Fesp - Tópicos Avançados II - Ethernet

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1 ETHERNET. Fesp - Tópicos Avançados II - Ethernet do IEEE - O padrão Ethernet. O Institut of Electrical and Eletronic Engineers (IEEE), hoje atualmente ITU, é uma organização que estabelece padrões para diversas áreas técnicas. As questões como Energia Nuclear, Lasers e Aparelhos eletrônicos para consumo estão sujeitas à vigilância do IEEE. Esta extensa responsabilidade sobre padrões também inclui a comunicação inter-rede por computadores. O Projeto 802 do IEEE é responsável pela padronização da comunicação inter-rede para todos os métodos de acesso à rede. Diversos grupos de trabalho se responsabilizam por diferentes métodos de acesso. Os grupos de trabalhos individuais são identificados por um sufixo numérico como.3,.4,.5, etc. Damos abaixo a lista dos atuais grupos de trabalho do Projeto 802. Grupo de Trabalho Descrição Bridges da Camada MAC e Gerenciamento de Bridges Controle de link lógico CSMA/CD (Ethernet) 10base5 10base2 10baseT 10broad Token Bus Token Ring Metropolitan Area Networks (MAN) Broadband Local Area Network Fibra Ótica CSMA/CD Sistemas Integrados de Voz e Dados Padrão para Segurança Inter-Operável de LAN Ethernet - Um breve Histórico A Xerox deu inicio ao desenvolvimento de uma rede local de topologia de barramento no Xerox Palo Alto Research Center (PARC) O protótipo do Ethernet sendo executado com sucesso no Xerox PARC A versão 1.0 da Ethernet é introduzida pela Digital, Intel, Xerox. Uma norma de fato. comumente chamada de especificação DIX. Pág. 1

2 A versão 2.0 da Ethernet foi introduzida pela DEC enquanto se aguardava que o comitê do projeto do IEEE completasse o padrão O conselho de padrões do IEEE aprovou o padrão do IEEE para rede de topologia da barramento de 500 metros de banda-base de 10 megahertz (10base5) controlada por CSMA/CD, baseada no trabalho realizado pelas versões 1.0 e 2.0 da Ethernet O conselho de normas do IEEE aprovou o padrão 802.b para rede de topologia de barramento de 185 metros de banda-base de 10 megahertz para ethernet fina (10base2) As atividades contínuas dos comitês do padrão do IEEE incluem LAN de banda larga de CSMA/CD de baixo custo utilizando uma topologia de estrela e a definição de um modem de banda larga para Ethernet (10broad36). Esta norma define como a Ethernet se conecta aos sistemas de banda larga (CATV) comumente encontrados em ambientes de campus universitários. O sub-comitê de 10baseT do padrão criado em meados de 1987 aprovou a especificação do projeto para Ethernet de 10 megabits sobre o fio telefônico de par trançado não blindado em janeiro de A aprovação final por parte da Diretoria do IEEE foi obtida em setembro de A do IEEE é a norma da Camada Física para uma rede de área local utilizando uma topologia de barramento com um método de acesso Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). A do IEEE fornece especificações para todos os componentes de uma rede local Ethernet e também regulamentos para a inter-conexão de componentes, números de conexões do barramento, número total de dispositivos de usuários e retardos de sinais permitidos. Pág. 2

3 CODIFICAÇÃO DE SINAL ETHERNET. Fesp - Tópicos Avançados II - Ethernet As informações colocadas no cabo são constituídas de sinais binários chamados bits. Os bits são constituídos de dois níveis de voltagem geralmente chamados de on (ligado) e off (desligado) ou lógico 1 e lógico 0. Em Ethernet, os valores de voltagem para os bits são 0 volt de CC (corrente contínua) para um lógico 1 e -1,2 volts de CC para um lógico 0. Os bits de ethernet são margens ativadas, significando que o nível lógico não é determinado pela detecção do nível da CC do sinal a um determinado momento, mas pela detcção da mudança de estado ou transição real do nível de voltagem da CC. A Ethernet utiliza um método de codificação de bits denominado codificação Manchester. A codificação Manchester proporciona ao sinal digital um método de alinhamento, ou sincronização, garantindo que as transições aos níveis lógicos ocorram somente durante o centro do período do bit. Os bits são normalmente referidos em grupos conhecidos como bytes ou octetos. Um byte ou octeto, é um grupo de oito bits e é normalmente representado no formato de dois caracteres hexadecimais (hex).os valores hexa legais são de 0 a 9 e de A a F. Pág. 3

4 Tabela de conversão Binário Hexa A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F Pacotes Ethernet. Um pacote é constituído de grupos de bits chamados bytes ou octetos. Um byte é formado de 8 bits representado por dois caracteres hexadecimais. Os pacotes contêm informações sobre endereçamento, sincronização, protocolo e correção de erros, bem como de dados. Destination Address - Endereço da estação ou estações para onde o pacote de dados será enviado. Possui um tamanho de 48 bits (6 bytes). Source Address - Indica o endereço da estação iniciando a transmissão. O endereço da fonte possui um comprimento de 48 bits (6 bytes). Type - Indica o protocolo e nível 3 ( tcp/ip, decnet, ipx) que está sendo transportado. Pág. 4

5 Data - Esse campo contém os dados atuais enviados pela rede juntamente com algumas informações de controle. Caso os dados que estejam sendo enviados possua menos que 46 bytes, é utilizado um padrão especial e bit chamado PAD para completar o mínimo de 46 bytes. Teste de Redundância Ciclica (CRC). Também conhecido como sequência de teste de frame (FCS), esse campo garante que os dados transmitidos ao serem recebidos, sejam os mesmos dados originalmente enviados. TAMANHO DO PACOTE. A norma IEEE define um pacote de tamanho fixo mínimo e de tamanho fixo máximo. O tamanho fixo mínimo de pacote possui 64 bytes (12 bytes de endereços, 2 bytes de tipo, 46 bytes de dados e 4 bytes de CRC. O tamanho fixo máximo possui 1518 bytes ( a mesma informação de overhead para o pacote de tamanho mínimo, mas com um campo de dados de 1500 bytes). O pacote de tamanho fixo mínimo foi determinado com a finalidade de fornecer o melhor tempo de resposta em redes altamente usadas, minimizando o tempo que uma estação deve deferir a outras transmissões. Esse tamanho fixo de pacote também representa um importante papel na detecção de colisões (mais de uma estação tentando transmitir ao mesmo tempo) e na determinação do tamanho máximo da rede. Como veremos nos próximos tópicos, para se detectar uma colisão uma estação deve estar ainda transmitindo seus dados para perceber que foi envolvida na colisão e não apenas estar visualizando a colisão entre duas outras estações na rede. Sabemos que um pacote de tamanho fixo possui um comprimento de 64 bytes, equivalente a 512 bits. Sabemos também que cada período de bit é de 0,1 µ segundo. Ao multiplicarmos 512 bits por 0,1 µ segundo, obtém-se 51,2 µ segundo para a transmissão de um pacote de tamanho fixo mínimo de 64 bytes. Devido a inerentes retardos de propagação em eletrônica e wiring closet, seria normal que dentro de 25,6 µ segundo ( ½ de 51,2 µ segundo), o sinal transmitido chegasses ao ponto mais distante na rede. No caso de ocorrência de uma colisão no ponto mais distante na rede, o sinal de colisão Terá os 25,6 µ segundo remanescentes para voltar ao nó de transmissão, alertando, desta forma, o nó da necessidade de retransmissão. A janela de propagação de direção única de 25,6 µ segundo é também conhecida como domínio de colisão. Pág. 5

6 domínio de colisão. ETHERNET FRAME. A fim de manter um pacote Ethernet diferente do próximo pacote, adicionase overhead na forma de um período quieto compulsório ao final do pacote. Este período quieto é chamado de interframe gap e possui um comprimento de 9,6 µ segundo. Utiliza-se intervalos entre frames basicamente para duas finalidades: A primeira finalidade é garantir a existência de um período quieto específico entre pacotes a fim de permitir a identificação do próximo pacote; A segunda finalidade, refere-se à compensação dos componentes eletrônicos da rede. Pág. 6

7 A estação de transmissão também utiliza uma parte deste intervalo para efetuar um teste nos circuitos para detecção de colisão do transceiver. O sinal de teste de detecção de colisão é chamado de Erro de Qualidade de Sinal (SQE). ESQUEMAS DE ENDEREÇAMENTO ETHERNET. Existem os seguintes tipos de esquemas de endereçamento usados em redes Ethernet. Cada tipo de endereçamento possui finalidades específicas. Endereçamento Específico; Endereçamento Broadcast. ENDEREÇAMENTO ESPECÍFICO. O IEEE especifica que todos os dispositivos endereçáveis de rede deverão possuir um endereço de hardware único composto de 6 bytes de informação. O endereço é gravado em cada cartão do controlador de interface de rede durante a fabricação. A disponibilidade de endereços é rigorosamente controlado pelo IEEE. O IEEE atribui a cada fabricante de hardware de rede um identificador de fabricante exclusivo e um bloco de números que o fabricante normalmente atribui sequencialmente a cada peça de hardware. A combinação do ID (identificação) do fabricante e o número sequencial forma o endereço Ethernet comum de 48 bits (6 bytes). Os 3 primeiros bytes do endereço contêm a identificação do fabricante e os 3 últimos bytes contêm a numeração sequencial. O esquema de numeração é fornecido em formato hexadecimal (0-9 hexa e A-F hexa). O ID D do fabricante pertence à Cabletron Systems. Quando um endereço específico Ethernet é usado como endereço de destino em um pacote, este pacote só poderá ser decodificado pela estação que possuir tal endereço. ENDEREÇO BROADCAST. Pág. 7

8 Um endereço broadcast é um endereço destinado a ser ouvido por todas as estações na rede. Alguns protocolos executados nas estações de trabalho enviarão ocasionalmente mensagens de broadcast a servidores na rede com a finalidade de lhes informar que o nó está on line. Um endereço broadcast contém todos os caracteres FF (hexa), tanto na identificação do fabricante como na área de número sequencial do endereço. Pág. 8

9 MÉTODO DE ACESSO DA ETHERNET (802.3). Agora que já sabemos o que é um frame Ethernet, discutiremos como ele entra, de fato, no wiring closet da rede, também conhecido como acesso ao meio. A Ethernet é tipicamente uma rede local de topologia de barramento. Ele utiliza um método de controle de acesso conhecido como Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, comumente abreviado como CSMA/CD. O acesso ao wiring closet da rede é controlado pela metade inferior da Camada de Enlace de Dados da OSI, devidamente chamada Medium Access Control (Controle de Acesso ao Meio) (MAC). Analisaremos abaixo o processo de transmissão de pacotes a partir de duas perspectivas. A primeira será uma transmissão de pacote limpa, sem interrupção causada por colisão. A segunda será um pacote envolvido em uma colisão. Será útil referir-se a figura acima durante está análise. TRANSMISSÃO DE PACOTES LIMPA. Pág. 9

10 Uma estação desejando fazer uma transmissão, ouvirá o canal de comunicação (o cabo) a fim de verificar se há alguma outra estação transmitindo (Sensor de portadora). Qualquer estação pode acessar a rede se ela não estiver ocupada (Acesso Múltiplo). Caso a portadora seja sentida, a estação de detecção aguardará um comprimento aleatório de tempo e em seguida tentará a transmissão. Caso nenhuma outra estação esteja transmitindo (portadora não detectada), a estação dará inicio à transmissão do pacote transmitindo o preâmbulo e eventualmente o pacote completo. Cada estação deve monitorar continuamente os níveis de sinal do canal de comunicação, enquanto estiver inativa ou transmitindo. Esta monitoração constante tem o objetivo de verificar o status do cabo a fim de determinar se este está livre ou se está sendo usado por uma outra estação. À medida que a monitoração demonstrar que não há nenhuma outra estação transmitindo no cabo, a transmissão do pacote será iniciada e continuará até que seja completada. Uma vez completada a transmissão do pacote, a estação de transmissão permanecerá em silêncio por 9,6 µ segundo a fim de permitir o necessário interframe gap. Após completar o remanescente do interframe gap de 9,6 µ segundo, a estação é capaz de reiniciar o processo de transmissão escutando primeiro para ver se o cabo se encontra disponível. Pág. 10

11 PACOTE ENVOLVIDO EM UMA COLISÃO (Meios multi-ponto) Ao ser transmitido um pacote em um cabo coaxial, o sinal não aparece simultaneamente em todos os lugares. O sinal eletrônico leva um determinado tempo para ir de uma estação a outra na rede. Toda a forma de percurso do sinal permite a ele viajar a uma determinada velocidade. A velocidade máxima, normalmente chamada de velocidade de propagação, é somente uma percentagem da velocidade da luz. Cabos (tanto os de cobre como os de fibra ótica), transceivers e repetidores são itens que adicionam retardos a uma sinal Ethernet. Este tempo de retardo acumulado é chamado retardo de propagação. Devido a retardos de propagação na rede, é possível que duas estações encontrem o canal de comunicação disponível (portadora não detectada), quando ambas as estações começarão a transmitir pacotes. Quando os dois sinais se encontrarem no cabo, ocorrerá uma colisão. Ambos os sinais se juntam e elevam o nível de voltagem no cabo entre -1,49v e -1,63v. Para que uma estação perceba que foi envolvido em uma colisão, ela ainda deve estar transmitindo no momento em que o sinal da colisão chegar a estação. Este requisito não deve causar um problema, pois conforme vimos anteriormente, que o IEEE define que o comprimento mínimo do pacote deve ser suficientemente longo, de forma que quando for atingido o tempo de retardo de propagação de ida e volta do sinal, a estação de transmissão estará ainda transmitindo. Detecta-se uma colisão em um meios multi-pontos pelos elevados níveis de sinal no barramento coaxial causados pela transmissão múltipla. Este tipo de detecção é chamado de Detecção de Colisão no Modo de Recepção. Ao se detectar uma colisão, ambas as estações continuarão a transmitir o que se chama de sinal jam, por um tempo suficientemente longo na forma a garantir que a colisão seja detectada por todas as estações. O sinal jam contém 32 bits de uns e zeros ( ). Em seguida, todas as estações envolvidas na colisão interromperão a transmissão, aguardarão um período aleatório de tempo, conhecido como período de back-off (1,2,4,8,...), a fim de garantir oportunidade igual de acesso ao barramento (Acesso Múltiplo) e em seguida, repetirão o processo de detecção de portadora e de transmissão. Caso ocorra uma colisão na segunda tentativa de transmissão, os dispositivos irão novamente retroceder e aguardar por um período aleatório de tempo, conforme definido pelo algoritmo de back-off de exponencial binário. O retrocesso ocorrerá 16 vezes consecutivas antes que o erro seja enviado ao protocolo de camada superior notificando o dispositivo da ocorrência de um grave problema de comunicação. Pág. 11

12 COLISÃO FORA DA JANELA. Nas seções anteriores, discutimos as razões pelas quais o tamanho mínimo de pacote é de 64 bytes (51,2 µ segundo) em comprimento. A partir de qualquer estação na rede, um pacote transmitido tem 25,6 µ segundo (1/2 de 51,2 µ segundo) para chegar ao final do domínio de colisão. Caso uma colisão viesse a ocorrer no ponto mais distante da estação de transmissão (25,6 µ segundo), considerando-se uma rede sem bridge de tamanho máximo, o sinal de colisão levaria mais 25,6 µ segundo para se propagar de volta à estação de transmissão utilizando assim um período total de 51,2 µ segundo de ida e volta. Caso a estação transmitisse apenas um pacote de tamanho mínimo, ocorrerá uma detecção apropriada de colisão. Com base nas informações acima, é fácil observar que se uma estação for capaz de transmitir um período de 51,2 µ segundo (comprimento mínimo de pacote) sem detectar uma colisão, a estação deve ter adquirido o canal de comunicação. Seu sinal deve ser o único sinal presente na rede e todas as outras estações devem detectar a portadora e ouvir no sentido de determinar a duração do sinal. Caso uma colisão seja detectada após a estação ter transmitido o tamanho mínimo de pacote necessário e caso esteja ainda transmitindo, ocorrerá uma colisão fora da janela, ou seja, a estação transmitiu por um período de 51,2 µ segundo sem uma colisão mas detecta uma colisão após terem passado os 51,2 µ segundo. Colisões ocorridas fora da janela indicam operação anormal da rede. Este tipo de colisão é normalmente causado pelo fato da rede ser demasiadamente longa onde o retardo de propagação da viagem de ida e volta é maior que 51,2 µ segundo ( o domínio de colisão é muito grande), ou por uma estação, em alguma parte da rede, violando o Detector de Portadora e transmitindo livremente, ou por um cabo ter falhado durante a transmissão do pacote em algum lugar da rede. Pág. 12