CCNA 1 Conceitos Básicos de Redes Módulo 8 Ethernet Switching Comutação Ethernet 2
Segmentação de Redes Numa Ethernet o meio de transmissão é compartilhado Só um nó pode transmitir de cada vez. O aumento do número de nós aumenta a procura sobre a largura de banda disponível. Aumenta a probabilidade de ocorrência de colisões. Solução: Dividir a rede em domínios de colisão separados com o recurso a Bridges. Uma bridge mantém uma tabela de endereços MAC e as portas a eles associadas. A bridge encaminha ou descarta as tramas com base nas entradas da tabela. 3 Funcionamento de uma Bridge Quando a bridge é inicializada, a sua tabela de endereços MAC encontra-se vazia. A bridge fica à espera de tráfego nas suas portas. 4
Funcionamento de uma Bridge O host A efectua um ping ao host B. Como a bridge, o host A e o host B se encontram no mesmo domínio de colisão, todos recebem a trama. A bridge fica a saber que o host A se encontra no segmento da rede ligado à porta 1. Obtém essa informação através do endereço MAC de origem que se encontra na trama recebida. A informação é colocada na tabela de endereços MAC. O endereço MAC de destino da trama é comparado com os que se encontram na tabela. Se o endereço se encontra na tabela, a trama é enviada para o segmento respectivo a partir do número da porta indicado na tabela. Em caso contrário, a trama é transmitida para todas as portas da bridge com excepção por aquela por onde foi recebida a trama. No nosso exemplo, como a tabela se encontra vazia, a trama é enviada para o segmento ligado à porta 2. 5 Funcionamento de uma Bridge 6
Funcionamento de uma Bridge O host B processa o ping e envia uma resposta para o host A. A trama é transmitida através de todo o domínio de colisão. Tanto o host A como a bridge recebem a trama e a processam. A bridge acrescenta o endereço MAC de origem da trama à sua tabela de endereços MAC. Como o endereço de origem não se encontra na tabela da bridge e como foi recebido na porta 1, o endereço de origem da trama é associado à porta 1 na tabela. O endereço de destino da trama é comparado com a tabela de endereços MAC da bridge. Como o endereço está na tabela, a designação da porta é verificada. O endereço MAC do host A está associado à porta pela qual a trama entrou, de modo que a trama não é encaminhada. 7 Funcionamento de uma Bridge 8
Funcionamento de uma Bridge O host A agora vai fazer ping ao Host C. Como se encontram no mesmo domínio de colisão, tanto a bridge como o Host B recebem a trama. O host B descarta a trama por não ser o seu destinatário. A bridge acrescenta o endereço MAC de origem da trama à sua tabela de endereços MAC. Como o endereço MAC do host A já se encontrava na tabela, a entrada é apenas renovada. O endereço MAC de destino da trama é comparado com a tabela de endereços MAC da bridge. Como o endereço não consta da tabela, a trama é encaminhada para o outro segmento. O endereço do Host C ainda não foi registado porque somente o endereço de origem de uma trama é registado 9 Funcionamento de uma Bridge O host C processa o ping e envia uma resposta para o host A. A trama é transmitida através de todo o domínio de colisão. Tanto o host D como a bridge recebem a trama e a processam. A bridge acrescenta o endereço MAC de origem da trama à sua tabela de endereços MAC. Como o endereço de origem não se encontra na tabela da bridge e como foi recebido na porta 2, o endereço de origem da trama é associado à porta 2 na tabela. O endereço MAC de destino da trama é comparado com a tabela de endereços MAC da bridge. O endereço consta da tabela mas está associado à porta 1. A trama é encaminhada para o segmento ligado à porta 1. 10
Funcionamento de uma Bridge 11 Funcionamento de uma Bridge Quando o host D transmite tramas, o seu endereço MAC também é registado na tabela de endereços MAC da bridge. 12
Comutação na camada 2 Normalmente uma bridge tem duas portas. Divide o domínio de colisão em dois domínios de colisão de menor dimensão. Todas as decisões são baseados no endereço da camada 2 (endereço MAC). Não afectam o endereçamento lógico ou da camada 3. Uma bridge não tem qualquer efeito no domínio lógico (camada 3) ou de broadcast. Não importa quantas bridges existam em uma rede, a não ser que haja um dispositivo como um router que funcione com o endereçamento da Camada 3, a rede inteira compartilhará o mesmo espaço de endereço lógico de broadcast. Uma bridge cria mais domínios de colisão mas não adiciona domínios de broadcast. 13 Comutação na camada 2 Um switch é uma bridge rápida que pode conter dezenas de portas. Em vez de criar dois domínios de colisão, cada porta cria seu próprio domínio de colisão. Um switch constrói e mantém dinamicamente uma tabela CAM (Content-Addressable Memory), mantendo todas as informações MAC necessárias para cada porta. 14
Funcionamento de um Switch Um switch é simplesmente uma bridge com muitas portas. Quando apenas um nó está ligado a uma porta do switch, o domínio de colisão nos meios compartilhados contém apenas dois nós. Os dois nós neste pequeno segmento, ou domínio de colisão, consistem na porta do switch e o host conectado a ela. Estes pequenos segmentos físicos são conhecidos como microssegmentos. Com a utilização de cabos de pares entrançados é possível a transmissão simultânea nos dois sentidos (comunicação full-duplex). 15 Latência A latência é o atraso introduzido pela rede. 1. Atrasos no meio físico causados pela velocidade finita com que os sinais se propagam através do meio de transmissão. 2. Atrasos nos circuito causados pelos circuitos electrónicos que processam o sinal ao longo do caminho. 3. Atrasos de software causados pelas decisões que o software necessita de tomar para implementar a comutação e os protocolos. 4. Atrasos causados pelo conteúdo da trama e onde são feitas as decisões de comutação. Por exemplo, um dispositivo não pode encaminhar uma trama para um destino até que o endereço MAC de destino tenha sido conhecido. 16
Modos de funcionamento de um Switch Cut-throught Um switch pode começar a transferir a trama assim que o endereço MAC de destino for recebido. A comutação feita neste ponto é conhecida como comutação cutthrough e resulta na latência mais baixa através do switch. Não oferece nenhuma verificação de erros. Tanto a porta de origem como a de destino precisam operar à mesma velocidade (comutação simétrica). Fragment Free São lidos os primeiros 64 bytes, que incluem o cabeçalho da trama, e a comutação inicia-se antes de serem recebido todo o campo de dados e o checksum. Evita a comutação de tramas com dimensão menor do que o comprimento mínimo. 17 Modos de funcionamento de um Switch Store and Forward O switch pode receber uma trama completa antes de enviá-la para a porta de destino. Dá ao software do switch a oportunidade de verificar o FCS (Frame Check Sequence). Se a trama for inválida, será descartada. Como a trama inteiro é armazenada antes de ser encaminhada, este modo é conhecido como Store and Forward (armazenar e encaminhar). Utilizado se as velocidades dos vários segmentos não forem iguais (comutação assimétrica). Proporciona ligações entre portas com larguras de banda desiguais, como por exemplo uma combinação de 10, 100 e 1000 Mbps. 18
Spanning-Tree Quando os switches são organizados numa árvore hierárquica simples, não ocorrem caminhos fechados (loops) de comutação. Porém, as redes comutadas são frequentemente projectadas com caminhos redundantes para proporcionar fiabilidade e tolerância a falhas. Os loops de comutação podem ocorrer de propósito ou por acidente. Podem resultar em tempestades de broadcast que podem rapidamente dominar a rede. 19 Spanning-Tree Os switches utilizam o protocolo Spanning-Tree para a neutralização de loops. Cada switch em uma rede local que usa STP envia mensagens especiais denominadas BPDUs (Bridge Protocol Data Units) para todas as suas portas para informar os outros switches da sua existência e para eleger uma bridge raiz para a rede. Os switches então usam o STA (Spanning-Tree Algorithm) para resolver e suspender caminhos redundantes. O resultado é a criação de uma árvore hierárquica lógica sem loops. No entanto, os caminhos alternativos ainda estarão disponíveis caso sejam necessários 20
Domínios de Colisão e de Broadcast 21 Meios Compartilhados Meios compartilhados: Ocorre quando vários hosts têm acesso ao mesmo meio. Meios compartilhados estendidos: Dispositivos de rede podem estender o ambiente para que possa acomodar múltiplos acessos ou distâncias de cabos mais longas. Rede ponto-a-ponto: Um dispositivo está ligado a apenas um outro dispositivo. 22
Domínio de Colisão Domínio de colisão são os segmentos físicos da rede onde podem ocorrer colisões. As colisões fazem com que a rede se torne ineficiente. Cada vez que ocorre uma colisão em uma rede, todas as transmissões são interrompidas por um período de tempo. Os tipos de dispositivos que interligam os segmentos da rede definem os domínios de colisão. Dispositivos da Camada 1 não dividem os domínios de colisão; Dispositivos da Camada 2 e Camada 3 dividem domínios de colisão. A divisão ou aumento no número de domínios de colisão pelos dispositivos das Camadas 2 e 3 é conhecida como segmentação 23 Domínio de Colisão Os dispositivos da camada 1, como repetidores e hubs, aumentam a extensão da rede. Os dispositivos da camada 1 reenviam todo o tráfego recebido. Quanto maior o tráfego dentro de um domínio de colisão maior será a probabilidade de ocorrência de colisões. Diminuição do desempenho da rede. A regra 5-4-3-2-1 oferece directrizes para manter o tempo de atraso da ida e volta numa rede compartilhada dentro dos limites aceitáveis: Cinco segmentos de meios de rede Quatro repetidores ou hubs Três segmentos de host da rede Duas ligações (sem hosts) Um domínio de colisão 24
Segmentação 25 Segmentação com uma bridge 26
Broadcast da Camada 2 Quando um nó precisa comunicar com todos os hosts na rede, envia uma trama de broadcast com um endereço MAC de destino 0xFFFFFFFFFFFF. Os dispositivos da Camada 2 propagam todo o tráfego de broadcast e multicast. O somatório do tráfego broadcast e multicast de é definido como radiação de broadcast. Em alguns casos, a circulação da radiação de broadcast pode saturar a rede de tal maneira que não sobra largura de banda para a informação das aplicações. Esta situação é conhecida como broadcast storm. A probabilidade de broadcast storms aumenta com o crescimento da rede. 27 Domínios de Broadcast Um domínio de broadcast é um agrupamento de domínios de colisão que estão interligados por dispositivos da Camada 2. Reduz a probabilidade de ocorrência de colisões e aumenta a disponibilidade de largura de banda para cada host. Os broadcasts são encaminhados pelos dispositivos da Camada 2. Os broadcasts precisam ser controlados nos dispositivos na Camada 3. Os domínios de broadcast são controlados na Camada 3 pois os routers não encaminham broadcasts. O encaminhamento da Camada 3 é baseado no endereço IP de destino e não no endereço MAC. 28
Domínios de Broadcast 29 Fluxo de informação 30
Segmentos de Rede 31