Redes Aula 1. Conceitos Básicos LANs, Ethernet, Token ring e Modelo OSI. Prof. Rodrigo Coutinho

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1 Redes Aula 1 Conceitos Básicos LANs, Ethernet, Token ring e Modelo OSI 1

2 O que são redes? Conjunto de dois ou mais dispositivos (nós) que usam um conjunto de regras em comum para compartilhar recursos (hardware, dados, mensagens) Exemplos de rede Rede local de um domícilio Rede telefônica Internet Exemplos de dispositivos (ou nós) Computadores Impressoras Switches Roteadores 2

3 Endereçamento Cada dispositivo tem uma identificação única, ou seja, um endereço Os endereços se comunicarão via rede, por meio dos protocolos de transmissão Na Internet, endereços utilizados são IP, do protocolo TCP/IP 3

4 Protocolo Protocolos definem as regras de construção de um pacote, criando uma linguagem comum entre diferentes máquinas, que inclui: Endereços Correções de erros Regras de reconstrução de pacotes Controle de fluxo 4

5 Serviços de rede Conjunto de operações implementadas por um protocolo Cada serviço pode ser usado por diferentes aplicações Uma aplicação também pode usar vários serviços Ex. Browser de internet Serviços orientados à conexão Estabelece conexão prévia à transmissão dos dados Gera uma comunicação de dados confiável Possibilita correção de erros e controle de fluxo Gera overhead na comunicação Serviços sem conexão Envia dados sem conhecimento prévio Mais rápido Menos confiável, pois não há garantia de entrega 5

6 Meios Ambiente físico usado para conectar os nós de uma rede Meios físicos são variados: Cabo coaxial Cabo par trançado Fibra óptica Ondas de rádio Infravermelho Outros meios 6

7 Classificação das redes Por área geográfica Por topologia da rede 7

8 Classificação por área LAN (Local Area Network) Permite a conexão de equipamentos em uma pequena região (até 5 10km) Encontrada em lares e escritórios de empresas MAN (Metropolitan Area Network) Área de abrangência pouco maior que as LANs Considere uma empresa na mesma cidade, com várias sedes WAN (Wide Area Network) Geograficamente distribuída Altos custos de comunicação Velocidades menores 8

9 Classificação por área Outras redes: SAN (Storage Area Network) rede exclusiva para armazenamento de dados GAN (Global Area Network) Coleções de redes de longa distância ao longo do Globo 9

10 Classificação por área 10

11 Classificação por topologia Barramento Computadores compartilham cabo único Dados são recebidos por todos, mas só a máquina de destino aceita Somente 1 computador por vez pode transmitir dados Se houver ruptura no cabo, toda rede é afetada Está em desuso, com popularização da Ethernet/estrela 11

12 Classificação por topologia Anel Estações conectadas por um único cabo, em forma de círculo Conceito de Token para transmissão Falha em um computador impacta toda rede 12

13 Malha Classificação por topologia Utiliza vários segmentos de cabos Oferece redundância e confiabilidade Dispendiosa Geralmente utilizada em conjunto com outras topologias 13

14 Estrela Classificação por topologia Topologia mais comum na atualidade Utilizam hubs e switches para intercomunicação Falha em um cabo não paralisa toda rede Ponto único de falha: Switch ou Hub 14

15 Formas de transmissão Simplex Ocorre em apenas uma direção Ex. TV Aberta Half Duplex Ocorre em ambas as direções, mas um evento de cada vez Ex. Rádio amador Full Duplex Recepção e envio ocorrem simultaneamente Ex. tv a cabo 15

16 Colisões Ocorrem quando dois ou mais computadores enviam dados ao mesmo tempo Ocorrem somente em half duplex CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) Dispositivos são avisados da colisão e aguardam tempo aleatório para retransmitir Não efetivo em redes muito longas ( a detecção é feita pela estação que irá transmitir) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) Manda um aviso de transmissão Mais eficaz, porém aumenta o tráfego na rede 16

17 Colisões Prioridade de demanda Surgiu com as redes Fast Ethernet Padrão IEEE Se dois computadores enviam pedidos ao mesmo tempo, o switch atenderá primeiro o pedido com maior prioridade Se a prioridade é idêntica, são servidos com alternância 17

18 Cabeamento Coaxial Usados nas redes com topologia de barramento Baixo custo, alta flexibilidade Utiliza conectores BNC Necessita terminador na rede 18

19 Cabeamento Par trançado Tecnologia mais comum na atualidade Pode ser blindado (STP) ou não (UTP) Tamanho máximo: 100 metros Cat 5 certificada para 100 Mbps / Cat 5e 1 Gbps Conector: RJ45 19

20 Cabeamento Fibra Tecnologia mais cara, mas atinge maiores distâncias Fibra monomodo Caminho único do feixe de laser Usada para comunicação de longa distância Mais difícil conexão núcleo da fibra é mais fino Fibra multimodo Diversos caminhos para o feixe Usada para distâncias mais curtas A fibra é mais cara, mas a implementação é mais barata Núcleo maior permite uso de lasers mais baratos Conectores mais confiáveis e baratos 20

21 Cabeamento Fibra 21

22 Modelo OSI Padronização de protocolos e padrões pela ISO para Interconexão de sistemas abertos Sistema aberto, não vinculado a hardware Sozinho não define arquitetura da rede (Não diz como fazer, apenas o que fazer) Divisão em 7 camadas Dividir para conquistar Estabelece uma interface bem definida entre as camadas Vantagens: Implementação independente das camadas; Reutilização de código; Adaptabilidade 22

23 Camadas comunicação Camadas parceiras se comunicam por um objeto chamado entidade da camada Entidade pode ser elemento de hardware ou de software Entidade significa: Capacidade de comunicação Ex: Protocolo IP, roteador, etc Comunicação entre camadas verticais: Serviços Comunicação entre camadas horizontais: Protocolos 23

24 Camadas 24

25 Camadas OSI Camada Exemplos Funcionalidades Aplicação E mail, Web, ftp, etc Aplicações Apresentação Sessão Encriptação e compressão de dados Controlar as sessões Transporte TCP/UDP Conectividade virtual ponto a ponto Rede IP, X.25 Roteamento Enlace Ethernet, PPP, ATM Comunicação com correção de erros Física Transmissão do sinal 25

26 Camada física Fluxo de bits pelo meio físico Totalmente orientada a HW e trata dos aspectos do link físico entre dois computadores Define, dentre outras coisas: Técnica de transmissão dos dados (half duplex, etc) Pinagem do conector Níveis do sinal elétrico Como estabelecer e cancelar a conexão Não trata: Significado do que está sendo transmitido Erros de transmissão 26

27 Camada de enlace Detecta e corrige os erros de transmissão da camada física Controle de Fluxo Delimitação de quadros Bits são organizados em frames, com frame check sequence FCS Controle de erros (CRC, etc) Fornece ao nível de rede 3 tipos de serviços: Sem conexão e sem reconhecimento: Demora na transmissão é pior que perda de dados (Ex. Voz) Sem conexão com reconhecimento: Mais confiável frames incorretos são descartados e retransmitidos Orientado à conexão: Garante entrega dos quadros na ordem correta e error free à camada de rede Subcamadas MAC (acesso ao meio) e LLC (interface com as demais camadas e controle de erros e de fluxo) 27

28 Camada de rede Transparência com relação às camadas inferiores Função: Transporte de pacotes Comunicação se torna ponto a ponto Nos níveis anteriores, comunicação era apenas com o próximo nó Funções principais Endereçamento Roteamento Tradução de endereços lógicos em físicos (enlace) Controle de congestionamento Normalmente não orientado à conexão, mas pode existir o contrário Ex. Protocolo X.25 28

29 Camada de transporte Principal função: garantir confiabilidade dos dados Particionamento da mensagem em segmentos Garante a comunicação entre os hosts Reconhece o recebimento de pacotes Controle de fluxo Sequenciamento e retransmissão de pacotes Pode ser orientado ou não à conexão 29

30 Camada de sessão Conexão entre duas aplicações que residem em computadores diferentes Gerenciamento do diálogo entre essas máquinas Pontos de sincronização Ex. Transmissão de um arquivo muito grande ou envio de mensagens de correio Atividade cada ponto de sincronização é uma unidade de diálogo. Cada grupo de unidades é uma atividade Estabelece direitos de atividades prioritárias (acessos de administrador, por exemplo) 30

31 Camada de apresentação Um grande tradutor Define formato para trocas de mensagens Funções principais Tradução de protocolos Conversão de padrões (ASCII, ANSI, etc) Criptografia Compressão de dados 31

32 Camada de aplicação Janela onde as aplicações conversam com a rede Identificação dos parceiros na comunicação Determinação dos níveis de serviço aceitáveis Retardo, tempo máximo de espera, taxa de erro tolerável Segurança de acesso e integridade dos dados 32

33 Relacionamento entre camadas Comunicação virtual entre pares de camadas Pacotes são encapsulados da camada mais alta até a mais baixa, adicionando informações em cada camada O processo se repete até a camada física, onde os dados são enviados No host de destino, acontece o procedimento inverso 33

34 PDU Protocol Data Unit É a informação transmitida como uma unidade em uma rede, que pode transportar informações de controle ou dados Conforme a camada do modelo OSI, tem diferentes nomes: Camada física bit Camada de enlace frame (quadro) Camada de rede packet (pacote) Camada de transporte segmento Demais dados 34

35 Redes Ethernet Camada 2 do modelo OSI Utilizada em pequenas e grandes redes Padronizado pela IEEE especificação Velocidade: 10/100 Mbps e 1/10 Gbps Pode utilizar tanto cabos coaxiais quanto pares trançados Frames com tamanhos variando entre 64 e 1518 bytes. 18 bytes são usados pelo próprio frame 35

36 Redes Ethernet Características Topologia lógica: barramento Uso de CSMA/CD em half duplex Camada MAC faz encapsulamento e transmissão dos frames Pacotes enviados a toda a rede MTU Maximum transfer Unit delimita o tamanho máximo do frame 36

37 Redes Ethernet Frame Preamble: seqüência de bytes para sincronizar comunicação SOF Start of frame: delimitador Endereços: usam os MACs das placas Type: Indica o tipo, para formatos opcionais Dados: Dados propriamente ditos FCS: Checagem de CRC Tamanho do frame: 64 (mín.) ou 1518 (máx) bytes Jumbo Frames: Não aceito pela ISO 802.3, permite até 9000 bytes 37

38 Padrões Ethernet 10 Mbps 10BaseT Sistema de sinalização barramento (normalmente se configura estrela hub) Cabo par trançado UTP ou STP Nós finais da rede: Os computadores Segmento máximo: 100 metros 38

39 Padrões Ethernet 10 Mbps 10Base2 Cabo coaxial fino Segmento máximo: 185 metros Comprimento mínimo: 0,50 metros entre estações Máximo de 30 computadores por segmento Máximo de 5 segmentos interligados por 4 repeaters Performance melhora caso se divida os segmentos (bridges) 39

40 Padrões Ethernet 10 Mbps 10Base5 Cabo coaxial grosso Segmento máximo: 500 metros Máximo de 100 nós (computadores e repetidores) por segmento Máximo de 5 segmentos interligados por 4 repeaters Comum utilização de coaxiais finos e grossos na mesma rede (Tv a Cabo) 40

41 Padrões Ethernet 10 Mbps 10BaseFL Fibra óptica Vantagem: Grande comprimento Desvantagem: Custo Segmento máximo: 2 km 41

42 Fast Ethernet 100 Mbps Mantém formato do frame, MTU e mecanismos MAC Capacidade de operação full duplex Aumento de velocidade e eliminação de colisões 100BaseTX ou FX (Fast Ethernet) TX: Cabos par trançado cat 5 São usados apenas 2 pares (Pinos 1e2; 3e6) FX: Fibra ótica multimodo Extensão do padrão original 10BaseT (CSMA/CD) Full Duplex (802.3x) somente switches Topologia física em estrela 42

43 Gigabit Ethernet Norma: Operação full duplex, com switches Com half duplex: Carrier extension para que o frame atinja tamanho mínimo de 512 bytes; ou Frame bursting: envia múltiplos pequenos frames até o limite de 1500 bytes, sem controle CSMA/CD entre frames Utiliza fibra ótica ou par trançado Cabos UTP mínimos de categoria 5 Cat 5e ou 6 são recomendados Velocidade 1 Gbps Usado para grandes backbones, no início 43

44 Padrões Gigabit Ethernet 1000 BaseT Utiliza os 4 pares do cabo UTP Autonegociação é requerida Padrão bastante sensível ao cabeamento Cabos cat 5 de baixa qualidade geram erros de conexão 1000 BaseTX Utiliza apenas 2 pares do cabo UTP Exige UTP Cat 6 Menos sucesso comercial (mais caro e a exigência cat. 6) 44

45 Padrões Gigabit Ethernet 1000 BaseCX Padrão inicial do GbE Utiliza cabos STP Distância máxima: 25m 1000 BaseLX Fibra ótica com laser de comprimento de onda longo Especificação: 5km; Na prática: até 10 ou 20 km Funciona também na fibra multimodo: 550m 1000 BaseSX Fibra ótica multimodo com comprimento de onda curto Especificaçao: 220m; Prática: até 550m Popular para ligação intra edifício em largas corporações 45

46 10G Ethernet Suporta apenas full duplex Não suporta half duplex e nem CSMA/CD Conexões apenas com switches Hubs e pontes não são usados Cabos UTP mínimos de categoria 6 Categoria 6a recomendada Velocidade 10 Gbps Usado para backbones de corporações Utiliza fibra ótica ou cabos UTP/STP 46

47 Padrões 10G Ethernet 10GBASE T Cabos par trançado UTP ou STP Distância: 100m Autonegociação também presente 10GBASE SR Fibra ótica multimodo(short Range) Distância típica: até 85m 10GBASE LR Fibra ótica monomodo (Long Range) Distâncias típicas: 10 a 25 km 47

48 Autonegociação Alta complexidade por várias taxas de dados e configurações de duplex diferentes Utilizados em cabos de par trançado (fibra ótica não suporta) Assim que o link for detectado, o processo começa É negociada sempre a melhor combinação velocidade/duplex possível 48

49 Redes Token Ring Criada pela IBM nos anos 80 Características Topologia em anel estrela (anel lógico em que o anel físico está no HUB) Método de acesso baseado na passagem do Token Cabo par trançado UTP ou STP (specs IBM) Taxa de Transferência de 4 e 16 Mbit 49

50 Redes Token Ring Funcionamento Token percorre a rede até que uma estação se apodera Apenas a máquina que detém o token pode transmitir O frame percorre o anel até a máquina de destino e o retorno à máquina de origem com o status Máquina de origem então libera o Token Só há um Token por anel e ele só percorre a rede em uma direção (horário ou anti horário) Monitoração ou beaconing: Feito pelo primeiro computador que fica online, assegura entrega dos frames e existência de apenas um token na rede 50

51 Redes Token Ring Cabeamento IBM 1,2 e 3 MSAU = Hubs da tecnologia Conectores de interface de mídia para cabos tipo 1 e 2 RJ 45 para tipo 3 Fibra ótica também é utilizada (maiores custo e alcance) Utilização bastante restrita atualmente Gerenciamento mais oneroso Congestionamento das pontes Velocidade inferior aos principais concorrentes 51

52 Exercícios Aula 1 Cabeamento (Susep/06 Esaf) 71 Analise as seguintes afirmações relacionadas às especificações que definem as características funcionais, mecânicas e elétricas para rede local Ethernet. I. Uma rede local 10Base2 e uma 10Base5 utilizam, respectivamente, cabo coaxial grosso e fino. II. Uma rede local 10Base T utiliza cabo coaxial fino com conector BNC, ou cabo coaxial grosso. III. Uma rede local 10Base T utiliza cabos categorias 3, 4 e 5 com conectores RJ 45. IV. Uma rede local 100Base TX utiliza cabo trançado, categoria 5, e conectores RJ 45. Opção que contém todas as afirmações verdadeiras. a) I e II b) II e III c) III e IV d) I e III e) II e IV 52

53 Exercícios Aula 1 Topologia (Pref. Vitória/07 CESPE) 51. Uma rede de computadores pode ter topologia em malha, estrela, barramento ou anel, podendo, ainda, assumir formas híbridas. Em redes com topologia em estrela, cada máquina é diretamente ligada a cada uma das outras máquinas da rede. (STF/08 Cespe) 82. A topologia de uma rede de computadores indica como as estações na rede são interconectadas. Em uma topologia em anel, a rede tipicamente contém repetidores interligados por enlaces físicos ponto a ponto, formando um anel, cada repetidor participa em dois enlaces e os dados circulam no anel. (TJPA/2006 Cespe) Nas redes locais usando o padrão IEEE (voltado para redes do tipo token ring), emprega se o mecanismo conhecido como binary exponential backoff para tratar colisões entre diferentes estações que tentem competir simultaneamente pelo acesso ao meio compartilhado, da mesma forma como ocorre na Ethernet. 53

54 Exercícios Aula 1 Ethernet (FUB/2008 Cespe) 80 As redes ethernet, definidas no padrão IEEE não possuem mecanismos de detecção de colisão. (FUB/2008 Cespe) 81 O endereço de uma interface de rede ethernet, denominado endereço MAC (medium access control), possui 32 bits. (ABIN/2004 Cespe)94. O emprego de concentradores de cabeamento (hubs) em rede ethernet com cabeamento 10baseT permite mudar a localização física de estações da rede e detectar quebras de cabos de forma mais simples que nas redes com cabeamento 10base2 ou 10base5. (Cohab/2004 Cespe) O padrão IEEE define um conjunto de tecnologias para redes locais (LAN) conhecidas pelo termo genérico ethernet. Essas redes têm como característica a utilização de um protocolo de acesso ao meio sem contenção e com controle de transmissão pela emissão de tokens. 54

55 Exercícios Aula 1 Quadro Ethernet (TCU/2008 Cespe) 135 Ao avaliar a camada física de um dos segmentos da rede da organização, o analista identificou as seguintes características: ométododeacessoaomeioécsma/cd,omeiodetransmissãoécabo de par trançado com fios de cobre e a transmissão de quadros apresenta um preâmbulo, indicador de início de quadro, endereços, tamanho e seqüência de validação. Nesse situação, é possível que a rede da organização seja do tipo Eth ernet IEEE (STF/2008 Cespe) 87 Nas redes que adotam o padrão IEEE 802.3, a técnica de controle de acesso ao meio denomina se CSMA/CD. Os dados são transmitidos em quadros (frames) MAC, que contêm, entre outras informações, um preâmbulo para sincronização e endereços da origem e do destino do quadro. 55

56 Exercícios Aula 1 Gigabit (Pref. Rio Branco/2007 Cespe) 87. O gigabit Ethernet permite taxas de transmissão na ordem de 1 Gbps. Por esse motivo, o padrão gigabit Ethernet não pode ser utilizado sobre cabos UTP. 88 O padrão 1000Base LX é definido para fibras monomodo. (STJ/2004 Cespe) No formato do quadro gigabit ethernet, o campo de extensão (extention field) possui tamanho invariante pré fixado que permite garantir uma mínima duração de transmissão do quadro, o que é necessário para a operação em modo halfduplex a Mbps. 56

57 Exercícios Aula 1 OSI (TSE/2006 Cespe) Julgue os seguintes itens referentes ao modelo OSI da ISO. I Uma entidade pode se comunicar com entidades em camadas acima ou abaixo no mesmo sistema. Uma entidade implementa protocolos que possibilitam a comunicação com outras entidades na mesma camada em diferentes sistemas. II A camada de enlace provê a transferência confiável de dados entre sistemas conectados via múltiplos enlaces. Protocolos nessa camada podem garantir a sincronização e a detecção de erros, mas não o controle de fluxo. III A camada de rede provê uma comunicação que independe das tecnologias de chaveamento e de transmissão usadas. Protocolos na camada de rede não podem ser responsáveis por estabelecer, manter e encerrar conexões. IV A camada de transporte possibilita a comunicação confiável para a troca de dados entre processos em diferentes sistemas. O tamanho e a complexidade de um protocolo de transporte dependem dos serviços da camada de rede. V A camada de apresentação define a sintaxe usada entre entidades de aplicação e possibilita a seleção e modificação da representação usada. Essa camada resolve diferenças nos formatos e representações dos dados. A quantidade de itens certos é igual a A 1.B 2.C 3.D 4. 57