6.2 Tecnologias de Redes Locais

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1 Capítulo Tecnologias de Redes Locais 1 Redes de acesso múltiplo As LANs são redes de difusão ou de acesso múltiplo Qualquer comunicação passa pela utilização de um canal único, a partilhar por todos os utilizadores Problema a resolver: definir uma política de reserva do canal de transmissão 2

2 Tecnologias de acesso múltiplo Protocolo ALOHA ALOHA puro Slotted ALOHA Protocolo Carrier Sense Multiple Access (CSMA) 1-persistente Não persistente p-persistente CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) Técnica de passagem de testemunho 3 ALOHA puro Usado na rede Aloha (packet radio), desenvolvida na Universidade do Hawai Estação emissora Quando tem uma trama para transmitir, transmite incondicionalmente (talk when you please) Transmissões simultâneas provocam colisões Estação receptora Confirma tramas correctamente recebidas Detecção de colisões Estação emissora espera confirmação positiva (ACK) durante round trip time Se receber ACK, pode transmitir nova trama Se não receber ACK, ocorreu colisão ou a trama foi corrompida por outra razão - a estação deve retransmitir, podendo tentar um número máximo de vezes pré-definido, após o que desiste Retransmissão Para minimizar a probabilidade de novas colisões, a estação emissora espera intervalo de tempo aleatório antes de retransmitir uma trama não confirmada À medida que o tráfego aumenta, maiores são as probabilidades de colisão; logo maior é o número de retransmissões necessárias Na realidade, este esquema usa apenas 18% da capacidade do canal; os restantes 82% são perdidos devido às colisões 4

3 Slotted ALOHA Estações sincronizam transmissões pelo início de time slots Necessário mecanismo para distribuir às estações um sinal de sincronização de início dos time slots Quando uma estação tem uma trama pronta a transmitir, espera pelo início do próximo time slot e transmite incondicionalmente Não ocorrem colisões parciais - ou não há colisão ou a colisão é total, pelo que o período de vulnerabilidade é igual a Tframe (ou seja a duração do time slot, desprezando atrasos de propagação) O Slotted ALOHA duplica a utilização do canal em relação ao ALOHA puro 5 CSMA Os protocolos do tipo CSMA, baseados na escuta do meio são recomendados apenas quando o tempo de propagação entre nós for pequeno quando comparado com o tempo de transmissão de uma trama É uma situação comum em muitas LANs, sendo que, uma transmissão é reconhecida pelas restantes estações durante o período inicial; uma estação não inicia uma transmissão se tiver detectado que outra transmissão está em curso A escuta do meio não evita o risco de colisões, mas o período de vulnerabilidade é muito pequeno comparado com o tempo de transmissão Uma estação escuta (monitoriza) o meio (carrier sense) antes de transmitir (listen before talk) defere se o meio estiver ocupado transmite se o meio estiver livre e espera ACK durante round trip time se não receber confirmação, retransmite a trama após intervalo de tempo aleatório Transmissões simultâneas provocam colisões 6

4 CSMA - variantes 1-persistente se meio livre: transmite se meio ocupado: espera até ficar livre e transmite Evita desperdício de tempo livre, mas garante colisão quando há pelo menos dois nós a quererem transmitir Não persistente se meio livre: transmite se meio ocupado: espera intervalo de tempo aleatório e repete o algoritmo p-persistente slot time = tempo máximo de propagação na rede (usado para atrasar tentativas de acesso) (*) se meio livre: transmite com probabilidade p ou atrasa a tentativa de acesso de um slot time com probabilidade 1-p, repetindo então o algoritmo se encontrar o meio ocupado continua a auscultá-lo até que se detecte livre e repetir o passo (*) se a transmissão foi adiada, então repetir o passo (*) Se a estação não receber uma confirmação após round trip time (colisão ou corrupção devida a outra causa) a estação espera intervalo de tempo aleatório para retransmitir a trama, repetindo o algoritmo respectivo desde o início 7 CSMA/CD Simulação em: Quando há uma colisão, o meio permanece (inutilmente) ocupado durante o tempo de emissão dos pacotes que colidiram Com o CSMA/CD a capacidade desperdiçada é reduzida ao tempo que demora a detectar uma colisão; obtêm-se taxas de utilização do canal que podem chegar aos 95% Se fosse possível detectar uma colisão, os nós responsáveis poderiam terminar a emissão dos pacotes, libertando o meio o mais rápido possível Protocolo de Acesso A estação monitoriza o meio (carrier sense) Se o meio está livre: transmite Se meio ocupado: espera até ficar livre e transmite (persistente) Se detectar colisão durante a transmissão Reforça a colisão (jamming) Aborta a transmissão Atrasa a retransmissão (intervalo de tempo aleatório) e tenta de novo Se não ocorrer colisão durante a transmissão A estação continua a transmissão até ao fim, sem risco de colisão 8

5 CSMA/CD Modo de operação 9 CSMA/CD Modo de operação (2) No instante t 0 o nó A começa a transmitir um pacote destinado a D No instante t 1 os nós B e C estão prontos para transmitir; B detecta uma transmissão em curso e portanto adia a sua transmissão; porém, para C, o meio está livre, e inicia a sua transmissão No instante t 2 o pacote de A atinge C o qual detecta a colisão e cessa a transmissão No instante t 3 a colisão é detectada por A o qual cessa a transmissão 10

6 Passagem de testemunho É transmitido, de estação em estação, um quadro de controlo designado por testemunho As estações que pretendam transmitir têm que aguardar que o testemunho seja recebido Quando uma estação recebe o testemunho pode transmitir um determinado número de quadros ou então durante um determinado período de tempo Overhead do testemunho implica redução da largura de banda líquida e existência de um tempo de latência Variantes: Passagem de testemunho numa rede em anel físico Passagem de testemunho numa rede com configuração física em bus e configuração lógica em anel 11 Tecnologias de Redes Locais Ethernet Token bus Token ring FDDI Fiber Distributed Data Interface Redes Locais sem Fios 12

7 Comités IEEE 802 para redes 13 Ethernet - Evolução 1980 Ethernet (10 Mbps) Desenvolvido pela Digital, Intel e Xerox 1985 IEEE (10 Mbps) Ethernet e IEEE são padrões quase idênticos 1995 Fast Ethernet (100 Mbps) 1998 Gigabit Ethernet (1 Gbps) Gigabit Ethernet (10 Gbps) 14

8 Ethernet - Introdução Ethernet é a tecnologia dominante nas Redes Locais Ethernet é um conjunto de tecnologias, cujas especificações: suportam diferentes meios físicos suportam diferentes larguras de banda possuem formato dos quadros idênticos possuem endereçamento idêntico 15 Ethernet e modelo OSI A Ethernet opera: na metade inferior da camada de ligação de dados (subcamada MAC) na camada física A camada 2 usa controlo de ligação lógica (LLC Logical Link Control) para comunicar com as camadas superiores independentemente da tecnologia LAN usada e da camada superior A camada 2 usa controlo de acesso ao meio (MAC Media Access Control) para decidir qual computador vai transmitir e comunicar com a camada física específica da tecnologia LAN usada 16

9 Quadro Ethernet II MTU (Maximum Data TransmissionUnit): 1500 bytes para a Ethernet O preâmbulo serve para a sincronização na tecnologia assíncrona a 10Mbps As versões Ethernet mais rápidas são síncronas, tornando-se o preâmbulo redundante, mas mantido por questões de compatibilidade 17 Ethernet - IEEE O controlo do acesso ao meio físico é feito segundo a técnica CSMA/CD Inicialmente desenvolvida para redes com topologia em bus físico utilizando cabo coaxial Suporta actualmente uma grande variedade de meios físicos, a topologia também deixou de ser bus físico para passar a ser topologia física em estrela ou árvore O suporte de diferentes meios físicos e diferentes velocidades levou ao aparecimento de diversas variantes de Ethernet, genericamente designadas por x-base-y x número que identifica o débito binário (em Mbits) y número ou letras que identificam o tipo de meio físico utilizado ou o comprimento máximo do troço Base indica que a transmissão é feita em banda base 18

10 Ethernet a 10 Mbps (Tecnologia obsoleta) 19 10Base5 (1) Primeiro meio físico da Ethernet Não recomendado para novas instalações Topologia física em barramento Cabo coaxial grosso (thicknet) grande, pesado e de instalação difícil semelhante a mangueiras amarelas com marcas todos os 2,5 metros, indicando onde se deve inserir a cavilha (vampire tap) do transceiver até se atingir o núcleo do cabo Transceiver desempenha as tarefas de CSMA/CD Um cabo (transceiver cable) com 50 metros (no máximo) liga o transceiver a uma placa de interface, no computador Nessa placa procede-se à assemblagem dos pacotes antes de serem entregues ao transceiver bem como à verificação de erros sobre os pacotes recebidos Segmentos até 500m (principal vantagem) Só funciona em half-duplex Apenas uma estação a transmitir de cada vez 20

11 10Base5 (2) 21 10Base2 (1) Instalação mais fácil que o 10BASE-5 cabo menor, mais leve, mais barato e mais flexível Topologia física em barramento Cabo coaxial fino (thinnet) Half-duplex Apenas uma estação a transmitir de cada vez Até 30 estações por segmento Ligações baseiam-se em conectores BNC que formam junções em T Conectores T ligam directamente à NIC Em desuso 22

12 10Base2 (2) 23 10BaseT (1) Está na base do enorme crescimento das redes Ethernet Cabo de par entrançado (UTP) cat3 ou cat5 (recomendado cat5e) Mais barato e fácil de instalar que o coaxial Topologia física em estrela mas lógica em bus (ligação a um hub) Half-duplex Máximo de 100m entre dispositivos 90m cablagem horizontal + 6m ligações no bastidor + 3m ligação à estação de trabalho 24

13 10BaseT (2) 25 Ethernet a 10 Mbps (resumo) 1 26

14 Ethernet a 100 Mbps (Fast Ethernet) 27 Fast Ethernet Custo apenas duas vezes superior ao custo da Ethernet a 10Mbps (aproximadamente) Tecnologia desenvolvida a par das soluções comutadas, que constituíram uma revolução da tecnologia das redes Ethernet Estrutura de trama idêntica à norma IEEE Baseada na configuração 10BaseT, mas utiliza concentradores e comutadores Capacidade de auto-negociação permite estabelecer à partida os modos de operação para a melhor configuração possível: Escolha entre 10Mbps, 100Mbps Escolha entre half e full-duplex As soluções comutadas, em full-duplex, eliminam o problema das colisões Utilização generalizada 28

15 Fast Ethernet (100 Mbps) Tecnologias mais importantes: 100BASE-TX Cabo UTP cat. 5 Pinagem idêntica ao 10BASE-T Suporta full-duplex 100BASE-FX Fibra óptica multimodo Criada para usar em backbones de edifício e ambientes ruidosos rapidamente substituída pela Gigabit Ethernet (em cobre e fibra) Suporta full-duplex 29 Fast Ethernet - Arquitectura Ligação Fast-Ethernet: normalmente entre uma estação e um concentrador/hub (repetidor multi-porta) ou comutador/switch (ponte/bridge multi-porta) Repetidor classe I alterna entre tecnologias Ethernet (ex: cobre e fibra) introduz maior latência Repetidor classe II interliga segmentos com a mesma sinalização 30

16 Ethernet a 100 Mbps (resumo) 100-Base-TX 100-Base-T4 100-Base-FX Velocidade Meio Tx 100Mbps UTP Cat. 5, 2 pares 100Mbps UTP Cat. 3 ou superior, 4 pares 100Mbps Fibra óptica Multimodo Hosts/segmento Suporte de full-duplex Sim Não Sim Segmento (m) Dist. Máx c/rep (m) Ethernet a 1 Gbps (Gigabit Ethernet) 32

17 Gigabit Ethernet - IEEE 802.3z Custo bastante superior ao custo das tecnologias anteriores Compatibilidade com as tecnologias anteriores Estrutura de trama idêntica à norma IEEE Funcionamento em half-duplex (ligações partilhadas com repetidores) e full-duplex (switch-switch e switch-estação), a 1 Gbps Método de acesso continua a ser CSMA/CD Utilização ao nível do backbone de redes e em menor escala nas ligações dos servidores 33 Gigabit Ethernet Meios físicos 1000Base-LX (Long Wavelength) (IEEE 802.3z) Ligações entre campus (switch a switch) Até 5Km usando fibra monomodo 1000Base-SX (Short Wavelength) (IEEE 802.3z) Backbones dos Campus, Backbones entre andares (switch a switch) Até 500m usando fibra multimodo 1000Base-CX (Short Haul Copper) (IEEE 802.3z) Clusters de servidores e ligações entre switches Até 25m usando COAX (twinax) 1000Base-T (Long Haul Copper) (IEEE 802.3ab) Interligação de comutadores Ligação de switches a servidores e a postos de trabalho de alto desempenho Até 100m usando UTP Categoria 5e ou superior Recomendado pelo padrão IEEE que o Gigabit Ethernet através de fibra seja a tecnologia para o backbone 34

18 Ethernet - Exemplo de implementação 35 Ethernet a 10 Gbps Objectivos: Ligação entre equipamentos activos (Switches, Routers) Características: Definido na norma IEEE 802.3ae (2002) para fibra óptica multimodo e monomodo Define apenas modo Full- Duplex Permitem: Interligação de clusters de servidores Agregação de vários segmentos de 1 Gbps num único link de 10 Gbps Constituição de backbones a muito alta velocidade 36

19 Token bus - IEEE Topologia física em bus Controlo de acesso ao meio físico por passagem do testemunho É atribuído a cada estação um identificador lógico cada estação tem um Antecessor lógico (do qual recebe o token) e um Sucessor lógico (ao qual envia o token) O token tem de ser explicitamente passado entre estações, isto é, tem de ser endereçado (endereço do Sucessor lógico da estação de posse do token) Quando de posse do token, uma estação pode transmitir (se tiver tráfego), devendo a seguir libertar o token A gestão de uma rede Token Bus é complexa inicialização do anel lógico adição e remoção de estações do anel lógico recuperação de erros (interrupção do anel lógico, conflitos na aquisição do token, perda do token, múltiplos tokens, etc.) Tecnologia com pouca implantação 37 Token Ring IEEE Um protocolo de acesso do tipo Control Token baseia-se na circulação na rede de uma trama de controlo (Token) que concede a quem a recebe autorização para acesso exclusivo ao meio - o Token funciona como um testemunho que é passado de estação em estação Em redes em anel (Token Ring) o Token não precisa de ser endereçado; na ausência de qualquer transmissão, circula no anel um Token no estado livre, isto é, uma trama constituída apenas por um campo de controlo com os respectivos delimitadores de início e fim Uma estação pronta a transmitir espera a passagem do Token livre, captura-o (isto é, muda o seu estado para ocupado), passando a deter acesso exclusivo ao meio, o que lhe permite iniciar a transmissão de uma ou mais tramas Em geral uma trama é apenas copiada pela estação (ou estações) de destino, sendo removida pela estação de origem, a quem compete a libertação de um novo Token no estado livre, o que permitirá o acesso à estação a jusante mais próxima que tenha uma trama pronta a transmitir 38

20 Token Ring IEEE (2) 39 Token Ring IEEE (3) Meios de transmissão Cabo de par entrançado e fibra óptica Taxas de transmissão de 4 ou 16 Mbps Custo bastante superior à tecnologia Ethernet É necessário um monitor responsável por: Detectar a falta do token Despejar do anel tramas erradas/orfãs Detectar quebras no anel Se o monitor é desligado um protocolo de contenda assegura a eleição de um novo monitor 40

21 FDDI Fiber Distributed Data Interface (1) Token Ring a 100 Mbit/s Topologia base - anel duplo Utilizado para interligar LANs Dois anéis unidireccionais (Primário e Secundário), em sentidos opostos Número máximo de nós: 1000 Perímetro máximo (anel Primário): 100 km Distância máxima entre estações: 2 km 41 FDDI Fiber Distributed Data Interface (2) 42

22 FDDI Fiber Distributed Data Interface (3) Todas as estações devem ligar-se ao anel Primário. O anel Secundário está normalmente em standby (sem tráfego), sendo usado quando for necessário reconfigurar a rede Definem-se dois tipos de estações Classe A - ligam-se aos dois anéis Classe B - ligam-se apenas ao anel Primário, ficando isoladas no caso de interrupção deste Reconfiguração Se houver interrupção apenas do Anel Primário, as estações passam a transmitir no Anel Secundário Se ocorrer uma interrupção dos dois anéis (no mesmo troço), as estações adjacentes à falha ligam o Anel Primário ao Secundário (o perímetro da rede praticamente duplica) Se ocorrerem múltiplas interrupções dos dois anéis, a reconfiguração tem como consequência a formação de várias redes isoladas 43 Redes sem fios (Wi-Fi) 44

23 Alguns s a Banda 5 GHz (5.725 GHz a GHz) - ilegal na Europa 54 Mbps b Banda 2,4 GHz (2.400 GHz a GHz) 11 Mbps g Banda 2,4 GHz (2.400 GHz a GHz) 54 Mbps Compatível com a versão b 45 Modo ad-hoc Desvantagens Menor segurança Problemas de compatibilidade entre fabricantes 46

24 Modo infra-estrutura Ponto de Acesso (AP Access Point) Actua como um hub central, com o qual as placas de rede sem fios comunicam Ligado por cabo à infra-estrutura de rede cablada 47 Roaming A área de abrangência de cada AP é designada por célula Para permitir a cobertura total de uma determinada área podem ser necessários vários APs As células deverão ter um grau de sobreposição (20-30%), para permitir o roaming Possibilidade de passar de célula em célula sem se perder conectividade 48

25 Pesquisa (Scanning) Quando um cliente é activado numa WLAN (Wireless LAN), começa a procurar (scanning) por um dispositivo compatível ao qual se possa associar Pesquisa activa O cliente envia um pedido para se associar a uma rede Esse pedido contém a identificação (SSID - Service Set Identifier) da rede a que se quer ligar Todos os APs dentro do alcance do nó respondem com o mesmo SSID que recebem o pedido, enviam uma resposta ao cliente Pesquisa passiva Os APs transmitem periodicamente quadros (beacons) com o SSID da rede O cliente está à escuta desses quadros e quando recebe uma com o SSID desejado envia ao AP um pedido para se associar à rede 49 Tramas WLAN Gestão Pedido de AP (probe request) Resposta de AP (probe response) Beacon Autenticação (authentication) Pedido de associação (association request) Resposta de associação (association response) Controlo Pedido para enviar (request to send - RTS) Pronto para enviar (clear to send - CTS) Confirmação (acknowledgment) Dados 50

26 Autenticação e associação Autenticação O cliente envia uma trama request para o AP e a trama será aceite ou rejeitada pelo AP O cliente é notificado da resposta através de uma trama authentication response O AP poderá também passar o processo de autenticação para um servidor de autenticação que executará um processo de autenticação mais intensivo Associação Executada após a autenticação É o estado que permite a um cliente utilizar os serviços do AP para transferir dados 51 Métodos de autenticação Sistema aberto (open system) Apenas é necessário que o SSID seja igual A capacidade de sniffers de rede descobrirem o SSID da WLAN é elevada Chave partilhada (shared key) Utiliza o sistema de encriptação Wired Equivalent Privacy (WEP) Algoritmo simples, com chaves de 64 ou 128 bits Os clientes devem ter uma chave igual à do AP para aceder à rede através dele A chave é atribuída estaticamente Permite um maior nível de segurança que o sistema aberto Mas não é à prova de ataques Extensible Authentication Protocol (EAP) O AP não autentica o cliente, passando a responsabilidade para um dispositivo mais sofisticado 52

27 Processo de autenticação 53 Comunicação nas WLANs Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) É usado um esquema de escuta do meio A estação que pretende transmitir envia um sinal (jam signal) Depois de aguardar um tempo suficiente para todas as estações receberem o jam signal a estação pode começar a transmitir a trama Enquanto transmite, se a estação detecta um jam signal de outra estação, pára a transmissão por um período de tempo aleatório e tenta novamente Quando um dispositivo envia uma trama o receptor responde com uma confirmação (ACK) Desperdício de 50% da largura de banda disponível Adaptive Rate Selection (ARS) Quando o sinal fica mais fraco, o débito vai diminuindo progressivamente 54

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