Redes de Telecomunicações

Redes de Telecomunicações João Pires Mestrado em Engenharia de Redes e Sistemas de Comunicações ISUTC/IST Apresentação João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 2

Objectivos Apresentar uma perspectiva geral da estrutura das redes de telecomunicações e dos tipos de serviços. Explicar os princípios fundamentais das tecnologias Ethernet, ATM, SDH e OTN e descrever o seu papel na concepção de redes de transporte. Discutir metodologias de análise de desempenho e de planeamento de redes e estudar soluções de sobrevivência de redes em presença da falhas. Introduzir as soluções usadas para garantir acesso de banda larga e estudar de modo sumário a comutação telefónica. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 3. Introdução Programa 2. Fundamentos das Redes e dos Serviços 3. Redes Ethernet e ATM 4. Redes de Transporte SDH 5. Redes de Transporte Ópticas 6. Redes de Acesso 7. Tópicos sobre Comutação João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 4 2

Informações Gerais A disciplina está organizada em aulas teóricas e aulas práticas. As primeiras serão dedicadas à apresentação das matérias, enquanto as segundas serão dedicadas à resolução de problemas. A avaliação de conhecimentos será feita por exame. No entanto, uma parte muito significativa (>50%) das questões do exame coincidirá com as questões/problemas da lista fornecida durante as aulas. Bibliografia: - Slides das aulas - João Pires, Sistemas e Redes de Telecomunicações, IST, 2006 - M. Ellanti et al., Next Generation Transport Networks, Springer, 2005, - Rui Sá, Sistemas e Redes de Telecomunicações, FCA, 2007 Docente: João Pires, Dep. Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Instituto Superior Técnico, Tel: 35-2-8489, e-mail: jpires@lx.it.pt. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 5 Redes de Telecomunicações Capítulo Introdução João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 6 3

Aspectos da Evolução das Telecomunicações 837 Telégrafo 844 Código de Morse 866 º cabo submarino transatlântico 875 º cabo submarino Lisboa-Brasil 876 Telefone (Bell) 882 Primeira rede telefónica em Portugal (concessão) 89 Comutação automática (Strowger) 894 Telegrafia sem fios (Marconi) 925 Transmissão de imagens em movimento (Bird) televisão 928 Teorema da amostragem (Nyquist) 936 Invenção do PCM (Reeves) transmissão digital 948 Transistor 956 º cabo submarino telefónico transatlântico analógico (35 circuitos) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 7 Aspectos da Evolução das Telecomunicações 964 Concepção da comutação de pacotes (Baran) 965 ª satélite geo-estacionário (Intelsat, 240 circuitos) 966 Proposta de utilização de fibra óptica (Kao) 967 Projecto da ª rede de comutação de pacotes (ARPAnet) 968 Primeira central de comutação digital (tecnologia TTL) 973 Ethernet (Metcalfe) 978 º sistema de rádio móvel celular analógico 98 TCP/IP 982 Correio electrónico 985 Proposta da SONET (Belcore) 99 GSM (Global System for Mobile Communications) 996 Cabo submarino óptico TAT2/3 (22 880 circuitos) 2002 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 2008/2009 Instalação em Portugal da FTTH em larga escala João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 8 4

Princípio do Telefone João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 9 Telefone: instrumento multimédia? Fonte: Rogério Santos, Olhos de Boneca, Uma história das telecomunicações 880-952, Edições Colibri e Portugal Telecom, 999 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 0 5

Evoluçã ção o Histórica Fases Telefone e telégrafo (XIX) Comunicações via satélite (960s) Comunicações digitais (980s) Comunicações ópticas (980s) Internet (990s) Telemóvel (990s) Século XXI: Convergência fixo-móvel, convergência voz, dados e vídeo em suporte IP (Internet Protocol) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 Evolução de Diferentes Serviços (Mundial) A evolução do número de utilizadores dos diferentes serviços de telecomunicações a nível mundial mostra um crescimento pouco expressivo para a telefonia fixa e um crescimento muito acentuado para a telefonia móvel e para a Internet. Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 2 6

Evolução do Tráfego Internet Total (USA) As análises de tráfego nos Estados Unidos mostram que o tráfego Internet passou a ser dominante a partir do ano 2000, com um crescimento que duplica todos os anos. Cresce 35% ao ano Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 3 Evolução do Tráfego Total O tráfego telefónico de voz tem um crescimento entre 0 a 5% ao ano. Tráfego O tráfego de dados (Internet) tem um crescimento superior a 00% ao ano. Telefónico (voz) Actualmente o tráfego de dados é dominante nas redes dorsais. Dados (Internet) Actualmente o planeamento das infraestruturas de telecomunicações deve ser determinado pelo tráfego de dados 990 200 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 4 7

Lei de Moore A lei de Moore diz que a capacidade dos computadores duplica todos os 8 meses, ou seja tem-se um crescimento anual de cerca de 60% Fonte: Wikipedia João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 5 Lei de Nielsen A lei de Nielsen prevê um crescimento na velocidade de acesso à Internet na terminação do utilizador de cerca de 50% ao ano. 2005 2.3 Mbps 200 7 Mbps 205 29 Mbps 2020 980 Mbps Fonte: http://connectedhome2go.com/2008/03/8/nielsens-law/ João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 6 8

Definição e Ramos As redes de telecomunicações compreendem o conjunto dos meios técnicos (de natureza electromagnética) necessários para transportar e encaminhar tão fielmente quanto possível a informação à distância. Ramos das telecomunicações Transmissão: Transporte fiável da informação à distância. Comutação: Encaminhamento da informação (pôr em contacto dois utilizadores quaisquer, de acordo com as suas ordens). Controlo e gestão: Responsável pela dinâmica (controlo) e pela fiabilidade (gestão) das redes. A função de controlo é implementada através da sinalização. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 7 Critérios de Qualidade Fidelidade As redes de telecomunicações devem garantir que a informação nas suas diversas formas (voz, música, vídeo, texto, etc.) é transmitida sem perdas e alterações. Fiabilidade As redes de telecomunicações públicas devem assegurar um serviço permanente e sem falhas (menos de duas horas de indisponibilidade em 40 anos). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 8 9

Normalização em Telecomunicações O carácter internacional das telecomunicações implica normalização em aspectos tais como: aspectos técnicos (qualidade de serviço, interfaces, etc.); planificação geral da rede (estrutura da rede, números telefónicos internacionais,etc.); problemas de exploração e gestão (preços das chamadas internacionais, análise de tráfego, etc.). No plano das redes nacionais a normalização também é importante de modo a: garantir a compatibilidade dos sistemas de diferentes fabricantes; assegurar uma qualidade de serviço mínima a todos os utilizadores; respeitar as convenções internacionais. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 9 Principais Organismos de Normalização International Telecommunication Union (ITU) Agência da ONU responsável por todos os sectores das telecomunicações. Os seus principais órgãos são: ITU Telecommunications Sector (ITU-T) Estudo de questões técnicas, métodos de operação e tarifas para as redes de transporte, redes telefónicas e de dados. ITU Radiocommunications Sector (ITU-R) Estudo de questões técnicas e operacionais relacionadas com rádio-comunicações, incluindo ligações ponto-a-ponto, serviços móveis e de radiodifusão e ligações via satélite. European Telecommunications Standardas Institute (ETSI) Criado em 988 para desenvolver as normas necessárias para uma rede de telecomunicações pan-europeia. Teve um papel importante no desenvolvimento da norma GSM. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 20 0

Redes de Telecomunicações Capítulo 2 Fundamentos das Redes e dos Serviços João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 2 Tipos Básicos de Equipamento O equipamento básico pode-se dividir em vias de transmissão e elementos (dispositivos) de rede. Os elementos de rede incluem equipamento terminal, equipamento de comutação, sistemas de sinalização e gestão e servidores. Vias de transmissão: suporte de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, feixes hertzianos,etc.) + repetidores (amplificadores, regeneradores). Equipamento terminal: interface com a rede (telefone, computador, PPCA, etc.). Equipamento de comutação: comutadores digitais nas redes telefónicas (comutação de circuitos), routers (comutação de pacotes) nas redes de dados. Sistemas de sinalização e gestão: responsáveis por processarem a informação de sinalização e gestão. Servidores: Dispositivos com capacidade para armazenar informação (servidores de WWW e cabeças de rede nas redes CATV,etc.). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 22

Topologias Representação de uma rede por um grafo Fluxo de informação 2 v e v 2 e 5 e 6 e 2 Grafo da rede 5 3 v 5 e 4 e 7 v 4 e 3 v 3 4 A estratégia de interligação entre os nós define a topologia da rede, ou mais especificamente a topologia física. O modo como a informação flui define a topologia lógica. Topologia física Topologia lógica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 23 Tipos de Topologias O tipo de topologia condiciona a estratégia de desenvolvimento e o tipo de serviços que a rede pode oferecer. Topologias com meio não partilhado Estrela Anel Malha A Topologias com meio partilhado B C Barramento (Bus) Árvore E João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 24 D 2

Representação de uma Rede (T. Física) Um rede pode-se representar a partir de um grafo G( V, E) v e v 2 onde V = ( v, v2,... vn ) representa o conjunto dos e 5 e vértices ou nós e E = ( e,... ) representa o 6 e2, el conjunto de ligações (links). A topologia física também se pode representar usando uma matriz de adjacências g. Essa matriz tem dimensão NxN. O elemento g ij =, se existir uma ligação entre i e j. Caso contrário é igual a 0. Define-se o grau do nó como sendo o número de ligações que convergem para um determinado nó, ou seja N δ = i g ij j = v 5 e 4 0 g = e 7 v 4 0 0 0 e 3 0 0 e 2 v 3 Matriz de Adjacências 0 0 0 0 0 Grafo da rede O valor médio do grau do nó é dado por N 2L < δ >= δi = N N i= 4+ 2+ 3+ 3+ 2 <δ >= = 2.8 5 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 25 Representação de uma Rede (T. Lógica) A topologia lógica descreve o fluxo de tráfego que ocorre na rede. Este fluxo também é descrito através do número de pedidos de tráfego. Os pedidos de tráfego podem ser unidireccionais (um sentido) ou bidireccionais (nos dois sentidos). v 5 v v 2 v 3 Topologia Lógica em malha (um sentido) A topologia lógica também se pode representar através de uma matriz de pedidos d. O elemento d ij =, se existir um pedido de tráfego entre i e j. Caso contrário é igual a 0. No caso em que o fluxo de tráfego entre dois nós ocorre nos dois sentidos têm-se que o número médio de pedidos N N é dado por < d >= d ij N i = j = v 4 0 0 0 d = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Matriz de pedidos 0 0 0 Para uma topologia lógica em malha (padrão de pedidos uniforme) têm-se < d>= N O número total de pedidos de tráfego unidireccionais é então D= N( N ) e bidireccional D = N( N ) / 2. 2 Dois sentidos 4+ 3+ 2+ <d >= 2= 4 5 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 26 3

Planos de Rede Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano de gestão. Plano de utilizador: responsável por transferir a informação do utilizador através da rede. Assegura o suporte físico. Plano de controlo: responsável pelo processo de sinalização associado ao estabelecimento, supervisão e terminação de ligações. Exemplo de planos de controlo: Sistema de sinalização nº 7, GMPLS (Generalized multiprotocol label switching), etc. Plano de gestão: Funções a nível de detecção e correcção de falhas (gestão de falhas), configuração dos elementos de rede (gestão de configuração), monitorização de desempenho (gestão de desempenho), autorização de acesso (gestão de segurança). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 27 Classificação das Redes Em termos do modo de transferência de informação as redes podemse classificar em comutadas e de difusão. Por sua vez as comutadas podem ser de comutação de circuitos ou de pacotes. Redes de Telecomunicações Redes comutadas Redes de difusão Rede de satélites Rede de difusão de televisão e rádio Rede Ethernet CSMA/CD Redes de comutação de circuitos Redes de comutação de pacotes Rede telefónica Rede celular Circuitos alugados Redes de transporte (SDH e OTN) Redes não orientadas à ligação (Datagramas) Rede IP Redes orientadas à ligação (Circuitos virtuais) Frame relay ATM (Asynchonous transfer mode) MPLS (Multi-protocol label switching) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 28 4

Comutação de Circuitos Na comutação de circuitos é estabelecida pela rede uma ligação (circuito) entre dois utilizadores (chamado e chamador) para a transferência de informação a qual é mantida durante toda a comunicação. Envolve três fases: estabelecimento do circuito, transferência de dados, e terminação. Numa ligação telefónica a primeira fase tem lugar quando se marca o número do destinatário e a central de comutação estabelece uma ligação para o telefone do destinatário e envia o sinal de chamada. A segunda fase corresponde à conversação entre os interlocutores. A terceira fase inicia-se quando se pousa o telefone. Os circuitos podem ser comutados ou semi-permanentes. Os primeiros, como é o caso dos circuitos telefónicos, são estabelecidos por acção do plano de controlo. Os segundo, como é o caso dos caminhos nas redes SDH e dos canais ópticos nas redes OTN são estabelecidos pela acção do plano de gestão. Como os recursos usados na ligação são reservados durante todo o tempo em que a ligação está activa esta solução é apropriada para o tráfego de voz, mas não é adequada para o tráfego de dados que é bursty por natureza. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 29 Comutação de Pacotes Na comutação de pacotes a informação é segmentada em pacotes, que por sua vez são enviados através da rede de nó para nó até atingirem o destino. Na comutação com datagramas a cada pacote inclui um cabeçalho com informação do destino e da fonte. Cada pacote é encaminhado individualmente através da rede, podendo diferentes pacotes com o mesmo destino seguirem caminhos diferentes. Comutação por datagramas Fonte D T X U R C B D X T U C R B D T X U R C B Controlo da sequência Nó Na comutação por circuitos virtuais por sua vez requer o estabelecimento prévio de uma circuito virtual entre a fonte e o destinatário, o qual é seguido por todos os pacotes. O processo de comunicação envolve três fases como na comutação de circuitos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 30 5

Estratificação em Camadas Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de rede de transporte e camada de rede de serviços. A camada de rede de serviços funciona como cliente da camada de rede de transporte. A camada de rede de transporte porpociona caminhos (capacidade de transporte) à camada de serviços. Uma ligação a 34 Mb/s por segundo é um exemplo de uma caminho eléctrico e um comprimento de onda suportando um canal a 0 Gb/s é um exemplo de um caminho óptico. As camadas de serviço são de diferentes tipos (rede telefónica, redes de dados, rede celulares, redes de cabo, circuitos alugados. Rede telefónica Rede de dados Rede celular Rede de cabo Circuitos alugados Rede de Transporte João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 3 Rede de Transporte A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 32 6

Exemplificação do Papel do Transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). d Camada de rede de serviço CC CC c Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) CC a CC E A Camada de rede de Transporte B b D C João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 33 Hierarquização da Rede Uma rede de telecomunicações de dimensão nacional é representada por uma estrutura hierárquica com três níveis: núcleo, metro e acesso. A estrutura hierárquica é comum à rede de transporte e de serviços. Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta pela camada de transporte. Núcleo 00s-000s km Malha A rede de acesso usa uma grande variedade de tecnologias e topologias, e é responsável por uma fracção muito importante do investimento feito numa rede. Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica, soluções rádio (FWA). Metro 0-00 km Anel Acesso <0 km Anel, estrela, etc Utilizadores João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 34 7

Rede Telefónica Pública Comutada A topologia em estrela é a solução mais simples A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador. CC Central de comutação tefefónia Quando a dimensão da rede aumenta, tornase mais económico dividir essa rede em subredes de pequenas dimensões, cada uma servida pela sua própria central de comutação telefónica. Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central de nível superior: central tandem. Custo nº óptimo de centrais Telefone custo total custo da comutação custo da linha Número de centrais de comutação Estrutura hierárquica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 35 Estrutura Hierárquica Uma rede telefónica pública comutada apresenta uma estrutura hierárquica e uma topologia em árvore não pura, porque à medida que se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações directas entre centrais do mesmo nível. Rede internacional Central internacional Rede de núcleo ou de troncas Rede de junção Rede de acesso ou local Central Tandem Centros de trânsito secundário Centros de trânsito primários Centrais locais Linha de assinante A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta rede é muitas vezes designada por rede de cobre Transmissão a 2 fios João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 36 8

Rede Digital Integrada Uma rede digital integrada (RDI) é uma rede telefónica pública em que a comutação é digital e a transmissão no núcleo e nas junções também é feita usando transmissão digital. Central analógica Equipamento de rede. Conversão A/D Telefone analógico CT CL Transmissão digital Transmissão analógica CT RDI CT CL Acesso analógico CL CL CL CT Central de trânsito digital CL Central local digital CR CR Concentrador digital A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do número de troços e centrais presentes na ligação. Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 37 Rede Digital com Integração de Serviços A característica fundamental da RDIS é a digitalização do lacete de assinante. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2x64 Kbits canais B para comunicação x6 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 60 kbit/s Acesso primário 30x64 Kbits canais B para comunicação x64 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s Acesso primário PPCA NT Para manter compatibilidade com os telefones analógicos usa-se um adaptador TA Interface S TA Interface T NT Interface U Acesso básico Interface U Central de comutação Telefone analógico Telefone digital João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 38 9

Rede Celular Estrutura básica de uma rede celular Estação base BS RNC MSC Mobile Switching center BS Base station Radio Network Controller Telefone móvel Central local Rede fixa Numa rede celular a componente de acesso designa-se por Radio Network Subsystem, a qual inclui as estações de base (BS) e os controladores da rede de rádio (RNC) A componente de núcleo inclui as MSCs com as bases de dados associadas (HRL, VLR). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 39 Redes Híbridas Fibra-Coaxial As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede de cabo) usam uma infra-estrutura de fibra óptica, para servirem células de 200 a 000 utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial. Cabeça de Rede Amplificador de tronca com repartição Para o fornecimento de serviços interactivos, é necessário usar amplificadores bidireccionais e um protocolo da acesso múltiplo para evitar colisões entre os sinais de retorno enviados pelos diferentes utilizadores Fibra Óptica Nó de acesso óptico Repartidor coaxial Cabo coaxial Amplificador de linha Utilizador Utilizador A rede coaxial apresenta uma topologia em árvore O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência (FDM). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 40 20

Rede de Transporte da Rede Híbrida A ligação entre a cabeça da rede e o nó de acesso óptico é realizado pela componente de transporte. Na rede de transporte representada a rede de transporte tem dois níveis. Cabeça Cabeça de de Rede Rede No rede de transporte primária a informação é digitalizada (PCM). No nó de acesso a informação é convertida para o domínio analógico (RF) e em seguida para o domínio óptico. Rede de Transporte Primária Nó Nó de de Acesso Acesso Par de fibras ópticas Nó Nó de de Acesso Acesso No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência (RF) e injectado na rede coaxial Rede de Transporte Secundária Fibra óptica Nó de acesso óptico Rede Coaxial A rede de transporte primária usa a informação digitalizada. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 4 Espectro de Radio-Frequência O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da banda directa situada entre e 750 MHz. A parte entre os 550 e 750 MHz é usada para televisão digital e ligação interactiva descendente. O via de retorno é usada para as ligações interactivas ascendentes. Via de Retorno Canais FM Canais de TV analógicos Canais digitais Upgrade futuro 5 65 88 08 550 750 000 f (MHz) Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM, logo analógicos. Desmodulador (Televisor) Fibra Óptica Receptor Óptico f f N Sinal de radiofrequência Oscilador local sintonizável f f N Filtro Passa Baixo f João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 42 2

Internet Na Internet usa-se comutação de pacotes por datagramas Rede 2 Encaminhadores (Routers) Pacote Rede Caminho Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007 Os pacotes são encaminhados através da Internet. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 43 Arquitecturas de Rede: Modelo TCP/IP TCP: Transmission control protocol UDP: User Datagram Protocol Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 44 22

Modelo TCP/IP 5 Aplicação: Aplicações de rede distribuídas: FTP, SMTP, HTTP. 4 Transporte: Transferência de dados entre estações: TCP, UDP. 3 Rede: Encaminhamento e expedição de mensagens: IP, protocolos de encaminhamento. 2 Ligação de dados: Transferência de dados entre máquinas vizinhas: PPP, Ethernet. Nível físico: Passagem de bits entre máquinas vizinhas: RS- 232c, V.92. Aplicação Transporte Rede Dados Físico Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 45 Modelo TCP/IP (2) Aplicação HTTP Msg Aplicação Transporte TCP Msg Transporte Rede Pacote IP Rede Rede Dados Trama Ethernet Dados Dados Dados Físico Físico Físico Físico João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 46 Cliente Comutador Ethernet Router Servidor 23

Redes do Século XXI As palavras chave vão ser banda larga e convergência. A banda larga irá exigir a aproximação da fibra óptica ao utilizador. A convergência irá reduzir o número de tecnologias de rede usadas tanto na camada de serviço, como na camada de transporte. Cobre Cobre Plataforma de acesso multiserviço Camada de rede de serviço IP/MPLS Fibra ONU Fibra Utilizador OTN Camada de rede de Transporte João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 47 Serviços em Telecomunicações João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 48 24

Serviços Objectivo das redes de Telecomunicações: fornecer serviços aos clientes que estão sobretudo interessados no tipo, qualidade e custo Importa definir classes de serviços permite definir as características que as técnicas e tecnologias utilizadas pelas redes de telecomunicações devem apresentar João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 49 Classificação dos Serviços (quanto às direcções de transferência de informação) Classes de serviços Distribuição (difusão) Interactivos Fluxo de info bi-direccional Fluxo contínuo de informação (unidireccional) de uma fonte central para vários utilizadores (ex: difusão de televisão) Conversacionais Consulta Mensagens Transferência de informação bidireccional em tempo real (telefonia, vídeo-conferência) Consulta de informação guardada em centros de informação públicos na rede (WWW) A troca de informação sem ser em tempo real entre utilizadores com funcionalidades de armazenamento (correio electrónico) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 50 25

Classificação dos serviços (quanto às exigências feitas às redes) Largura de banda Capacidade de transporte disponível nas ligações da rede para fornecer um dado serviço ao utilizador. Varia entre alguns khz para a telefonia até vários MHz para a televisão. Critérios Simetria/ assimetria da comunicação Difusão/ Comutado Os serviços que requerem um débito inferior a 2 Mbit/s, designam-se de banda estreita. Por sua vez os que requerem um débito superior a esse valor de banda larga. A comunicação faz-se nos dois sentidos (comunicação simétrica) ou preferencialmente num sentido (assimétrica). Serviço difundido: a mesma informação chega todos os clientes. Serviço comutado: diferentes clientes obtêm informação diferente. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 5 Classificação dos Serviços (quanto às formas de representação da informação) Classes de serviços Multimédia Monomédia Usam várias formas de representação de informação num único serviço áudio vídeo Usam uma única forma de representação de informação no serviço dados Rede pública de dados Internet João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 52 26

Digitalização de um Sinal Analógico (PCM) A digitalização de um sinal envolve as seguintes etapas: filtragem, amostragem, quantificação e codificação. A filtragem é realizada de modo a garantir que o espectro do sinal não apresenta componentes espectrais superiores a um valor B. A amostragem consiste em retirar amostras do sinal a intervalos de tempo regulares designados por T a. (período de amostragem). O valor de T a é obtido a partir da frequência de amostragem f a (T a =/ f a ), a qual é dada por f a 2B. A quantificação permite discretizar as amplitudes das amostras, num conjunto finito. A codificação permite atribuir a cada nível de amplitude gerado pelo quantificador uma palavra binária com N b bits, gerando um sinal PCM (Pulse Code Modulation) com um débito binário igual a D b =N b f a. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 53 PCM:Exemplo Exemplificação a digitalização de uma sinal Tensão (V) Sinal Analógico Tensão (V) Sinal Amostrado (T a =0.25 μs) 0.5 0.5 0 0.25 0.5 0.75.0 t (μs) 0 0.25 0.5 0.75.0 t (μs) f a = 4 Mamostra/s Sinal Quantificado Tensão (V) 0.5 0 0.25 0.5 0.75.0 0 0 00 0 00 00 000 t (μs) Sinal Codificado 000 0 0 00 000 Sinal PCM D b =3x4x0 6 =2 Mb/s Tensão (V) 5 0 t (μs) 0 0.25 0.5 0.75.0.25 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 54 27

Canal de Voz e Débito da Voz Digitalizada A voz humana cobre as frequência entre os 00 a 7000 Hz. Porém a maior parte do conteúdo inteligível situa-se entre a banda de 300-3400 Hz, chamada banda da voz. Por sua vez admite-se que a banda do canal de voz (telefónico) se situa entre 0 e 4 khz. Banda do canal de voz Amplitude ou tensão Banda da voz As rec. G.32 e G.5 da ITU-T indicam a banda atribuída ao sinal de voz de 300-3400 Hz 0 300 3400 Frequência (HZ) Na digitalização do sinal de voz considera-se que B é igual à banda do canal ou seja 4 KHz e como frequência de amostragem f a = 8 kamostra/s. A codificação do sinal também é feita com N b =8 bit/amostra. 4000 Período de amostragem T a =25 μm Débito binário D b =f a N b =64 kb/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 55 Características de Diferentes Sinais Parâmetro Voz (telefonia) Televisão Música (transmissão) Música (gravação) Frequência de amostragem (Kamostra/s) 8 0.368 Mb/s (luminância) 32 44. Codificação não uniforme uniforme uniforme uniforme Dimensão da palavra PCM (bits) 8 8 2 6 Débito Total (kbit/s) 64 66 Mb/s 384 705.6 No caso do sinal de voz (telefonia) usa-se uma codificação logarítmica: lei A com 3 segmentos (Europa) ou lei μ (EUA e Japão) com 5 segmentos. No caso da televisão digital (ITU-R 60) têm-se 25 imagens/s, 720 576 amostras de luminância, 360 576 amostras de cada uma duas crominâncias e 8 bits/amostra, o que conduz a um sinal PCM com um débito de (720 576 + 2 360 576) 8 25 bit/s = (720 576) 6 25b/s 66 Mb/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 56 28

Características de Sinais de Vídeo Parâmetro Resolução espacial (pixel) Televisão de alta-definição 920 x 080 Televisão digital 720 x 576 Videotelefonia Videoconferência 360 x 288 80 x 44 Resolução de cor (bit/pixel) 20 6 2 2 Resolução temporal (imagem/s) 25 25 30 5 Débito Total (Mbit/s) 036.8 65.9 37.3 4.67 Débito comprimido (Mbit/s) 0-20 2-6 0.3-2 0.04-0.3 Na Internet e na televisão usam-se técnicas de compressão baseadas nas normas MPEG2 e MPEG2 da ISO e a nível da vídeoconferência ou da videotelefonia usamse as normas H. 26 e H.263 do ITU. Fonte: Rui Sá, SRT, FCA, p.36, 37 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 57 Super Hi-Vision/Ultra- HDTV Comparação da ultra-hdtv (UHDTV) com outros formatos Fonte: Wikipedia A UHDTV apresenta uma resolução de 7680 4320 pixels, ou seja apresenta uma resolução cerca de 6 vezes superior à HDTV. O débito binário requerido é de 24 Gb/s o qual foi possível ser comprimido para valores entre 80 e 600 Mbit/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 58 29

Codificadores de Voz Os codificadores de voz dividem-se em codificadores de forma ou onda (temporais) e codificadores de voz (vocoders). Os primeiros baseiam-se no facto de em certos sinais (voz, vídeo) a amplitude da amostra variar pouco de amostra para amostra (forte correlação entre as amostras). Transmite- se a diferença entre as amostras o que requer um número de bits menor. No caso da voz para débitos entre 24 40 kb/s a qualidade é boa, mas degrada-se rapidamente para valores da ordem dos 6 kb/s. Os codificadores de voz baseiam-se na síntese de voz e são usados para débitos baixos (.2-2.4 kb/s) e a qualidade é fraca. Para débitos entre 6-6 kb/s usam os codificadores híbridos que combinam o melhor dos vocoders e dos codificadores de forma. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 59 Qualidade de Diferentes Codificadores de Voz A qualidade da voz é medida normalmente usado testes subjectivos designados por MOS (mean opinion score). Nestes testes os codificadores de onda (ex: DPCM) têm a classificação máxima e os vocoders (Linear Predictive Coding) os piores resultados Qualidade da voz Excelente Boa Razoável Mediocre Má 5 4 3 2 Codificadores híbridos Codificadores LPC Codificadores de onda PCM (64 kb/s) 4.2 ADPCM (40 kbit/s) 4.2 ADPCM(32 kbit/s) 4 ADPCM (6 kbit/s) 2 2 4 8 6 32 64 Débito Binário (kb/s) ADPCM: Adaptative Differencial PCM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 60 30

Voz sobre IP Na transmissão de voz sobre IP (Internet Protocol) a sinal de voz depois de digitalizado é segmentado em pacotes e transportado como datagramas IP. Como protocolo de nível 4 usa-se o UDP (User Datagrama Protocol), em vez do TCP, já que é mais rápido do que este. Uma das normas mais usadas para o transporte de voz sobre IP/UDP é a recomendação do ITU-T H.323. Esta norma define nomeadamente os codecs de voz a usar, assim como protocolos de sinalização e transferência de informação. Como numa rede IP os pacotes podem ser perdidos, atrasados ou corrompidos, a norma H.323 define o protocolo RTP (Real-time protocol) para aumentar a fiabilidade das transmissão. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 6 Voz sobre IP (débitos) O protocolo RTP permite que os pacotes cheguem ordenados. Quando os pacotes são perdidos ou sofrem grande atraso, o sinal de voz é interpolado baseado nas amostras anteriores. Usam-se, normalmente na codificação da voz os codecs híbridos, como por exemplo o G. 723.. Este codec origina um débito de 6.4 kbit/s e apresenta um valor de MOS de 3.9. Será de notar que os cabeçalhos RTP/UDP/IP vão aumentar significativamente aquele valor do débito, originado valores de 7 kbit/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 62 3

Formação dos Pacotes IP A codificação é feita em tramas. À trama comprimida são adicionados os diferentes cabeçalhos. Voz A/D Amostra Cabeçalho UDP Cabeçalho IP Cabeçalho RTP Trama comprimida Tramas comprimidas RTP UDP IP João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 63 Capítulo 3 Redes Ethernet e ATM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 64 32

Redes Ethernet João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 65 Introdução A Ethernet foi inventada em 973 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 Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 66 33

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 Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 67 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 Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 68 34

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, = endereço de grupo U/L bit 0 = endereço universal = 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 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=). Normalmente os endereços MAC são representados em hexadecimal. Ex: Octeto 0 2 3 4 5 Representação Binária 000 0 000 0000 000 0 000 0 0000 000 0 0 Representação Hexadecimal 47-20 -B-2E-08-EE O número de endereços disponíveis é igual a 2 48 = 28 474 976 70 656 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 69 Como Verificar o Endereço MAC? Para verificar o endereço MAC de um computador: > ipconfig /all Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007 Endereço MAC João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 70 35

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 6 6 2 46-500 4 octetos Preâmbulo S F D Endereço de destino Endereço de fonte Compri mento / Tipo Dados+ Enchimento (Pad) FCS Preâmbulo: sequência de 7 octetos (00...) que permite a sincronização do receptor, pois este opera em modo burst. SFD (Start of Frame): Padrão de 8 bits (000) 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 Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 7 Especificidades da Trama O campo comprimento/tipo indica um valor entre 0 e 2 6 - (65 535). Se o valor desse campo estiver situado entre 0 e 500 indica o comprimento do campo de dados. Se o seu valor estiver situado entre 536 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(46-500 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 indica multicast (grupo de estações). O número total de endereços unicast (ou multicast) é igual a 2 47 =.4 0 4. Note-se que o espaço de endereços do IPV4 é igual a 2 32 =4.3 0 9. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 72 36

Ethernet:Tipos Desde a publicação da norma IEEE 802.3 em 985 a Ethernet evolui desde um serviço half-duplex operando a 0 Mb/s, até a um serviço full-duplex operando a 0 Gb/s. Tipo Débito Modo Topologia CSMA/ CD Suporte Ethernet 0 Mb/s Halfduplex barramento Sim Par simétrico Fast- Ethernet 00 Mb/s Half e full duplex estrela Sim Par e fibra Gigabit- Ethernet Gb/s Half e full duplex estrela Sim Par e fibra 0 Gigabit Ethernet 0 Gb/s Full duplex estrela Não Fibra 00 Gigabit Ethernet? 00 Gbit/s Full duplex? Não Fibra Half-duplex Full-duplex CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Ethernet Comutada João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 73 Topologias das Redes Locais Bus: Anel: PC Cabo coaxial T coaxial Carga adaptada PC Estrela (Bus Lógico): HUB Estrela : Switch Trama João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 74 37

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 Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 75 CDMA e Colisões Cada estação monitoriza a actividade do meio físico (Carrier Sence) e só transmite se o meio estiver livre. Todas as estações podem aceder ao meio (Multiple Access). Podem ocorrer colisões se houver duas estações a transmitir simultaneamente. Quando a colisão é detectada (Collision Detection), as estações esperam um tempo aleatório antes de retransmitir. L A B A B Trama gerada a t=0 Trama quase chegar a B (t=t-δ) Colisão detectada t=2t Ocorre uma colisão a t=t B B B A T t = 2 x T p = (2x L)/v, T t = N t (mínimo) /Db : Duração da trama T p = tempo de propagação (ida); L = distância máxima D b = débito binário; N t = Número de bits da trama Ethernet v = velocidade de propagação; N t (mínimo)= 64 x 8 = 52 bits A norma IEEE802.3 impõe para D b = 0 Mb/s um L = 2500 m D b = 00 Mb/s L = 250 m D b = Gb/s L = 25 m!!! João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 76 38

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 Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 77 Topologias: Estrela A topologia em estrela usando um hub ou concentrador, corresponde a uma topologia lógica em bus. 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. 00 Mb/s HUB Rede com Hub: topologia lógica em bus 00 Mb/s Capacidade Total 00 Mb/s 00 Mb/s 00 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 00 Mb/s Capacidade Total N x 00 Mb/s Contrariamente aos hubs que só operam a nível da camada física, os switches operam a nível do MAC. 00 Mb/s 00 Mb/s 00 Mb/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 78 39

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:0/00/000 Base-T 00 Base-Fx/000 Base X, 0 GbE João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 79 Funções de um Switch Ethernet Usa tabelas semelhantes às de encaminhamento mas apenas com base nos endereços de nível 2: aprende os endereços por observação das transmissões. Recebe tramas com um determinado endereço e realiza uma das seguintes funções: retransmissão (forwarding), difusão (flooding) e filtragem. Quando Z começar a transmitir a SAT aprende o endereço MAC address = Z, Port = 3 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 80 40

Diagrama Funcional de um Switch O diagrama funcional de um switch inclui uma tabela de endereços ou SAT (Source Address Table), lógica de filtragem/retransmissão, lógica de aprendizagem associada com os portos. SAT Tabela de endereços Endereço Porto A cada entrada da tabela corresponde o endereço de uma estação e o porto do switch através do qual essa estação pode ser alcançada. A tabela de endereços pode ser preenchida automaticamente ou manualmente através do plano de gestão. Lógica de Aprendizagem Interface do porto Lógica de filtragem/retransmissão Lógica de Aprendizagem Interface do porto No modo de aprendizagem automática a lógica de aprendizagem examina o endereço fonte de todas a tramas que chegam ao switch. Quando este endereço não faz parte da tabela, essa lógica insere esse endereço na tabela, assim como o número do porto de entrada da trama no switch. Quando uma trama chega à interface de um porto a lógica de filtragem/retransmissão faz uso do endereço MAC e da SAT para decidir se a trama é difundida, retransmitida ou filtrada. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 8 Problema das Malhas Fechadas Nas redes com malhas fechadas tem-se o problema da tempestade de difusões (broadcast storm), que corresponde a ter-se uma trama que se replica exponencialmente na rede. Y Switch A X Z Switch C Switch B Admita-se que o endereço Z não está na SAT do switch A, e que a estação Y envia uma trama para Z. Deste modo o switch A vai difundir essa trama para todos os seus portos com excepção do porto de chegada. Os switchs B e C recebem essa trama e vão também difundi-la por todos os seus portos com excepção dos portos de chegada. Chega-se a uma situação com uma taxa de replicação da trama quase exponencial, que vai consumir quase todos os recursos de banda da rede. Outro problema com as malhas fechadas está no facto de uma estação poder ser alcançada através de percursos múltiplos o que é uma fonte de confusão para a lógica de transmissão e de aprendizagem. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 82 4

Spanning Tree Protocol Para garantir a ausência de malhas fechadas nas redes Ethernet usa-se o Spanning Tree Protocol (STP). A implementação do protocolo envolve duas etapas: a eleição do switch raiz (Root switch) e a convergência da topologia. O protocolo tem ainda possibilidade de detectar alterações na topologia e responder a essas alterações. A transmissão de informação de controlo entre os switches é realizada através de mensagens designadas BPDUs (Bridge Protocol Data Units). Campos presentes numa BPDU: identificador (ID) do switch, identificador da raiz (IDR), ID do porto, custo de caminho (C) até à raiz, e informação temporal. Débito Custo O custo de um caminho até à raiz corresponde à soma dos Custo custos de todas as ligações existentes entre o porto de um recomendados 0 Mb/s 00 switch e um porto da raiz. Como não é conveniente 00 Mb/s 8 encaminhar tráfego em ligações de baixa capacidade o custo de uma ligação deve ser inversamente proporcional Gb/s 4 ao seu débito. 0 Gb/s 2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 83 Eleição da Raiz Na primeira etapa é eleito como raiz o switch com o menor valor de ID e todos os outros são considerados switches designados. Para eleger a raiz todos os switches difundem BPDUs, anunciando o seu ID e fazendo o ID da raiz idêntico a esse ID. Se um switch detectar que o seu ID é superior ao do BPDU recebido, termina a suas emissões, limitando-se a difundir as tramas recebidas. No fim do processo só o nó raiz é que continua a emitir, sendo eleito raiz. ª fase IDR=S, ID=S S IDR=S, ID=S 2ª fase 4 4 IDR=S2, ID=S2 BS2 9 S3 IDR=S2, ID=S2 IDR=S2, ID=S2 9 00 9 IDR=S, ID=S IDR=S2, ID=S2 BS2 IDR=S, ID=S S 9 4 4 IDR=S, ID=S 9 IDR=S, ID=S 00 IDR=S, ID=S IDR=S, ID=S 9 S3 S4 00 S5 S4 00 S5 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 84 42

Convergência de Topologia A etapa de convergência inicia-se com o switch raiz difundindo tramas BPDUs, indicando um custo mínimo zero. Cada porto repete esta trama e adiciona o custo da sua ligação até à raiz. De entre os diferentes portos de um switch, aquele que receber a trama com o menor custo é considerado porto raiz. Este porto é colocado em estado de retransmissão e todos os outros em estado de bloqueio. Porto raiz Porto Bloqueado Switch designado IDR=S, ID=S, C=0 BS2 Switch raiz S 4 4 9 IDR=S, ID=S3, C=4 IDR=S, ID=S, C=0 Switch designado S3 S2 recebe uma BPDU através de três portos. Num porto a trama indica C=0, e nos outros C=4 e C=23. Por isso o primeiro porto é um porto raiz e os outros são bloqueados IDR=S, ID=S2, C=4 9 9 IDR=S, ID=S2, C=4 S4 Switch designado IDR=S, ID=S5, C=23 00 00 S5 Switch designado Quando um switch recebe em dois portos tramas com idênticos custos, escolhe com porto raiz aquele que recebe a trama com menor ID. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 85 Convergência de Topologia (II) Topologia convergida Switch raiz Estados dos portos de um switch: A 4 4 Estado BPDU Rx BPDU Tx Dados Rx Dados Tx Switch designado B 9 9 00 9 C Desactivado Bloqueado Escuta Não Sim Sim Não Não Sim Não Não Não Não Não Não D Switch designado - Porto raiz - Porto designado 00 E Switch designado - Porto bloqueado É proporcionado um caminho bidireccional com uma topologia lógica em árvore entre a raiz e todos os swiches da rede, sem malhas fechadas. Aprendizagem Retransmissão Sim Sim Sim Sim Sim Sim O estado de escuta corresponde à fase de configuração e construção da spanning tree. Não Sim No estado bloqueado o porto continua a receber BPDUs. Este portos só impedem a tramas de serem retransmitidas. Quando um porto activo falha, pode ser necessário activar os portos bloqueados. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 86 43