Download - Redes I - 5.1 Tecnologias de Redes LAN
Tecnologias de Redes
LAN's
Prof. Mauro Tapajs
Tecnologias de Redes
So tecnologias que envolvem principalmente as camadas fsicas e de enlace
Padronizam como funcionam as coisas dentro de uma rede. Fora dela estes padres no valem mais
Existem tecnologias para os mais diversos tipos de contextos de redes:LANs
WANs
Redes de Acesso
Redes de distribuio
Backbones metropolitanos MANs
Backbones nacionais e internacionais
Tecnologias de LANs
Atualmente as redes LANs IEEE dominam o ambiente de redes locais
Os padres IEEE definem os mecanismos de camada fsica e enlace (incluindo mtodos de controle de acesso ao meio)
As redes LAN geralmente so redes de meio compartilhado (broadcast) com tendncia a se tornarem redes comutadas (switched)
Padres IEEE 802
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Instituto dos Engenheiros Eltricos e Eletrnicos
Define padres para redes locais segundos os trabalhos dos seus grupos de estudo
Em funo do sucesso dos desenvolvimentos do IEEE na rea de redes locais, a ISO adota seus padres tambm (ISO 8802)
Estes padres cobrem basicamente as camadas fsica e de enlace do modelo OSI
Grupos IEEE 802
Padres de Redes IEEE 802
Alguns dos Grupos IEEE 802
802.1 Introduo e Arquitetura dos Protocolos de LANs
802.2 LLC (Logical Link Control)
802.3 Ethernet (CSMA/CD)
802.4 Token Bus (inativo)
802.5 Token Ring
802.6 Distributed Queue Dual Bus - MAN (inativo)
802.11 Wireless LAN
Alguns dos Grupos IEEE 802
Padro IEEE 802.2 LLC Logical Link Control
Especifica o mtodo de endereamento e controle da troca de dados
Independente de topologia, meio e algoritmo MAC
Padro IEEE 802.2
a camada de enlace de dados propriamente dita das LANs IEEE 802 (subcamada LLC)
Formato de quadro diferente do HDLC
Opes de Servio: Servio de Datagrama no Confivel (sem conexo e confirmaes)
Servio de Datagrama Confirmado (sem conexo prvia)
Servio Confivel Orientado a Conexo
Padro IEEE 802.3 CSMA/CD
ISO 8802.3
Comumente conhecido como Ethernet, mas h diferenas entre ambas
Especifica uma rede lgica em barramento
Funciona a 10 Mbps
Especifica vrios tipos de meios fsicos (cabos)
a tecnologia de LAN mais utilizada no mercado
Na camada de enlace LLC utiliza o padro 802.2
Padro IEEE 802.3 CSMA/CD
Cabeamentos propostos
Cabos Cross Par Tranado
Em redes de par tranado, a ligao de estaes a equipamentos de interconexo feita atravs de cabos normais (pinagem direta)
Para ligaes estao a estao ou equipamento para equipamento deve-se usar um cabo cross com a pinagem como abaixo
Padro IEEE 802.3 CSMA/CD
Codificao do sinal nas redes IEEE 802.3 a 10 Mbps a Manchester
A razo da adoo deste esquema facilitar a sincronizao dos clocks dos equipamentos por meio das transies que existem no meio de cada bit
O prembulo composto de 7 bits 01010101 e 1 01010111 para permitir a sincronizao
Formato do Quadro IEEE 802.3
O prembulo uma sequncia de bytes definida (0s e 1s alternados) 01010101
SFD o byte 01010111
Os endereos tm 6 bytes
O campo de dados tem de 0 a 1500 (0x05DC) bytes
O padro define um tamanho mnimo de 64 bytes para um quadro
Se o quadro no tiver este tamanho, o campo PAD usado como preenchimento
RFC 1042 (STD43)
Formato do Quadro Ethernet
RFC 894 (STD41)Encapsulamento Ethernet (mais comum)
Padro Ethernet
Desenvolvido pela Xerox, Digital e Intel e adotado por outras
Serviu de base para a norma 802.3
Na camada fsica, especifica somente uma rede de cabo coaxial 10base5
Originalmente, sua camade LLC poderia ser qualquer uma (Xerox, Netware)
Quadros Ethernet e IEEE 802.3
Seu formato do quadro difere um pouco do formato 802.3
Se o terceiro campo tem valor at 1500, ele 802.3, seno ele Ethernet e indica o protocolo sendo carregado no quadro
Ethernet
Endereos 802.3 - Ethernet
6 bytes = 3 fabricante + 3 livres
Multicast = primeiro bit do endereo igual a 1. Ex:
AA-00-80-XX-XX-XXAB-00-80-XX-XX-XX
Broadcast = FF-FF-FF-FF-FF-FF
Modo promscuo
Operao do
Padro IEEE 802.3 CSMA/CD
Algoritmo de backoff exponencial
Se uma estao detecta uma coliso, ela imediatamente para de transmitir o seu quadro e envia uma sinal de jamming para alertar as outras estaes que houve uma coliso
Aps uma coliso, o tempo dividido em slots de tamanho 51,2 s (microsegundos)
Cada estao tenta novamente transmitir depois de um certo nmero de slots
Este nmero (gerado aleatoriamente) estar entre 0 e 2i 1, sendo i o nmero de colises sucessivas que aconteceram
O limite de colises sucessivas 16, depois disso considerado um erro na rede
Razo para um tamanho mnimo de quadro IEEE 802.3 CSMA/CD
Uma estao deve saber que houve uma coliso, antes de acabar a transmisso do seu quadro
Assim, existe um tempo mnimo para que se transmita um quadro, isto limitado pelo tamanho da rede, a velocidade do sinal nela e a taxa de bits sendo usada
Padro IEEE 802.3 CSMA/CD
O protocolo no garante confirmaes de envio de pacotes
Trabalha em regime half-duplex (padro)
Algoritmo MAC: CSMA/CD p-Persistente
Se aumentarmos a banda passante ou a distncia entre estaes a eficincia diminui
Parte da tecnologia analgica
uma rede no-determinstica (estatstica) composta basicamente de hardware
No existe um esquema de prioridades de quadros
uma soluo multiprotocolo
IEEE 802.5 - Token Ring
uma rede da IBM de topologia anel unidirecional e que veio a ser o padro IEEE 802.5
Velocidades de 4, 16 e at 100 Mbps sobre cabos de par tranado ou fibra
A rede controla quem pode transmitir passando um token (basto) de estao para estao do anel
Quando uma estao quer transmitir, ela recolhe o token e envia o seu quadro
O quadro repassado de estao para estao at chegar estao destino
A estao destino ento copia o quadro e o marca como recebido
O quadro circula novamente pela rede at atingir de novo o remetente
O remetente verifica se o quadro chegou e recoloca o token na rede
Operao de Rede Token Ring
Exemplo: HUB Token Ring
Formato do Quadro IEEE 802.5 Token Ring
IEEE 802.5
Token Ring
Exemplo de operao
A CC A e D
Token Ring: Caractersticas
IEEE 802.5
Token Ring
FDDI (Fiber Data Distributed Interface)
um padro ANSI de uma rede baseada em fibra tica multimodo e LEDs funcionando a uma velocidade de 100 Mbps
Utiliza uma topologia composta por dois anis suportando at 1000 estaes numa distncia de at 200 km
oferecida a opo por cabeamento de par tranado categoria 5
Utiliza um esquema de acesso ao meio baseado em tokens (como a rede token ring)
Em FDDI, uma estao pode anexar o token logo aps ter transmitido o seu quadro (para melhorar a performance em redes longas)
Formato do Quadro FDDI
FDDI Operao em caso de falha
FDDI apresenta alguns mecanismos de tolerncia a falhas
Em operao normal, somente um dos anis usado, o outro (que funciona no sentido contrrio) fica de reserva em caso de falha
Numa falha ambos so combinados para manter o anel
FDDI como Backbone
Sua alta velocidade e confiabilidade o tornou uma opo para compor backbones interligando LANs
uma rede cara (tem perdido mercado para alternativas como eth)
FDDI Ligao com WAN
Necessidade de maior banda nas LANs
Existe um interesse crescente em LANs mais rpidas: multimdia, vdeo e aplicaes distribudas
No IEEE surgiram duas propostas a 100Mbps:
- Aumentar a velocidade da IEEE 802.3, mantendo as caractersticas (IEEE 802.3u)- Nova reformulao (IEEE 802.12 - 100VGAnyLAN)
Fast Ethernet IEEE 802.3u
Foi a resposta do IEEE s novas necessidades de velocidade
uma extenso do padro IEEE 802.3 suportando 100 Mbps
Utiliza o mesmo mtodo de acesso ao meio (CSMA/CD), o formato do quadro e as regras do protocolo
Cabeamentos antigos (baseados em cabo coaxial) no so mais aceitos
Por suas vantagens, o cabeamento 10baseT foi usado como base
Cabeamentos para Fast Ethernet
Cabos categoria 3 (100base-T4) - utiliza 4 pares de fios e codificao de linha ternria
Cabos categoria 5 e STP (100base-TX) - utiliza 2 pares e codificao de linha MLT-3
Cabeamentos para Fast Ethernet
LANs de Alta Velocidade
Novas tecnologias se adaptam ao problemas inerentes do ambiente local (alta velocidade para servios multimdia e telefonia sobre IP, storage, etc)
Utilizao de fibra tica e wireless como meio de transmisso
Necessidade de suporte a classes de servio
Alguns exemplos:Gigabit e 10 Gigabit Ethernet
LANs ATM
Fibre Channel (muito usado em conexes com storage)
Gigabit Ethernet - 802.3z
Um grupo de estudos do comit IEEE 802.3 comeou a investigar em 1995 as opes para rodar uma rede Ethernet a 1 Gbps
Consiste basicamente em um padro de camada fsica (PHY) e de acesso ao meio (MAC)
O cabeamento bsico oferece fibras monomodo e multimodo, alm de uma opo de cabeamento UTP categoria 5 com 4 pares de fios
Uma outra opo oferece jumpers de fios de cobre (cabos STP especiais para curtas distncias) para conectar equipamentos de comunicao prximos em at 25 metros dentro de uma mesma sala
Utiliza os mesmos formatos de quadro e protocolo MAC usados nos seus antecessores de 10 e 100 Mbps
Gigabit Ethernet - 802.3z
Gigabit Ethernet - 802.3ab
Verso para cabos PT categorias 5, 5e e 6
100m
1000BASE-T UTP Cat 5 - 4 pares
1000BASE-TX UTP Cat 6 2 pares
Existe ainda 802.3ah Ethernet in the first mile
1000BASE-LX10
Gigabit Ethernet - 802.3ab
Caso comum: links ponto-a-ponto full-duplex (somente com switches e sem CSMA/CD)
Rede half-duplex com HUB's e CSMA/CD (apenas por compatibilidade) e:Frame bursting envio de vrios quadros em sequncia
Um campo de extenso (carrier extension) evita a reduo da extenso mxima da rede (tamanho mnimo de quadro) realizado por hardware
Gigabit Ethernet - 802.3ab
Sequncia de frames em modo half - Frame bursting
10 Gigabit Ethernet - 802.3ae
S full-duplex
No suporta CSMA/CD
10GBASE-T UTP ou STP
10GBASE-SR FO multi
10GBASE-LR FO mono
http://www.ethermanage.com/ethernet/ethernet.html
Gigabit Ethernet (Exemplo)
Outras Tecnologias de LANs
Redes SAN Storage Area NetworksFoco na transferncias de grandes volumes de trfego velocidade + importante que custo
Redes confinadas em salas limitadas em distncia com poucos saltos
Interconectam sistemas de grande porte (mainframes, supercomputadores, etc)
Alternativas mais comuns: SCSI, Fibre Channel, ESCON, etc
Redes industriaisAlta capacidade
Habilidade de lidar com grande variedade de trfego com alta confiabilidade
Capaz de especificar e controlar atrasos de transmisso via rede grande preocupao com temporizao
Fibre Channel
Existem basicamente duas possibilidades para a comunicao entre processadores:
I/O
Comunicao via rede de dados
Fibre channel combina ambasSimplicidade e velocidade das comunicao via canal de I/O
Flexibilidade e interconectividade das comunicaes via rede de dados
Padro ANSI
Fibre Channel
Usa basicamente conexes de rede e canais de dados
Prov links full-duplex atravs de pares de fibras em velocidades de 100 a 800 Mbps
Distncias at 10 km
Melhor conectividade do que alternativas multidrop (como SCSI) atravs de comutadores (switches Fibre Channel)
Suporte a mltiplas interfaces de comandos
Pode transportar canais de dados como (SCSI, ESCON, etc) e pacotes de rede (como Ethernet, ATM, etc)
Fibre Channel
Fibre Channel
Caractersticas I/O:Baseado em hardware
Alta velocidade em distncias curtas
Configuraes ponto-a-ponto ou ponto-multiponto
Operaes de I/O construdas em nvel de enlace
Caracterstica de redes de dados:Multiplexao completa entre mtiplos destinos
Conectividade ponto-a-ponto entre qualquer par de portas
Interconexo com outras tecnologias de conexo
Fibre Channel
Codificao de linha 8B/10B
Pacotes de at 2148 bytes
Oferece classes de servio:Classe 1: Autntica comutao de circuitos com entrega garantida na ordem recebida. Orientada a conexo podendo garantir uma largura de banda para um perodo de conexo especificado
Classe 2: Comutao de pacotes com entrega garantida
Classe 3: Comutao de pacotes sem entrega garantida
Fibre Channel - Estrutura
Possui uma estrutura de 5 camadas correspondentes s camadas fsica, de enlace, rede e at transporte do modelo OSI
Camadas mais inferiores tratam com o meio fsico, codificao 8B/10B e as taxas de dados possveis
Camadas acima tratam do layout (formato) do quadro, procedimentos do protocolo e interfaces com outros protocolos
Exemplo: Fibre Channel atrs de Servidores
Exemplo: rede Fibre Channel
LAN's Wireless
Tecnologia recente que vem crescendo bastante
Vantagens:
Economia com cabeamento
Flexibilidade
Rpida instalao e manuteno
Mobilidade
Permite a fcil extenso de uma LAN cabeada
Determinados aspectos merecem ateno neste tipo de tecnologia (consumo de bateria para equipamentos mveis, configurao automtica da rede, roaming/handoff, segurana, etc)
Clulas de LAN's Wireless
a rea geogrfica sobre a qual a comunicao sem fio atua. Normalmente considerada uma rea circular em torno do equipamento centralizado (access point)
Ponto de Acesso
WirelessWorkstation
WirelessWorkstation
WirelessWorkstation
WirelessWorkstation
Stand-alone Cell
WLAN's Aplicaes Acesso Nmade
WLAN's - Aplicaes: Extenso da Rede
WLAN's - Aplicaes Extenso da Rede com vrias clulas
LAN's Wireless IEEE 802.11
Padro de rede LAN wireless do IEEE
Conceitos:BSS - Basic services set contm as estaes executando o mesmo protocolo MAC
AP - Access Point funciona como ponte (bridge) e interconexo com rede cabeada
DS - Distribution System conecta vrios BSS's normalmente atravs de meio cabeado
ESS - Extended Service Set coleo de BSS's conectados atravs de um DS
LAN's Wireless IEEE 802.11
Meios Fsicos 802.11
Infravermelho 1 ou 2 Mbps (no muito usado)
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum usa 79 canais de 1 Mbps
DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum velocidades de 1 ou 2 Mbps
802.11a (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing) atinge velocidades de 54 Mbps na faixa de 5 GHz
802.11b (HR-DSSS High Rate Direct Sequence Spread Spectrum) velocidades de 1, 2, 5,5 e 11 Mbps na faixa de 2,4 Ghz
802.11g (OFDM) velocidades de 54 Mbps na faixa de 2,4 GHz
Estrutura das LAN's 802.11
Estrutura semelhante usada pelas outras redes IEEE 802
802.11 Acesso ao Meio
No tem comportamento semelhante s redes cabeadas
Ao contrrio do CSMA/CD, transmisses simultneas so possveis
Dois tipos de algoritmos MACDCF Distributed Coordination Function deciso de transmistir feita pelas estaes atravs de mecanismo CSMA/CA (redes Ad Hoc)
PCF Point Coordination Function - Protocolos com acesso centralizado deciso centralizada numa estao de gerenciamento
802.11 Acesso ao Meio
possvel haver coexistncia de PCF e PDF na mesma clula com um mecanismo de priorizao atravs do controle de intervalos (IFS)
Canais wireless sao naturalmente ruidosos opo de fragmentar um quadro e confirmar cada um deles separadamente com protocolo stop-and-wait
802.11 Acesso ao Meio
DCF utiliza CSMA/CA (Collision Avoidance) com 2 modos de operao (physical channel sensing e virtual channel sensing com RTS e CTS este ltimo baseado em MACAW). No existe a funcionalidade de deteco de colises
PCF uma estao base questiona as estaes para saber quem deseja transmitir (beacon frame). A estao base obtm o meio atravs dos procedimentos DCF e deve liber-lo depois de um tempo determinado. O uso com PCF permite que a estao base coloque dispositivos em modo sleep e os acorde depois (economia de tempo de vida de baterias)
802.11 MAC
Physical channel sensing: ouve o meio e envia se estiver livre
Virtual channel sensing: com RTS e CTS
Uso de NAV (Network Allocation Vector tempo de espera) pelas demais estaes: sinalizado atravs da informao de durao contida RTS e do recebimento do ACK
Channel Sensing
Estao Origem
Estao Destino
RTSCTSDATAACK
Opcional
802.11 IFS (Interframe Space)
Cada estao ouve o meio e aguarda determinado IFS caso haja transmisso ela recua e monitora o fim da transmisso para reiniciar
SIFS Short IFS envio de ACKs, CTS ou demais fragmentos - respostas imediatas de uma conversa que j est em execuo
PIFS Point IFS uso pela estao base no modo PCF (para no competir com as demais)
DIFS Distributed IFS uso no modo DCF normal
EIFS Extended IFS - envio de notificaes de quadros danificados
802.11 MAC
Uma vez tomando o meio uma estao pode enviar em sequncia vrios quadros
O tamanho dos fragmentos no definido pelo padro pode se configurado
No modo PCF no h colises
So definidos 3 tipos de quadros, cada qual com formatao especfica:Data leva at 2312 bytes de dados (MTU)
Control
Management
Formato do Quadro 802.11
O campo control indica entre outras coisas, se o quadro foi encriptado com WEP (Wired Equivalence Privacy)
Os 4 endereos so usados para: destino (1), transmissor (2), redes ad hoc (4), alm de identificar um roteador em caso de comunicao entre clulas (3)
Tecnologia
Soluo de interligao de dispositivos portteis (celulares, PDA's, laptops, etc) PAN (Personal Area Network)
Visa substituir os inmeros cabos que interligam dispositivos
Baixas complexidade, custo e energia necessria
Inicialmente um esforo de Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba (Bluetooth SIG - Special interest group), depois adotado pelo IEEE como padro 802.15 (somente as camadas fsica e enlace)
Tecnologia Bluetooth
Piconet's de alcance bsico de 10 m centralizadas em estaes master com controle TDMA do acesso ao meio com frequency hopping estratgia master-slave
Bluetooth utiliza um esquema com Scatternet que so a interligao de vrias piconets
Redes Bluetooth
Piconet Bluetooth
Numa piconet podem haver 7 dispositivos ativos (com endereos ativos de 3 bits) e mais 255 inativos em modo de economia de energia (com endereos parked de 8 bits)
Atinge velocidades de at 720 kbps
Existem 3 classes de dispositivos com
base na potncia de emisso do sinal:Power Class 1 20 dBm - 100 m
Power Class 2 4 dBm - 10 m
Power Class 3 0 dBm - 10 cm
Aplicaes Bluetooth
Ponto de acesso para dados e voz
Redes Ad-hoc
Substituto de cabos para interligao de dispositivos
Baseado em profiles aplicaes especficas (que usariam esta tecnologia) pr-pensadas para uso da rede (reflete o grande nmero de participantes na criao do padro vrias contribuies) cordless telephony, headset, PPP, serial port, vcf, fax, etc
Tecnologia Bluetooth
A master selecionada dinamicamente e exclusiva de uma piconet
Ela determina a taxa de dados alocada para cada slave
So oferecidos servios de comunicao com base em comutao de circuitos e com base em datagramas
Cada slave deve ser localizvel
O processo de discovery encontra servios para as aplicaes bluetooth
LMP Gerenciamento do link (setup de conexes, processo de autenticao, pairing, encryption)
Bluetooth Pilha de Protocolos
No segue o modelo OSI
L2CAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol isola detalhes de transmisso: multiplexao de protocolos de nvel superior, segmentao/remontagem de pacotes e parmetros QoS
Bluetooth Camada Rdio
Dispositivos devem estar dentro do alcance dos demais
Uso de sinais omnidirecionais com alcance padro de 10 m na faixa de 2,4 GHz com GFSK (interferncia mtua com o padro 802.11 a 2,4 Ghz)
79 canais de 1 Mhz para uso de FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 2402 a 2480 Mhz - 1600 saltos por segundo
Cada transceiver BT tem um endereo IEEE de 48 bits
Sequncia de hopping criada por algoritmo com base no ID do master
Slots Bluetooth
O master divide o tempo em slots (625 s) onde o master transmite nos slots pares e os demais dispositivos nos slots mpares
Os quadros podem ter comprimentos de 1,3 ou 5 slots
Sincronizao: cada slave mantm um offset do seu prprio clock para o do master
Formato de quadro Bluetooth
Existem vrios tipos, o mais comum o abaixo
Access code normalmente identifica o master
Header campos MAC tpicosFlags do header: F buffer de recepo de um slave cheio, A ACK e S N. Sequncia (stop-and-wait)
O cabealho repetido 3 vezes para garantir confiabilidade cada bit testado nas suas 3 cpias
20 % do quadro overhead (2744 b de dados somente em 5 slots)
Camada MAC Bluetooth = Baseband + LMP + L2CAP
FEC (Forward Error Correction) possvel em canais SCO
Links master e slave canais lgicos - dois tipos possveis:
ACL Asynchronous Conection-less L2CAP (camada Logical Link Control Adaptation) comutao por pacotes ponto a ponto ou broadcast (inclusive trfego assimtrico) somente um entre um par master/slave e sem garantia SCO Synchronous Conection Oriented trfego direto real-time comutao de circuito de trfego simtrico em slots reservados somente frames de 1 slot (240 bits de dados combinaes de 80 a 240 bits para dados, o resto FEC)So possveis no mximo 3 canais SCO por slave
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Fundamentos de Redes - Tecnologias de Redes
Prof. Mauro Tapajs Santos