Unidade 5 Dispositivos de redes Comunicação de Dados Nesta unidade, você estudará os principais dispositivos envolvidos nas comunicações entre as máquinas. São muitos tipos, nomes e funções. Você verá quecada dispositivo pode ser associado a uma camada dos modelos de referência. Verá também que o modismo levou ao mau uso da denominação de switch. Devido a esse problema, quase todos os dispositivos atuais são denominados switch, embora sejam híbridos de bridges e routers, ou um superconjunto desses dois tipos. Figura 1 -Disposição dos componentes básicos de uma rede A Figura 1 mostra como alguns desses dispositivos ficam distribuídos em uma rede básica. O Hub está numa disposição onde pode ser substitído por uma bridge, ou switch. Ao final da unidade, você poderá: Diferenciar os dispositivos Entender as funções de cada um Optar pela utilização de um tipo quando confrontado com problemas de conectividade. Plano de estudo A seguir estão descritas as seções desta unidade. Para manter a jornada bem organizada e registrada, ao final de cada estação, assinale o quadro marcando os trajetos já percorridos. Seção 1 Hubs, repetidores e transceivers Seção 2 Modems Seção 3 NICs Seção 4 Bridges e Switches Seção 5 Roteadores Arquitetura do Roteador Memórias CPU 1
Interfaces Seção 6 - Hosts Seção 1 Hubs, repetidores e transceivers Esses dispositivos podem ser considerados os mais simples envolvidos na comunicação entre as máquinas, uma vez que utilizam apenas os sinais eletricos ou ópticos, sem controle dos dados, erros ou endereços. São dispositivos que funcionam unicamente na camada física do modelo de referência OSI. A grande missão de um dispositivo desses é propagar o sinal recebido em uma porta para todas demais. Obviamente, os erros eventuais são propagados como sinais válidos. Um Hub ou repetidor pode ser visto como um cabo elétrico dentro de uma caixa (wire in a box)- Figura 2. Figura 2 - Um hub do ponto de vista físico Os hubs possibilitaram a instalação das redes na topologia em estrela, sendo o dispositivo onde todas as estações da topologia estão conectadas. Essa centralização reduziu muito a dor de cabeça dos administradores de redes, que antes disso precisavam percorrer todo o cabeamento em busca de algum conector com problema. Os cabos coaxiais que constituiam a topologia em barramento constituiam também múltiplos pontos de falhas. Figura 3 - Hubs possibilitam expandir o tamanho da rede 2
Figura 4 -Pinagem dos cabos de uma estação e de um hub. Figura 5 -Pinagem de um cabo crossover Externamente, um hub (Figura 6) é muito semelhante a um switch de camada 2. Figura 6 - Hub de 24 portas Para conectar duas estações diretamente, sem passar por um dispositivo intermediário, você deve fazer o cruzamento dos pinos no próprio cabo que, com essa concepção, é denominado Crossover (Figura 5). Figura 7 - Um repetidor, regenerando o sinal Além de concentrar o cabeamento em um ponto, os hubs regeneram o sinal que já sofreu distorção e atenuação. Nessa função, desempenham o papel de repetidores, ou repeaters. 3
Transceivers ou transceptores Os transceivers possuem a função de conexão de um nó ao meio físico, fornecendo uma interface elétrica, para permitir comunicação do host com o meio. Atualmente, essa função está acoplada às interfaces de rede (NICs, que você vai ver na próxima seção). A Figura 8 mostra 3 tipos de transceivers para interfaces AUI, com saídas RJ 45, BNC e conectores de Fibra óptica modelo ST. Figura 8 Transceivers Seção 2 Modems Os Modems (MOdulador DEModulador) são responsáveis pela codificação dos sinais digitais de dados em linhas de transmissão originalmente analógicas. Em sua forma mais simples, os modems são compostos de uma unidade de alimentação, um transmissor e um receptor. A unidade de força provê a voltagem necessária para operação do modem. O transmissor é composto por um modulador, um amplificador e circuitos destinados a filtrar, formatar e controlar os sinais, convertendo-os para pulsos elétricos analógicos. Figura 9 - Conexão de dados em linhas analógicas 4
Figura 10 - Tipos de sinais trocados entre os componentes O primeiro modem surgiu em 1956, inventado pela AT&T Bell Laboratories. Seção 3 NICs Esses dispositivos possuem várias nomenclaturas: Adaptadores, placas de rede, cartão de rede, hardware de rede. Tão variado quanto os nomes são as configurações e funcionalidades de cada implementação. Obviamente isso possibilita uma gama de preços também muito variada. Esses dispositivos operam nas camadas 1 e 2 do modelo OSI. Normalmente é dito que um dispositivo opera em uma única camada. Tal afirmação só é válida para os de camada 1. Para os demais, como as NICs, a referência é feita para a camada de operação mais alta. Sob esse prisma, os routers seriam de camada 3, embora precisem comutar entre interfaces (função típica de camada 2). 5
Figura 11 NIC A Figura 11 mostra uma interface de rede antiga, com suporte a vários tipos de conectores. Atualmente, como os conectores RJ 45 predominam em ampla escala, as NICs suportam só esse tipo de conexão, embora algumas possam suportar conectores de fibra (ST, SC), para os casos onde a tecnologia de rede exigir. CPU Cache Network adaptor (To network) Memory I/O bus Figura 12 - Posição da NIC em relação ao Hardware do Host A Interface de rede é a responsável pela codificação dos sinais. No lado receptor da mensagem, a NIC decodifica os sinais. 6
Bus interface Link interface Network link Adaptor Figura 13 - As duas interfaces do adaptador Os adaptadores podem ser vistos como um dispositivo de duas interfaces (Figura 13): Uma cumpre as funções de comunicação com o host (bus inteface) e a outra cumpre as funções de comunicação com o enlace de rede (link interface). Várias outras funções estão a cargo desse dispositivo: Endereço físico do nó da rede Enquadramento (Inserção da mensagem no frame) Detecção de erros Controle do acesso ao enlace Todas essas funcionalidades são executadas de diferentes formas conforme a tecnologia utilizada na rede local onde a interface está conectada. Existem adaptadores para todas as tecnologias de redes locais: Ethernet (10, 100, 1000 Mbps), Token Ring, ATM, FDDI. Ethernet e Token Ring são as mais utilizadas, com mais de 90% do mercado. 7
Figura 14 - Camadas de software acima da NIC Bridges, switches Bom, aqui a coisa começa a ficar mais interessante, mas através de caminhos nem sempre tão claros. Muita confusão é feita em torno da palavra switch (comutador). Segundo Perlman (alvez a maior crítica desse termo), podemos denominar de switch os seguintes dispositivos: Repetidor Multiportas: switch de camada 1 Bridge: Switch de camada 2 Router: Switch de camada 3 Obviamente, essa é uma visão um tanto radical, mas serve para ilustrar a doce confusão da nomenclatura. Extendendo o problema, alguns vendedores chamam alguns dispositivos de switch-hub. O que seria isso? Bom, vamos considerar que pela nomenclatura original, um Hub é um dispositivo central. Portanto, um switch hub é um dispositivo central de comutação, ou simplesmente um comutador (switch). No nosso curso, vamos considerar um switch um dispositivo clássico, que trabalha na camada 2, funcionando como bridge, portanto. Bridges 8
Figura 15 Bridge Uma bridge, ou ponte (Figura 15), é um dispositivo capaz de transportar os sinais de uma redes local (A) para outra (C). A ponte também tem a propriedade de separar as redes em grupos mais gerenciáveis. A ponte mapeia os membros de cada população e gerencia a comunicação entre as populações. Todos os endereços físicos (das interfaces de rede) conectados em cada porta das pontes são mapeados numa tabela (Figura 16). Figura 16 -As bridges mantém tabelas das máquinas que podem ser alcançadas em cada porta 1) Cut-Through ou Store and Forward Os fabricantes de switches normalmente utilizam como método de repasse dos pacotes uma das duas tecnologias acima. Outros podem usar um cut-through modificado. Os dois métodos possuem vantagens e também pontos fracos. O método cut-through repassa um quadro tão logo o switch determine o endereço MAC de destino, e a porta correta para enviar o quadro. Normalmente, o reencaminhamento começa após aproximadamente 14 bytes do cabeçalho terem sido recebidos. Isso tende a reduzir o atrazo porta a porta, que é bem maior no método storeand-forward. Usando essa técnica, os switches podem enfrentar 2 problemas: 9
Endereçar os frames com erros ou malformados Força todas as portas a operarem na mesma velocidade. store and forward Usando esta técnica, os switches evitam de repassar frames malformados ou errados. Os switches com essa técnica armazenam o frame em memória. Método Vantagens Desvatagens Cut-through Menor latência Repassa frames malformados. Todas as portas devem operar na mesma velocidade. Store and forward Malformados são Maior latência descartados. Tabela 1 - Métodos de repasse dos frames Roteadores Um roteador possui a função de receber um pacote (PDU de camada 3) em uma interface, verificar a existencia de erros, e se tudo parecer correto, o endereço de destino deve ser comparado com a tabela de roteamento. Tal tabela irá designar em qual interface o pacote será encaminhado para atingir a rede de destino. 10
Os roteadores tiveram muitas denominações ao longo do tempo: IMP (Interface Message Processor - na época da ARPANET), Gateway (provavelmete devido as funções dos protocolos IGP e EGP, que você verá na unidade 8), IS (Intermediate System Nomenclatura dada pelo modelo OSI) Todos os nomes que se dá aos roteadores são descritivos de uma função desempenhada por esse dispositivo. interface message processor: representa a função de comutar os pacotes de uma rede para outra. Gateway Representa a passagem dos dados de uma rede para chegar a outra rede. Intermediate System mostra o papel de intermediáro, elo de ligação entre os sistemas finais. Nas redes com mais de um caminho para o mesmo destino, os roteadores tem a função de encontrar o melhor caminho. Nem sempre o melhor caminho é o mais curto. A decisão precisa ser baseada em métricas, como a taxa de perdas, o atraso e a banda disponível. Os procedimentos para encontrar esse caminho e compartilhar essa informação com os demais roteadores são denominados protocolos de roteamento. Arquitetura do roteador Basicamente, um roteador possui os mesmos componentes de um computador comum: CPU, Memória, interfaces de entrada/saida (I/O) e dispositivos de armazenamento. 1-Tipos de memória: RAM/DRAM -- armazena tabelas de roteamento, cache ARP, cache de comutação rápida, buffer de pacote (RAM compartilhada) e filas de espera de pacotes; a RAM também fornece memória temporária e/ou em execução a um arquivo de configuração de roteador enquanto ele estiver acionado; o conteúdo da RAM é perdido durante uma falta de energia ou reinicialização NVRAM -- a memória RAM armazena o arquivo de configuração de backup/inicialização do roteador; o conteúdo da NVRAM é retido durante uma falta de energia ou reinicialização Flash -- ROM apagável e reprogramável que retém a imagem e o microcódigo do sistema operacional; a memória Flash permite atualizações do software sem a remoção ou substituição dos chips do processador; o conteúdo da Flash é retido durante uma falta de energia ou reinicialização; a memória Flash pode armazenar várias versões do software IOS 11
ROM -- contém diagnósticos iniciais, um programa de bootstrap e um software de sistema operacional; as atualizações do software na ROM exigem a remoção e substituição de chips que podem ser conectados à CPU. 2-As interfaces: Conexões na placa-mãe ou em módulos de interface separados, através dos quais os pacotes entram e saem de um roteador. Podem-se distinguir dois grupos de interfaces: De configuração e de comutação. Figura 17-Interfaces de configuração de um roteador Interfaces de configuração Console: Do terminal (um computador conectado ao roteador através da porta do console) Auxiliar: Através do modem Terminais virtuais: (VTY 0 a 4), depois de ter sido instalado na rede, través de telnet ou SSH Outras formas de acesso para configuração: Servidor de TFTP, estação de gerência SNMP cliente HTTP 12
Seção 6 Hosts Um host deve ser considerado como um nó terminal de uma rede. Vários nomes são usados, dependendo do contexto ou dos padrões adotados: Host (usado pela comunidade IP) Data terminal equipment, ou DTE (usado pelo padrão X.25) End system, ou ES (usado pela ISO) Station Do ponto de vista do host, a rede pode ser vista como uma grande nuvem, a qual ele está conectado, possibilitando que ele comunique-se com outros hosts conectados a nuvem. Figura 18 - Conexão do ponto de vista do Host Adicionalmente, o termo nó pode ser empregado para denotar um host ou um router. Os hosts possuem nomes que os identificam na Internet. A nomenclatura é determinada através do sitema Hierárquico DNS Domain Name System, ou sistema de nomes de domínio. Um nome de host pode ser www.unisul.br. As interfaces dos hosts são endereçadas, ou seja, possuem identificadores numéricos, em dois níveis: Na camada 3 recebem um número de 32 bits (endereço IP), determinado pelo administrador da rede local, e na camada 2 recebem um endereço físico, de 48 bits, determinado pelo fabricante da NIC. Alguns protocolos, como o ARP, ajudam na tradução de um endereço para o outro. Tecnicamente, os hosts trabalham nas 7 camadas do modelo de referência OSI. Nesses dispositivos é que temos instalados os serviços de rede, como E-Mail (Postfix, Qmail, Sendmail), web server (Apache), salas de bate-papo (IRQ, MSN). Na outra extremidade estão os clientes do modelo, com as aplicções que podem acessar esses serviços: cliente de e-mail (Outlook, ThunderBird, Eudora), browsers (Firefox, Netscape, IE). 13
The first IBM PC (IBM 5150 : 1981) [reproduced courtesy of IBM]. 14