Dispositivos de Interconexão Esta aula tem por objetivo a apresentação dos diversos dispositivos de interconexão utilizados pelas redes de comunicação. Interconexão de Redes Internetworking, ou mais simplesmente internet, é a interconexão de duas ou mais redes. Nos dias de hoje, a Internet (com i maiúsculo) é, somente, a interconexão de muitas redes ao redor do mundo. Como existem muitos tipos de redes, e em cada uma delas podem rodar protocolos diferentes, o problema de interconexão para essas redes tem despertado muita atenção. Os tipos de tráfego para a função de internet podem ser classificados como segue abaixo. Estes tipos tráfegos estão ilustrados na figura 1. 1. LAN para LAN; 2. LAN para WAN; 3. WAN para WAN; 4. LAN para WAN para LAN. Figura 1: Tipos de Interconexão de Redes No Modelo de Referência OSI, o Internetwork, o trabalho de interconexão, é feito ao nível da Camada de Rede (Network Layer). É nesta Camada de Rede que se realiza o Relay, o gerenciamento de conversões (de protocolos), quando um pacote passa de uma rede para outra. A Camada de Rede pode ser dividida em três subcamadas: Subnet Access Sublayer (Subcamada de Acesso a Subrede): gerencia o protocolo de camada de rede para a subrede especifica; Subnet Enhancement Sublayer (Subcamada de Melhoramento da Subrede): projetada para compatibilizar subredes que oferecem serviços diferentes; Internet Sublayer (Subcamada de Interconexão): responsável pelo roteamento fim a fim (endto-end). Quando um pacote chega a uma posição de relay, ele deve subir até a subcamada de interconexão (internet sublayer) para nela poder fazer a conversão de protocolos de camadas inferiores. A função Relay e as Subcamadas da Camada de Rede são ilustradas na figura 2.
Figura 2: Função Relay e as Subcamadas da Camada de Rede Tipos de Relays: Layer 1: Repetidores e Concentradores. Copiam bits individuais entre dois segmentos de cabo (repetidor) ou distribui sinais para estações ligadas em estrela (concentrador). São dispositivos de baixo nível que regeneram sinais elétricos. Repetidores e concentradores são chamados de Hubs. Um exemplo: Em um prédio de 8 andares, poder-se-ia fazer um cabeamento do tipo espinha dorsal ou em estrela, utilizando um repetidor multiportas, conforme figura 3. 8.o Andar HUB 8.o Andar Térreo 4.o Andar Térreo Opção utilizando repetidores Individuais Opção usando um repetidor Multiportas Figura 3: Função Relay de Layer 1: Repetidores O hub utilizado acima tem 8 portas AUI. Poderia também ter portas BNC ou FOIRL. Outro tipo de hub bastante utilizado é o concentrador de portas Ethernet em Par Trançado (RJ-45). Seu uso torna as tarefas de projeto e manutenção das redes bastante simplificadas. Na verdade, um hub Ethernet contém circuitos eletrônicos de modo a trazer o duto para dentro da caixa. Desta forma, todas as estações estão conectadas diretamente na caixa formando um star-shapped-bus ( barramento estrela compartilhada). A grande vantagem do esquema é a facilidade de manutenção e gerenciamento. Hubs Ethernet modernos provêem a capacidade de controle por porta, evitando, inclusive, que estações possam acessar dados que não lhe sejam endereçados (em modo promíscuo).
Layer 2: Bridge. Armazena e re-envia frames (quadros) entre LANs. Recebe um frame e passa à Data Link Sublayer onde o checksum é verificado. É passado de volta à camada física para ser enviado a uma subnet diferente. Layer 3: Gateways. Armazena e re-envia pacotes entre redes diferentes. São também chamados de Routers. Redes interconectadas por gateways podem diferir muito mais que aquelas interconectadas por bridges. Layer 4: Protocol Converters. Fornecem interfaceamento em camadas mais altas. Dispositivos de Interconexão ou Equipamentos de Redes Existem duas classes de dispositivos de interconexão, ou equipamentos de redes, como são mais conhecidos: equipamentos ativos e equipamentos passivos. Os equipamentos ativos possuem algum nível de inteligência para a operacionalização da rede, enquanto que os equipamentos passivos não têm nenhum grau de inteligência. Equipamentos Ativos Repetidores (Repeaters) Dispositivo que recebe sinais elétricos do barramento de uma determinada rede e repete-os (envia-os) para o barramento de uma segunda rede. Isto faz com que as redes comportem-se como uma única rede, possuindo inclusive o mesmo endereço lógico. Podem ser utilizados para: Estender a rede a distâncias maiores que 185 ou 500 metros, no caso de Ethernet BNC (cabo coaxial fino) ou AUI (cabo coaxial grosso), respectivamente. São regularmente utilizados quando se tem cabos muito longos e, consequentemente, a potência do sinal não é suficiente para fornecer a corrente elétrica necessária por toda a extensão do cabo; Implementar topologias em estrela, como ilustrado na figura 3 acima, ou ainda permitir conectar dois segmentos de uma rede que trabalhem diretamente no nível físico, conforme figura 4. Só podem ser utilizados para interligar segmentos de rede iguais, por exemplo Ethernet para Ethernet. Figura 4: Repetidores
Hubs O hub, ilustrado nas figuras 5 e 6, é apenas um concentrador. É um equipamento que permite a ligação de vários computadores através de portas com conectores RJ45, AUI, BNC e FOIRL, ligados a um só ponto de rede. Internamente, o hub utiliza a topologia em barramento para conectar as estações. Figura 5: Hub Figura 6: Empilhamento de Hubs Por fornecer uma posição para que todos os cabos de uma se encontrem, o hub permite que qualquer dispositivo conectado a ele tenha acesso físico a qualquer outro dispositivo também conectado. Hub Passivo Um hub passivo é um hub que fornece somente uma posição central onde todos os cabos se encontrem, não fornecendo funções adicionais. Hub Ativo Um hub ativo fornece uma posição central onde todos os cabos se encontrem, além de fornecer no mínimo uma segunda função. A função mais comum é poder funcionar como um repetidor, porém, também funcionar como uma bridge ou um roteador, são outras possibilidades.
A possibilidade de exercer a função de Hub-Switch é ilustrada na figura 7. Bridges (Pontes) Figura 7: Hub Switch Dispositivo que recebe blocos de informações de um segmento de rede, armazena-os e os transmite para outro segmento de uma outra rede. Somente envia para a rede, o sinal que a pertence, evitando assim que estações fiquem escutando mensagens que não pertencem a elas. A bridge não tem capacidade de converter protocolos, por isso é necessário que as redes falem o mesmo protocolo. A função bridge é ilustrada na figura 8. Onde bridges são necessárias: Figura 8: Bridges 1. Para dar autonomia a diferentes subredes que querem se comunicar; 2. Para interconectar subredes localizadas em áreas geograficamente espalhadas; 3. Para acomodar carga de tráfego, conforme ilustrado na figura 9; 4. Para conectarem poucas, mas distantes estações; 5. Por confiabilidade, devido as bridges poderem ser colocadas em lugares críticos; 6. Por segurança, pois colocando bridges podem-se isolar redes que contenham informações sensíveis.
Figura 9: Distribuição de Tráfego em uma Bridge Devemos notar que com o surgimento das switches, as bridges perderam grande parte de suas funções em uma rede de comunicação. Uma bridge, sendo um dispositivo de hardware ou de software projetado para conectar segmentos diferentes de uma rede, permite que segmentos de um grupo de computadores possam se comunicar uns com os outros, sem a necessidade de um dispositivo de interconectividade para se interligarem. Por exemplo, podemos usar uma bridge para conectar dois segmentos Ethernet e um segmento Token Ring a um outro segmento Ethernet, conforme figura 8. Podemos usar com sucesso uma bridge para ligar qualquer rede a qualquer outra, contanto que os segmentos de cada rede usem o mesmo protocolo de alto nível, tal como o TCP/IP. Se as redes usam os mesmos protocolos de nível superior, elas podem se comunicar entre si independente de qual tipo de máquinas você está conectando. Problemas conectando protocolos diferentes 1. Diferentes formatos de dados: Preâmbulo; Controle de frame; Comprimento de frame; Delimitador de fim. 2. LANs interligadas nem sempre tem a mesma velocidade: Ethernet - 10 Mbps; Token Bus - 10 Mbps; Token Ring - 4 Mbps. 3. Cada LAN tem um comprimento máximo para o frame: Ethernet - 1.518 bytes; Token Bus - 8.191 bytes; Token Ring - não existe limite no tamanho, mas no tempo (5.000 bytes a cada 10 microssegundos). A bridge acaba adaptando os frames de uma rede Ethernet (1.518 bytes) com os de uma rede Token Ring (4.202 bytes). Também, é responsável por fazer a segmentação de tráfego entre duas redes,
através da técnica de endereçamento MAC. Assim, pode-se perguntar: Como a ponte sabe se ela deve ou não retransmitir o quadro para o outro segmento? Uma estação A transmite um quadro a uma estação B quando: a ponte passa a saber que A está no segmento 1, mas ainda não sabe onde está B; a ponte envia o quadro para o segmento B, quando B responde à consulta de A; a ponte descobre o segmento de B e estas informações são mantidas em uma tabela de endereçamento, conforme figura 10. Assim, uma bridge realiza as seguintes funções: Figura 10: Tabela de Endereçamento de uma Bridge Descoberta: um lado da bridge informa ao outro lado que tem algo a transmitir para ele; Filtragem: a bridge interpreta as informações para o protocolo usado no lado de destino; Encaminhamento: a bridge transfere as informações para seu próprio endereço no lado de destino. As bridges são muito simples. Como qualquer bridge, uma bridge de LAN tem três partes: duas partes que ficam em cada um dos lados da rede e a terceira que é uma ponte entre elas, conforme visto na figura 11. Figura 11: Topologia da Bridge Como dito anteriormente, um segmento é uma parte de uma rede cliente/servidor que tem, ou seu próprio servidor de arquivos ou sua própria bridge. Pode-se usar a bridge não apenas como um
intérprete, mas também como um guarda de trânsito. Se perceber que um segmento da rede está realmente ocupado, podem-se eliminar congestionamentos fazendo a função de bridge para aquele segmento da rede, essencialmente, dividindo-a em subsegmentos, conforme figura 12. Quando se tiver feito isso, todos os segmentos recentemente divididos ainda poderão alcançar o servidor de arquivos, permitindo a bridge ajudar a gerenciar melhor o tráfego e ajudar a eliminar os congestionamentos. Figura 12: Topologias de uma Bridge As bridges têm um problema: elas não são mais eficientes do que uma rede comum. Uma vez que o intérprete tenha filtrado a mensagem e dado-a ao corredor, a mensagem tem de viajar até seu destino na maneira normal daquela rede por broadcasting ou sendo entregue nó a nó. Ou seja, as bridges para bloqueiam mensagens em broadcast. Para isto, existe um tipo de dispositivo que, embora funcione apenas quando conecta redes ou segmentos com o mesmo protocolo, pode enviar dados diretamente para seu destino. Esse dispositivo é o roteador. Bridges Transparentes Adotadas pelos protocolos Ethernet e Token Bus e ilustrada na figura 13. Figura 13: Bridges Transparentes Cada bridge tem uma tabela listando cada possível destino, e a qual linha de saída pertence. Na bridge 2, a estação A aparece na lista de LAN 2.
Inicialmente as tabelas estão vazias. Quando um frame chega para um destino desconhecido, ele é enviado para todas as possíveis saídas e o algoritmo usado para se preencher as tabelas é o backward learning. Sua principal característica é a fácil utilização. Switches (Comutadores) O switch, ilustrado na figura 14, é um equipamento utilizado para segmentar uma rede em pedaços menores, com intuito de melhorar a performance. O switch é inteligente para determinar o destino de um pacote de dados e saber para qual segmento de rede este deve ser enviado. Desta forma, os demais segmentos da rede não serão acionados. Figura 14: Switches O switch, sendo um hub com endereçamento de portas, trabalha no nível 2 do modelo OSI e faz endereçamento através do endereço MAC de cada estação permitindo para segmentar o tráfego da rede. Dois tipos de switches são encontrados: os workgroup switches e os enterprise switches. Workgroup Switches São utilizados em uma LAN para isolar grupos específicos de usuários dentro de uma rede, normalmente, com um servidor próprio, além daquele utilizado por toda a rede. A topologia das redes que empregam switches para a função exclusiva de segmentação, com apenas um servidor não são muito interessantes, pois, todas as estações de trabalho de todos os hubs conectados ao switch estarão concorrendo a um segmento único de rede para acessar o servidor. A diferença básica entre um hub e um hub switch é o fato de que um hub se comporta como um repetidor, ou seja, a informação presente em uma porta qualquer deste dispositivo é repetida para todas as demais portas deste. Já o switch é um hub com endereçamento de portas. A cada porta de switch há um endereço correspondente único, assim, uma informação endereçada a uma porta específica do switch estará presente apenas nesta porta, deixando as demais livres para tratamento dos dispositivos a elas conectados. Desta forma, um switch pode tratar mais de um dispositivo ao mesmo tempo. Portanto, no caso de uma rede com mais de um servidor, o desempenho da rede é melhorado, pois cada servidor será conectado a uma porta específica do switch, assim como os hubs, podendo ser acessados simultaneamente pelas estações de trabalho. Enterprise Switches Servem também para conectar vários departamentos ou grupos de usuários, além de permitir conexão de várias LANs separadas remotamente, criando o backbone WAN. Os enterprise switches servem como acesso a serviços públicos de dados e os backbone switches atuam como dispositivos de interligação de alta velocidade para as chamadas Redes Locais Virtuais (VLAN). Switches Ethernet Os grandes problemas da tecnologia Ethernet, oriundos do fato de ser um duto e ter o controle de acesso distribuído, as colisões, a susceptibilidade a ruídos eletromagnéticos e a segurança (hacking). A tecnologia de pares trançados resolveu em parte estes problemas: a imunidade a ruído é muito boa, e alguns hubs mais modernos, isolam o tráfego por estações. Entretanto, o problema das colisões continua.
Os inventores das switches exploraram exatamente este problema. Uma switch nada mais é do que um hub ethernet em que o acesso, por porta, é controlado, de modo que as estações não colocam seus dados de forma (persistente). Existem buffers para cada porta e o acesso é então, feito de forma organizada. Além disso, as transferências entre as portas são feitas a velocidades muito superiores que os 10 Mbps, de forma que uma switch garante a velocidade máxima para cada porta. Dois pontos adicionais completam esta tecnologia que está revolucionando os projetos de redes: tem portas de alta velocidade para conexão com servidores; cada porta pode ser utilizada por uma estação ou por um grupo de estações (segmentos). Gateways Operam ao nível de Camada de Rede (Network Layer). São comumente usados em redes WAN. Trabalham de forma orientada a conexão (connection-oriented). Problemas ocorrem quando um gateway conecta duas redes WAN pertencentes a organizações diferentes. O gateway é dividido em dois e conectado por uma linha qualquer. Routers (Roteadores) Figura 15: Gateways Dispositivo que entende e interpreta os protocolos da camada de rede, enviando pacotes de informações somente quando necessário. Percebe-se que neste caso existem duas redes distintas com endereços lógicos distintos e que o router é um mecanismo que identifica quando um determinado pacote de informações pertence à outra rede e transmite-o imediatamente. O router, ilustrado na figura 16, pode converter protocolos, interligando diferentes redes. Figura 16: Routers
O roteador é um equipamento responsável pela interligação das redes LAN (redes locais) entre si e redes remotas em tempo integral. Em outras palavras, permite que uma máquina de uma dada rede LAN comunique-se com máquinas de outra rede LAN remota, como se as redes LAN fossem uma só. Para isso, ele usa protocolos de comunicação padrão, como TCP/IP, SPX/IPX, AppleTalk etc. Esta visão de conexão remota está ilustrada na figura 17. Figura 17: Roteadores para Conexão Remota O roteador tem como função decidir por qual caminho um pacote de dados recebido deve seguir, além de transportar os mesmos. Devido às suas habilidades sofisticadas de gerenciamento de redes, os roteadores podem ser utilizados para conectar redes que utilizam protocolos diferentes (de Ethernet para Token Ring, por exemplo). Como o roteador examina o pacote de dados inteiro, os erros não são passados para a LAN seguinte. Este equipamento atua nas camadas 1,2 e 3 do modelo de referência OSI. Através de uma série de regras, como: rotas estáticas inseridas no roteador, rotas dinâmicas aprendidas através de protocolos de roteamento usado entre roteadores (RIP, OSPF ou BGP, dentre outros), o roteador consegue rotear pacotes de dados recebidos por um determinado caminho. Os programas dos roteadores lêem informações complexas de endereçamento e tomam decisões sobre como encaminhar os dados através dos diversos links que interligam as redes, podendo incluir mais informações para que o pacote seja enviado através da rede. Por exemplo, um roteador poderia preparar um pacote Ethernet em um encapsulamento com dados que contém informações de roteamento e de transmissão para ser transmitido através de uma rede X.25. Quando esse "envelope" de dados fosse recebido na outra ponta, o roteador receptor retiraria os dados X.25, e enviaria o pacote Ethernet no segmento de rede local associado. Roteadores Internos São aqueles formados pela combinação de placa de comunicação síncrona/assíncrona, computador (roteador interno), placa Ethernet e software de roteamento carregado ou carregado em background no sistema operacional do computador. Trata-se de uma solução fácil e até barata de se montar, mas de custo/benefício questionável, pois se tem uma máquina não dedicada para o fim de roteamento, fazendo o papel de roteador. Desse jeito, a performance fica comprometida já que a CPU do computador atende às funções de roteamento e outras inerentes ao sistema operacional. Um outro aspecto é a dependência com as características técnicas do servidor em que reside: tipo de arquitetura, barramento (bus) e sistema operacional. Se um desses componentes muda, digamos, muda o servidor de processador Intel (CISC) para Motorola (RISC), então todo investimento do roteador interno (hardware + software) é perdido. Roteadores Externos São aqueles formados por hardware e software dedicados ao roteamento, estando concentrados em uma "caixa" externa. Por ter funções exclusivamente voltadas ao roteamento, sua performance atinge índices superiores, justificando até um custo ligeiramente maior que a dos roteadores internos. O produto nesse caso é independente da arquitetura de hardware/software do servidor, pois, tipicamente estamos falando de ligação ao servidor via Ethernet e host do TCP/IP, ou outro protocolo de comunicação. Esta visão de roteador externo é ilustrada na figura 18.
Figura 18: Roteadores Externos Terminal Server O terminal server é um equipamento que concentra diversos terminais, podendo inclusive ter saídas paralelas, possibilitando a ligação de impressoras. Através da rede, o terminal server se comunica com o computador central, permitindo o logon dos usuários. Funciona igual a um hub, onde de um ponto de rede que chega a ele, saem n cabos para conectar os terminais. Equipamentos Passivos Device Cord É um pequeno cabo de par trançado, com conector RJ45 macho nas duas pontas, que se conecta a partir do conector RJ45 fêmea da placa de rede do microcomputador até uma tomada (provavelmente localizada na parede ou embutida no chão) que possui um conector RJ45 fêmea. Tomada Figura 19: Device Cord É uma pequena caixa com um conector RJ45 fêmea e uma entrada para um cabo de par trançado. Este cabo de par trançado fará a conexão desta tomada até o patch panel, que ficará localizado no rack do CPD.
Figura 20: Tomadas Patch Panel É um equipamento com 16, 24, ou 32 conectores RJ45 fêmea e entrada para cabos de par trançado. Estes cabos de par trançado virão das tomadas que ficam próximas aos microcomputadores. Path Cord Figura 21: Patch Panel É um pequeno cabo de par trançado, menor que o device cord, com conector RJ45 macho nas duas pontas, que se conecta a partir do conector RJ45 fêmea do patch panel até uma porta (conector RJ45 fêmea) do Hub. Transceiver Figura 21: Patch Panel Este equipamento é apenas um conversor de conectores. Podendo converter de AUI para RJ45, de AUI para BNC, de AUI para FOIRL.
Figura 22: Transceiver Conectores Existem, basicamente, 4 tipos de conectores : BNC, RJ45, AUI e FOIRL. BNC Os conectores BNC (Baionet Neil Concelman) são utilizados nos cabos coaxiais finos (10base2). Em uma rede com cabo coaxial fino encontraremos 3 tipos de conectores: o BNC, o terminador e o T. RJ45 Figura 23: Conectores BNC e T, respectivamente Este conector é utilizado em redes com cabos de par trançado (10baseT). Existem 2 modelos: o macho e a fêmea. AUI Figura 24: Conector RJ45 macho Este conector é utilizado em redes com cabos coaxiais grossos (10base5), dispondo de 15 pinos, podendo ser macho ou fêmea. FOIRL Este conector é utilizado em redes que se utiliza fibra ótica (10BaseF), podendo ser macho ou fêmea.
Figura 25: Conector FOIRL