É formado em Ciência da Computação pelo Centro Universitário São Camilo (2007). Possui também o certificado ITIL Foundation V2, obtido em 2008.

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1 Estudo Básico do MPLS (Multi Protocol Label Switching) - I Esta série de tutoriais apresenta um estudo básico do MPLS (Multi Protocol Label Switching). Essa tecnologia tem por objetivo básico aumentar e melhorar a velocidade de encaminhamento de pacotes nas redes públicas, visando obter um custo menor de acesso do cliente à rede do provedor ou prestador de serviço e possibilitar a convergência da comunicação digital (voz, vídeo e dados) sobre essa mesma rede. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso MPLS (Multi Protocol Label Switching), elaborado pelo autor, para a graduação do curso de Ciência da Computação do Centro Universitário São Camilo. Foram orientadores do trabalho a Profa. Ms. Cacilda Jorge de Andrade (forma) e o Prof. Ms. Antônio Márcio M. do Carmo (conteúdo). Este tutorial parte I apresenta inicialmente os conceitos básicos das Redes, detalhando as configurações LAN e WAN, os protocolos Frame Relay e ATM, e os conceitos de roteamento e comutação. A seguir apresenta um breve histórico do surgimento do MPLS, e, na seqüência, apresenta a Arquitetura MPLS, detalhando suas principais características e seu funcionamento. Adriano Santos Rocha É formado em Ciência da Computação pelo Centro Universitário São Camilo (2007). Possui também o certificado ITIL Foundation V2, obtido em Atuou como técnico de redes no projeto Intragov, na Companhia de Processamento de Dados do Estado de São Paulo (Prodesp), participando do gerenciamento e implantação da rede de telecomunicações e informatização dos Fóruns do Estado de São Paulo (infra-estrutura e serviços de conectividade). Atualmente é Analista de Operações na Tecban, atuando na gestão e no auxilio a coordenação da equipe de monitoração de redes, com cerca de 20 profissionais sob sua orientação. Atua também no desenvolvimento de projetos de melhorias e otimizações de fluxos e processos internos da empresa. Anteriormente atuou como suporte especializado em redes na monitoração e detecção de falhas, troubleshooting e reparos dos links de dados dos caixas eletrônicos da rede do Banco24Horas. 1

2 Categoria: Banda Larga Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 24/01/2011 2

3 MPLS I: Introdução Esta seção apresenta os objetivos relevantes para a elaboração deste trabalho, observando pontos focais, os quais tornam a tecnologia MPLS extremamente importante para o ensino atual nos principais cursos e para os profissionais da área de infra-estrutura, redes e TI. Serão inseridas as visões e pretensões, as quais fazem do assunto MPLS um tema importante a ser pesquisado, apontado às metodologias utilizadas, forma de organização e fases de elaboração do texto, além de uma breve introdução sobre o tema e sobre o que será transmitido ao longo do trabalho. Objetivo O presente trabalho tem como pretensão descrever os conceitos básicos sobre a tecnologia MPLS e sua arquitetura, indicando passo-a-passo os pontos fortes que se sobressaem em relação às tecnologias convencionais de encaminhamento de pacotes IP. Comparações em relação às tecnologias ATM e Frame Relay, características relevantes apontam o MPLS como uma grande tendência de mercado e seu real potencial, agregando as áreas de atuação que possuem um grande futuro evolutivo com a implantação e utilização desta tecnologia. Metodologia Com o intuito de expor os objetivos propostos de forma clara e rica em conteúdo, alguns passos importantes foram seguidos e realizados a fim de fazer com que este trabalho tomasse um enfoque direto e objetivo, apontando tudo o que é essencial ao leitor: Coleta e uma pesquisa minuciosa de referências bibliográficas dos temas envolvidos no trabalho, incluindo: endereçamento IP, modelo OSI, arquitetura de redes WAN, conceitos de redes ATM, Frame Relay e MPLS, sistemas de alto desempenho, análise de desempenho de redes baseadas em MPLS, estudos experimentais, otimização e engenharia de tráfego, gerência de redes e serviços, questões éticas e um estudo de caso utilizando a tecnologia MPLS. A revisão bibliográfica se deu principalmente, através de artigos publicados na Internet pela comunidade de tecnologia, livros, trabalhos de conclusão de curso e também conversas e bate-papos junto a profissionais que já atuam na área e possuem uma vasta vivência com as tecnologias convencionais e o MPLS. Motivação Esta pesquisa trará um estudo rico em informações específicas sobre a realidade das tecnologias de redes atuais e mostrará o MPLS como uma nova promessa para o futuro. O conhecimento desta tecnologia representa um diferencial no mercado de trabalho que necessita e valoriza pessoas capacitadas, que apresentam uma visão de um futuro não muito distante, e estejam alerta às tendências e aos meios que, a qualquer momento possam se tornar a sensação do momento. Os profissionais que detêm um conhecimento profundo da tecnologia em questão, certamente, conquistam maior destaque no mercado de trabalho. Hoje, embora o MPLS esteja lado-a-lado com as tecnologias sem fio para ver quem será, de fato, o precursor de uma revolução tecnológica na era do hiper-desempenho e dos sistemas pesados com seus gráficos de alta definição, interagindo com tudo e todos. 3

4 Tutoriais Este tutorial parte I apresenta inicialmente os conceitos básicos das Redes, detalhando as configurações LAN e WAN, os protocolos Frame Relay e ATM, e os conceitos de roteamento e comutação. A seguir apresenta um breve histórico do surgimento do MPLS, e, na seqüência, apresenta a Arquitetura MPLS, detalhando suas principais características e seu funcionamento. O tutorial parte II apresentará as Aplicações do MPLS, destacando aspectos sobre análise de tráfego, balanceamento e gerência rede MPLS, qualidade de serviço e redes virtuais privadas, além da nova geração de rede MPLS (GMPLS). A seguir apresenta um Estudo de Caso real de utilização do MPLS, os resultados obtidos, indicando os pontos principais e suas vantagens e desvantagens, e finaliza o trabalho com as conclusões obtidas, que destacam de uma forma geral, todo o entendimento sobre a tecnologia MPLS, suas perspectivas futuras e, o porquê do uso (ou não) da tecnologia. MPLS MPLS é a sigla de Multiprotocol Label Switching, que em português é algo como troca de etiquetas multi-protocolos ou troca de etiquetas entre vários protocolos. Multi-protocolo porque pode ser aplicado em qualquer protocolo de rede da camada 3 do modelo OSI embora, quase todo o interesse por parte dos fornecedores de serviços esteja em que o MPLS seja utilizado em tráfego de protocolo IP (WELCHER, 10 jun 2007). Hoje, o protocolo IP é bastante popular entre a maioria dos usuários no mundo todo, porém, quando nos referimos à troca de pacotes IP dentro das redes dos fornecedores, é clara a grande vantagem apresentada por um switch sobre um roteador, não somente que, na maior parte dos backbones IP dos fornecedores, inclusive da Internet, utilizem uma rede ATM (que é baseado em switches) em seus núcleos (TUDE, 5 abr 2007). Figura 1: Núcleo de rede de um fornecedor Fonte: (TUDE, 5 abr 2007). A tarefa fundamenta de um roteador é encaminhar pacotes; trata-se de uma tarefa um tanto quanto complexa. Além de suportar diversos protocolos, um roteador obtém uma alta carga de processamento devido ao suporte que ele presta a diversos serviços e interfaces, além da execução de algoritmos de cálculo para o encaminhamento dos pacotes, analisando rotas com o menor tempo de transmissão e largura de banda disponível. Um roteador efetua também a análise do cabeçalho IP de cada pacote, a fim 4

5 de saber qual o destino e origem das informações, tempo percorrido, tratativa de erros entre outras coisas. Em contraste, os comutadores (switches) possuem uma relação custo/desempenho muito melhor, pois, suportam bem menos protocolos e interfaces do que os roteadores e, o processo de encaminhamento dos pacotes é bem mais simples, fazendo com que os switches sejam melhores do que os roteadores (BISOL, 5 abr 2007). As figuras 2 e 3 representam a complexidade que um fornecedor enfrenta ao integrar equipamento de roteamento (roteadores) com equipamentos de comutação (switches). Na figura 2, é ilustrada uma rede simples, interligando quatro POP s (ponto de presença) localizados em quatro cidades distintas: Raleigh, Atlanta, Orlando e Miami. A cada um dos POP s, roteadores estão conectados a ATM switches formando uma topologia do tipo completa onde, todos os equipamentos estão interligados uns aos outros, criando assim, o núcleo de um fornecedor (REAGAN, 2002). Figura 2: Topologia física de um fornecedor Fonte: (REAGAN, 2002). Já na figura 3, é ilustrada outra forma de representar a topologia do fornecedor, uma forma lógica onde, os POP s são conectados a uma nuvem, a qual representa o anonimato ou, o que não se sabe ao certo como funciona ou como as informações são trafegadas e por onde e em quais equipamentos elas passam. Assim é que se representa o problema enfrentado por um fornecedor ao integrar equipamento de rede ATM (comutadores, switches) com equipamento baseados em IP (roteadores). Nisso, os roteadores passam por um alto grau de complexidade para calcular o encaminhamento dos pacotes, analisar rotas com o menor tempo de transmissão e largura de banda disponível (REAGAN, 2002). Figura 3: Topologia lógica de um fornecedor Fonte: (REAGAN, 2002). A idéia do MPLS é a de que, quando um pacote de dados for encaminhado a um destino especifico ou um grupo de destinos, um caminho (ou rota) claro e único poderia ser montado. Este caminho claro poderia ser usado então, por pacotes que vão para aquele destino ou grupo de destinos, enquanto os roteadores e outros dispositivos de camada 3 do modelo OSI não necessitam perder tempo e processamento para 5

6 efetuar a verificação do cabeçalho IP destes pacotes de dados (WELCHER, 10 jun 2007). O método de roteamento IP de camada 3 do modelo OSI é baseado na troca de informações de localizações na rede. Quando um pacote atravessa a rede, cada roteador extrai todas as informações relevantes do cabeçalho IP da camada 3 do modelo OSI para efetuar o encaminhamento do pacote. Estas informações então são usadas como um índice para indicar em qual caminho este pacote deverá prosseguir, com isso, cada roteador irá criar uma tabela de encaminhamento dos pacotes. Este processo é repetido em cada roteador pelo qual o pacote passa e, em cada salto (passagem de um roteador ao outro) devem ser determinados os melhores caminhos a serem percorridos na rede (Cisco MPLS Controller Software Configuration Guide, 2000). Para dinamizar o processo de encaminhamento de pacotes na rede, o MPLS inclui um rótulo (etiqueta) em cada pacote. Este rótulo de tamanho fixo é inserido ao cabeçalho IP do pacote, contendo informações essenciais para o roteamento do pacote, e permitindo a construção de caminhos entre rotadores de entrada e saída de um domínio. Este processo, em comparação aos processos de encaminhamento de pacotes exercidos pelos roteadores convencionalmente, é simplificado e agilizado, pois não isenta a necessidade de cada roteador por onde o pacote passar, consultar sua tabela de roteamento para designar o próximo salto do pacote (Cisco MPLS Controller Software Configuration Guide, 2000), (MARQUES, 5 abr 2007). O encaminhamento de pacotes utilizando rótulos integra funções de comutação (dos switches) e roteamento, combinando as informações e métodos de encaminhamento de pacotes a longo alcance das funções de roteamento, mais os benefícios da engenharia de tráfego otimizado pela capacidade dos switches (Cisco MPLS Controller Software Configuration Guide, 2000). 6

7 MPLS I: Conceitos de Redes Nesta seção serão exibidos os conceitos primordiais para um bom entendimento de toda e qualquer tecnologia de rede. São descritos alguns pontos técnicos que possibilitam a uma pessoa que não possui muita familiaridade com redes de computadores, entender e assimilar como as coisas funcionam. Serão introduzidos os conceitos de redes e camada OSI, protocolos TCP/IP, redes locais e redes mundiais, significado e diferenças entre roteamento e comutação e, como funcionam as tecnologias Frame Relay e ATM. O objetivo deste capítulo é apenas passar uma visão simples e básica dos pontos essenciais em redes. Modelo OSI Quando as redes surgiram, em meados da década de 60, elas eram grandes ilhas de comunicação onde, só havia troca de dados dentro de uma mesma plataforma e tecnologia proprietárias, fazendo com que estas redes necessitassem de uma infra-estrutura toda voltada a um único fabricante (placas de rede, dispositivos, conectores, cabos, etc.). Com isso, os clientes não possuíam opção de escolha, pois, ao adquirir um equipamento de rede, conseqüentemente eram obrigados a adquirirem uma solução completa de um único fabricante (DIOGENES, 2004). O modelo de camadas OSI (Open Systems Interconnect) foi desenvolvido para acabar com o bloqueio de comunicação entre redes de diferentes propriedades, permitindo a interoperabilidade independentemente de qual seja o fabricante de um ou outro dispositivo que compõe uma mesma rede ou, de um sistema que esteja sendo utilizado (FILIPPETTI, 2002). De acordo com Diogenes (2004), a arquitetura do modelo OSI está dividida em sete camadas, sendo que cada uma possui suas funções extremamente bem definidas. A figura 4 mostra as sete camadas que formam o modelo OSI, numeradas de baixo para cima, onde, diversos níveis são estabelecidos, desde a transmissão de pulsos elétricos, cabeamento, até a aplicação, o software, a interação com o usuário. Figura 4: Camadas do modelo OSI Fonte: (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). As camadas do modelo OSI representam como os dados são tratados, desde os pulsos elétricos do cabo, até a aplicação que é exibida na tela do usuário. Com a criação deste modelo, diversas vantagens podem ser apontadas em relação ao que uma rede de computadores era antes (FILIPPETTI, 2002): 7

8 Particionamento de diversas operações de redes complexas em camadas, simplificando o gerenciamento; Possibilidade de efetuar uma alteração em qualquer uma das camadas, sem a necessidade de que as outras sejam alteradas; Estabelecimento de um padrão de interfaces, possibilitando a interoperabilidade (plug-and-play) entre diversos fabricantes; Simplifica o ensino e o aprendizado; Acelera a evolução; Cada camada tem a capacidade de se comunicar com a mesma camada no computador de destino, ou seja, não é possível para a camada dois ler dados que foram gerados na camada três. Isto origina uma comunicação virtual entre as camadas em computadores diferentes. Cada camada precisa apenas ser capazes de comunicar com as camadas imediatamente superiores e inferiores. (DIOGENES, 2004). Figura 5: Destino e origem Modelo OSI Fonte: (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). Para descobrir como a comunicação entre dois computadores é feita, é necessário saber a funcionalidade e característica de cada camada do modelo OSI: Camada de Aplicação: esta camada é responsável diretamente pela interface entre o usuário do computador e a rede. Acesso a softwares que transmitem e recebem dados da rede, como softwares de e navegadores (FILIPPETTI, 2002). Camada de Apresentação: camada responsável por apresentar os dados à camada de aplicação. Ela é encarregada de codificar e decodificar os dados, de maneira que se tornem legíveis na camada de aplicação, assim como criptografia e descompressão. Esta camada pode ser conhecida também como camada tradutora (DIOGENES, 2004). Camada de Sessão: responsável por controlar a comunicação entre dois computadores. A camada de sessão gerencia o estabelecimento e finalização de uma conexão entre dois computadores, assim como as formas em que uma conexão pode ser feita: simplex (um computador apenas transmite, o outro apenas recebe), half duplex (somente um computador por vez transmite dados) ou full duplex (ambos os computadores podem transmitir e receber dados ao mesmo tempo) (FILIPPETTI, 2002). Camada de Transporte: responsável por garantir a comunicação fim-a-fim. Esta camada é responsável por agrupar os dados em seguimentos e fragmentar estes seguimentos de forma que se 8

9 encaixem na tecnologia física de redes da qual está sendo utilizada. Algumas características fazem parte desta camada, como garantir que os seguimentos foram entregues ao destino, controlar se houve erro na transmissão, controlar o fluxo de seguimentos em transmissão, garantir a seqüência correta destes seguimentos e, caso haja em algum momento, erro na transmissão ou, algum seguimento não seja entregue, a camada de transporte se encarrega de re-transmitir o seguimento perdido e/ou corrompido (DIOGENES, 2004). Camada de Rede: trata-se de uma camada onde, são encaminhados os dados na rede, verificando a melhor rota a ser seguida. É nesta camada que o endereçamento IP é atribuído ao pacote de dados (FILIPPETTI, 2002). Camada de enlace: esta camada é responsável por traduzir os dados vindos da camada anterior (rede) em bits e prover a transferência dos dados no meio (DIOGENES, 2004). Camada Física: está é a camada do meio em si. Fazem parte desta camada o cabeamento, os conectores, voltagem, bits, entre outros dispositivos (DIOGENES, 2004). TCP/IP O protocolo TCP/IP surgiu por volta de 1960, desenvolvido pelo Departamento de Defesa Americano, com o intuito de preservar a integridade dos dados, sem que os mesmos fossem interceptados por inimigos (principalmente em épocas de guerra) (FILIPPETTI, 2002). Conforme Diogenes (2004), os principais objetivos da criação do protocolo TCP/IP foram: Obter um protocolo que fosse compatível com todos os tipos de redes; Que fosse interoperável entre todos os fabricantes; Possuísse uma comunicação robusta (confiável e com baixo índice de falhas), escalonável (passível de ser colocada em níveis ou etapas) e que suportasse o crescimento das redes de uma forma segura e confiável; E que fosse dinâmico e de fácil configuração; No inicio, a utilização do TCP/IP era restrita apenas para fins militares, porém, com o passar do tempo, o TCP/IP passou a ser utilizando em grande escala pelo domínio público, o que permitiu aos fabricantes de softwares viabilizarem o suporte ao TCP/IP em todos os principais sistemas operacionais, seja qual for à arquitetura computacional utilizada (PC, mainframes, celulares, etc.) (MORIMOTO, 5 abr 2007). Conforme Morimoto (5 abr 2007), qualquer sistema com um mínimo de poder de processamento, pode conectar-se à Internet, desde que alguém crie para ele um protocolo compatível com o TCP/IP e aplicativos WWW, correio eletrônico etc. Com a massificação da tecnologia, alguns termos tornaram-se bastante conhecidos: A Internet (nome próprio) é a denominação da rede mundial que interliga redes no mundo. É formada pela conexão complexa entre centenas de milhares de redes entre si. A Internet tem suas políticas controladas pelo IAB (Internet Architecture Board), um fórum patrocinado pela Internet Society, uma comunidade aberta formada por usuários, fabricantes, representantes governamentais e pesquisadores. Uma intranet é a aplicação da tecnologia criada na Internet e do conjunto de protocolos de transporte e de aplicação TCP/IP em uma rede privada, interna a uma empresa. Numa intranet, não 9

10 somente a infra-estrutura de comunicação é baseada em TCP/IP, mas também grande quantidade de informações e aplicações é disponibilizada por meio dos sistemas Web (protocolo HTTP) e correioeletrônico. Uma extranet é a extensão dos serviços da intranet de uma empresa para interligar e fornecer aplicações para outras empresas, como clientes, fornecedores, parceiros, etc. Desta forma a extranet é a utilização de tecnologias como Web e correio-eletrônico para simplificar a comunicação e a troca de informações entre empresas. World Wide Web (www) é a designação do conjunto de informações públicas disponibilizadas na Internet por meio do protocolo HTTP. É o somatório das informações que podem ser acessadas por um web browser na Internet. As informações internas de uma empresa que são acessíveis via um web browser são enquadradas no termo intranet. (APOSTILA DE INTERNET E ARQUITETURA TCP/IP, 29 out 2007) TCP/IP é um conjunto de protocolos formado pelo protocolo IP (Internet Protocol) e pelo protocolo TCP (Transmission Control Protocol). O protocolo IP é o protocolo mais popular e utilizado em redes do mundo todo (LOPEZ, 29 out 2007). O Transmission Control Protocol (TCP), ou protocolo de controle de transmissão, localiza-se na camada de transmissão do modelo OSI e, por ser um protocolo orientado a conexão, provê uma conexão segura para a troca de dados entre hosts diferentes. Com esse protocolo, todos os pacotes são seqüenciados e identificados e, um circuito virtual é estabelecido para comunicações (LEWIS,1999). O Internet Protocol (IP) é um protocolo de conectividade que provê um serviço de pacotes de dados (datagramas) entre hosts. È responsável pelo endereçamento dos pacotes, pacotes de roteamento, fragmentação e reunião, movendo dados entre as camadas de transporte e rede do modelo OSI. Este protocolo não garante a entrega dos pacotes em uma rede. Localizado na camada de Rede do modelo OSI, o protocolo IP confia em outros protocolos providos de camadas superiores do modelo OSI para prover serviços orientados à conexão se necessário. O cabeçalho de um pacote IP é composto por muitos campos de controle, entre os mais importantes estão os campos de endereço da fonte, endereço de destino e tempo de vida do pacote (LEWIS,1999). Os protocolos TCP/IP podem ser utilizados sobre qualquer estrutura de rede, seja ela simples como uma ligação ponto-a-ponto ou uma rede de pacotes complexa. Como exemplo, pode-se empregar estruturas de rede como Ethernet, Token-Ring, FDDI, PPP, ATM, X.25, Frame Relay, barramentos SCSI, enlaces de satélite, ligações telefônicas discadas e várias outras como meio de comunicação do protocolo TCP/IP (LOPEZ, 29 out 2007). De acordo com Lopez (29 out 2007), a arquitetura TCP/IP assim como a OSI, possui suas funções divididas em camadas, segmentando assim passo-a-passo cada etapa da comunicação. A figura 6 mostra as camadas TCP/IP. 10

11 Figura 6: Camadas do protocolo TCP/IP Fonte: (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). A camada de Acesso a Rede, corresponde às camadas de Enlace e Física do modelo OSI, onde, provêem meios para que os dados sejam transmitidos a outros computadores na mesma rede física e, é responsável pelo envio de datagramas construídos pela camada de Rede (MAGALHÃES, 9 jun 2007). A camada de Rede (conhecida também como camada de Internet), de acordo com Lopez (29 out 2007), realiza a comunicação entre máquinas vizinhas através do protocolo IP. Ela provê um serviço básico de datagrama sobre o qual as redes TCP/IP são implementadas. Para identificar cada máquina e a própria rede onde estas estão situadas, é definido um endereço IP, que é independente de outras formas de endereçamento que possam existir nos níveis inferiores. No caso de existir endereçamento nos níveis inferiores é realizado um mapeamento para possibilitar a conversão de um endereço IP em um endereço deste nível. Todos os protocolos das camadas superiores a esta fazem uso do protocolo IP. A camada de Transporte reúne os protocolos que realizam as funções de transporte de dados fim-a-fim, ou seja, considerando apenas a origem e o destino da comunicação, sem se preocupar com os elementos intermediários. A camada de transporte possui dois protocolos que são o UDP (User Datagram Protocol) e TCP (Transmission Control Protocol) (LOPEZ, 29 out 2007). O protocolo UDP realiza apenas a multiplexação para que várias aplicações possam acessar o sistema de comunicação de forma coerente (LOPEZ, 29 out 2007). Além de não ser orientado a conexão, o protocolo UDP também não é confiável, pois, não oferece nenhuma verificação para a entrega de dados. Por não efetuar esta verificação, este protocolo torna-se extremamente rápido e, gera menos tráfego na rede (COMER, 1999). Para que a comunicação entre a origem e destino possua maior confiabilidade, o protocolo TCP realiza diversas funções como: o controle de fluxo, o controle de erro, a sequenciação e a multiplexação de mensagens (LOPEZ, 29 out 2007). A camada de aplicação é responsável pela interação junto ao usuário, reunindo e fornecendo serviços de comunicação, os quais são separados entre protocolo de serviços básicos e protocolos de serviços para o usuário (LOPEZ, 29 out 2007). Aplicações TCP/IP tratam os níveis superiores de forma monolítica, Desta forma OSI é mais eficiente, 11

12 pois permite reaproveitar funções comuns a diversos tipos de aplicações. Em TCP/IP, cada aplicação tem que implementar suas necessidades de forma completa (COMER, 1999). Redes LAN / WAN Local Área Network (Rede Local ou Área de Rede Local) é o significado da sigla LAN, uma rede de dados de alta velocidade e com baixo nível de erros, que abrange uma área pequena (não mais que um quarteirão de uma empresa, por exemplo). As redes locais (LAN s) conectam diversos dispositivos computacionais entre PC s, impressoras, terminais, servidores e outros periféricos em um único prédio ou em outras áreas geograficamente limitadas, possibilitando que as empresas compartilhem, por exemplo, arquivos e impressores, de modo eficiente (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). As principais características de uma rede LAN são (SOUSA, 1999): Opera dentro de uma área geográfica limitada; Permite o multi-acesso ao meio físico com muita largura de banda; Controla de forma privada, redes sob administração local; Fornece conectividade em tempo integral com os serviços locais; Conecta fisicamente dispositivos adjacentes; Com a disseminação da computação e da interligação de seus componentes nas empresas, logo se percebeu que até mesmo as LAN's não eram o suficiente. Cada departamento ou empresa era uma espécie de ilha computadorizada, sem qualquer interligação do pequeno ambiente com o mundo exterior. A solução foi a criação de redes de longa distância que, interligassem as pequenas redes locais, fazendo com que elas se comunicassem umas com as outras (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). A sigla WAN, acrônimo de Wide Área Network ou Área de Rede Ampla surgiu devido à necessidade de interligar, compartilhar recursos e informações entre duas ou mais redes espalhadas por grandes distâncias umas das outras. Essas redes interligadas podem estar em diferentes cidades ou países, distantes fisicamente, comunicando-se por meio de tecnologias de comunicação de dados alugados (onde geralmente, são de propriedades de grandes empresas de telefonia e telecomunicações) operando por satélites ou fibras ópticas (SOUSA, 1999). As principais características de uma rede WAN são (SOUSA, 1999): Opera em grandes áreas geográficas; Permite acesso a interfaces seriais operando a baixas velocidades; Fornece conectividade em tempo integral e tempo parcial; Conecta dispositivos separados por áreas amplas, até mesmo globais; Comutação Comutação é a forma como os dados são trocados entre dois computadores em uma rede. Também conhecida como chaveamento, a comutação em uma rede refere-se à utilização de recursos de rede (meio físico, repetidores, sistemas middleware programa responsável por intermediar a comunicação entre outros programas) para a transferência de dados pelos diversos equipamentos conectados (SOUSA, 1999). 12

13 Em uma rede LAN, o tipo de topologia na qual o meio físico foi elaborado, estabelece a utilização dos recursos compartilhados. Já em uma rede WAN, o fato de utilizar uma quantidade e tipos variados de topologias, muitas vezes desconhecidas, faz com que em grande parte dos casos, pares de computadores (por exemplo) utilizem os mesmos enlaces, fazendo com que o compartilhamento destes enlaces seja determinado durante o funcionamento da rede (SOARES, 1995). Existem duas principais formas de comutação: a comutação de circuitos e a comutação de pacotes. Na comutação de circuitos, há uma pré-existência de um caminho de comunicação dedicado entre os dois computadores. Já na comutação de pacotes, cada pacote de dados possui um endereçamento de destino onde, não se sabe ao certo se, quando o remetente enviar os dados, haverá um caminho de comunicação disponível (SOUSA, 1999). As principais características da comutação de circuitos são (SOUSA, 1999): Uma conexão ponto-a-ponto é estabelecida entre o remetente e o destinatário, antes do início da transmissão dos dados (caso não existam circuitos disponíveis ao longo da rede, a conexão não é estabelecida); Total disponibilidade da conexão para a transmissão dos dados; Suporte a aplicações sensíveis a atrasos (por exemplo, transmissões de voz); As principais características da comutação de pacotes são (SOUSA, 1999): Circuitos virtuais são estabelecidos ao longo da rede, durante a conexão; E uma só conexão física, diversas conexões lógicas podem ser estabelecidas; O meio de transmissão é compartilhado; Atua na camada 3 do modelo OSI; Roteamento Roteamento é a forma de escolha de um caminho na rede por onde os dados irão percorrer, entre o remetente e o destinatário. A escolha da rota (caminho) pode ser feita antes mesmo dos dados serem transmitidos (roteamento estático) ou, pode ser realizada passo-a-passo, levando em consideração diversos aspectos para que seja tomado o melhor caminho na rede (roteamento dinâmico) (SOARES, 1995). Figura 7: Roteamento na Rede Fonte: (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). 13

14 O roteamento estático é a maneira como os dados são transmitidos em rotas pré-definidas (geralmente, por um administrador da rede). O administrador da rede deve manter (incluindo qualquer tipo de alteração, adição ou exclusão) as rotas de cada dispositivo de roteamento (roteador) de rede. Os caminhos estáticos não variam com as alterações nos ambientes de rede. Depois que as rotas estáticas são programadas, os caminhos determinados por onde os pacotes percorrerão na rede, não são alterados, independentemente das alterações nas condições de rede (defeito em equipamento, alteração de topologia, inclusão de novos dispositivos, etc.). As rotas estáticas são mais usadas por motivos de segurança (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). O roteamento dinâmico é o modo como o roteador determina automaticamente, baseado nas condições da rede, qual será a melhor rota para que os dados percorram até o destino. Ao fazer isso, um roteador utiliza um protocolo de roteamento para se comunicar com outros roteadores e determinar o caminho mais rápido para transportar dados através de rede WAN. Os principais e mais utilizados protocolos de roteamento são: RIP (Routing Information Protocol), IGRP (Internet Gateway Routing Protocol), EIGRP (Enhanced Internet Gateway Routing Protocol) e o protocolo OSPF (Open Shortest Path First) (LEWIS, 1999). Utilizando os protocolos de roteamento, os roteadores se comunicam entre si para utilizar os melhores caminhos para enviar dados, especialmente quando as condições de rede estiverem mudando constantemente. Sem o roteamento ou os protocolos, seria impossível manter grandes redes, como a Internet (Cisco NETWORKING ACADEMY PROGRAM, 10 jun 2007). Frame Relay Frame Relay é um método de encapsulamento de dados de alta velocidade (podendo atingir até 2 Mbps) localizado em redes WAN s (geralmente, provedores de serviços de telecomunicações), utilizado para trocar dados entre dois pontos. Criado por volta dos anos 90, derivado da tecnologia X.25, o Frame Relay é uma tecnologia definida nas camadas 1 (física) e 2 (enlace) do modelo OSI, da qual possui a característica de menor ocorrência de falhas e um maior custo - beneficio. O Frame Relay disponibiliza recursos que possibilitam a alocação dinâmica de banda, assim como mecanismos eficientes para controle de congestionamento de dados (FILIPPETTI, 2002). Atualmente, o Frame Relay suporta o tráfego de diversos tipos de protocolos de conectividade, como: IP, DECnet, AppleTalk, XNS, IPX, CLNS, ISO entre outros. O Frame Relay provê uma interface de comunicação entre dispositivos DTE e DCE (FILIPPETTI, 2002). O DCE (Data Communicating Equipments) trata-se de um dispositivo de comunicação responsável pela codificação/decodificação dos bits (dados) em pulsos elétricos (Ex.: modem) (DIOGENES, 2004). Já o DTE (Data Terminal Equipments), conceitualmente, trata-se do equipamento que provê a origem dos dados a serem transmitidos em uma extremidade. O DTE pode englobar terminais, PC s e roteadores (DIOGENES, 2004). 14

15 Figura 8: Rede Frame Relay Neste tipo de rede não existe apenas uma única conexão física entre os dois pontos, ao invés disso, existem diversos dispositivos de comunicação, interligados uns aos outros, em uma gigantesca rede, com isso, um caminho lógico é definido dentro da rede. Este caminho lógico é chamado de circuito virtual (ou VC, Virtual Circuit). Estes circuitos virtuais são conexões lógicas criadas entre duas pontas (entre dois dispositivos DTE s) que agem como uma linha privada, através de uma rede comutada. Estas conexões são identificadas por um numero DLCI (Data Link Connection Identifier). Uma conexão entre dois pontos em na rede Frame Relay possui três aspectos que definem o valor final do serviço prestado por uma operadora de serviços (DIOGENES, 2004): Link de acesso: trata-se do link contratado junto à prestadora de serviços que está entre o DTE (roteador) e o DCE da rede WAN (Switch Frame Relay); Taxa de Acesso: é a velocidade real da qual o cliente necessita para transferir os dados através do link. Esta velocidade é definida de forma lógica; SWFR (Switch Frame Relay): trata-se do comutador de pacotes que fica nas dependências da prestadora de serviço contratada pelo cliente; Figura 9: Composição de uma rede Frame Relay Fonte: (DIOGENES, 2004). O DLCI é um número de identificação que, é designado pela operadora/prestadora de serviço e, utilizado pelo Frame Relay para distinguir entre diferentes circuitos virtuais em uma rede. Para que os dispositivos que utilizam protocolo IP (por exemplo) em cada ponta do circuito virtual possam se comunicar, os endereçamentos IP devem ser mapeados para números DLCI. O mapeamento deste número é feito na nuvem e, pode ser realizado dinamicamente através do protocolo IARP (Inverse Address Resolution Protocol), ou manualmente, por intermédio do administrador da rede (FILIPPETTI, 2002). 15

16 Figura 10: Uso do DLCI em uma rede Frame Relay Fonte: (DIOGENES, 2004). Existem dois tipos de circuitos virtuais, o PVC (Permanent Virtual Cirtuit) e o SVC (Switched Virtual Circuit). O PVC é o chamado circuito virtual permanente, onde se estabelece um caminho fixo entre dois pontos, com isso, não pode ser ativado por demanda, ou seja, sempre haverá disponibilidade de acesso, pois a conexão já está estabelecida. Já o SVC é baseado em chamada, ou seja, é feito um estabelecimento de chamada usando um protocolo de sinalização que, analogamente, pode-se comparar a uma chamada normal de telefone (DIOGENES, 2004). Juntamente com o desenvolvimento da tecnologia Frame Relay, a Cisco desenvolveu um padrão de sinalização responsável pelo gerenciamento e manutenção do status entre um dispositivo DTE (roteador) e o CPE da rede WAN (SWFR), o LMI (Local Management Interface). O LMI funciona da seguinte forma: (FILIPPETTI, 2002). 1º - O LMI verifica o status do circuito entre o DTE e o SWFR; 2º - É verificado e designado um número DLCI para o circuito virtual a ser estabelecido; 3º - O DTE de uma ponta informa o seu endereçamento IP ao DTE da outra ponta; 4º - O Mapeamento do DLCI para o IP informado é feito e o link é considerado ativo; 5º - A conexão é estabelecida e o LMI gerencia o fluxo de dados transmitidos. Ao contratar um serviço de transmissão de dados via Frame Relay, existe um parâmetro de configuração de suma importância, principalmente para o cliente que está contratando o serviço. O CIR (Committed Information Rate) é um parâmetro garantido contratualmente, onde a prestadora de serviço garante a entrega e transmissão dos dados. Dessa forma, o cliente contrata uma quantidade menor de largura de banda de acordo com a real necessidade para a transmissão de seus dados. O cliente pode contratar um circuito cujo CIR é de 512 Kbps (por exemplo), mas a transmissão pode chegar a 1 Mbps em determinados momentos, porém, este valor de 1 Mbps não é garantido (DIOGENES, 2004). 16

17 Figura 11: Diagrama do CIR ATM A tecnologia ATM (acrônimo de Asynchronous Transfer Mode) foi desenvolvida no fim da década de 80 e início da década de 90, inicialmente, pela ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication) para se estabelecer um protocolo para transferência de alta velocidade (obtendo taxa de transferência superior a 155 Mbps, podendo chegar até a ordem de gigabits por segundo) de voz, vídeo, e dados, por meio de redes públicas e privadas, permitindo a interoperabilidade entre equipamentos de diversos fornecedores. A tecnologia ATM preserva a qualidade de serviço (QoS) de múltiplos tipos de tráfego transportados em apenas um circuito ou em uma rede completa (LEWIS, 1999). A ATM utiliza tecnologia de segmentação de dados (tecnologia VLSI Very Large Scale Integration) em grande escala, utilizando o processo de comutação de pacotes de modo assíncrono, segmentando as informações em pacotes de tamanho fixo denominado células (B. FILHO, 5 abr 2007). Cada célula contém duas partes: um cabeçalho (cell header) que caracteriza a origem, o destino e demais parâmetros relevantes para se estabelecer uma conexão virtual entre a origem e o destino, e uma segunda parte contendo os dados propriamente ditos (payload). Inicialmente, a células seriam criadas em um tamanho de bytes reduzido que, dentre outras vantagens, evitaria o típico eco encontrado em transmissões de telefonia. Foram sugeridos dois tamanhos: os europeus propuseram 4+32 bytes enquanto os americanos 5+64 bytes de header e payload respectivamente, porém, sem quaisquer argumentos tecnicamente razoáveis, foi escolhido um tamanho intermediário entre os dois propostos, 5+48 bytes, o que nos leva a células com tamanho total de 53 bytes (LEWIS, 1999). Uma célula ATM pode variar entre dois tipos: o cabeçalho UNI (User-Network Interface), utilizado para fazer a comunicação entre um equipamento da borda da rede e um equipamento do cliente (workstation, roteador ou switch), e o cabeçalho NNI (Network Node Interface), utilizado para efetuar a comunicação entre os equipamentos do núcleo da rede (ATM, 29 out 2007). Figura 12: Célula ATM Fonte: (ATM, 29 out 2007). A principal vantagem em utilizar células de tamanho fixo está na facilidade em tratar os dados por hardware baseado em comutação, quando comparado a quadros de tamanhos variáveis, que são mais complexos e requerem maior tempo de processamento. Outra vantagem de se ter um tamanho fixo é o tempo de empacotamento da célula, onde, em pacotes de tamanhos variados, o tempo de empacotamento aumenta conforme o tamanho do pacote, o que causa maior atraso na transferência, afetando principalmente sinais de áudio e vídeo que, se ultrapassarem um determinado tempo de atraso, deterioram 17

18 aplicações com interatividade em tempo real (ex. vídeo conferência). Apesar da tecnologia ATM não garantir a entrega dos dados, a ordem de entrega das células é respeitada (B. FILHO, 5 abr 2007). Uma rede ATM é fundamentalmente orientada a conexão. Isso significa que necessariamente uma conexão virtual deverá ser estabelecida entre o destino e a origem antes de qualquer transferência de dados (REDES ATM, 29 out 2007). A tecnologia ATM possui o seu próprio modelo de referência para protocolos (PRM Protocol Reference Model), que é diferente do modelo OSI e do TCP/IP. O PRM consiste em três camadas: camada física, camada ATM e camada de adaptação ATM (MACEDO, 14 out 2007). Figura 13: PRM x Modelo OSI Fonte: (MACEDO, 14 out 2007). A camada física consiste no transporte físico, voltagens, sincronização de bits e uma série de outras questões, usados para a transferência de células da origem ao destino. O modelo PRM não prescreve um padrão determinado de regras, como isso, esta camada é flexível no sentido de que pode trabalhar com várias categorias de transporte físico. Em suma, a tecnologia ATM foi desenvolvida para ser independente do meio de transporte (TANENBAUM, 1997). A camada física é dividida em duas subcamadas: a PMS (Physical Médium Sub-layer ou Subcamada de Meio Físico) e a TCS (Transmission Convergence Sub-layer ou Subcamada de Convergência de Transmissão). A subcamada PMS é responsável por estabelecer a interface com o meio físico, enviando e recebendo contínuos bits de controle para sincronizar a transmissão e recepção das células. Já a subcamada TCS é responsável pela conversão do fluxo de células gerado pela camada superior, em um fluxo de bits seqüências para a camada PMS. Esta camada também controla todas as questões relacionadas à identificação do início de cada célula no fluxo de bits, confere o cabeçalho a fim de controlar os códigos de erro, assegurando que os dados sejam válidos (LEWIS, 1999). A camada ATM gerencia as células, viabilizando a comutação e roteamento das células de acordo com os campos de identificação (VCI e VPI) do cabeçalho. Esta camada trata do estabelecimento e da liberação de circuitos virtuais, além de, controlar o congestionamento do tráfego e serviço. Esta camada é uma mistura das camadas de rede e de enlace de dados do modelo OSI (TANENBAUM, 1997). A camada de Adaptação ATM (ou AAL, ATM Adaptation Layer) é responsável por viabilizar a utilização de aplicação que, em sua maioria, não trabalham diretamente com células, permitindo que os usuários enviem pacotes de tamanhos maiores de que uma célula. Esta camada segmenta esses pacotes, transmite as células individualmente e as remonta na outra extremidade. A AAL proporciona a interface entre os 18

19 protocolos de camadas superiores, ajustando os serviços da camada ATM para aqueles serviços requisitados pelas camadas superiores, tais como videoconferência, áudio, Frame Relay, etc. (MACEDO, 14 out 2007). Assim como na camada física, a camada AAL também possui duas subcamadas: a subcamada de Segmentação e Recomposição (SAR Segmentation And Reassembly) e a subcamada de Convergência (CS Convergence Sub-layer). A SAR é responsável por dividir os pacotes provenientes das camadas superiores em células e, reuni-los no destino. A subcamada CS faz a interface entre os diferentes tipos de serviços ATM com as diferentes aplicações (por exemplo, uma videoconferência e uma transferência de arquivos lidam de maneira diferente com o controle de erros, sincronização, etc.) (TANENBAUM, 1997). Em uma rede ATM, existem dois tipos de interfaces de sinalização entre dispositivos: UNI (User-Network Interface), que é a conexão entre equipamentos de acesso (switches ATM) a equipamentos de borda de uma rede (hosts ou roteadores), e NNI (Network Node Interface), que é a conexão entre equipamentos da rede ATM (interligação entre dois switches ATM) (MACEDO, 14 out 2007). Figura 14: Estrutura geral da rede ATM Fonte: (ABREU, 9 jun 2007). Durante a conexão de dois equipamentos que vão se comunicar por meio de uma rede ATM, é estabelecida uma conexão com canal virtual (VCC - Virtual Channel Connection) entre ambos. Uma VCC é formada pela concatenação de conexões virtuais estabelecidas nos vários enlaces da rede, da origem até o destino, formando um único caminho através do qual as células percorrerão. Cada conexão virtual de cada enlace é chamada de VCL (Virtual Channel Link) (SOARES, 1995). Em alguns momentos, um equipamento dentro da rede ATM pode ter seu processamento reduzido devido ao alto volume de entradas e saídas de vários VCC s ao mesmo tempo. Assim, para reduzir o processamento nestes equipamentos de comutação, é comum que, várias VCC s sejam roteadas pelos mesmos caminhos em determinadas partes da rede (principalmente nas partes onde o numero de linhas é pequeno e com alta concentração de tráfego). Desta forma, os VCC s podem ser roteados em conjunto, denominando assim uma conexão de caminho virtual (VPC Virtual Path Connection). Uma VPC é formada através de várias concatenações de enlaces de caminho virtuais (VPL Virtual Path Link), correspondendo aos diferentes enlaces que, juntos, formam o caminho entre dois pontos (SOARES, 1995). As conexões virtuais estabelecidas entre dois pontos que vão se comunicar são reconhecidas pelos identificadores VPI (Virtual Path Identifier) que identifica um VCL contido em uma VPL em cada 19

20 comutador, e o VCI (Virtual Channels Identifier) que identifica qual a conexão dentro da VPL. O VPI e VCI identificam de forma única um canal virtual em uma conexão física (SOARES, 1995). 20

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