sorgente è già in tabella → aggiorna aging timer
- Ora leggi il MAC destinazione e decidi il forwarding
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.
MAC trovato
Frame inviato solo sulla porta associata. Le altre porte non vedono nulla. Efficienza massima.
MAC sconosciuto
Frame inviato su tutte le porte tranne quella di arrivo. Quando il destinatario risponde, lo switch impara.
FF:FF:FF:FF:FF:FF
Flooding sempre. Motivo per cui il broadcast eccessivo degrada LAN estese. Serve router o VLAN.
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.
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.
| Modalità | Legge prima di inviare | Verifica CRC | Latenza | Propaga corrotti? |
|---|---|---|---|---|
| Store-and-Forward | Frame intero | ✅ Sì | Alta (proporzionale) | ❌ No – scarta |
| Cut-Through | Solo MAC dst (6 byte) | ❌ No | Minima (~1 µs) | ⚠️ Sì – non vede FCS |
| Fragment-Free | Primi 64 byte | ❌ No | Media | Parziale – filtra runt |
Il più usato
Aspetta frame intero, verifica FCS. Elimina runt/jabber. Default enterprise. Latenza trascurabile su Gigabit.
Il più veloce
Dopo 6 byte MAC dst inizia TX. Zero controllo. Usato in HFT e HPC dove latenza < integrità.
Compromesso
Legge 64 byte = min frame Ethernet. Filtra collision fragment senza aspettare frame intero.
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.
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.
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.
Evoluzioni: RSTP (802.1w) converge in 1–2 s invece di 30–50 s, MSTP (802.1s) gestisce VLAN multiple con istanze separate.
6. Switch vs Router: dove opera ciascuno
| Caratteristica | Switch (L2) | Router (L3) |
|---|---|---|
| Livello OSI | 2 – Data Link | 3 – Network |
| Indirizzo usato | MAC 48 bit | IP 32/128 bit |
| Tabella | CAM table (MAC → porta) | Routing table (rete → next hop) |
| Dominio broadcast | Non separa (propaga) | Separa i domini |
| Uso tipico | Dispositivi in LAN | Reti diverse (LAN-WAN, VLAN) |
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:
- Mostra la CAM table prima di ogni ping. Perché è vuota all'avvio?
- Esegui ping tra PC1 e PC2. Osserva come si popola la tabella con show mac address-table
- Analizza flooding: avvia cattura su switch, invia frame verso MAC sconosciuto. Dove arriva?
- Simula loop: collega due cavi tra SW1 e SW2 senza STP. Cosa succede ai broadcast? Attiva RSTP e verifica blocked port.
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.
8. Riepilogo e concetti chiave
📚 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.