Planeamento e Projecto de Redes Capítulo 6 Breves Considerações sobre Redes Ethernet João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 297
Introdução A Ethernet foi inventada em 1973 tendo como objectivo interligar diferentes equipamentos, no âmbito das redes locais de computadores (LAN, Local Area Networks). A maior parte do tráfego de dados hoje em dia é gerado através de interfaces Ethernet. A popularidade da Ethernet deve-se ao baixo custo da tecnologia, tendo a preocupação de baixo custo estado sempre associada a todos os desenvolvimentos ulteriores. Um LAN ocupa normalmente uma área relativamente restrita, como seja parte de um edifício, um edifício ou um campus. Nos dias de hoje a aplicação de Ethernet alargou-se às redes metropolitanas (Metro Ethernet) e às redes de núcleo (Carrier Ethernet). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 298
Arquitectura e Modelo OSI A Ethernet foi desenvolvida pelo Grupo de Trabalho IEEE802.3 no comité IEEE 802 responsável pelo desenvolvimento de normas para as redes locais e metropolitanas. OSI Rede Ligação de dados Fisica Ethernet LLC 802.2 MAC 802.3 Fisica 802.3 MAC: Medium Access Control LLC: Logical Link Control A Ethernet inclui a camada física e a camada de ligação de dados do modelo OSI. A ligação de dados subdivide-se em MAC e LLC. A sub-camada LLC é responsável ela interface com as camadas superiores e pelo controlo de fluxo e de erros. A sub-camada MAC é responsável por controlar o acesso ao meio, assim como por garantir uma transmissão de informação sem erros. Organiza a sequência de bits recebida em tramas. A camada física tem a ver com o meio de transmissão/recepção de bits, com as propriedades eléctricas, ópticas e mecânicas, o tipo de fichas, etc. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 299
Papel da Sub-camada MAC Em topologias de rede com meio partilhado é responsável pelo controlo de acesso ao meio entre várias estações usando por exemplo o protocolo CSMA/CD. Endereçamento MAC: O endereço MAC constitui o endereço físico de cada estação ligada à rede. Permite identificar a fonte e o destino das tramas. O endereço físico da maioria das estações está impresso na placa de rede da estação (NIC: Network Interface Card) Processamento da trama: Permite identificar os limites e o tipo de tramas. Detecção e correcção de erros: Usa códigos de redundância cíclica para detectar e corrigir erros. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 300
Endereço MAC (IEEE802.3) O endereço MAC IEEE802.3 é constituído por 6 octetos (48 bits) e apresenta a seguinte estrutura: I/G U/L 48 bits 46 bits I/G bit 0 = endereço individual, 1 = endereço de grupo U/L bit 0 = endereço universal 1 = endereço local O bit I/G é feito igual a 0 para indicar que a trama é destinada a uma estação individual (endereço unicast), ou igual a 1 quando a trama é destinada a uma grupo de estações (endereço de grupo). O endereço de grupo pode ser multicast (um grupo determinado), ou broadcast (todas a estações). O bit U/L indica se o endereço corresponde a um endereço indicado pelo IEEE (U/L=0), ou atribuído via software por uma organização (U/L=1). Normalmente os endereços MAC são representados em hexadecimal. Ex: Octeto 0 1 2 3 4 5 Representação Binária 0100 0111 0010 0000 0001 1011 0010 1110 0000 1000 1110 1110 Representação Hexadecimal 47-20 - 1B - 2E - 08 - EE O número de endereços disponíveis é igual a 2 48 = 281 474 976 710 656 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 301
Formato da Trama (IEEE 802.3) A Ethernet usa o formato da trama representado abaixo. Apesar da evolução da tecnologia a estrutura das tramas tem-se mantido inalterada. 7 1 6 6 2 46-1500 4 octetos Preâmbulo S F D Endereço de destino Endereço de fonte Compri mento / Tipo Dados+ Enchimento (Pad) FCS Preâmbulo: sequência de 7 octetos (0101...) que permite a sincronização do receptor, pois este opera em modo burst. SFD (StartofFrame): Padrão de 8 bits (10101011) que indica o início da trama. Endereço de destino e endereço da fonte são campos com 6 octetos. Comprimento/tipo: sequência de 2 octetos que indica o comprimento, ou o tipo do campo de dados. FCS (Frame Check Sequence): Conjunto de 4 octetos que contem o valor do CRC calculado sobre todos os bits da trama com excepção do preâmbulo e SFD. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 302
Especificidades da Trama O campo comprimento/tipo indica um valor entre 0 e 2 16-1 (65 535). Se o valor desse campo estiver situado entre 0 e 1500 indica o comprimento do campo de dados. Se o seu valor estiver situado entre 1536 e 65 535 representa o tipo do campo de dados. O parâmetro tipo é usado por exemplo para identificar as tramas de controlo MAC na operação de controlo de fluxo. O campo de dados é o único campo de dimensão variável(46-1500 octetos). Se o número de octetos do campo de informação for inferior a 46, terão de ser inseridos octetos de enchimento até perfazer esse número. No campo de endereços o primeiro bit colocado a zero indica um endereço unicast (enviado para uma estação),enquanto este bit colocado a 1 indica multicast (grupo de estações). O número total de endereços unicast (ou multicast) é igual a 2 47 =1.4 10 14. Note-se que o espaço de endereços do IPV4 é igual a 2 32 =4.3 10 9. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 303
Ethernet:Tipos Desde a publicação da norma IEEE 802.3 em 1985 a Ethernet evolui desde um serviço half-duplex operando a 10 Mb/s, até a um serviço full-duplex operando a 10 Gb/s. Tipo Débito Modo Topologia CSMA/ CD Suporte Ethernet 10 Mb/s Halfduplex barramento Sim Par simétrico Fast- Ethernet 100 Mb/s Half e full duplex estrela Sim Par e fibra Gigabit- Ethernet 1 Gb/s Half e full duplex estrela Sim Par e fibra 10 Gigabit Ethernet 10 Gb/s Full duplex estrela Não Par e Fibra 100 Gigabit Ethernet? 100 Gbit/s Full duplex estrela Não Par e Fibra Half-duplex Full-duplex CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Ethernet Comutada João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 304
Topologias das Redes Locais Bus: Anel: PC Cabo coaxial T coaxial Carga adaptada PC Estrela (Bus Lógico): Estrela : HUB Switch Trama João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 305
Topologias: Bus A transmissão é escutada por todas as estações. Cada estação é identificada através do seu endereço físico. A B C A B C A B C C C C A envia uma trama para C Não é endereçada a B: é ignorada A trama é copiada por C Como o meio é partilhado é necessário definir regras de acesso ao meio, para evitar que uma estação monopolize a rede e para regular a comunicação em presenças de colisões. Para controlar o acesso ao meio (MAC) em redes em bus usa-se o protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess with Collision Detection). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 306
Topologias: Anel Normalmente à topologia física em anel está associada uma topologia lógica também em anel. A C B C Uma das soluções para o controlo do acesso ao meio é a rede Token Ring. Periodicamente é enviado de estação para estação um testemunho (token). Uma estação só pode transmitir tramas na posse desse testemunho. Quando a estação não tem dados a transmitir limita-se a repeti-lo para a estação seguinte. No anel as tramas em circulação são retiradas pelo nó emissor. D A envia uma trama dirigida para C. A trama passa por B. Este nó ignora a trama. A D C Em C a trama é copiada. Esta continua a circular no anel até A onde é removida. C B C C João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 307
Topologias: Estrela A topologia em estrela usando um hub ou concentrador, corresponde a uma topologia lógica em bus. HUB Rede com Hub: topologia lógica em bus Capacidade Total 100 Mb/s Um hub pode ser visto como um repetidor, com múltiplos portos de saída. O hub responsabiliza-se por regenerar o sinal recebido e retransmiti-lo para todos os outros portos. 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s Rede com switch : topologia lógica em estrela Os switches permitem implementar a Ethernet comutada e estender o modo de operação para full-duplex. Switch 100 Mb/s Capacidade Total N x 100 Mb/s Contrariamente aos hubs que só operam a nível da camada física, os switches operam a nível do MAC. 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 308
IEEE 802.3: Ethernet Comutada O elemento central é uma comutador (switch) Ethernet que envia os dados só para a estação de destino usando o endereço MAC. A rede pode transformar-se num conjunto de ligações ponto-a-ponto com uma topologia física em estrela em substituição do barramento clássico da Ethernet. Rede Ethernet Comutada com dois níveis hierárquicos Switch JUNIPER Gigabit Ethernet switch Fast Ethernet switch Interfaces:10/100/1000 Base-T 100 Base-Fx/1000 Base X, 10 GbE João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 309
Arquitectura da Ethernet P2P e P2MP Dentro da camada física a camada PCS, corresponde à sub-camada responsável por gerar a codificação apropriada para a transmissão no meio físico. No caso da Gbit Ethernet usa-se o código 8B10B, o que implica uma transmissão no meio a 1.25 Gbaud. A 10 Gigabit Ethernet usa o código 64B66B, conduzindo a 10.3125 Gbaud A sub-camada PMA é responsável pela transmissão, recepção, detecção de colisão, recuperação de relógio. A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e MDI corresponde a um conector (ficha). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 310
Codigos mbnb Na Ethernet usam-se códigos binários de blocos mbnb, que permitem converter um bloco de m bits de entrada do codificador, num bloco de n bits na saída. Os códigos de blocos são usados com o objectivo de eliminar a componente dc e de introduzir um número de transições elevado de modo a facilitar a recuperação de relógio. O formato dos códigos é dual, ou seja são usados sequencialmente dois códigos para cada sequência de entrada. Bits de Entrada 000 001 010 011 100 101 110 111 Código 3B4B Modo 1 0010 0011 0101 0110 1001 1010 1100 1011 Modo 2 1101 0011 0101 0110 1001 1010 1100 0100 Um dos problemas associados à utilização destes códigos consiste no aumento do débito com que a informação é transmitida. O débito de símbolo na saída é dado por Ds=Db n/m, onde Db é o débito entrada. Ex: Considere-se o código 8B/10 e um sinal a 1Gbit/s. O débito de símbolo na saída será igual a 1.25 Gbaud, ou 1.25 Gsímbolo/s. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 311
Implementações IEEE 802.3 Formato usado na designação: [Valor1] Base [Valor 2] Valor1 = Débito binário de transmissão: Ex: 100 100 Mb/s Base = Baseband Mode: Transmissão em banda base Valor 2: Tipo de cabo usado (T: Twisted Pair, F, X: Fibra Óptica) Exemplos: 10 Mbit/s Ethernet 10BaseT: Usa pares entrançados UTP de categoria 3 ou 5; max distância = 100 m 10Base F: Usa fibra óptica multimodal 100 Mbit/s Ethernet (PCS: 4B5B) 100BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 100Base FX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 2000 m Gigabit Ethernet (PCS: 8B10B) 1000BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 1000Base SX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 275 m 1000Base Fx; Usa fibra óptica monomodal; max distância = 5000 m João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 312
Tipos de Pares Entrançados Unshielded Twisted Pair (UTP) - Usado em aplicações telefónicas, ethernet, vídeo, etc. - Mais barato e é fácil de instalar - Está sujeito a interferências electromagnéticas externas - Há vários tipos de cabos com diferentes diâmetros Exemplos: Categoria 5: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado na 10 Mb/s e 100 Mb/s Ethernet. Categoria 5e: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado a 100 Mb/s e 1 Gbit/s. Categoria 6: Largura de banda disponível de 250 MHz. Permite débitos de 1Gbit/s a distâncias maiores do que o 5e Categoria 6A: Largura de banda disponível de 500 MHz. Usado na 10 GBE. Shielded Twisted Pair (STP) - Existe uma camada metálica que reduz as interferências - Mais caro e mais difícil de manejar Categoria 7: Largura de banda disponível de 600 MHz. Permite débitos até 10Gbit/s, usando um cabo com quatro pares STP João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 313
Gigabit Ethernet A arquitectura da gigabit Ethernet é a seguinte: MAC 1Gb/s RS GMII PCS PMA PMD MDI PMD Fibra Códificador/Descodificador 8B10B Serializa/Des-serializa Recupera o relógio Transmissor Laser/ Receptor óptico Conector de fibra Normas gigabit Ethernet com fibras ópticas Tipo de Fibra 62.5 μm MMF 1000 BASE- SX (850 nm) Largura de banda (MHZ.km) 160 Alcance (metros) 2 a 220 Tipo de Fibra 62.5 μm MMF 1000 BASE- LX (1300 nm) Largura de banda (MHZ.km) ------- Alcance (metros) ------- RS:Reconsiliation Sublayer GMII: Gigabit Media Independent Interface PCS: Physical Coding Sublayer PMA: Physical Medium Attachment PMD: Physical Medium Dependent MDI: Medium Dependent Interface Outras normas 62.5 μm MMF 50 μm MMF 200 400 2 a 275 2 a 500 62.5 μm MMF 50 μm MMF 500 400 2 a 550 2 a 550 1000Base-ZX (1550 nm) SM ---até 100 km 1000Base-T ( pares de cobre) ---- máx 100 m 50 μm MMF 10 μm SMF 500 N/A 2 a 550 Não suportado 50 μm MMF 10 μm SMF 500 N/A 2 a 550 2 a 5000 A norma 1000 Base T usa como meio de transmissão o UTP de cat. 5e João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 314
10 Gigabit Ethernet As versões actuais da Ethernet operam a 10 Mbit/s, 100 Mbit/s e 1 Gbit/s. 10 Gbit Ethernet (10GbE) é uma versão mais rápida (10 Gbit/s), cuja primeira norma foi publicada em 2002. As aplicações da 10GbE são: curta distância (<100m ): interligação de equipamento de alta velocidade, e servers com volumes de disco elevados; distância intermédia (<3 km): interligação de edíficios e campus; longa distância (<10 km): redes metropolitanas, redes empresariais; ultra longa distância (até 80 km): redes dorsais (backbones). Arquitectura da 10 GbE Total de 72 bits 10GMII Relógio 4 canais @ 2.5 Gbit/s (3.125 Gbaud com 8B10B) MDI Canais ópticos em paralelo ou em série MAC 10Gb/s 32 linhas de dados+ 4 controlo PCS + PMA PMD ou Relógio João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 315
Camadas e Interfaces do Nível Físico 10GMII (10-Gigabit Media Independent Interface) : interface normalizada entre a camada MAC e a camada física. Permite que a camada MAC trabalhe com diferentes implementações da camada física. PCS (Physical Coding Sublayer): responsável pela codificação/descodificação da informação proveniente da camada MAC. Há vários tipos de códigos que podem ser implementados: 64B66B, baralhamento (scrambling), PAM-5, etc. O PAM-5 é um código multi-nível usado na norma 1000-Base T. PMA (Physical Medium Attachment): responsável pela conversão série/paralelo e vice-versa. A sincronização dos relógios também é efectuada ao nível desta camada. PMD (Physical Medium Dependent): responsável pela transmissão do sinal. Têm-se diferentes dispositivos PMD de acordo com o meio de transmissão. MDI (Medium Dependent Interface): refere-se ao conector usado. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 316
Implementação a Nível Físico Há duas alternativas para implementar o 10GbE a nível físico: solução série e solução paralelo. A solução série divide-se em LAN PHY e WAN-PHY. A solução série baseia-se no uso de um canal físico operando a 10 Gbit/s. Na solução LAN PHY usa-se um débito binário de 10 Gb/s. Na solução WAN-PHY o sinal depois de codificado (64/66B) deverá ser compatível com o STM-64 (9.953 Gb/s). Para construir a trama SDH usa-se uma sub-camada entre a PCS e a PMA designada por WIN (WAN interface sub-layer). MUX Comando de laser Sinal Óptico 10 Gbit/s (sem codificação) Na solução paralelo há vários canais múltiplos, que podem ser implementados usando diferentes fibras, ou diferentes comprimentos de onda (WDM). Laser Fibras em paralelo WDM MUX Comando de laser 4 Lasers 4 Fibras Ópticas Comando 4 Lasers de laser 1 fibra óptica MUX WDM Débito binário por fibra 2.5 Gbit/s (sem codificação) Débito binário por fibra 4 2.5 Gbit/s (sem codificação) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 317
Propriedades das Tecnologias Usadas Na implementação série a operação emissão/recepção é relativamente simples e só requer um laser/receptor óptico. A principal desvantagem é que requer electrónica de alta velocidade e lasers com larguras de banda elevadas. Para reduzir a banda de transmissão requerida pode-se usar uma codificação PAM. Na solução paralelo a principal desvantagem é a necessidade de um módulo colector/distribuidor dos diferentes canais e a necessidade de requerer várias fontes/receptores ópticos. A electrónica e as fontes operam, contudo, a débitos mais baixos, o que implica custos mais baixos. As diferentes interfaces para a 10 GbE são as seguintes: Interface Meio PCS Distância Fonte 10GBase-SR Fibra Multimodal (1 par) 64B/66B 100-300 m VCSEL, ou FP laser (850 nm) 10GBase-LR Fibra Monomodal 1 par) 64B/66B 10 km VCSEL, FP (1310 nm) 10GBase-ER Fibra Monomodal (1 par) 64B/66B 40 km Laser DFB (1510 nm) 10GBase-CX4 Par simétrico UTP CAT 5 (4 pares) 8B/10B (PAM) 15 m A norma 10GBASE-X usa o código 8B/10B 10GBase-T Par simétrico UTP CAT 6A ou STP CAT 7 (4 pares) 64B/66B (10-PAM) 100 m 4 pares 833Mbaud 3 bits/baud = 10Gb/s João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 318
Exemplos de Aplicação da 10GbE Interfaces 10 GbE (Nortel) Interfaces Ópticas 10 GbE (Foundry Networks) Intertace WAN não nomalizada pelo IEEE. Suporta uma distância de 80 km em fibra monomodal Interface LAN Short Range Interface WAN Long Range (10 km em fibra monomodal) Fonte : Wikipedia Cabo óptico João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 319
100 Gigabit Ethernet (100 GbE) Na norma da 100 GbE (IEEE802.3ba) foi aprovada em Junho de 2010 A norma só suporta ligações full-duplex e tem os seguintes objectivos: Preservar o formato da trama 803.3 usando o MAC 802.3; Presevar a dimensão máxima e mínima da trama 802.3; Suportar uma taxa de erros binários (BER) melhor do que 10-12 ; Permitir o transporte sobre ONT ( normalizou-se o OTU-4 para o transporte da 100 GbE). As diferentes interfaces para 100 GbE são as seguintes. Interface Meio PCS Distância Implementação 100GBase-SR10 Fibra Multimodal 64B/66B 100 m Cabo com10 pares de fibra (850 nm) 100 GBase-LR4 Fibra Monomodal 64B/66B 10 km 4 lambdas 25 Gb/s (1310 nm) 10GBase-ER4 Fibra Monomodal 64B/66B 40 km 4 lambdas 25 Gb/s (1310 nm) 100GBase-CR10 Par simétrico (10 pares)? 10 m João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 320
Arquitectura da 40 GbE/100GbE Fonte http://www.esnog.net/gore2/gore2- files/higher-speed-ethernet-fernando.pdf João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 321
Interface 100Gbase-LR Fonte http://www.esnog.net/gore2/gore2- files/higher-speed-ethernet-fernando.pdf João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 322