REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA

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2 CENTRO FEDERAL DE ENSINO TECNOLÓGICO DE SANTA CATARINA UNIDADE DE SÃO JOSÉ NUCLEO DE TELECOMUNICAÇÕES REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA MÓDULO 2 CAPÍTULO 8 Dispositivos de Redes e Segmentação Prof. Jorge H. B. Casagrande SETEMBRO 2008

3 CAPÍTULO 8 Dispositivos de Rede e Segmentação SUMÁRIO 8 REDES LOCAIS - DISPOSITIVOS DE REDE E SEGMENTAÇÃO Introdução Componentes da camada Conectores Cabeamento Patch panels Transceivers ou conversores de mídia Repetidores Dispositivos de camada 2 (ou mais...) Hubs ( ou Repetidores multiportas)...7 Cascateamento de Hubs e Hubs Gerenciáveis Placas de Rede NIC (Network Interface Card) (não há simbologia...) Bridges ou Pontes Parâmetros de uma Ponte Operação Básica da Ponte...10 O Algoritmo Spanning Tree Pontes Remotas Switches Routers Características de um Roteador Segmentação de redes Colisões e domínios de colisão em ambientes de camadas compartilhadas Ambientes de meios compartilhados Colisões e domínios de colisão Acesso compartilhado como um domínio de colisão Repetidores e domínios de colisão Hubs e domínios de colisão Hubs e repetidores como causas dos domínios de colisão A regra dos quatro repetidores Segmentando os domínios de colisão Especificações dos dispositivos de rede: HUB e SWITCH...24 HUB INSTALAÇÃO SWITCH INSTALAÇÃO

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5 8 REDES LOCAIS - DISPOSITIVOS DE REDE E SEGMENTAÇÃO 8.1 Introdução Da mesma forma que uma casa precisa ter uma base antes de ser construída, a rede também precisa ter uma base na qual possa ser construída. No modelo de referência OSI, essa base é chamada de camada 1 ou de camada física. Os termos são usados neste capítulo para descrever como a rede local funciona e está vinculada à camada 1 do modelo de referência OSI. A camada física define as especificações elétricas, mecânicas, funcionais e de procedimentos para ativar, manter e desativar o link físico entre sistemas finais. Neste capítulo, você vai aprender sobre as funções de rede que ocorrem na camada física do modelo OSI. Voce vai conhecer como os dispositivos de rede, as especificações de cabo, topologias de rede, colisões e os domínios de colisão podem ajudar a determinar coisas como a quantidade de dados que pode trafegar pela rede e com que velocidade. As três tecnologias de LAN mais conhecidas: Ethernet, Token Ring e FDDI têm uma grande quantidade de dispositivos e componentes da camada 1. O foco deste capítulo será as tecnologias Ethernet 10BaseT, uma vez que abrange a maioria das instalações nas redes locais no mundo inteiro. Quando foi desenvolvida, a Ethernet foi projetada para ocupar um espaço entre as redes de longa distância e baixa velocidade e as redes especializadas de salas de CPD que transportavam dados em alta velocidade por distâncias muito limitadas. A Ethernet é bem adequada a aplicações em que um meio de comunicação local tem de transportar tráfego esporádico, ocasionalmente intenso, a taxas de velocidade de pico. As tecnologias Ethernet 10BaseT transportam quadros Ethernet em cabeamento de par trançado econômico. Três componentes e sete dispositivos estão relacionados a essas tecnologias. Os Três primeiros componentes são passivos, significando que não necessitam de energia elétrica para operar. Pertencem exclusivamente a camada 1 do modelo OSI. São eles: Conectores e Plugues Cabeamento Patch panels Os 7 últimos são ativos. Eles necessitam de energia elétrica para funcionar. Realizam funções desde a camada 1 até a 4 do modelo OSI. São eles: 3

6 Dispositivo Camada 1 Camada 2 Camada 3 Camada 4 Transceivers X X# Repetidores X Hubs X X* X* X* Placa de Rede - NIC X X Bridges X X Switches X X X* X* Routers X X X X* * opcional nos modelos comerciais limitado a algumas tarefas das camadas superiores # em alguns tipos em que há necessidade de manipulação dos pacotes do protocolo ex.: transceiver de 10/100/1Gbps eth para fibra 1Gbps. No final deste capítulo iremos conhecer algumas características das especificações comerciais de dispositivos como os Hubs e Switches e entender como é possível que estes equipamentos, que são originalmente de camada 1 e 2 respectivamente, realizarem funções até a camada Componentes da camada Conectores A terminação 10BaseT padrão (nó de extremidade, plug, conector) é o conector 45 registrado (RJ-45). Ele reduz os problemas de ruído, reflexo e estabilidade mecânica, e assemelha-se a um plug de telefone, com a diferença de que tem oito condutores em vez de quatro. Ele é considerado como um componente de rede passivo porque serve apenas como um caminho condutor entre os quatro pares de cabos trançados Categoria 5 e os pinos do conector RJ-45. Ele é considerado um componente da camada 1 em vez de um dispositivo, porque serve apenas como um caminho condutor para bits. 4

7 8.2.2 Cabeamento O cabo 10BaseT padrão atualmente é um cabo de par trançado CAT5 composto por quatro pares trançados que reduzem os problemas de ruído. O CAT5 é fino, barato e fácil de instalar. A função do cabo CAT5 é transportar bits, portanto, é um componente da camada Patch panels Os patch panels são agrupamentos convenientes de conectores RJ-45. Eles vêm com 12, 24 e 48 portas e são normalmente montados em rack padrão com largura 19. Os lados da frente são conectores RJ-45. Os lados de trás são blocos punchdown que fornecem conectividade ou caminhos condutores Transceivers ou conversores de mídia Como vimos no capítulo anterior um MAU ( Media Attachment Unit ), é um transceiver ou seja, uma combinação de transmissor e receptor adaptando 2 meios de transmissão diferentes. Nas aplicações de rede, isso significa que eles convertem uma forma de sinal em outra. Por exemplo, muitos dispositivos de rede vêm com uma interface de unidade auxiliar e um transceiver que permite que 10Base2, 10Base5, 10Base-T ou 10\100BaseFX sejam conectados à porta. Uma aplicação comum é converter as portas AUI em portas RJ-45. Eles também são dispositivos da camada 1. Eles transmitem de uma configuração de pinos e/ou de um meio para outro. Os transceivers são freqüentemente construídos em placas de rede, que são normalmente consideradas dispositivos da camada 2. Os transceivers em placas de rede são chamados de componentes de sinalização, o que significa que eles codificam sinais para o meio físico. 5

8 SIMBOLOGIA: Repetidores Os repetidores geram os sinais novamente e os retemporizam, o que permite estender mais os cabos para que eles alcancem distâncias maiores. Eles lidam com pacotes apenas no nível dos bits, portanto, são dispositivos da camada 1. Os repetidores são menos comuns do que costumavam ser, porque agora os hubs oferecem os benefícios da concentração, conectividade e dos recursos típicos dos repetidores. SIMBOLOGIA: Os repetidores são dispositivos de internetworking existentes na camada física (camada 1) do modelo OSI. Eles podem aumentar o número de nós que podem ser conectados a uma rede, e assim, a distância que a rede pode alcançar. Os repetidores remodelam, geram novamente e retemporizam os sinais antes de enviá-los pela rede. A desvantagem em usar repetidores é que eles não podem filtrar o tráfego da rede. Os dados (bits) que chegam à porta de um repetidor são enviados por todas as outras portas. Os dados são passados adiante para todos os outros segmentos da LAN de uma rede, não importa se eles precisam ou não ir para lá. 6

9 8.3 Dispositivos de camada 2 (ou mais...) Hubs ( ou Repetidores multiportas) O Hub em uma rede 10BaseT funciona como um repetidor multiporta: na forma mais básica desse dispositivo de rede ele recebe, retemporiza e regenera sinais recebidos de quaisquer uma das estações à ele conectadas. O hub também funciona como um filtro: descarta quadros distorcidos. Em adição, um hub 10BaseT que segue as especificações da IEEE 802.3, testa cada uma das conexões, detecta e trata excessivas colisões, além de ignorar quadros de tamanho maior que o do IEEE O teste de integridade de um link é realizado através de um envio de um sinal especial para a estação conectada. Caso esta não responda, o hub desabilita a porta (podendo ligar/desabilitar um LED indicador de status). A monitoração das colisões e dos links causadores destas, permite ao hub desligar os links em que, por exemplo, estações (NICs) faltosas possam estar enviando dados continuamente. O desligamento deve ocorrer a partir de 30 colisões consecutivas (patamar mínimo fixado pela IEEE 802.3). 7

10 O termo concentrador é as vezes utilizado no lugar de hub, embora não seja muito usual. Os hubs 10BaseT normalmente incorporam 8, ou 24 portas RJ-45 (para a conexão das estações), um conector BNC ou/e porta AUI para interconexão da rede com segmentos 10Base2 e 10Base5. Além disso um hub pode ser conectado a um outro através de um conector RJ45. Quando um hub é conectado a um outro, um cabo especial deve ser utilizado, isto porque os sinais devem ser cruzados (cross-over cable) de forma que o sinal de transmissão de dados seja conduzido para a recepção de dados do outro modem. Observe-se que em condições de conexão de uma estação a um Hub o cabo é direto ou pino à pino (straight-through cable). Alguns hubs, no entanto, possuem uma chave MDIX que permite, para uma determinada porta, realizar o cruzamento dos sinais internamente. Neste caso o cabo a ser utilizado é o direto. Cascateamento de Hubs e Hubs Gerenciáveis A medida que uma rede 10BaseT é expandida, pode ser necessário ampliar o número de portas de hub. O processo de conectar um hub em outro através de suas portas para atingir este objetivo é chamado de cascateamento. Nas versões de hardware mais completa um hub gerenciável ou inteligente possui um sistema baseado em microprocessador que possibilita a realização de funções adicionais àquelas de um simples repetidor, quais sejam: Permite comandos remotos para ligar ou desligar portas; Possibilita a obtenção de estatística do uso de portas; Possibilita o monitoramento do tráfego no sistema permitindo diagnóstico de problemas; Possibilita seccionar a rede para a realização de testes específicos em determinados DTEs ou segmentação; Podem incorporar outras funções para acima da camada física do OSI. Existem protocolos específicos para gerenciamentos da rede de comunicação (ex: SNMP). Os hubs podem fazer uso destas padronizações para prestar os serviços enumerados acima. Os Hubs combinam a conectividade com as propriedades de amplificação e de retemporização dos repetidores. É normal ver 4, 8, 12 e até 24 portas em repetidores multiportas. Isso permite que muitos dispositivos sejam interconectados de forma mais fácil e econômica. Os repetidores multiportas são freqüentemente chamados de hubs, em vez de repetidores, quando nos referimos aos dispositivos que servem como o centro de uma rede de topologia em estrela. Os hubs são dispositivos de internetworking muito comuns. Como o hub não gerenciável típico requer apenas energia e conectores RJ-45 conectados, eles são ótimos para se configurar rapidamente uma rede. Da mesma forma que os repetidores nos quais são baseados, 8

11 eles só lidam com bits e são dispositivos da camada 1. Os Hubs gerenciáveis através de software específico ou padrão já podem alcançar funções até camada 4, mas mantém sua concepção original como dispositivo. SIMBOLOGIAS: Placas de Rede NIC (Network Interface Card) (não há simbologia...) A placa de interface de rede (Network Interface Card - NIC) é responsável pela conexão do hardware da estação ao meio físico de transmissão e, consequentemente, pela transmissão e recepção dos sinais que trafegam no meio físico. Usualmente, nas placas de rede são armazenados e executados algoritmos que disciplinam o acesso ao meio de transmissão. Assim, na placa de rede estão as funções dos níveis físico e de controle de acesso ao meio (subcamada MAC na arquitetura IEEE 802). As NICs atuais possuem grande variedade de operação em tecnologias 10/100BaseT em modo half ou full duplex, com a facilidade de autonegociação com o dispositivo a ela conectado Bridges ou Pontes As LANs possuem distâncias máximas que podem ser utilizadas na sua construção, incluindo nesta distância o uso de repetidores físicos do sinal. Entretanto, é possível ampliar o tamanho destas redes, formando LANs estendidas (ELAN, XLAN ou BLAN) através do uso de pontes ( bridges ). As pontes permitem também a interconexão entre LANs de tecnologias diferentes (ex: Ethernet e Token Ring). SIMBOLOGIA: 9

12 São características de uma ponte: Operam na camada 2 (Data Link Layer) do modelo OSI, mais especificamente na subcamada MAC, sendo devido a isto conhecidas por MAC-Bridge; Possuem um algoritmo de roteamente bastante simples: cada ponte constrói a sua tabela de filtragem (de roteamento) de forma autônoma e isolada de outras pontes; São utilizadas para uma interconexão local entre duas ou mais LANs, tendo também sido utilizadas para interconexões entre LANs geograficamente separadas. As pontes podem ser classificadas em: Pontes transparentes (transparent bridges): estas pontes estão de acordo com o padrão IEEE 802.1D. Elas possuem uma tabela de filtragem e são transparentes no sentido que os componentes das redes a ela conectados ignoram a sua existência (ex: uma ponte não possuem um endereço); Pontes com Roteamento Fonte (Source Routing Bridges): Estas pontes foram derivadas das redes Token Ring. Não existe uma tabela de roteamento na ponte. O sistema a ela conectada é que possue a informação de roteamento e, cada quadro transmitido, possui na sua estrutura uma informação de roteamento, indicando o caminho que o quadro deve seguir até o seu destino. A seguir são descritas algumas características inerentes as pontes transparentes, que são as mais utilizadas Parâmetros de uma Ponte É importante conhecer os parâmetros de uma ponte uma vez que estes influenciam o comportamento global de uma rede estendida. Os parâmetros mais importantes são: número máximo de pacotes por segundo que uma ponte pode filtrar (receber e processar); número máximo de pacotes por segundo que uma ponte pode retransmitir; tempo médio de latência de um pacote: é o tempo que decorre desde o momento em que o pacote é lido para dentro da ponte até o momento em que ele é retransmitido. Para minimizar a possibilidade de perda de pacote é interessante que uma ponte funcione a full-speed, isto é, que os dois primeiros parâmetros acima sejam iguais. Esta condição deve ser verificada considerando os menores pacotes possíveis pois estes incorrem em um tempo maior na decisão de filtragem. Por exemplo, para uma ponte 802.3, considerando-se que os menores pacotes são de 64 bytes deve-se ter uma taxa de pacotes por segundo. 10

13 Operação Básica da Ponte A ponte funciona basicamente em duas etapas: processo de encaminhamento (forwarding) e processo de aprendizado (learning process). No forwarding, a ponte basicamente absorve(recebe) os pacotes nas suas portas e encaminha aos destinos (usando endereços MAC). Neste processo ainda pode ocorrer o flooding caso a bridge receba um pacote cujo endereço MAC destino não está listado na tabela. Se isso ocorrer, ela envia o pacote para todas as portas, exceto a porta por onde o pacote foi recebido. No processo de aprendizado ela constrói uma base de dados usada como decisão de encaminhamento de pacotes. O processo de filtragem de pacotes realizado por uma ponte pode ser resumido da seguinte forma: SE pacote recebido na porta X é correto ENTÃO SE porta X está em processo de forwarding ENTÃO SE endereço de destino do pacote está na Base de Dados de Filtragem ENTÃO SE destino está na mesma porta X ENTÃO Descarta pacote SENÃO Encaminha pacote para a porta de destino (forwarding) SENÃO Encaminha para todas as portas menos a porta X (flooding) SE endereço fonte se encontra na Base de Dados de Filtragem ENTÃO Atualiza dados de localização da estação fonte SENÃO Insere nova estação associando a porta onde se encontra (learning) SENÃO Descarta pacote FIM O Algoritmo Spanning Tree As pontes utilizam-se do processo de aprendizado para construir a tabela de filtragem. O processo de construir esta tabela é simples quando a estrutura da ponte é em árvore. Entretanto é interessante, por questões de confiabilidade, construir uma estrutura de rede na forma de malha que, no entanto, pode levar a aparecer loops. Esta configuração pode acarretar em mau funcionamento do sistema. O algoritmo spanning tree foi criado para se executar em cada ponte do sistema, de forma a gerar a partir da LAN estendida que está fisicamente em um loop, em uma LAN lógica na forma de árvore. Em caso de falhas nas rotas primárias criadas pelo sistema, o algoritmo deve fazer com que a rede se reconfigure rapidamente, sem formação de loops nesta operação Pontes Remotas Embora as pontes sejam normalmente utilizadas para conectar LANs em um âmbito local, é possível utilizá-las para interconexão a grande distância. Por exemplo, é possível conectar duas LANs ethernet via duas pontes, onde estas pontes possuem 11

14 uma porta adicional para conexão em WAN através de um protocolo típico de linha, tal como o HDLC ou PPP. As Bridges comercializadas atualmente, normalmente estão associadas a um DCE utilizando qualquer um dos meios básicos de transmissão. Deve se observar que uma ponte não deve ser utilizada para construir redes em malha neste caso, uma vez que o algoritmo spanning tree deve fazer com que alguns links fiquem logicamente inativos, o que acarretará em custos desnecessários. Neste caso o correto é utilizar-se de roteadores Switches A principal limitação de desempenho da rede ethernet é devido ao compartilhamento, de forma democrática, do suporte físico por várias estações, levando a ocorrência de colisões. Uma solução para aumentar o desempenho desta rede é aumentar a velocidade da mesma. Uma outra solução é comutar os quadros da ethernet dividindo domínios de colisão. SIMBOLOGIA: Deve-se lembrar que os hubs convencionais reencaminham cada quadro recebido para todos os demais segmentos a ele conectados. Isto restringe o fluxo de dados das estações, uma vez que colisões podem ocorrer quando duas estações tentam acessar o meio ao mesmo tempo. Desta forma, a largura de banda ( bandwidth ) é limitada, na média, para cada dispositivo. Por exemplo, um hub com 8 portas proporciona em média 10Mbps/8 de taxa para cada porta, sem considerar as probabilidades de colisão no sistema, o que reduz esta taxa efetiva. A medida que mais usuários são colocadas na rede o desempenho cairá, uma vez que aumenta o congestionamento no sistema. Os comutadores (switch) ethernet associam as vantagens de concentração dos HUBs com as funções de uma BRIDGE em cada porta por isso ele é chamado também de Bridge multiporta Ou seja, o Switch é capaz de ler o endereçamento de destino de um quadro e encaminhá-lo a um segmento que possui um domínio de colisão diferente (porta) associado a este endereço. Os switches possuem duas diferenças básicas do HUB. Em primeiro lugar, um switch não retransmite ou regenera dados para cada porta, ele cria novos domínios de colisão para cada uma delas. O fluxo de dados é restrito de uma porta para outra porta. Em segundo lugar, o switch suporta comunicação simultânea entre pares de porta. Considere um hub de 8 portas. Em um dado momento pode existir uma troca de dados simultânea entre a porta 1 com a 6, 2 com a 8, 3 com a 4 e 5 com 7. Desta forma a taxa de transmissão efetiva instantânea pode atingir 4 X 10Mbps para estas condições de transmissão, já que são 4 enlaces simultâneos de 10Mbps cada um. 12

15 Técnicas de Chaveamento (Switching) Cross-Point: No chaveamento cross-point, cada pacote ethernet tem seu endereço examinado ao entrar em uma porta. O switch então procura em uma tabela de endereços associadas com as portas para obter a porta destino para a qual deve ser encaminhado o pacote. Uma vez determinado, um circuito é fechado entre as duas portas envolvidas na comunicação de forma que o pacote atinja seu destino final. Na realidade, esta técnica minimiza retardos associados a recepção do pacote, uma vez que não é todo pacote examinado, mas somente o endereço destino. Desta forma, o uso desta técnica não permite a verificação de erros com o CRC do quadro. (pacote). Pacotes errados são repassados de um segmento para o outro sendo descartados no ponto final da comunicação, o que pode acarretar em ineficiência do sistema (embora estas redes possuam baixas taxas de erros). Store-and-Forward (armazena e encaminha): Nesta técnica cada pacote recebido é completamente armazenado em um buffer (memória RAM) do switch. Isto possibilita a verificação de CRC. No caso de erro no quadro, este é imediatamente descartado. Se correto, o quadro é encaminhado para o segmento destino. O store-and-forward aumenta os retardos do pacote no sistema mas possibilita a realização de funções adicionais tais como filtros de pacotes e relatório estatístico de apoio ao gerenciamento. Métodos de Chaveamentos Dois métodos podem ser empregados: chaveamento baseado em porta e chaveamento baseado em segmento. Chaveamento baseado em porta: Neste método o switch opera como uma matriz de n x n portas, lendo um endereço do quadro de uma porta (provindo de uma estação) e encaminhando para a porta destino. Um único endereço é suportado por porta. A taxa de operação neste caso pode chegar a n X 10 Mbps. Domínio de colisão momentâneo entre duas estações Comutador (switch) Ethernet baseado em porta 13

16 Chaveamento baseado em segmento: Neste caso portas que se conectam a um segmento podem estar associadas a mais de um endereço. Este método permite a interconexão de segmentos principais de LANs, separando o tráfego entre estes segmentos. Quadros para o domínio 1 HUB Switch de Segmento Domínio ethernet 1 Quadros para o domínio 2 Domínio ethernet 2 Switch Ethernet de Segmento Routers Na sessão anterior vimos que as pontes (Bridges), apesar de atuarem na camada de enlace de dados (camada 2 ou data link layer) também são utilizadas para interconexão entre redes. Só que a função da Bridge, mesmo sabendo que ela pode interligar tecnologias diferentes (token-ring por exemplo), está limitada a união de várias LANs, constituindo-se no final como uma rede única. No entanto, se nossoo processo de interconexão entre subredes de arquiteturas bastante diferentes entre si pode ser uma tarefa bastante complexa. Em particular esta consideração é aplicável a uma conexão de uma rede local com uma rede de grande distância. Em redes de grande distância existe na maior parte das vezes somente endereços de camada de rede. Os roteadores tem o papel de transladar estes endereços, transladar formato de pacotes e encaminhá-los da melhor forma possível por uma das diversas rotas possíveis. SIMBOLOGIA: Os roteadores possuem um software mais elaborado que as pontes, tirando proveito dos caminhos múltiplos existentes em uma rede complexa. Em geral, o roteador é um equipamento dedicado específico ou mesmo uma estação particular na rede. Ele é conectado a múltiplas subredes sendo que estas podem utilizar esquemas de 14

17 endereçamentos diferentes. Para cada porta do roteador existirá um endereçamento correspondente. Desta forma o roteador viabiliza a formação de subredes em uma rede maior. Deve-se notar que o roteador é um equipamento ativo no sentido que possui endereços e é portanto endereçável na rede, ao contrário do que ocorre nas pontes. No mundo da Internet, os roteadores são chamados de gateways. Entretanto, gateway possui um outro conceito no mundo do modelo OSI/ISO. A terminologia adotada será então sempre roteador para estes dispositivos. O termo Intermediate System (IS) está também associado a um sistema roteador no modelo OSI Características de um Roteador Exemplo de interligação de redes LAN com roteadores Um roteador recebe pacotes que lhe são endereçados por estações ou por um outro roteador. Em função do endereço de destino e das informações contidas em uma tabela de roteamento, o roteador determina a próxima subrede sobre a qual ele deve retransmitir o pacote. O processo de roteamento como um todo baseia-se no salto do pacote de roteador em roteador, onde caminhos alternativos ou redundantes podem existir. As decisões de roteamento são tomadas por um algoritmo que normalmente permite conduzir o pacote pelo caminho mais curto possível. Os seguintes parâmetros são universalmente aceitos para a realização do roteamento: número dos saltos efetuados na trajetória do pacote (hops) (ou o número de IS atravessados ao longo do caminho); custo do caminho, determinado pela soma dos diversos segmentos (linhas) atravessados pelo pacote. Normalmente se requer de um roteador as seguintes características: Simplicidade do algoritmo de roteamento, tendo em vista limitações de memória e de CPU; 15

18 Robustez e adaptabilidade as variações de topologia do sistema; Otimização na escolha dos caminhos determinados pelo algoritmo de roteamento; Estabilidade no sentido de não variar a todo o momento as decisões de roteamento, a não ser por motivos de variações de topologia; Tratamento igual aos nós, não privilegiando alguns nós sobre outros. Os algoritmos de roteamento podem ser classificados em estáticos e dinâmicos. Os estáticos (determinísticos) possuem um critério fixo de roteamento e necessitam da intervenção do gerente de rede para atualizar as tabelas de roteamento quando da mudança de topologia ou no caso de falhas em nós do sistema. Os algoritmos dinâmicos permitem que a tabela de roteamento seja modificada de forma adaptativa e automática a mudanças de toplogias ou do estado de links do sistema. 8.4 Segmentação de redes Todos esses dispositivos e componentes - passivos e ativos - criam ou atuam nos bits. Eles não reconhecem nenhum padrão de informação nos bits, nem endereços, nem dados. Sua função é simplesmente mover os bits de um lado para o outro. A camada 1 é fundamental para a solução de problemas de rede e não deve ser subestimada. Muitos problemas de rede podem ser atribuídos às terminações RJ-45, aos conectores, aos repetidores, aos hubs ou aos transceivers danificados. O conceito de Nuvem passa ser utilizado com mais enfase a partir de agora. Ela representa uma rede de qualquer tecnologia. Esta simbologia substituirá um conjunto de dispositivos físicos e lógicos de qualquer camada de 1 à 7 que não seja representativos para análise de uma rede de qualquer dimensão: 16

19 LANs Básicas Colisões e domínios de colisão em ambientes de camadas compartilhadas Ambientes de meios compartilhados Algumas redes são conectadas diretamente. Todos os hosts compartilham a camada 1. Alguns exemplos são: Ambientes de meios compartilhados - ocorrem quando vários hosts têm acesso ao mesmo meio. Por exemplo, se vários PCs estiverem conectados ao mesmo cabo físico, à mesma fibra óptica ou compartilham o mesmo espaço aéreo, todos eles compartilharem o mesmo ambiente de meios compartilhados. Ocasionalmente, você poderá ouvir alguém dizer "todos os computadores estão no mesmo cabo". Isso significa que todos compartilham o mesmo meio - mesmo que o "cabo" possa ser o CAT 5 UTP, que tem quatro pares de fios. Ambientes de meios compartilhados estendidos - é um tipo especial de ambiente de meios compartilhado no qual os dispositivos de rede podem estender o 17

20 ambiente para que ele possa acomodar multi-acesso ou mais usuários. Existem, no entanto, aspectos negativos e positivos quanto a isso. Ambiente de rede ponto a ponto - é o mais amplamente usado nas WANs e é com o qual você está mais provavelmente familiarizado. É um ambiente de rede compartilhado onde um dispositivo está conectado apenas a um outro dispositivo através de um link. Algumas redes são conectadas indiretamente, significando que alguns dispositivos de rede da camada superior e/ou alguma distância geográfica estão entre os dois hosts em comunicação. Existem dois tipos: Comutado por circuito - uma rede conectada indiretamente na qual os circuitos elétricos reais são mantidos durante toda a comunicação. O sistema de telefonia atual ainda é, em parte, comutado por circuito, embora em muitos países os sistemas telefônicos estejam atualmente concentrando-se menos nas tecnologias de comutação de circuitos. Comutado por pacote - em vez de dedicar um link como uma conexão exclusiva de circuito entre dois hosts em comunicação, a origem envia mensagens em pacotes. Cada pacote contém informações suficientes para que possam ser roteados para o host de destino correto. A vantagem é que vários hosts podem compartilhar o mesmo link. A desvantagem é que pode haver conflitos. 18

21 Colisões e domínios de colisão Um problema que pode ocorrer, quando dois bits se propagam ao mesmo tempo, na mesma rede, é uma colisão. Uma rede pequena e lenta poderia funcionar em um sistema que permitisse que apenas dois computadores enviassem mensagens, cada um concordando em revezar-se. Isso significaria que ambos poderiam enviar mensagens, mas só existiria um bit no sistema. O problema é que muitos computadores estão conectados a grandes redes, cada um querendo comunicar bilhões de bits a cada segundo. É também importante lembrar que os "bits" são na verdade pacotes contendo muitos bits. Problemas sérios podem ocorrer como resultado de muito tráfego na rede. Se houver apenas um cabo interconectando todos os dispositivos em uma rede ou se os segmentos de uma rede estiverem conectados apenas por dispositivos sem filtro, como os repetidores, a possibilidade de haver mais de um usuário tentando enviar dados pela rede ao mesmo tempo, é muito alta. A Ethernet permite apenas que um pacote de dados acesse o cabo a qualquer momento. Se mais de um nó tentar transmitir ao mesmo tempo, ocorrerá uma colisão e os dados de cada dispositivo serão afetados. A área dentro da rede, onde os pacotes de dados foram originados e colididos, é chamada de domínio de colisão e inclui todos os ambientes de meios compartilhados. Um fio pode estar conectado a outro fio através de patch cables, transceivers, patch panels, repetidores e até mesmo hubs. Todas essas interconexões da camada 1 são parte do domínio de colisão. Quando uma colisão ocorre, os pacotes de dados que estão envolvidos são aos poucos destruídos. Para evitar esse problema, a rede deve ter um sistema que consiga gerenciar a competição no meio (contenção). Por exemplo, um sistema digital pode reconhecer apenas dois estados de tensão, luz ou onda eletromagnética. Portanto, em uma colisão, os sinais interferem, ou colidem, entre si. Da mesma forma que dois carros não podem ocupar o mesmo espaço na mesma rua ao mesmo tempo, dois sinais também não. 19

22 Acesso compartilhado como um domínio de colisão Como um profissional de rede, uma habilidade importante é a de reconhecer os domínios de colisão. Se você tiver vários computadores conectados a um único meio sem outros dispositivos de redes conectados, haverá uma situação de acesso compartilhado básica e você terá um domínio de colisão. Dependendo da tecnologia específica usada, essa situação limita o número de computadores que podem usar aquela parte do meio, também chamada de segmento Repetidores e domínios de colisão Os repetidores geram novamente os bits e os retemporizam, mas não podem filtrar o fluxo de tráfego que passa por eles. Os dados (bits) que chegam à porta de um repetidor são enviados por todas as outras portas. Usar um repetidor estende o domínio de colisão, logo, a rede nos dois lados do repetidor é um domínio de colisão maior. 20

23 Hubs e domínios de colisão Você já aprendeu que o outro nome do hub é um repetidor multiporta. Qualquer sinal que entre em uma porta do hub é gerado novamente, retemporizado e enviado para as outras portas. Portanto, os hubs, que são úteis para conectar um grande número de computadores, estendem os domínios de colisão. O resultado final será uma diminuição no desempenho da rede se todos os computadores naquela rede estiverem solicitando, simultaneamente, grandes larguras de banda Hubs e repetidores como causas dos domínios de colisão Como os repetidores e os hubs são dispositivos da camada 1 e, portanto, não filtram tráfego de rede, estender um pedaço de cabo com um repetidor e terminar essa extensão com um hub, simplesmente resulta em um domínio de colisão maior A regra dos quatro repetidores A regra dos quatro repetidores na Ethernet afirma que não mais de quatro repetidores ou hubs de repetição podem ficar entre dois computadores na rede. Cada repetidor adiciona latência ou retarda os bits à medida que a força dos sinais aumenta. 21

24 Exceder a regra dos quatro repetidores pode levar à violação do limite de delay máximo. Quando esse limite de delay for excedido, o número de colisões retardadas aumentará muito. Uma colisão retardada, é quando ocorre uma colisão depois que os primeiros 64 bytes do quadro são transmitidos. Os conjuntos de chips nas placas de rede não são necessários para retransmitir automaticamente quando uma colisão retardada ocorre. Esses quadros de colisão retardada adicionam delay chamados de delay de consumo. À medida que o delay de consumo e a latência aumentam, o desempenho da rede diminui. Essa regra fundamental da Ethernet é também conhecida como a regra Cinco sessões de rede, quatro repetidores ou hubs, três seções da rede são segmentos "de mistura" (com hosts), duas seções são segmentos de link (para fins de link) e um grande domínio de colisão Segmentando os domínios de colisão Embora os repetidores e os hubs sejam dispositivos de redes úteis e econômicos, eles estendem domínios de colisão, portanto, prejudicam o desempenho da rede por causa do excesso de colisões. O tamanho dos domínios de colisão podem ser reduzidos usando-se dispositivos de rede inteligentes que interrompem os domínios. Exemplos desse tipo de dispositivo de rede são as bridges, os switches e roteadores. Esse processo é chamado de segmentação. A bridge pode eliminar o tráfego desnecessário em uma rede sobrecarregada dividindo a rede em segmentos e filtrando o tráfego baseado no endereço da estação. O tráfego entre os dispositivos no mesmo segmento não atravessa a bridge e afeta outros segmentos. Isso funciona bem enquanto o tráfego entre os segmentos não se torna pesado. Do contrário, a bridge pode virar um gargalo e retardar a comunicação. 22

25 A melhor solução: Switching e um bom planejamento da rede! Siga as dicas: a) Divida a LAN em vários domínios de colisão independentes de forma departamental, ou seja, separe a rede conforme o perfil de uso de máquinas ou servidores compartilhados; b) Dimensione e distribua equipamentos ativos na LAN, com características que permitam sua reconfiguração para uma nova topologia de rede. Em LANs maiores a facilidade de gerenciamento é imprescindível! c) Utilize ao máximo o que sua infraestrutura de ativos pode oferecer antes de fazer seu upgrade. Nem sempre o aumento da velocidade de dispositivos da rede melhora seu desempenho. Veja o exemplo na figura a seguir. 23