4 –Equipamentos de interligação de redeshalestino/redcom/cap4.pdf · Se o endereço de destino da trama pertence estáassociado àporta de chegada da trama, a ponte não faz nada

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4 – Equipamentos de interligação de redes

Redes de ComunicaçõesCapítulo 4

1Informática de Gestão ESTiG/IPB

• Equipamentos passivos: cabos, conectores, distribuidores, …

• Equipamentos informáticos: PC’s e servidores

• Equipamentos activos: repetidores, hubs, switchs, routers

Permitem:– A ligação de sistemas terminais à rede

– A interligação de vários troços ou segmentos dentro de uma rede

– A interligação de redes distintas

Redes de ComunicaçõesEquipamentos


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• Todos os computadores de uma rede necessitam de placa de rede– para se poderem ligar à rede

• Cada placa possui um endereço MAC único

• Os endereços Ethernet (MAC) são de 48 bits (6 bytes), e são convencionalmente apresentados em hexadecimal:

- De 00:00:00:00:00:00 a FF:FF:FF:FF:FF:FF

- Os 3 bytes mais significativos representam o código do fabricante e os 3 restantes o número de série

Redes de ComunicaçõesPlaca de rede/NIC (Network Interface Card)


Redes de ComunicaçõesRepetidores


• Todo o sinal eléctrico recebido numa das interfaces é regenerado e transmitido na outra

• Aumento do comprimento máximo entre terminais

• Baratos, fáceis de instalar• Limitado o número de repetidores entre terminais

• Funcionam ao nível da camada física• Não interpretam as tramas (não têm funcionalidade de armazenamento)

• Não isolam tráfego• Erros são propagados (colisões também são enviadas)

• Introduz atrasos

Repetidor

Segmento B

Segmento A

Repetidor

Segmento B

Segmento A

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Redes de ComunicaçõesConcentradores/hubs


• Repetidor para múltiplas portas• O sinal numa entrada é regenerado e

transmitido para todas as outras portas

• As estações ligadas ao hub recebem todo o tráfego que passa através dele aumentado assim a probabilidade de ocorrerem colisões

• Impossíveis transmissões simultâneas• A capacidade do meio é partilhada

por todas as estações (tal como num barramento) Tipos de hubs:

• Activo: regenera o sinal• Passivo: usado como ponto de ligação• Inteligente: pode fazer diagnósticos por exemplo detectar erros

Símbolo lógico:

• Hubs são encontrados com 5, 8, 24 e 36 portas

• Podem ter tipos de portas diferentes– par entrançado, coaxial, fibra óptica

• Podem-se empilhar: hubs “stackable”– aumentando o número de portas àmedida das necessidades

– possui uma porta de alto débito que permite o empilhamento

• Podem apresentar gestão remota

Redes de ComunicaçõesConcentradores/hubs (2)


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• Cabo UTP ou STP directo

• Extremos do cabo– Interface da estação de trabalho (porta MDI)

– Porta normal do hub (porta MDI-X)

Redes de ComunicaçõesLigação estação final/Concentrador


• Opção quando número de portas não é suficiente para ligar todas as estações

• Introduz atrasos• Máximo de 4 hubs entre estações finais (Ethernet)

• Como interligar:– duas portas quaisquer dos concentradores com cabo cruzado (crossover)

– cabo directo entre porta normal do primeiro hub e porta MDI do segundo

Redes de ComunicaçõesConcentradores em Cascata


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• Interligação mais eficiente dos barramentos internos dos concentradores

• Permite estender a gestão de um concentrador através das portas de uplink

• Ligação com cabo directo entre porta IN de um hub com porta OUT do outro hub

Redes de ComunicaçõesConcentradores em Uplink


• Vantagens:– interligar diferentes tipos de meios físico, tais como cabos coaxiais, de fibra óptica e par

entrançado• Exemplo: ligação inter-edifícios

– estender o alcance geográfico da rede até o máximo permitido pelo protocolo de controle de acesso aos meios físicos• Exemplo: padrão Ethernet especifica que um sinal pode percorrer um cabo com uma distância máxima de 500 metros (10Base5)

– usando quatro repetidores para interligar 5 segmentos de cabo, pode-se cobrir uma distância de 2500 metros

• Desvantagens:– pode-se acabar por obter uma rede local muito sobrecarregada

• comportando um número muito grande de nós• aumento do atraso de propagação → imposição de um número máximo de repetidores

– Não filtram tráfego• Uma colisão num segmento da rede local é propagado aos segmentos restantes

– repetidores não podem ser usados para interligar diferentes tecnologias de rede

Redes de ComunicaçõesRepetidores/Hubs – Vantagens e Desvantagens


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Redes de ComunicaçõesPontes/bridges


• Para além de funções semelhante aos repetidores:– Interpretam as tramas de rede– Operam nos níveis 1 e 2 – Tramas podem ser filtradas, sendo enviadas apenas para o segmento onde está o endereço de destino

– Isolam tráfego entre segmentos, diminuindo a probabilidade de colisão– Não propagam erros detectados nas tramas– Existência de buffers para tramas (permite suportar picos de pedidos, p. ex.)– Possibilidade de interligar redes de nível 2 diferentes (ethernet e token ring)

Símbolo lógico:

Redes de ComunicaçõesPontes - funcionamento


• A ponte mantém uma tabela (cache) dinâmica com os endereços MAC e as portas a eles associadas1. Se o endereço de destino da trama pertence está associado à porta de chegada da trama, a

ponte não faz nada2. Se o endereço de destino da trama está associado à outra porta da ponte, a ponte reencaminha

a trama3. Se o endereço de destino da trama não está associado a nenhuma porta da ponte é feito um

broadcast

4. Se o endereço de destino é FF:FF:FF:FF:FF:FF é feito um broadcast para todas as portas• A ponte encaminha ou rejeita os quadros, baseado nas entradas da tabela• Os endereços são aprendidos a partir do endereço de origem

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Redes de ComunicaçõesPontes – segmentação


• Segmentação é o processo de substituir concentradores (hubs) por pontes (bridges) ou comutadores (switches) para aumentar o número de domínios de colisão– Muitas estações numa LAN => redução da largura de banda– À medida que distância entre estações aumenta a rede perde eficiência (aumento do round trip delay) –

limite de 2,5 Km para redes 802.3– Solução segmentação da rede criando várias LAN’s interligadas por uma ponte

• Segurança – Segmentando LAN’s o tráfego não circula fora dos segmentos a que se destina reduzindo o risco de ser capturado por utilizadores maliciosos

• Aumentar a fiabilidade– Numa única rede local, um nó defeituoso que continua transmitindo um fluxo contínuo de lixo irá danificar

a rede local – As pontes podem ser inseridas em posições críticas, para evitar que um único nó com problemas possa

fazer cair todo o sistema

• Operam nos níveis 1 e 2• São semelhantes a bridges multi-porta• Micro segmentação é maior - aumentam o nº de domínios de colisão• Maior circunscrição de erros e colisões• A rede torna-se mais segura e muito mais rápida• Melhor utilização da largura de banda• Mais utilizadores podem comunicar ao mesmo tempo• Mais caros• Encaminha quadros baseado no endereço MAC do destino e na tabela de encaminhamento

• Aprende a localização de uma estação examinando o endereço de origem dos quadros

Redes de ComunicaçõesComutadores/switches


Símbolo lógico:

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Redes de ComunicaçõesSwitch – Comutação cut-through


• Lê o endereço MAC (destino) assim que o quadro chega

– Após descobrir a porta destino, envia o quadro para essa porta, antes mesmo de o receber completamente na porta de origem

• Poucos switches são totalmente cut-through, pois este modo de comutação não permite nenhum tipo de correcção de erros

• Comutação simétrica (porta de origem e de destino operam à mesma taxa)

• Permite a menor latência através do switch

Redes de ComunicaçõesSwitch – Comutação store-and-forward


• Neste método, o switch lê todo o quadro para o buffer, e verifica se existem erros de CRC

– Se existir algum problema, o quadro será descartado

– Se estiver OK, verifica qual é a porta associada ao endereço MAC de destino e encaminha o quadro

• Muitos switches usam cut-through até que um certo nível de erros seja alcançado

– A partir desse momento, passam a operar em store-and-forward

• Permite diferentes taxas de transmissão para a transmissão e recepção

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Redes de ComunicaçõesSwitch – Comutação fragment-free


• É uma solução intermediária entre os modos cut-through e store-and-

forward

• Inicia a transmissão depois de receber os primeiros 64 bytes, mas antes

de receber a totalidade do quadro

– permite verificar que não é um fragmento de colisão

• a maior parte dos erros ocorre nos primeiros 64 bytes de um quadro

– verifica a confiabilidade das informações do endereçamento e do protocolo LLC, garantindo que o destino e o tratamento dos dados estejam correctos

• Utiliza comutação assimétrica

Redes de ComunicaçõesEstados de um switch


• Switches usam o mesmo mecanismo que as pontes para criar as suas tabelas de endereços físicos

• Diferentes estados:

– Learning

• Acontece quando um switch lê o endereço MAC origem de um quadro e o armazena na sua tabela de endereços

– Flooding

• Se um switch não sabe para onde enviar um quadro, ele envia-o para todas as portas, menos para a porta de origem

– Forwarding

• ocorre quando um switch envia um quadro de uma porta para outra

– Filtering

• os quadros destinados a um mesmo segmento não são propagados para os restantes segmentos

– Aging

• de tempos em tempos, as entradas na tabela de endereços são removidas

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• VLAN = agrupamento lógico de dispositivos e utilizadores– Por departamento, função, aplicação

• Implementada por software

• Um switch físico pode dar origem a vários switchs lógicos

• Segurança – Utilizadores ficam limitados aos recursos da sua VLAN

Redes de ComunicaçõesVLAN – Virtual Local Area Network


• Independente da localização física do utilizador

• Cada VLAN é um domínio de difusão (broadcast) fechado

• Comunicação entre VLANS diferentes apenas possível com um router

Redes de ComunicaçõesVLAN - características


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Redes de ComunicaçõesVLANs atravessando mais do que um switch


Protocolo 802.1Q

Redes de ComunicaçõesSpanning Tree Protocol – 802.1d


• Redes utilizam redundância de switchespara em caso de avaria haver um caminho alternativo

• Para evitar broadcast storms e outros problemas associados ao loop de topologia, foi criado o STP - SpanningTree Protocol, que foi padronizado pelo IEEE como 802.1d

• O resultado da resolução e eliminação de loops com a utilização de STP é a criação de uma árvore hierárquica lógica sem loops. No entanto, os caminhos alternativos ainda estarão disponíveis caso sejam necessários

• Se os switches A e B tiverem as suas MAC Address Table vazias, e o PC1 quiser enviar dados para o PC3 originar-se-á um bridging loop

• E se for enviado uma trama de broadcast?

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Redes de ComunicaçõesSTP - Estados das portas


• Cada switch inicia um procedimento de descobrimento para determinar quais são os portas que devem ser activadas para alcançar um determinado segmento de rede

• Quadros especiais chamados Bridge ProtocolData Units (BPDU) são trocados entre os switches

• Cada porta do comutador (a usar STP) está num estado:– Blocking: as portas estão bloqueadas (apenas recebem BPDUs)

– Listening: o switch está à escuta (aprende a topologia) enviando e recebendo BPDUs podendo participar na eleição do Root Bridge

– Learning: Envia e recebe BDPUs e constrói a tabela de endereços MAC

– Forwarding: Envia e recebe dados, envia e recebe BPDUs e mantém o funcionamento da tabela de endereços MAC

– Desactivado (desligado administrativamente)

Redes de ComunicaçõesSTP – Como funciona


• Faz-se a eleição de um switch de root (Root Bridge)• É construído um caminho para cada switch, com início no

Root Bridge

• O caminho escolhido é sempre o de menor custo (DC)• O custo é calculado com base na velocidade de cada porta• Os links reduntantes que não fazem parte do caminho mais curto são bloqueados

• Tramas recebidas nos links bloqueados não são encaminhadas

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Redes de ComunicaçõesSTP – Eleição do Root Bridge


• Cada switch possui uma identificação conhecida como Bridge ID (BID) - 8 bytes (2 bytes para prioridade (Bridge Priority) e 6 bytes para o MAC do switch)

• A eleição do Root Bridge é feita com base no menor BID encontrado na rede

– Bridge Priority: A faixa de números que poderão compor o Bridge Priority é de 0 a 65.535, sendo o valor por defeito é 32.768.

• E se todos possuírem o mesmo Bridge Priority?

– Outro critério deverá ser adoptado para a eleição do Root Bridge: o MAC address

– MAC address: A porção MAC address possui 6 bytes. O switch que possuir o menor valor numérico para o MAC address, será escolhido para ser o Root Bridge

• Inicialmente, ao ser ligado, um switch assume que é o Root Bridge

• Envia uma BPDU em que ele próprio se considera Root e com prioridade por defeito de 32768

• Os outros switches da rede recebem o BPDU e substituem o Root BID por um Root BID de prioridade de menor ordem

• Os switches a receberem os BPDUs determinam qual o switch da rede que deverá ser o Root Switch

• O switch que for desempenhar o papel de Root Bridge deverá ser o mais robusto

• A alteração do Bridge Priority é uma prática correcta para garantir que se verifique o pressuposto anterior

Redes de ComunicaçõesSTP – Papel das portas


• Baseado na localização da Root Bridge, os outros switches determinam quais das suas portas têm o menor custo para alcançar a RootBridge

– Essas portas são chamadas root ports. Cada switch tem que ter uma e só uma root port

• Designated ports - aquela cuja função étransmitir os BPDUs para uma Root Port. Sópode haver uma por segmento

– O primeiro exemplo de Designated Portestá no próprio Root Bridge

• Se o custo for o mesmo, o switch com o menor BID será escolhido

• Se o custo for o mesmo, a porta com o menor PID será escolhida

• Non-designated ports e backup ports- são as portas que estão bloqueadas para um segmento (blocking state). Essas portas podem ser activadas, em caso de falha nas designated ports

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Redes de ComunicaçõesSTP – Exemplo


Root Bridge

Redes de ComunicaçõesSTP – Topologia activa


Topologia inicial Topologia activa resultante

Root Bridge

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Redes de ComunicaçõesEncaminhadores/Routers


Símbolo lógico:

• Operam na camada 3• Encaminham pacotes da origem ao destino com base no endereço IP e pelo caminho mais eficiente

• Escolha do caminho é feita com base em algoritmos de encaminhamento:– Protocolos de encaminhamento mais utilizados nas redes TCP/IP:• RIP, OSPF, IGRP, BGP

• Conduz os pacotes de dados do nó fonte ao nó destino atravessando vários nós intermédios– Um computador pode servir de router instalando uma ou mais placas de rede adicionais e software que implementa o protocolo de encaminhamento

– Mais comum é usar routers dedicados• por razões de desempenho

Redes de ComunicaçõesRouters


• Ao receber um pacote o router processa-o– Determina o sistema ao qual deve ser enviado

• O host destino– Se se encontrar na mesma rede que o router

• Ou outro router

– No caminho para o host destino• O processamento é feito salto a salto e pacote a pacote• Interligam redes distintas

– interligação de redes de diferentes tecnologias– interligação de redes de diferentes âmbitos– interligação de sub-redes

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Redes de ComunicaçõesSegmentação de LANs


Redes de ComunicaçõesSegmentação de LANs


• Porquê?

– Isola o tráfego entre segmentos

– Atinge-se maior largura de banda por utilizador ao criar domínios de colisão menores

– Estende o comprimento efectivo de uma LAN, permitindo a ligação de estações mais distantes

• As LANs são segmentados por dispositivos como bridges, switches e routers

• Segmentação com pontes:

– As pontes aumentam a latência (atraso na chegada do quadro ao destino) numa rede em 10 a 30%

– Uma ponte é considerado um dispositivo store-and-forward porque tem de receber todo o quadro e calcular o CRC (cyclicredundancy check) antes de efectuar o reencaminhamento

– O tempo necessário para desempenhar estas tarefas pode reduzir as transmissões da rede, causando atrasos

• Segmentação com switches:

– Permite a uma LAN trabalhar mais rapidamente e mais eficientemente

– A largura de banda disponível pode chegar aos 100%

– Um computador ligado directamente a um comutador Ethernet não pertence a nenhum domínio de colisão, dispondo a tempo inteiro de 10/100Mbps

• Segmentação com routers:

– Possibilitam o maior nível de segmentação, pela capacidade de fazer determinações exactas de para onde enviar os dados

– Operam com uma maior taxa de latência

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Redes de ComunicaçõesBroadcast da camada 2


• Endereço MAC de destino: FF-FF-FF-FF-FF-FF

– Todas as máquinas recebem

Redes de ComunicaçõesSegmentação do domínio de Broadcast


• Apenas feito por routers

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Redes de ComunicaçõesReferências


• Funcionamento do Spanning Tree Protocol

– http://www.ciscotrainingbr.com/modules.php?name=News&file=article&sid=56&mode=&order=0&thold=0

Documents

4 –Equipamentos de interligação de redeshalestino/redcom/cap4.pdf · Se o endereço de destino da trama pertence estáassociado àporta de chegada da trama, a ponte não faz nada