Tecnologias de rede. Diversas tecnologias com características diferentes Exemplos. Ethernet FDDI ATM

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1 Tecnologias de rede Diversas tecnologias com características diferentes Exemplos Ethernet FDDI ATM

2 Ethernet Vários tipos se diferenciam na camada física em função do tipo de cabo, da codificação e do uso do CSMA/CD ou de comutação Todos os tipos descritos na norma IEEE exceto o padrão 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3an)

3 Rede Ethernet original (10 Mbps) Topologia em barramento compartilhado entre as estações Operação em half-duplex Método de acesso é o CSMA/CD

4 Rede Ethernet original De modo a garantir a detecção de colisão, o quadro Ethernet possui um tamanho mínimo De acordo com o IEEE LAN a 10 Mbps, 2500 m rtt (round-trip time) máximo = 2τ = 50 µs 1 bit = 100 ns, então quadro mínimo = 500 bits IEEE 802.3: 512 bits ou 64 octetos

5 Algoritmo de Backoff Exponencial Binário No caso da detecção de uma colisão Estação para a transmissão Envio de um sinal (jam) Equivalente a 32 bits de ruído Nem sempre o número de bits do quadro interrompido é suficiente para a detecção de colisão

6 Algoritmo de Backoff Exponencial Binário No caso da detecção de uma colisão (cont.) Retransmissão dos quadros após um tempo aleatório Tempo é dado por um número aleatório (n) que multiplica o tempo de slot (51,2 µs) Tempo de slot correspondente a 2τ Suficiente para 512 bits no Ethernet n entre 0 e 2 i 1, onde i é o número de colisões Após 10 colisões Intervalo aleatório congelado em 1023 slots Após 16 colisões Quadro é descartado Falha é reportada para a camada superior

7 Rede Ethernet original Eficiência do Ethernet a 10 Mbps e tempo de slot de 512 bits (fonte: Tanenbaum)

8 Quadro Ethernet original Preâmbulo Sincronização entre relógios Sete octetos e o último octeto Espécie de delimitador de início de quadro Codificação Manchester produz uma onda quadrada de 10 MHz durante aproximadamente 6,4 µs Endereços de destino e de origem Seis octetos cada

9 Quadro Ethernet original - endereços IEEE controla parte do endereço Identificadores únicos de organização (Organizationally Unique Identifiers - OUI) Primeiros 24 bits Bit mais significativo igual a 1 Multicast ou difusão Todos os bits em um Difusão

10 Quadro Ethernet original Tipo Protocolo usado pela camada superior Dados Tamanho mínimo de 46 octetos Quadro de 64 octetos garante a detecção de colisão Tamanho máximo de 1500 octetos

11 Quadro Ethernet original Dados (cont.) Dados passados para a camada rede incluem o enchimento (se existente) CRC Tamanho do pacote da camada rede fará com que os dados sejam separados do enchimento 32 bits x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x 1 + 1

12 Quadro Ethernet original Não há delimitador de fim de quadro Delimitação indicada pela ausência de bits

13 Rede Ethernet original Formato do quadro MAC Ethernet (a) e (b) (fonte: Tanenbaum)

14 Rede Ethernet original Camada física Cabeamento Codificação

15 Rede Ethernet original Tipos de cabeamentos (802.3) Nomenclatura <x><sinal><y> x é a taxa de transmissão em Mbps sinal é o tipo de sinalização usada y é o comprimento máximo do cabo coaxial / 100 em metros ou o tipo de meio físico

16 Tipos de cabeamentos 10Base5 (Ethernet grossa) Normalizada em 1980 Banda básica Topologia em barramento Segmento de até 500 m Máximo de cinco segmentos Máximo de 30 estações por segmento Cabo coaxial de 1 cm de diâmetro Custo alto dos cabos e conectores Pouca flexibilidade do cabo

17 Tipos de cabeamentos 10Base2 (Ethernet fina) Normalizada em 1987 Banda básica Topologia em barramento Segmento de até 185 m Máximo de cinco segmentos Máximo de 30 estações por segmento Cabo de 0,5 cm de diâmetro Conectores BNC padrão Problema de identificação de cabos partidos

18 Tipos de cabeamentos 10Base-T Normalizada em 1990 T par trançado como meio de transmissão Estação conectada a um hub através de dois pares trançados Topologia em estrela Topologia lógica em barramento Alcance de 100 a 200 m (do hub a uma estação) Depende da qualidade do cabo Número máximo de estações por segmento é 1024

19 Tipos de cabeamentos 10Base-F Utiliza fibra óptica Possui excelente imunidade a ruído Segmentos de até 2000 m Número máximo de estações por segmento é 1024 Alternativa cara em função do custo dos conectores e dos terminadores

20 Tipos de cabeamentos 10Base5 (a), 10Base2 (b) e 10Base-T (c) (fonte: Tanenbaum)

21 Rede Ethernet original Codificação Não usa codificação binária direta Problemas de temporização (perda de sincronismo) Uso de codificação Manchester Determina-se o início e o fim de cada bit sem o uso de um relógio externo

22 Rede Ethernet de alta velocidade Sucesso da Ethernet e evolução da capacidade de processamento dos microcomputadores Aumento da taxa de transmissão

23 Rede Ethernet de alta velocidade Na topologia de cabo coaxial poderiam existir duas soluções (a) 51,2 µs a 100 Mbps 5120 bits Aumenta-se o tamanho mínimo do quadro para 5120 bits Pode comprometer o desempenho de aplicações (b) Tempo de detecção de 5,12 µs Divide-se por 10 os tamanhos máximos dos cabos Também não é uma boa solução algumas Não se usa coaxial na Ethernet de mais de 10 Mbps Solução usar elementos centralizadores

24 Rede Ethernet de alta velocidade Hub Transmissão em half-duplex Só repete os dados Não roda todo o CSMA/CD Estações rodam CSMA/CD Detecta colisões e envia jams Não escalável

25 Rede Ethernet de alta velocidade Comutador (acesso dedicado - estação ligada diretamente) Transmissão em full-duplex Processa, armazena e transmite os dados Pares trançados não são compartilhados não há colisões Escalável Aumento de eficiência da rede Limitação passa a ser dada pela banda do meio físico ou pela capacidade de comutação

26 Fast Ethernet Normalizada em 1995 Usa par trançado ou fibra óptica como meio Mantêm o formato e os tamanhos mínimo e máximo do quadro Questões de compatibilidade Funciona nos modos half-duplex e full-duplex

27 Fast Ethernet com par trançado 10Base-T UTP cat 3 sinais de 25 MHz Fast Ethernet Half-duplex Tamanho máximo da rede deveria ser de 250 m Limitação vem do tamanho máximo do cabo (100 m) Full-duplex Alcance de 200 m Limitação vem do tamanho máximo do cabo (100 m) Alcance de 200 m

28 Fast Ethernet com par trançado 100Base-T4 Pode usar UTP cat 3 Usa quatro pares por estação (um para transmissão, um para recepção e os outros dois intercambiáveis) Não funciona em full-duplex Usa uma codificação ternária em cada um dos três pares usados para transmissão Codificação 8B/6T Transmite-se quatro bits a 25 MHz

29 Fast Ethernet com par trançado 100Base-TX UTP cat 5 sinais de 125 MHz a 100 m Usa dois pares (um para transmissão e outro para recepção) Também não usa Manchester pois exigiria 200 MHz de banda Codificação 4B/5B

30 Fast Ethernet com par trançado Esquema de autonegociação Seleciona Velocidade de operação 10 ou 100 Mbps Modo de operação Half ou full-duplex

31 Fast Ethernet com fibra óptica 100Base-FX Usa fibras de até 400 m

32 Gigabit Ethernet Normalizada em 1998 Usa par trançado ou fibra óptica como meio Mantêm o formato e os tamanhos mínimo e máximo do quadro Funciona nos modos half-duplex e full-duplex

33 Gigabit Ethernet com par trançado Half-duplex Tamanho máximo da rede deveria ser de 25 m Soluções Extensão de portadora Envio de quadro em rajadas

34 Gigabit Ethernet com par trançado Half-duplex (cont.) Extensão de portadora: hardware usa enchimento (após o CRC) para estender o quadro até 512 octetos Vantagem: software não precisa ser mudado Desvantagem: menor eficiência da rede Envio de quadro em rajadas Primeiro quadro enviado normalmente (com extensão, se necessária) Demais quadros são enviados em rajada até um limite de tempos de bit mais a transmissão do quadro final Sem nenhuma extensão Símbolos são usados nos intervalos entre quadros para não deixar outra estação obter o meio Vantagem: mais eficiente que a extensão de portadora

35 Gigabit Ethernet com par trançado Half-duplex (cont.) Tamanho mínimo de 512 octetos tamanho do slot é de 512 octetos e tamanho da rede é de até 200 m

36 Gigabit Ethernet com par trançado Full-duplex Tamanho da rede é de até 200 m Controle de fluxo Estação pode receber pedido para parar de transmitir por até 33,6 ms

37 Gigabit Ethernet com par trançado 1000Base-T UTP cat 5 4 pares Codificação 5-PAM Quatro valores para dados e um para controle e enquadramento Enviados 2 bits por símbolo em paralelo em cada um dos pares Relógio a 125 MHz oito bits permitem 1Gbps Esquema de autonegociação

38 Gigabit Ethernet com par trançado 1000Base-CX STP 2 pares de no máximo 25 m Codificação 8B/10B

39 Gigabit Ethernet com fibra óptica Funciona nos modos half-duplex e full-duplex Pode usar controle de fluxo quando no modo full-duplex

40 Gigabit Ethernet com fibra óptica 1000Base-LX Fibra monomodo tamanho máximo do segmento de 5000 m Fibra multimodo tamanho máximo do segmento de 550 m Codificação 8B/10B 1000Base-SX Fibra multimodo tamanho máximo do segmento de 550 m Codificação 8B/10B

41 10-Gigabit Ethernet IEEE 802.3ae (2002) Usa fibra óptica como meio Mantêm o formato e os tamanhos mínimo e máximo do quadro Funciona no modo full-duplex

42 10-Gigabit Ethernet IEEE 802.3an (2006) Usa par trançado como meio Mantêm o formato e os tamanhos mínimo e máximo do quadro Funciona no modo full-duplex

43 ARP Protocolo de resolução de endereços (Address Resolution Protocol) Descrito na RFC 826 Faz a tradução de endereços IP para endereços MAC da maioria das redes IEEE 802 Executado dentro da sub-rede Cada nó (estação ou roteador) possui uma tabela ARP Contém endereço IP, endereço MAC e TTL Tabela ARP construída automaticamente

44 ARP Nó origem consulta a sua tabela ARP Se o nó destino não consta da tabela Nó origem envia um ARP Query em difusão Nó destino responde diretamente ao nó origem com um ARP Reply Nó origem entra com o registro na tabela Nó origem define o TTL Se o nó destino consta da tabela Extrai o endereço MAC

45 ARP - roteamento para outra LAN Exemplo com duas LANs (fonte: Kurose) A R B

46 ARP - roteamento para outra LAN A cria o datagrama com endereço IP fonte A e destino B A consulta a tabela de roteamento e obtém R como próximo salto A usa o ARP para obter o endereço MAC de R A cria um quadro com endereço MAC de destino R e o datagrama de A para B na carga útil Adaptador de A envia o quadro para R Adaptador de R recebe o quadro

47 ARP - roteamento para outra LAN R remove o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que é destinado a B R consulta a tabela de roteamento R usa o ARP para obter o endereço MAC de B R cria o quadro contendo o datagrama de A para B Adaptador de R envia o quadro para B Adaptador de B recebe o quadro

48 DHCP Protocolo de configuração dinâmica de hospedeiros (Dynamic Host Configuration Protocol) Descrito nas RFCs 2131 e 2132 Protocolo de rede Permite que um hospedeiro obtenha Endereço IP Máscara da sub-rede Endereço do roteador do primeiro salto Endereço do servidor DNS local

49 DHCP Protocolo cliente-servidor Cada sub-rede possui um servidor DHCP ou um agente de retransmissão (relay) que repassa um pedido para um servidor DHCP

50 DHCP Dividido em quatro etapas Descoberta de servidor DHCP Hospedeiro envia uma mensagem de descoberta DHCP Monta um datagrama UDP com a porta de destino 67, endereço de destino (difusão IP), porta fonte 68 e endereço fonte (este hospedeiro) Envia para a sub-rede através do endereço MAC FF- FF-FF-FF (difusão) Mensagem contém um identificador

51 DHCP Dividido em quatro etapas (cont.) Oferta(s) do(s) servidor(es) DHCP Servidor(es) envia(m) uma mensagem de oferta DHCP Cada mensagem contém Identificador da mensagem de descoberta Endereço IP proposto Máscara de rede Requisição DHCP Tempo de aluguel do endereço Cliente escolhe uma oferta e responde com uma mensagem de requisição DHCP que contém os parâmetros de configuração DHCP ACK Servidor responde com uma mensagem DHCP ACK confirmando os parâmetros

52 Exemplos de rede com DHCP (fonte: Kurose) A DHCP server B E arriving DHCP client needs address in this network

53 Exemplos de rede com DHCP (fonte: Kurose) DHCP server: DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 arriving client time DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs

54 DHCP Exemplo de operação do DHCP com retransmissão (fonte: Tanenbaum)

55 DHCP Cliente pode renovar o aluguel antes do mesmo expirar

56 Elementos de interconexão Repetidor Nível físico Tem um número pequeno de interfaces Recebe, conforma (recupera a forma do sinal original), amplifica e retransmite os bits de uma interface para todas as outras

57 Elementos de interconexão Hub Nível físico É um repetidor Repete os bits de uma porta para todas as outras Segmentos da rede formam um único domínio de colisão Domínio de colisão é uma única rede com CSMA/CD na qual haverá colisão se duas ou mais estações da rede transmitirem ao mesmo tempo Geralmente não pode conectar segmentos da rede operando em diferentes taxas Esse caso poderia ser implementado usando dois hubs que operam em velocidades diferentes conectados internamente por um comutador de duas portas

58 Elementos de interconexão Ponte (bridge) Nível enlace Tem um pequeno número de interfaces Usa o endereço MAC de destino para encaminhar e filtrar quadros Cada segmento de rede é um domínio de colisão separado Pode conectar segmentos de rede operando em diferentes taxas Pode conectar segmentos de rede diferentes Pode usar o CSMA/CD como se fosse uma estação Ex.: Ligação com uma rede Ethernet

59 Elementos de interconexão Ponte (bridge) Conceitos Filtragem Capacidade da ponte decidir se um quadro será repassado para alguma interface ou descartado Repasse Capacidade de determinar as interfaces para as quais um quadro deve ser repassado e fazê-lo

60 Elementos de interconexão Ponte (bridge) Tabela de comutação usada no repasse Se o endereço de destino está na tabela e a interface não é a mesma de onde veio, transmite para a interface correspondente Se o endereço de destino está na tabela e a interface é a mesma de onde veio, descarta Se o endereço de destino não está na tabela, transmite em todas as interfaces exceto a interface de onde veio

61 Elementos de interconexão Ponte (bridge) Possui a característica de aprendizagem automática Construção automática da tabela de comutação Cada quadro que passa pela ponte é examinado e são colocados na tabela o endereço fonte, a interface de onde veio o quadro e o tempo do registro na tabela Registros expiram Ex.: Pode-se trocar uma estação de lugar

62 Elementos de interconexão Comutador Nível enlace Ponte de alto desempenho e múltiplas interfaces Tem um maior número de interfaces Atualmente a maioria é utilizada para acesso dedicado Uma única estação por domínio de colisão Usa o endereço MAC de destino para encaminhar e filtrar quadros Cada segmento de rede é um domínio de colisão separado Pode conectar segmentos de rede operando em diferentes taxas Pode conectar segmentos de rede diferentes

63 Elementos de interconexão Comutador Pode trabalhar em full-duplex Comutação de quadros Quadro sempre é expedido pela mesma saída, decidida uma vez por todas quando da aceitação de trocar dados

64 Elementos de interconexão Roteador Nível rede Roteamento de pacote Endereço do destinatário Escolha da melhor saída no momento da decisão

65 Elementos de interconexão Elementos (fonte: Tanenbaum)

66 Elementos de interconexão Hub, ponte e comutador (fonte: Tanenbaum)

67 Bibliografia Kurose Capítulo 5 Tanenbaum Capítulos 1, 3, 4 e 5 Soares Capítulos 1, 2 e 3 Giozza Capítulos 1, 2 e 4 Spurgeon