Protocolo Ethernet e Dispositivos de Interconexão de LANs

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1 Protocolo Ethernet e Dispositivos de Interconexão de LANs Prof. Rafael Guimarães Redes de Alta Velocidade Tópico 4 - Aula 1 Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 1 / 31

2 Sumário Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 2 / 31

3 Motivação Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 3 / 31

4 Motivação Motivação Motivação Ethernet é a tecnologia predominante em LANs com fio; Primeira LAN de alta velocidade amplamente disseminada; Tecnologia mais simples e barata; Velocidade igual ou maior do que os outros tipos de tecnologias LAN. Ex: Token ring, ATM ; Hardware de baixo custo. Dispositivos de interconexão de LANs; Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 4 / 31

5 Objetivos Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 5 / 31

6 Objetivos Objetivos Objetivos Introduzir o conceito de Ethernet; Estruturar o quadro Ethernet; Caracterizar o protocolo de acesso múltiplo da Ethernet; Entender as funcionalidades de hubs e switches. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 6 / 31

7 Quadro Ethernet Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 7 / 31

8 Quadro Ethernet Estrutura do Quadro Ethernet Campos Preâmbulo: - 7 bytes com padrão seguido por um byte com padrão ; - Usado para sincronizar as taxas de relógio do transmissor e do receptor. Endereços: Contém o endereço MAC dos adaptadores; Dados: Contém o datagrama IP; - Unidade Máxima de Transmissão (MTU): 1500 bytes. Tipo: indica o protocolo da camada superior, geralmente é o protocolo IP, mas outros podem ser suportados tais como Novell IPX e AppleTalk; FCS (Frame Check Sequence): geralmente é o CRC. Verificado no receptor, se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 8 / 31

9 Protocolo CSMA/CD Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 9 / 31

10 Protocolo CSMA/CD Protocolo CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection; Transmissão só ocorre se canal for detectado como desocupado; Se o nó sabe que está ocorrendo colisão, ele pode parar de transmitir para minimizar a quantidade de tempo perdida na colisão; Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 10 / 31

11 Protocolo CSMA/CD Ethernet - CSMA/CD Algoritmo CSMA/CD 1. Estações escutam o meio (carrier sense); 2. Após escutar o meio: - Se o canal estiver desocupado, estação transmite; - Se o canal estiver ocupado, a estação espera o canal ficar vago, depois transmite (imediatamente). 3. Em caso de colisão, as estações param de transmitir e as retransmissões são controladas por um procedimento de back-off exponencial binário. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 11 / 31

12 Protocolo CSMA/CD Ethernet - CSMA/CD Back-off exponencial Binário Após uma colisão, cada estação retransmite após um número aleatório de slots; O número de slots é escolhido da seguinte forma: Após a 1 a colisão, as estações transmitem aleatoriamente após 0 ou 1 slots com igual probabilidade (se o canal estiver vago); Após a 2 a colisão, as estações transmitem aleatoriamente após 0, 1, 2, ou 3 slots, com igual probabilidade. Após a i-ésima colisão, as estações esperam um número aleatório de slots entre 0 e 2i 1. No padrão, i para de crescer quando chega a 10. Após 16 tentativas de transmissão, considera-se que houve falha. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 12 / 31

13 Protocolo CSMA/CD Conclusões Tecnologia barata e rápida; Quadro Ethernet possui até 1500 bytes para dados (MTU); Caso a MTU seja excedida deve haver fragmentação; Ethernet implementa CSMA/CD comback-off exponencial. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 13 / 31

14 Hub Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 14 / 31

15 Hub Hubs Repetidores de camada física; Bits que chegam de um enlace saem para todos os outros enlaces com a mesma taxa; Estende a distância máxima entre os nós de uma LAN; Nós conectados ao mesmo hub podem colidir entre si, ou seja, pertencem ao mesmo domínio de colisão; Não implementam CSMA/CD; Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 15 / 31

16 Switch Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 16 / 31

17 Switch Switch Dispositivo de camada de enlace Armazena e encaminha quadros Ethernet em todos os enlaces sem colisão; Examina o cabeçalho do quadro e seletivamente encaminha o quadro baseado no endereço MAC de destino; Os nós tem conexão direta e dedicada ao switch; Quando um quadro está para ser encaminhado no segmento, usa CSMA/CD para acessar o segmento. Transparentes Hospedeiros são inconscientes da presença dos switches. Plug-and-play, self-learning (auto-aprendizado) Switches não precisam ser configurados. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 17 / 31

18 Switch Repasse e Filtragem Filtragem é a capacidade do comutador determinar se um quadro deve ser repassado para alguma interface ou deve ser apenas descartado; Repasse é a capacidade de determinar as interfaces para as quais um quadro deve ser dirigido e então dirigir o quadro a essas interfaces. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 18 / 31

19 Switch Modo de operação Store-and-Forward O comutador recebe e armazena os dados até possuir completamente o pacote em um buffer de entrada; Verificação de erros; É feita a filtragem/repasse; O quadro é descartado ou copiado no buffer de saída; Implementado por um conjunto de hardware e software (principalmente). Comutação Acelerada (Cut-Throgh) Este comutador recebe e armazena apenas parte do cabeçalho (6 primeiros bytes), para saber qual receptor do pacote; Filtragem/Repasse é feita; Não há verificação de erros; Implementado somente por hardware. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 19 / 31

20 Switch Tabela de Comutação Pergunta Como o switch sabe que A é alcançado via interface 4 e B via interface 5? Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 20 / 31

21 Switch Tabela de Comutação Pergunta Como o switch sabe que A é alcançado via interface 4 e B via interface 5? O switch possui uma tabela de comutação; Entrada na tabela do switch: (Endereço MAC, Interface, marca de tempo); Entradas expiradas na tabela são decartadas (TTL pode ser 60 min). Switch aprende quais hospedeiros podem ser alcançados através de suas interfaces Quando recebe um quadro, o switch aprende a localização do transmissor: segmento da LAN que chega; Registra o par transmissor/localização na tabela. Como a tabela de comutação é configurada? Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 21 / 31

22 Switch Auto-Aprendizagem Auto-Aprendizagem O comutador tem a propriedade de montar sua tabela de comutação de forma automática, dinâmica e autonomamente sem nenhuma intervenção de um administrador de rede ou de um protocolo de configuração. Processo de auto-aprendizagem 1. A tabela de comutação encontra-se inicialmente vazia; 2. Para cada quadro recebido em uma interface, o switch armazena: a. Endereço MAC que está no campo fonte do quadro; b. A interface de onde veio o quadro; c. O horário corrente; 3. O comutador apagará um endereço na tabela se nenhum quadro que tenha aquele endereço como endereço fonte for recebido após um certo período de tempo. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 22 / 31

23 Switch Exemplo Switch recebe o quadro de C Anota na tabela que C está na interface 1 Como D não está na tabela, o switch encaminha o quadro para as interfaces 2 e 3 Quadro recebido por D; Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 23 / 31

24 Switch Exemplo Switch recebe quadro de D Anota na tabela que D está na interface 2; Como C está na tabela, o switch encaminha o quadro apenas para a interface 1; Quadro recebido por C; Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 24 / 31

25 Switch Propriedades de comutação da camada de enlace Eliminação de colisões Preserva o domínio de colisão; Os comutadores armazenam os quadros e nunca transmitem mais de um quadro em um segmento ao mesmo tempo; Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 25 / 31

26 Switch Propriedades de comutação da camada de enlace Enlaces Heterogêneos Switch isola o tráfego um do outro; Logo os enlaces podem operar em diferentes velocidades; Gerenciamento Se um adaptador não funcionar corretamente e começar a enviar quadros Ethernet constantemente, o switch pode detectar o problema e desconectar internamente o adaptador com problema de funcionamento. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 26 / 31

27 Switch Switches vs Roteadores Ambos são dispositivos store-and-forward Roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam cabeçalhos da camada de rede); Switches são dispositivos da camada de enlace; Roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento; Switches mantêm tabelas de switch, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagem; Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 27 / 31

28 Switch Comparação Hubs Roteadores Switches Isolamento de Tráfego Não Sim Sim Plug and Play Sim Não Sim Roteamento Ótimo Não Sim Não Cut Through Sim Não Sim Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 28 / 31

29 Referências Sumário 1 Motivação 2 Objetivos 3 Quadro Ethernet 4 Protocolo CSMA/CD 5 Conclusões 6 Hub 7 Switch 8 Referências Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 29 / 31

30 Referências Referências KUROSE, James F. e ROSS, Keith W, Redes de Computadores e a Internet: uma abordagem top-down, 6 a. Edição, Ed. Pearson Education do Brasil LTDA. Tópico 4 - Aula 1 Rafael Guimarães 30 / 31