TELECOMUNICAÇÕES Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar

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1 - Aula 3 - REDES PARA INFORMÁTICA 1. INTRODUÇÃO Muito se falou sobre telecomunicações aplicadas as diversas áreas da comunicação. Todas as áreas de uma forma ou de outra são dependentes da computação/informática para funcionar nos dias atuais. Por sua vez a informática também depende das comunicações para que ganhe efetividade. Os modelos de comunicação de rede classificam-se quanto a sua dimensão e aplicabilidade, como veremos a frente. 2. TIPOS DE REDES Um critério para classificar as redes é quanto a sua escala. As redes podem ser divididas em redes locais, metropolitanas e geograficamente distribuídas (ou remotas). A conexão entre uma ou mais redes é chamada de inter-rede ou Internet. A distância é importante como uma métrica de classificação, porque são empregadas diferentes técnicas em escalas distintas. Figura 1 - Escala das redes de computadores As redes dentro de sua área de atuação podem receber as seguintes classificações: - LAN (Local Area Network) Redes Locais - MAN (Metropolitan Area Network) Redes Metropolitanas - WAN (Wide Area Network) Redes de Longa Distância ou Geograficamente Distribuídas - Interligação de redes Internet 1

2 2.1. Redes Locais (LAN) Nas redes locais cada computador tem uma interface de rede que conecta a máquina diretamente ao meio físico da rede. São consideradas redes privadas contidas, normalmente, em um único edifício com até alguns quilômetros de extensão. São amplamente usadas para conectar computadores pessoais, estações de trabalho, equipamentos industriais permitindo o compartilhamento de recursos, como as impressoras e as trocas de informações. As LAN s têm três características que as distinguem de outros tipos de redes: - Tamanho; - Tecnologia de Transmissão; e - Topologia. Como visto, elas tem tamanho restrito, por outro lado esse tamanho reduzido favorece o gerenciamento tornando-o bastante simples. A tecnologia de transmissão quase sempre consiste em um cabo. Quando adotada essa especificidade funcionam em velocidades de 10, 100 e 1000 Mbps, oferecendo baixo retardo com pouquíssimos erros nas transmissões. Dessa forma podemos enumerar as seguintes características das redes locais: - Alta velocidade - Baixa taxa de erros - Distâncias limitadas - Baixo custo de conexão Figura 2 - LAN As redes locais admitem diversas topologias, dentre elas podemos citar: - Anel - Barramentos - Estrela 2

3 Figura 3 - Topologias de Rede 2.2. Redes Metropolitanas (MAN) Redes que geralmente pertencentes a uma organização interligadas entre si. Pode estar no mesmo espaço físico, na mesma cidade ou estado. Utilizam como meio de comunicação, normalmente, o meio óptico (Fibra Ótica) ou sem fio. Isso não impede de se aplicar outra tecnologia de cabos para tal fim. Estas redes são otimizadas para distâncias intermediárias (FDDI) e apresentam um tempo de retardo e taxas de erros um pouco maior que as LAN s O exemplo mais comum de redes metropolitanas é a rede de TV a cabo. Entretanto, ela não é a única. As tecnologias mais recentes para acesso a internet e a própria TV a cabo e/ou digital padronizou outra rede metropolitana sob o protocolo IEEE , mais conhecida por WIMAX. Figura 4 - MAN 2.3. Redes Geograficamente Distribuídas (WAN) Abrange uma grande área geográfica, com freqüência países ou continentes. Esta rede deve conter um conjunto de máquinas cuja finalidade é executar os programas (ou aplicações) do usuário denominadas Hosts. 3

4 Figura 5 WAN As redes de longas distâncias são geralmente montadas por empresas fornecedoras de serviços de telecomunicações, que oferecem interligação entre dois pontos ou redes comutadas com vários pontos. Estes hosts estão sempre conectados por uma sub-rede 1. São redes que necessitam de comutadores, mais conhecidos por roteadores para que seja realizada a comunicação entre as redes, ou linhas de transmissão das redes. Nestas redes os roteadores devem sempre se comunicar, mesmo que estes não estejam ligados diretamente, sob pena de perda da conexão entre uma rede e outra. Figura 6 - Subredes Partindo do principio de sub-redes, é conveniente falar um pouco de comutação de pacotes 2. Normalmente as sub-redes organizadas de acordo com esse princípio são chamadas de sub-rede de store-and-forward (de armazenamento e encaminhamento), ou de comutação de pacotes. Quando o processo de um host tem uma mensagem a ser enviada, esta é dividida em pacotes, onde cada um recebe um número de seqüência. Assim, esses pacotes são injetados 1 A divisão de uma rede em redes menores resulta em tráfego reduzido, simplificação na administração e maior performance, além de resolver problemas de topologia. 2 Encaminhamento de nó em nó. 4

5 individualmente na rede e depositados no host receptor, onde são novamente montados para formar a mensagem original. Observe a figura: Figura 7 - Roteamento Em algumas redes, todos os pacotes devem seguir a mesma rota, em outras, cada pacote é roteado separadamente, seguindo sempre o principio do melhor trajeto. Quem decide qual rota será seguida é o roteador. Esta decisão é tomada por um algoritmo de roteamento implementado neste ativo. Cabe ressaltar que existem vários algoritmos de roteamento. Observe que nem todas as WAN's são comutadas por pacotes, como é o caso de um sistema de satélite. Neste caso, casa antena tem um roteador pela qual envia e recebe os dados. Em alguns casos, os roteadores estão conectados a uma sub-rede ponto a ponto de grande porte, e apenas um deles tem uma antena de satélite. Em geral as WAN s são redes públicas ou de grandes companhias que prestam serviços (OI, Telefônica, por exemplo). Estas redes possuem uma infraestrutura dispendiosa envolvendo, centrais comutadoras, cabos submarinos, sistemas de satélite, etc. e podem oferecer serviços de chaveamento de pacote e chaveamento de circuito (Frame Relay e ATM) TECNOLOGIAS PARA REDES WAN S Para a consolidação do funcionamento da rede mundial possibilitando a ligação entre os mais diversos tipos de tecnologias, computadores e redes, é possível empregar as mais diversas tecnologias, como as seguintes: a) X.25: Comutação de pacotes, com controle de fluxo intenso. b) Frame relay: Comutação de pacotes possui menos controles que X.25, e permite maior velocidade. Ex.: Típico 1,5 Mbps c) SMDS (Switched Multimegabit Data Service): Comutação de pacotes, com velocidades Típicas de 45 Mbps. d) ATM e ISDN banda larga: integração de serviços, com velocidades típicas de 155 e 622 Mbps. 5

6 3. REDES ATM (Asynchronous Transfer Mode) ATM é uma arquitetura de rede de alta velocidade orientada a conexão e baseada na comutação de pacotes de dados. Esta tecnologia foi a resposta às necessidades crescentes de tráfego multimídia, como voz, vídeo, imagens, dados, etc., surgidos na década de 90. O conceito básico envolvido é a adoção de pequenos pacotes de dados de tamanho fixo denominados de células, que podem ser comutados através de hardware, em alta velocidade. O ATM é amplamente utilizado dentro do sistema de telefonia, com freqüência para mover pacotes IP. Por ser utilizado principalmente pelas operadoras para transporte interno, muitas vezes os usuários não percebem sua existência. Várias soluções para backbones comerciais de alta velocidade baseadas em comutadores ATM encontram-se operacionais no mercado. Uma rede ATM consiste de um conjunto de comutadores (switches) ATM interconectados por ligações ATM ponto a ponto. Quando uma rede ATM é projetada, vários tipos de conexões são previstos entre um ou mais subsistemas ATM que envolvem redes locais, redes particulares ou ainda, redes públicas Funcionamento O protocolo ATM encapsula os dados em pacotes de tamanho fixo de 53 bytes (48 bytes de dados e 5 de cabeçalho). No ATM estes pacotes são denominados de células. Uma célula é análoga a um pacote de dados, à exceção que numa das células ATM nem sempre contém a informação de endereçamento de camada superior nem informação de controle de pacote. Este tipo de transmissão de dados é escalável, permitindo que as suas células de 53 bytes possam ser transportadas de uma LAN para outra através de uma WAN. A velocidade do ATM começa em 25 Mbps, 51 Mbps, 155 Mbps e superiores. Estas velocidades podem ser atingidas com cabeamento de cobre ou fibra óptica (com a utilização exclusiva de cabeamento em fibra óptica pode-se atingir até Mbps). Essas velocidades são possíveis porque o ATM foi desenhado para ser implementado por hardware em vez de software, sendo assim são conseguidas velocidades de processamento mais altas. O ATM suporta dois tipos de interface: - Rede-Utilizador (UNI) - Rede-Rede (NNI). A UNI (User-Network Interface) conecta uma rede ATM a um equipamento, o qual pode ser um comutador ou host. Existem dois tipos de UNI: - Pública - Privada. A UNI pública conecta um dispositivo ATM privado a uma rede ATM pública, enquanto a UNI privada conecta usuários ATM a um comutador ATM. 6

7 A interface NNI (Network-Node Interface) descreve a interconexão de dispositivos de rede dentro de uma rede de um único provedor (carrier). A PNNI (Private Network-Node Interface) especifica um protocolo através do qual, comutadores ATM, que são partes de uma rede ATM privada, podem se comunicar. A especificação da PNNI define duas configurações possíveis: - Private Network-Node Interface (PNNI), operando entre dois comutadores; ou - Private Network-Network Interface (PNNI), operando entre dois grupos de comutadores, ou redes ATM. Quando uma NNI interconecta redes públicas ATM, esta é chamada B-ICI (Broadband Inter-Carrier Interface). Figura 8 - NNI e UNI 3.2. Célula ATM A unidade básica de informação ATM é uma célula de tamanho fixo constituída por 53 octetos, ou bytes, como mostra a Figura abaixo. Figura 9 - Estrutura da Célula ATM Os 5 primeiros bytes contém informação do cabeçalho, como identificador de conexão, enquanto os 48 bytes restantes contém os dados, ou payload. Os dados contidos no payload são livres de formatação e caso não sejam completamente utilizados são preenchidos com caracteres ilegítimos. Pelo motivo do switch ATM não ter que detectar o tamanho da unidade de dado, a comutação pode ser realizada eficientemente. O tamanho pequeno da célula é também apropriado para transferências de dados em tempo real, como voz e vídeo. A figura abaixo identifica a estrutura do cabeçalho da célula ATM. 7

8 Figura 10 Célula ATM A primeira parte, GFC (Generic Flow Control) ainda sem uso, será provavelmente definida em termos de Wireless ATM. Originalmente este campo foi designado para controlar o tráfego, no sentido de limitar fluxo de dados durante períodos de congestionamento. No caso PNNI este campo não existe e os 4 bits são acrescentados ao campo VPI. Os próximos campos VPI (Virtual Path Identifier) e VCI (Virtual Channel Identifier) representam o endereço local de uma dada conexão, o que significa dizer que este endereço muda conforme a célula trafega na rede. O próximo campo, PTI (Payload Type Indicator) possui 3 bits. O primeiro deles indica se a célula é de usuário e, portanto, deve prosseguir seu caminho destino, ou se a célula é de controle terminando seu movimento no comutador. O segundo bit chamado CI (Congestion Indicator) é utilizado em um mecanismo de controle EFCI. O terceiro e último bit é utilizado em esquemas de controle de congestionamento tal como PLD (Packet Level Discard) utilizado em sistemas de Qualidade de Serviço assim como o próximo bit CLP (Cell Loss Priority). O último campo do cabeçalho, HEC (Header Error Check), é um mecanismo padrão de verificação de erro Conexões ATM A tecnologia ATM é orientada à conexão e requer que conexões fim-a-fim sejam estabelecidas antes do tráfego de informações começar a fluir. Assim, células são transmitidas através de conexões com circuitos virtuais. Conexões ATM são pré-estabelecidas usando funções de gerenciamento ou são estabelecidas dinamicamente sob demanda usando sinalização. Conexões pré-estabelecidas são referenciadas como PVCs (Permanent Virtual Circuits) e conexões estabelecidas dinamicamente como SVCs (Switched Virtual Circuits). Uma célula ATM é roteada usando os valores VPI e VCI do cabeçalho. O campo VPI em conjunto com o campo VCI formam o rótulo da conexão utilizado pelos comutadores para encaminhar as células ao destino. Os dois identificadores juntamente com o enlace (caminho) físico por onde a célula chega identificam unicamente conexões em cada comutador ATM. 8

9 Em cada comutador, para algumas células, os valores dos campos VPI e VCI são alterados. Para outras, somente os valores VPI são alterados. Duas diferentes conexões no mesmo enlace físico podem ter o mesmo valor VPI. Duas células em enlaces físicos diferentes podem ter o mesmo valor VPI e VCI. Em redes ATM, há distinção entre VP (Virtual Path) e VC (Virtual Channel). Dentro de um caminho físico, certo número de caminhos virtuais (VPs) podem existir. O número de VPs depende do número de bits alocados para o valor VPI. Usando o valor VPI, cada caminho virtual (VP) é identificado. Dentro de um VP, certo número de canais virtuais (VCs) podem existir. O número de VCs depende do número de bits alocados para o valor VCI. Em redes ATM, dois tipos de conexões podem existir: - VPC (Virtual Path Connection): concatenação de VPs para fornecer conexão entre dois pontos finais para transferência de células ATM. - VCC (Virtual Channel Connection): concatenação de VCs para fornecer conexão entre dois pontos finais para transferência de células ATM. A integridade de uma seqüência de células é assegurada dentro de uma mesma VCC. No estabelecimento de uma VCC, parâmetros de tráfego de usuário são negociados entre o usuário e a rede, e a rede monitora esses parâmetros pela duração da conexão. Mecanismos foram definidos para permitir a troca de informações entre as entidades ATM nos níveis VP e VC. Informações de operações são trocadas entre entidades ATM através de células OAM (Operation, Administration and Maintenance). Células OAM são identificadas pelo uso de um VCI específico ou pelo indicador de tipo de payload Circuitos Virtuais A palavra circuito é utilizada em eletrônica para representar caminhos contínuos por onde circulam diferentes correntes elétricas entre os diversos componentes. Circuitos Virtuais (Virtual Circuits VC) no contexto de redes significa caminhos contínuos onde circulam os diversos fluxos de dados. Quando um destes fluxos existem em um VC, uma conexão está em andamento. Em redes do tipo Ethernet e Token Ring este conceito não é utilizado apesar de apresentar as seguintes vantagens: - As características do VC são definidas antes do seu estabelecimento; - Pode ser atribuída ao VC uma largura de banda fixa ou pelo menos um mínimo; - A utilização de VC s para fluxo de dados aperfeiçoa a utilização de buffers. - VCs simplificam o processo de construção de switches rápidos. VCs são criados para conexão entre switches e assim as células do fluxo entre eles são identificadas por números. O processo de chaveamento realizado pelo equipamento fica assim facilitado se baseado nestes números que caracterizam cada VC. O conceito de VC é uma das principais diferenças entre as tecnologias ATM e Ethernet. Os VC s podem ser definidos dinamicamente, Switched Virtual Circuits SVC s, ou definidos pelo administrador de rede e conectados todo o tempo, Permanent Virtual Circuits PVC s. Uma rede ATM é fundamentalmente orientada a conexão. Isto significa que uma conexão virtual necessariamente deve ser estar estabelecida através da rede ATM antes de qualquer 9

10 transferência de dados. A tecnologia ATM oferece dois tipos de conexão de transporte que se completam: Virtual Path VP e Virtual Channels VC. Um VC é um acesso unidirecional feito da concatenação de uma sequência de elementos de conexão. Um VP consiste de um grupo destes canais. Sendo assim, para cada VP existem vários VC s. Cada VP e VC possui um identificador associado, VPI e VCI, respectivamente. Cada conexão virtual em um único caminho (VP) possui distintos VCI s, porém o mesmo VCI pode vir a ser usado em outro VP. Como visto anteriormente, cada célula ATM possui no cabeçalho um campo para VPI (8 bits) e outro para VCI (16 bits). Este endereçamento identifica de forma única uma conexão virtual em uma interface física, ou seja, é uma ligação individual em um caminho de transmissão específico e só tem significado local em um switch. Em outras palavras, cada cabeçalho de célula possui campos VPI e VCI que explicitamente associam a célula com um canal virtual em uma conexão física. Na figura abaixo, a parte inferior mostra o chaveamento apenas de VP s, mantendo os mesmos VC s. Já na parte superior, observa-se o chaveamento de VP s e VC s quando for desejável para manutenção dos parâmetros de QoS. Podemos fazer um paralelo entre o fluxo de informação em uma rede ATM e o fluxo de veículos entre cidades. Considere a célula sendo um veículo, as estradas seriam os VP s e as pistas, diferenciadas pela velocidade, os VC s. Para um carro ir da cidade A para C, pode ir direto, através de VP1 na pista VC5 que garante alta velocidade. Um ônibus poderá usar a mesma estrada, VP1, porém uma pista mais lenta, VC3, por exemplo. Pode haver a possibilidade de passar pela cidade B. Neste caso teria que usar outra estrada, VP2, e uma pista VC3, agora rápida, se for um carro ou VC5, agora lenta, se for um ônibus. Repare que o mesmo VCI foi usado para representar pista lenta e rápida, porem em estradas, VP s, diferentes. Da cidade B até C, outro estrada, VP, seria usada e assim outras pistas, VC s, poderiam ser utilizadas ou não. Figura 11 - Esquema de VP's e VC's 10

11 3.5. Modelo de Referência O ATM tem seu próprio modelo de referência, diferente do OSI e também do modelo TCP/IP. Esse modelo é mostrado na Figura abaixo. Ele consiste em três camadas: - Camada física - Camada ATM - Camada de adaptação ATM Além do que os usuários desejarem colocar sobre elas. Figura 12 - Modelo de Referência ATM A camada física trata do meio físico: voltagens, sincronização de bits e uma séria de outras questões. O ATM não prescreve um determinado conjunto de regras, mas, em vez disso, afirma que as células ATM podem ser enviadas sozinhas por meio de um fio de cobre ou de fibra óptica, mas também podem ser reunidas na carga útil de outros sistemas de operadoras. Em outras palavras, o ATM foi projetado para ser independente do meio de transmissão. A camada ATM lida com células e com o transporte de células. Ela define o layout de uma célula e revela o significado dos campos do cabeçalho. Ela também lida com o estabelecimento e a libertação de circuitos virtuais. O controle de congestionamento também está localizado nessa camada. Como em geral a maioria das aplicações não trabalha diretamente com células (embora algumas possam fazê-lo), foi definida uma camada acima da camada ATM, a camada de adaptação, cuja finalidade é permitir aos usuários enviarem pacotes maiores que uma célula. A interface ATM segmenta esses pacotes, transmite as células individualmente e as remonta na outra extremidade. Ao contrário dos modelos de referência bidimensionais, o modelo ATM é, como mostra a figura acima, um modelo tridimensional. O plano do usuário trata do transporte de dados, do fluxo de controle, da correção de erros e de outras funções do usuário. Por outro lado, o plano de controle se relaciona ao gerenciamento das conexões. As funções de gerenciamento de camadas 11

12 e de planos estão relacionadas ao gerenciamento de recursos e à coordenação entre as camadas. Figura 13 - Comparação do Modelo ATM com outros modelos de referência Como visto no modelo acima, o modelo ATM ainda possui algumas subcamadas. Tal modelo também pode ser simplificado pela tabela abaixo: Tabela 1 - Subdivisão das camadas CAMADA SUBCAMADA FUNÇÕES AAL PHY ATM CS (SC) SAR (SSR) TC (SCT) PM (SMF) Convergência Segmentação e Remontagem Controle genérico de fluxo Inserção e remoção de cabeçalho Interpretação de VPI e VCI Multiplexação e demultiplexação de células Desacoplamento de taxas de células Geração e verificação de HEC Delineamento de Células Geração e recuperação de frames Transmissão pelo meio físico Conversão eletro-ótica 12