Redes de Computadores I Conceitos Básicos

Transcrição

1 Redes de Computadores I Conceitos Básicos (9 a. Semana de Aula) Prof. Luís Rodrigo lrodrigo@lncc.br v (baseado no material de Jim Kurose e outros)

2 Protocolos da Camada de Enlace (cont..)

3 /-A Tecnologia-\ Ethernet

4 Tecnologia Ethernet Tecnologia utilizada pela maioria das redes locais Tornou-se uma tecnologia de facto Desde seu surgimento vários padrões foram desenvolvidos de forma a acompanhar as necessidades do mercado. A partir dos anos 90, ela vem sendo a tecnologia de LAN mais amplamente utilizada e tem tomado grande parte do espaço de outros padrões de rede como: Token Ring FDDI ARCNET

5 Padrão Ethernet Protocolo de Rede Local Definido pela norma IEEE Utiliza o CSMA/CD como protocolo de acesso ao meio Originalmente possui capacidade de transmissão de 10Mbps Pode utilizar vários tipos de cabeamento Coaxial Par-trançado Fibra ótica

6 Padrão Ethernet Definido pela norma IEEE Utiliza o CSMA/CD como protocolo de acesso ao meio Originalmente possui capacidade de transmissão de 10Mbps Pode utilizar vários tipos de cabeamento Coaxial Par-trançado Fibra ótica

7 Padrão Ethernet Define: Cabeamento e sinais elétricos para a camada física Formato de pacotes e protocolos para a camada de controle de acesso ao meio (Media Access Control - MAC) do modelo OSI. Presume-se que foi originalmente desenvolvida, a partir de projeto pioneiro atribuído a Xerox Elat foi inventada em 1973, quando Robert Metcalfe escreveu um memorando para os seus chefes contando sobre o potencial dessa tecnologia em redes locais.

8 Padrão Ethernet Em 1976, Metcalfe e David Boggs (seu assistente) publicaram um artigo, Ethernet: Distributed Packet- Switching For Local Computer Networks. Metcalfe deixou a Xerox em 1979 para promover o uso de computadores pessoais e redes locais (LANs), e para isso criou a 3Com. Ele conseguiu convencer DEC, Intel, e Xerox a trabalhar juntas para promover a Ethernet como um padrão, que foi publicado em 30 de setembro de No processo a 3Com se tornou uma grande companhia, e além de se ter tornado conhecida como U.S Robotics, também uma fabricante de processadores digitais.

9 Padrão Ethernet Baseada na idéia de pontos da rede enviando mensagens, no que é essencialmente semelhante a um sistema de rádio, cativo entre um cabo comum ou canal Cada ponto tem uma chave de 48 bits globalmente única, conhecida como endereço MAC, para assegurar que todos os sistemas em uma ethernet tenham endereços distintos.

10 Padrão Ethernet Os padrões atuais do protocolo Ethernet são os seguintes: 10 Mbps: 10Base-T Ethernet (IEEE 802.3) 100 Mbps: Fast Ethernet (IEEE 802.3u) 1 Gbps: Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) 10 Gbps: 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae) 100 Gbps: 100 Gigabit Ethernet

11 Padrão Ethernet CSMA/CD Esquema conhecido como Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Organizava a forma como os computadores compartilhavam o canal. Originalmente desenvolvido nos anos 60 para ALOHAnet - Hawaii usando Rádio Relativamente simples se comparado ao token ring ou rede de controle central (master controlled networks).

12 Padrão Ethernet CSMA/CD Algoritmo para envio: 1) Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo 4; 2) [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua até que o tempo mínimo para o pacote seja detectado para garantir que todos os outros transmissores e receptores detectem a colisão, então segue para o passo 4;

13 Padrão Ethernet CSMA/CD 3) [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores sai do modo de transmissão; 4) [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre; 5) [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, vai para o passo 1, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido;

14 Padrão Ethernet CSMA/CD 6) [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores sai do modo de transmissão;

15 Padrão Ethernet CSMA/CD O algoritmo, funciona como um jantar onde os convidados usam um meio comum (o ar) para falar com um outro. Antes de falar, cada convidado educadamente espera que outro convidado termine de falar. Se dois convidados começam a falar ao mesmo tempo, ambos param e esperam um pouco, um pequeno período. Espera-se que cada convidado espere por um tempo aleatório de forma que ambos não aguardem o mesmo tempo para tentar falar novamente, evitando outra colisão. O tempo é aumentado exponencialmente se mais de uma tentativa de transmissão falhar.

16 Padrão Ethernet via Coaxial Originalmente, implementava um compartilhamento via cabo coaxial, que interligava cada máquina. Os computadores eram conectados a uma unidade transceiver ou interface de anexação (Attachment Unit Interface, ou AUI), que por sua vez era conectada ao cabo. Apesar de que fosse uma solução satisfatória para pequenas Ethernets, não o era para grandes redes, onde apenas um defeito em qualquer ponto do fio ou em um único conector fazia toda a Ethernet parar.

17 Padrão Ethernet via Coaxial Qualquer informação enviada por um computador era recebida por todos os outros, mesmo que a informação fosse destinada para um destinatário específico. A placa de interface de rede descarta a informação não endereçada a ela. Interrompendo a CPU somente quando pacotes aplicáveis eram recebido, a menos que a placa fosse colocada em seu modo de comunicação promíscua.

18 Padrão Ethernet via Coaxial Esta forma de diálogo (um fala e todos escuta) definia o meio de compartilhamento de Ethernet como sendo de fraca segurança, pois um nodo na rede Ethernet podia escutar, às escondidas, todo o trafego do cabo Usar um cabo único também significava que a largura de banda (bandwidth) era compartilhada, de forma que o tráfego de rede podia tornar-se lentíssimo.

19 Padrão Ethernet com Hubs Torna a rede mais resistente à falhas Formam uma rede com topologia física em estrela, com múltiplos controladores de interface de rede enviando dados ao hub Apesar da topologia física em estrela, as redes Ethernet com hub ainda usam CSMA/CD, no qual todo pacote que é enviado a uma porta do hub pode sofrer colisão O hub realiza um trabalho mínimo ao lidar com colisões de pacote.

20 Padrão Ethernet com Hubs Estas redes Ethernet trabalham bem como meio compartilhado quando o nível de tráfego na rede é baixo Como a chance de colisão é proporcional ao número de transmissores e ao volume de dados a serem enviados, a rede pode ficar extremamente congestionada, em torno de 50% da capacidade nominal, dependendo desses fatores. Para solucionar isto, foram desenvolvidos "comutadores" ou switches Ethernet, para maximizar a largura de banda disponível.

21 Padrão Ethernet Comutada Esta redes são conhecidas como: Ethernet Comutada ou Switches Ethernet A maioria das instalações modernas de Ethernet usam switches Ethernet em vez de hubs. Embora o cabeamento seja idêntico ao de uma Ethernet com hub (Ethernet Compartilhada), a Ethernet comutada tem muitas vantagens, incluindo maior largura de banda e cabeamento simplificado.

22 Padrão Ethernet Comutada Sua maior vantagem é restringir os domínios de colisão: Reduzindo a colisão no meio compartilhado Causando uma melhor performace na rede. Redes com switches tipicamente seguem uma topologia em estrela, embora elas ainda implementem uma "nuvem" única de Ethernet do ponto de vista das máquinas ligadas.

23 Padrão Ethernet Comutada Switch Ethernet "aprende" quais são as pontas associadas a cada porta, e assim ele pára de mandar tráfego não-broadcast para as demais portas a que o pacote não esteja endereçado, isolando os domínios de colisão. Desse modo, a comutação na Ethernet pode permitir velocidade total de Ethernet no cabeamento a ser usado por um par de portas de um mesmo switch.

24 Padrão Ethernet Comutada Já que os pacotes são tipicamente entregues somente na porta para que são endereçadas, o tráfego numa Ethernet comutada é levemente menos público que numa Ethernet de mídia compartilhada. Contudo, como é fácil subverter sistemas Ethernet comutados por meios do: ARP spoofing e MAC flooding, bem como por administradores usando funções de monitoramento para copiar o tráfego da rede A Ethernet comutada ainda é considerada como uma tecnologia de rede insegura.

25 Padrão Ethernet Variedades Variações antigas do Ethernet Xerox Ethernet: a implementação original de Ethernet 10BASE5 (Thicknet): usa um cabo coaxial simples em que você conseguia uma conexão literalmente furando o cabo para se conectar ao núcleo. É um sistema obsoleto 10BROAD36: Obsoleto. Ethernet para distâncias mais longas. Utilizava técnicas de modulação de banda larga similares àquelas empregadas em sistemas de cable modem, e operava com cabo coaxial.

26 Padrão Ethernet Variedades Variações antigas do Ethernet 1BASE5: Uma tentativa antiga de padronizar uma solução de LAN de baixo custo. Opera a 1 Mbit/s e foi um fracasso comercial. StarLAN 1: A primeira implementação de Ethernet com cabeamento de par trançado.

27 Padrão Ethernet Variedades Variações do Ethernet 10BASE2 (ThinNet ou Cheapernet) Cabo coaxial de 50-ohm Usando um adaptador T para conectar seu NIC. Requer terminadores nos finais. Por muitos anos esse foi o padrão dominante de ethernet de 10 Mbit/s.

28 Padrão Ethernet Variedades Variações do Ethernet 10BASE5 (Thicknet) : Especificação Ethernet de banda básica de 10 Mbps, Usa o padrão (grosso) de cabo coaxial de banda de base de 50 ohms. Faz parte da especificação de camada física de banda de base IEEE 802.3, Tem um limite de distância de 500 metros por segmento.

29 Padrão Ethernet Variedades Variações do Ethernet StarLAN 10: Primeira implementação com cabeamento de par trançado a 10 Mbit/s. Mais tarde evoluiu para o 10BASE-T. 10BASE-T: Opera com 4 fios (dois conjuntos de par trançado) num cabo de cat-3 ou cat-5. Um hub ou switch fica no meio e tem uma porta para cada nó da rede. Essa é também a configuração usada para a ethernet 100BASE-T e a Gigabit.

30 Padrão Ethernet Variedades Variações do Ethernet FOIRL: Link de fibra ótica entre repetidores. O padrão original para ethernet sobre fibra. 10BASE-F: um termo genérico para a nova família de padrões de ethernet de 10 Mbit/s: 10BASE-FL, 10BASE-FB e 10BASE-FP. Desses, só o 10BASE-FL está em uso Todos utilizando a fibra óptica como meio físico).

31 Padrão Ethernet Variedades Variações do Ethernet 10BASE-FL: Uma versão atualizada do padrão FOIRL. 10BASE-FB Pretendia ser usada por backbones conectando um grande número de hubs ou switches, agora está obsoleta. 10BASE-FP: Uma rede passiva em estrela que não requer repetidores, nunca foi implementada.

32 Padrão Fast-Ethernet Padrão da Ethernet cujo tráfego de dados possui taxa nominal de 100 Mbit/s O padrão mais comum é o 100BASE-TX (T = Cobre do Par Trançado) Fast Ethernet foi introduzido em 1995 e permaneceu a versão mais rápida de Ethernet durante três anos até ser substituído pelo gigabit Ethernet.

33 Padrão Fast-Ethernet Em 1995 a IEEE lançou a norma 802.3u surgindo o padrão 100BASE-T de Ethernet a 100Mbit/s Manteve a compatibilidade e características básicas do antigo padrão Ethernet 10Mbit/s, tais com: o formato do frame (quadro), a quantidade de dados que um frame pode carregar e o mecanismo de controle de acesso chamado de "Detecção de portadora com múltiplo acesso e controle de colisão" (CSMA/CD)

34 Padrão Fast-Ethernet Diferenciando do padrão original apenas na taxa de transmissão de pacotes, o padrão 100BASE-T pode trafegar 10 vezes mais dados do que o formato original. Pode ser usado com um Hub ou switch. Fornece um caminho de migração eficiente e flexibilidade para as redes Ethernet existentes, através do uso de adaptadores de 10/100 (chamados "autosense"); É uma tecnologia conhecida pelos usuários da Ethernet, não exigindo, portanto, qualquer qualificação adicional.

35 Padrão Fast-Ethernet - Variedades 100BASE-T: Designação para qualquer dos três padrões para 100 Mbit/s ethernet sobre cabo de par trançado. Inclui 100BASE-TX, 100BASE-T4 e 100BASE-T2. 100BASE-TX: Usa dois pares, mas requer cabo cat-5. Configuração "star-shaped" idêntica ao 10BASE-T. 100Mbit/s.

36 Padrão Fast-Ethernet - Variedades 100BASE-T4: 100 Mbit/s ethernet sobre cabeamento cat-3 (Usada em instalações 10BASE-T). Utiliza todos os quatro pares no cabo. Atualmente obsoleto Limitado a Half-Duplex.

37 Padrão Fast-Ethernet - Variedades 100BASE-T2: Não existem produtos. Cabeamento cat-3. Suporta full-duplex, Usa apenas dois pares. Seu funcionamento é equivalente ao 100BASE-TX, mas suporta cabeamento antigo.

38 Padrão Fast-Ethernet - Variedades 100BASE-FX: 100 Mbit/s ethernet sobre fibra óptica. Usando fibra ótica multimodo 62,5 mícrons Limite de 400 metros, para conexões Half-duplex Limite de 2 quilômetros (6.600 ft) para Full-duplex É usado uma luz infra vermelho Para distâncias mais longas é necessário o uso de fibra óptica monomodo 100BASE-FX não é compatível com 10BASE-FL, que é a versão de 10MBit/s com fibra óptica.

39 Padrão Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet (GbE ou 1 GigE) é o termo que descreve várias tecnologias para transmissão de quadros a uma velocidade de Gigabit por segundo Definido no padrão IEEE Começou a ser desenvolvida em 1997 pela IEEE Acabou por se ramificar em quatro padrões diferentes. São eles: 1000baseLX, 1000baseSX, 1000baseCX e o 1000baseT.

40 Padrão Gigabit Ethernet O Gigabit Ethernet é padronizado pelo grupo de trabalho da IEEE 802.3z Permite operações Half-Duplex e Full-Duplex Utiliza o formato do quadro Ethernet 802.3; Utiliza o método de acesso CSMA/CD com suporte para um repetidor por domínio de colisão; Oferece compatibilidade com tecnologias 10Base-T e 100Base-T.

41 Padrão Gigabit Ethernet Quanto à distância dos enlaces, foi definido que: Fibra óptica multímodo máximo de 500 metros; Fibra óptica monomodo máximo de 3 Km; Baseado em cobre máximo de 25m

42 Padrão Gigabit Ethernet Os padrões 1000baseLX, 1000baseCX e 1000baseSX são padronizados pelo IEEE 802.3z, Já o padrão 1000baseT está padronizado pelo IEEE 802.3ab. O quadro ethernet que se mantém em virtude da compatibilidade com as demais tecnologias ethernet. A rede Gigabit Ethernet suporta transmissões no modo Half-duplex e Full-duplex. No geral, ela é compatível com as suas antecessoras, mas algumas mudanças foram necessárias para se suportar o modo Half-duplex.

43 Padrão Gigabit Ethernet - Half O controle das transmissões no modo Half-duplex é efetivado pelo CSMA/CD. Outra mudança foi a introdução da rajada de quadros frame burst. A rajada de quadros é uma característica opcional, através da qual uma estação pode transmitir vários pacotes para o meio físico sem perder o controle. A transmissão em rajada é feita preenchendo-se o espaço entre os quadros com bits, de maneira que o meio físico não fique livre para as outras estações transmitirem.

44 Padrão Gigabit Ethernet - Full A banda aumenta de 1 para 2 Gbps, aumentam-se as distâncias de alcance e é eliminada a colisão. O controle das transmissões não é feito pelo CSMA/CD, mas pelo controle de fluxo (Flow Control). O mecanismo Flow Control é acionado quando a estação que está recebendo os dados se congestiona

45 Padrão Gigabit Ethernet - Full Ela envia de volta um quadro chamado Pause Frame, que determina a parada de envio de informações durante um intervalo de tempo. A estação que está enviando dados espera o tempo determinado e logo após volta a enviar os dados, Ou então a que está recebendo os dados envia um pacote com o time-to-wait igual a zero e as instruções para que o envio seja recomeçado.

46 Padrão Gigabit Ethernet - Padrões 1000BASE-T: Tecnologia mais viável, caso a rede possua menos de 100 metros, Utiliza cabos par-trançado categoria 6 Permite a integração de hosts 10, 100 e 1000 megabits, sem que os mais lentos atrapalhem no desempenho dos mais rápidos. Como a taxa de transmissão é maior, o índice de pacotes perdidos acaba sendo muito maior que nas redes de 100 megabits.

47 Padrão Gigabit Ethernet - Padrões 1000BASE-T: No Padrão 1000baseT o número de pares de cabos usados difere dos demais utilizados em padrões anteriores Utiliza os quatro pares disponíveis no par trançado, por este motivo que ele consegue transmitir a 1000 mbps diferente das demais que utilizam somente dois pares desse cabo.

48 Padrão Gigabit Ethernet - Padrões 1000BASE-CX: Padrão inicial para Gigabit Ethernet sobre fio de cobre com alcance de até, no máximo, 25 metros. Nela o cabeamento é feito com cabos STP Ainda é usado para aplicações específicas onde o cabeamento não é feito por usuários comuns O IBM BladeCenter usa para conexão ethernet entre os servidores blade e os módulos de comutação.

49 Padrão Gigabit Ethernet - Padrões 1000BASE-SX: Uso de fibras ópticas nas redes, e é recomendada nas redes de até 550 metros. Ela possui a mesma tecnologia utilizada nos CD- ROMs, por isso é mais barata que a tecnologia 1000baseLX, outro padrão que utiliza fibras ópticas.

50 Padrão Gigabit Ethernet - Padrões 1000BASE-LX: Única alternativa para rede superiores a 550 m Capaz de atingir até 5km utilizando-se fibras ópticas com cabos de 9 mícrons. Cabos com núcleo de 50 ou 62.5 mícrons, com freqüências de, respectivamente, 400 e 500 MHz, que são os padrões mais baratos nesta tecnologia, o sinal alcança somente até 550 metros, compensando mais o uso da tecnologia 1000baseSX, que alcança a mesma distância e é mais barata.

51 Padrão Gigabit Ethernet - Padrões Todos os padrões citados são compatíveis entre si a partir da camada Data Link do modelo OSI. Abaixo da camada Data Link fica apenas a camada física da rede, que inclui o tipo de cabo e o tipo de modulação usada para transmitir os dados através deles. A tecnologia 1000baseLX é utilizado com fibra do tipo monomodo, por este motivo que ela pode alcançar uma maior distância em comparação com o padrão 1000baseSX.

52 Padrão 10 Gigabit Ethernet O Ethernet 10 Gigabit ou 10GbE ou 10 GigE foi publicado primeiramente em 2002 como IEEE Std 802.3ae-2002 Possui uma taxa de transferência de dados de 10 Gbit/s, dez vezes mais rápido que a Ethernet Gigabit. Padrões 802.3, referentes a 10GbE: 802.3ae-2002 (fibra -SR, -LR, -ER e -LX4 PMDs), 802.3ak-2004 (CX4: cobre twin-ax tipo Infiniband), 802.3an-2006 (10GBASE-T cobre par trançado), 802.3ap-2007 (cobre backplane) 802.3aq-2006 (fibra -LRM PMD).

53 Padrão 10 Gigabit Ethernet Está sendo implementada rapidamente em: LAN's (Local Area Network), MAN's (Metropolitan Area Network) e WAN's (Wide Area Network) Devido ao seu grande potencial de transmissão de dados e seu longo alcance sem necessidade de repetidores (na casa de 40 quilômetros).

54 Padrão 10 Gigabit Ethernet É importante lembrar que o aumento da velocidade leva à reduzida duração do tempo de bit. Em transmissões 10 GbE, a duração de cada bit, ou seja, o tempo de envio entre dois bits consecutivos, é 0,1 nanossegundo. Em outras palavras, podemos ter bits de dados na GbE, no mesmo intervalo de um só bit na 10 Mbps Ethernet. Suporta apenas conexões full duplex os quais podem ser conectados com switches. Operações half duplex e CSMA/CD não são suportadas em 10GbE.

55 Padrão 10 Gigabit Ethernet Características básicas: exclui-se o algoritmo CSMA/CD do subnível MAC, uma vez que ela opera apenas ponto a ponto. seu modo de transmissão é somente Full-Duplex, e o cabeamento a ser utilizado pode ser: fibra óptica multímodo e monomodo cabeamento UTP Categoria 6a.

56 Padrão 10 Gigabit Ethernet Desvantagem: pode ser somente ponto-a-ponto, então ela tem usos bastante específicos, como em backbones. Atualmente a tecnologia já está implantada no projeto Internet2 O projeto Internet2 é uma iniciativa do governo dos EUA, onde estão sendo montados e interligados vários backbones em todo o mundo. O objetivo da Internet2 é desenvolver e aprimorar tecnologias para a Internet

57 ... Padrão 100 Gigabit Ethernet

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