Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 2381 Redes de Computadores Fundamentos de Redes de Computadores, Transmissão de Dados Cabeamento Camada de

Adminstração e Gerenciamento de Redes - SCE 238

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Redes de ComputadoresFundamentos de Redes de Computadores,

Transmissão de Dados Cabeamento

Camada de Enlace


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Representação de Sinais A/D


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Quantisation e Sampling

• QuantisationQuantisation: “incerteza” introduzida na conversão de uma valor analógico em número digital

• SamplingSampling (amostragem): intervalo de aquisição dos dados analógicos


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Quantisation

• Resolução da conversão depende do número de bits: quanto mais bits, melhor a resolução.

• O número de bits determina o número de divisões uma faixa de “inputs” pode ser dividida para aproximar um “input” analógico.


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Quantisation

• Exemplo– valores de 8 bits para representar voltagens de

0-10 V. – 8 bits: 256 valores distintos– 10 V / 256 = 0.039 V !– 0 V = 00000000 10V = 11111111 – Cada mudança de 0.039, indica um novo

binário.


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Sampling

• Para representar som digital de forma autêntica é preciso capturar uma amostra de som (sampling) cerca de 44500 vezes por segundo !

• A gravação de um som autêntico por 1 segundo requer 1.5 milhões de bits (quantização de 32 bits, por exemplo).


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Convertendo tipos de sinais

• Modem: recebe dados digitais e converte-os para a forma analógica, para transmissão sobre um meio, por exemplo, linha telefônica.

• MOMOdulator: digital para analógico.

• DEMDEModulator: Analógico para digital.


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Esquema de um MoDem

Digital Analógico


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Modem externo ligado ao computador. via RS-232 e fiação para linha telefônica com conector RJ-11.


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Sinais digitais

• Representam apenas 0´s0´s e 1´s.1´s.

• Variam menos que sinais analógicos.

• mais fáceis para decodificar, mesmo que tenham sofrido interferência.

• As redes que transportam sinais digitais são conhecidas por baseBand NetworksbaseBand Networks.

– Redes coaxial 50 ohm / ethernet (utp)


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Sinais analógicos

• Sofrem menos AtenuaçõesAtenuações que sinais digitais em longas distâncias.

• Equipamentos digitais lidam com 0´s e 1´s. O que acontece se o sinal se torna fraco a ponto de não permitir diferenciação?

• As redes que transportam sinais analógicos são conhecidas por broadBand NetworksbroadBand Networks.

• Cabo coaxial 75ohm (TV)


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Analógico x Digital

• Digital– Mais fácil de regenerar– menos infestado de interferências– Pode ser gravado diretamente em computador– CODEC: Coder/DECoder

• Analógico Digital (Transmissão) Analógico

• Linhas ISDN: totalmente digital• Integrated Services Digital Network (1998)


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ADSL• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Linha

digital assimétrica p/ assinantes

• 8 Mbps (do roteador do ISP p/ casa)

• 1 Mbps (da casa p/ o roteador do ISP)

• Transmissão FDM (multiplexação por divisão de freqüência)– 1 canal alta velocidade na direção do usuário: 50 kHz - 1 MHz

– 1 canal de velocidade média na direção da rede: 4kHz - 50 kHz

– 1 canal telefônico de duas vias: 4 kHz.


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Padrão RS-232• conexão: comprimento max. : 15 metros

• voltagens: +3V e -3V.

• comunicação serial e assíncrona

• especifica transmissão de caracteres

• transmissão de bits sem delay entre eles

• nunca deixa voltagem Zero na linha.

• Por que comunicação Assíncrona ? – não há necessidade de sincronização emissor-receptor

– não há “clock”


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Voltagem no fio usando RS-232

• Acordo entre emissor e receptor no tempo de transmissão de cada bit

• bit de início 0: emissor pode distinguir entre idle e início de caracter.

• padrão determina que emissor deve deixar a linha idle por um tempo mínimo -> bit de parada 1.

Tempo

0

+3

-30 0idle 1start 1 1 1 0 stop


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Conector RS-232

Conector de 25 pinos, com 3 fios para comunicação full-duplex.


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Comunicação Assíncrona full duplex

transmissão full duplex: fluxo de dados em ambas direções

R: receiver (receptor) - modem, pino 3. Computador, pino 2

T: transmitter (transmissor) - modem, pino 2. Comput, pino 3

G: ground (terra) - pino 7


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Largura da Banda - Bandwidth

• O nro de freqüências que pode ser acomodado num canal de transmissão.

• A diferença entre a freqüência mais alta e a mais baixa que pode ser acomodada num único canal.

• Quanto maior a faixa, maior a bandwidth do canal e maior a capacidade de transmissão!


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Time-Division Multiplexing (TDM)

• Sinais de velocidades baixas são colocados em um canal de transmissão de mais alta velocidade.

• Canal de N nós com R bps

• cada nó terá taxa de transmissão de R/N


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Observações TDM

• Os MUX´s alocam tempo para um sinal s mesmo se a fonte não tem nada p/ transmitir

• Há MUX´s mais inteligentes que alocam fatias de tempo só qd necessário: ambos MUX´s precisam conversar.

• Técnica para redes BaseBand (digitais) e BroadBand (analógica), para uma única freqüência.


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Frequency-Division Multiplexing - FDM

• A bandwidth total do cabo é dividida em bandwidth menores que transportam vários dados.

• Canal de N nós com R bps

• Cada nó terá taxa de transmissão de R/N


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Enlaces de Acesso Múltiplo e Protocolos

Três tipos de enlaces:• ponto-a-ponto (fio único, ex. PPP, SLIP)• broadcast (fio ou meio compartilhado; ex, Ethernet,

etc.)

• switched (ex., switched Ethernet, ATM etc)


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Protocolos de Acesso Múltiplo

• canal de comunicação único e compartilhado • duas ou mais transmissões pelos nós: interferência

– apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante de tempo

• protocolo de múltiplo acesso:– algoritmo distribuído que determina como as estações compartilham o

canal, isto é, determinam quando cada estação pode transmitir– comunicação sobre o compartilhamento do canal deve utilizar o própro

canal! – o que procurar em protocolos de múltiplo acesso:

• síncrono ou assíncrono • informação necessária sobre as outras estações • robustez (ex., em relação a erros do canal) • desempenho


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Protocolos MAC: uma taxonomia

Três grandes classes:

• Particionamento de canal– dividem o canal em pedaços menores (compartimentos de tempo,

freqüência)

– aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó

• Acesso Aleatório

– permite colisões

– “recuperação” das colisões

• Passagem de Permissão– compartilhamento estritamente coordenado para evitar colisões

Objetivo: eficiente, justo, simples, descentralizado


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Protocolos MAC com Particionamento de Canal: TDMA

TDMA: acesso múltiplo por divisão temporal• acesso ao canal é feito por ”turnos" • cada estação controla um compartimento (“slot”) de tamanho fixo (tamanho = tempo de transmissão

de pacote) em cada turno • compartimentos não usados são disperdiçados• exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, compartimentos 2,5,6 ficam vazios

• TDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load.

• FDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided.


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FDMA: acesso múltiplo por divisão de freqüência • o espectro do canal é dividido em bandas de freqüência• cada estação recebe uma banda de freqüência• tempo de transmissão não usado nas bandas de freqüência é desperdiçado • exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, as bandas de freqüência 2,5,6 ficam vazias

• TDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load.

• FDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided.

bandas

de f

reqüênci

a tempo

Protocolos MAC com Particionamento de Canal: FDMA


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Particionamento de Canal (CDMA)

CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos) • um código único é atribuído a cada usuário, isto é, o código define o

particionamento• muito usado em canais broadcast, sem-fio (celular, satelite,etc)• todos os usuários usam a mesma freqüência, mas cada usuário tem a sua

própria maneira de codificar os dados. Esta codificaçaõ é definida pelo código que o usuário recebe (“chipping sequence”)

• sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence)• decodificação: produto interno do sinal codificado e da seqüência de

codificação (“chipping sequence”)• permite que múltiplos usuários “coexistam” e transmitam simultaneamente

com mínima interferência (os códigos que minimizam a interferência são chamados “ortogonais”)


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CDMA Codificação e Decodificação

transmissor

receptor


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CDMA: interferência de dois transmissorestransmissores

receptor 1


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Protocolos de Acesso Aleatório• Quando o nó tem um pacote a enviar:

– transmite com toda a taxa do canal R.– não há uma regra de coordenação a priori entre os nós

• dois ou mais nós transmitindo -> “colisão”,• Protocolo MAC de acesso aleatório especifica:

– como detectar colisões– como as estações se recuperam das colisões (ex., via retransmissões

atrasadas)

• Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório:– slotted ALOHA– ALOHA– CSMA e CSMA/CD


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4 - Meios de Transmissão

• Fio de cobre

• Fibras Ópticas

• Ondas Eletromagnéticas

• Microondas

• Infravermelho

• Laser


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Fios de Cobre - Par trançado

Par trançado: O trançamento dos fios tem a função de reduzir interferência.


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Par trançado - Tipos

• STP: Shielded Twisted Pair– dois pares: Um para enviar, outro para receber– Empregados em redes Token Ring.– Conector type-1

• UTP: Unshielded Twisted Pair– de 2 a 4 pares de fios– ethernet (10 Base T) e Token Ring– típico conector: RJ-45


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Par trançado - STP

IBM Token Ring, dois pares de fios (send e receive),conector IBM tipo-1.


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Par trançado - UTP

Ethernet e Token Ring, existente em vários níveis,conector típico: RJ-45


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Par Trançado - UTP

Par trançado 10BaseT, com conector RJ-45 (patch cord)


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Fios de Cobre - Coaxial

Cabo Coaxial: O dado é transmitido no fio mais interno. A proteção de metal protege contra campos eletro-magnéticos externos e evita que a radiação da energia eletro-magnética do fio interno interfira com outros fios


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Cabos Coaxiais - Tipos• Thick Ethernet

– 10Base5, RG-11, “trunk”– Conector: N-Series– Caro

• Thin Ethernet– 10Base2, RG-58.– Conector: Bayonet Nut Connector (BNC)– Barato. (fora de moda!)


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Cabos Coaxiais - Conectores


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Coaxiais

Thin ethernet - 10Base2 Thick ethernet - 10Base5


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Cabo Coaxial - fino

Um adaptador AUI-para-10BaseT, usado para conectar uma NIC com um conector AUI ao cabeamento Thin Ethernet.


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AUI, MAU,NIC.

• NIC: Network Computer Interface. – Placa de Rede, Interface de Rede.

• MAU: Media Attachment Unit: Transceiver– conversor analógico-digital

• AUI: Attachment Unit Interface– Cabo que conecta a NIC ao Transceiver.


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NIC - Placa de Rede

NIC - Placa de Rede com conector AUI do lado direito da placa


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Transceiver - Cabo Fino

MAU ligado diretamente à NIC sem o cabo AUI. Rede usa cabeamento Ethernet 10Base2 com conector BNC.


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Transceiver - Par trançado

MAU ligado diretamente à NIC sem o cabo AUI. Rede usa cabeamento Ethernet 10BaseT com conector RJ-45.


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Esquema de fios (10BaseT)


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Fibra Óptica• Cara

• Usada em backbones ou redes anel FDDI (100 Mbps)

• Alta capacidade

• Imune a interferências eletro magnéticas

• Baixa perda

• Dificuldade para fazer junções. ($$$)

• Longas distâncias


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Fibra Óptica


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Fibras Ópticas• LEDs (Light-Emitting Diodes)

• ILDs (Injection Laser Diodes).

• Fibras Multimodo: 5 GBPS– transporta múltiplos raios de luz concorrentemente

– distâncias relativamente curtas, devido a dispersão

– 50 a 100 microns

• Fibras Single Mode: 25000 GBPS – Transporta um único raio de luz.

– Distâncias mais longas. (50x)

– Maior banda, embora (8.3 a 10 microns)

– 10 bilhões de bits por segundo !


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Radio


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Infravermelho

• 16 Mbps


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Pacotes, Frames e Detecção de Erros

• Pacotes: pequenos blocos de dados enviados individualmente pelo sistema de rede. Por que?

– coordenação na transmissão entre emissor e receptor.– acesso compartilhado de vários computadores à rede.

• Frames: “pacote” especifico para uma determinada tecnologia de rede (frame ethernet, frame ATM)

• Detecção de Erros– Bits de Paridade

– Checksum

– Cyclic Redundancy Check


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Tecnologias e Topologias de Redes

• Tecnologias: como computadores enviam pacotes pela rede. (ethernet, token ring, FDDI, ATM, LocalTalk)

• Topologias: distribuição física e lógica dos computadores em uma determinada rede. (barramento, estrela, anel)


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Tecnologia Ethernet

• Hoje a mais utilizada– balanço entre velocidade, custo e facilidade de

instalação.– aceitação no mercado de computadores e

existência de bom suporte.– Padrão definido pelo IEEE.

• A que topologia pertence ?


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Ethernet - Barramento


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Ethernet - Estrela


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Ethernet - Mista


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Como funciona: Ethernet

• Não há uma “central” de coordenação.• Xerox - início anos 70 (1973 - Bob Metcalf)

• Ethernet: 10Mbps

• Fast Ethernet: 100Mbps.

• Pode haver colisão.

• Como controlar ?


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Fluxo de dados na Ethernet

Comprimento máximo da ethernet: 2500 mdistância max. percorrida por 64 bits (10Mbps) sem colisão


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CSMA

• Carrier Sense with Multiple Access– esquema de coordenação distribuída– Atividade elétrica no cabo determina status.– Se nenhum computador envia frames: não há

portadora (carrier).– Se algum computador transmite: há portadora.– Se não há portadora, a placa transmite um

frame!


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CSMA

• Se há uma portadora, a placa espera p/ enviar seu frame.

• Tecnicamente:– Verificar a presença de uma portadora chama-

se: carrier sense !– Usar a presença de sinal para transmissão por

vários computadores: Carrier Sense with Multiple Access


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Colisão

• O que acontece se, na ausência de portadora, dois computadores decidem transmitir simultaneamente?– Colisão (interferência) !

• Qual o mecanismo de Recuperação ?– CSMA/CD – CD: Colision Detection (and BackOff)


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Tratando a colisão

• Ao sentir a colisão (alteração anormal na voltagem, pela placa), o computador espera.

• Mas se ambos computadores esperarem o mesmo tempo para retransmitir: nova colisão !

• Usar um delaydelay de no máximo d.

• Selecionar um valor randômico!


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Evitar colisões múltiplas

• Se houver nova colisão, duplica-se o tempo de delaydelay !

• Binary exponential Backoff : ato de dobrar o tempo de delaydelay a cada colisão


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2 - Endereçamento de Hardware e Frames

• Meio físico compartilhado por muitos computadores.

• Sinal chega a vários, além daquele a qual é especificamente destinado.

• Como identificar este computador específico?– Frames !


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Endereçamento físico


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Formato de Endereços Físicos

• Estáticos: pré-estabelecido pelo fabricante.

• Configuráveis: manual, na EPROM.

• Dinâmicos– Endereço determinado quando a estação é

ligada. Pode tentar valores aleatórios até encontrar algum que não seja usado por outro computador na rede.


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Frames

• Permitem a identificação do conteúdo do dado a ser transmitido.

• Composto por “campos”


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Frame Ethernet


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Tipos de Frames


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Erros de Transmissão

• Raios, variações na corrente elétrica, interferências eletro-magnéticas, etc.– Alteram o valor do dado.– Interpretação errada.

• Mecanismos de verificação de erros– Paridade– CheckSum– CRC


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Verificando a Paridade

• Bit de paridade

• Paridade Par:– O transmissor configura o bit de paridade para

0 ou 1 de forma que o nro total de bits 1 (incluindo o próprio bit de paridade) seja par

– o bit de parid. para 0100101 é 1.

• Paridade Ímpar: análoga.


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CheckSum

• Dados são tratados como uma seqüência de inteiros sobre os quais é calculada uma soma.


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Limitações do CheckSum


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CRC - Cyclic Redundancy Check

• Implementado em Hardware– registrador de deslocamento + porta Xor

• melhor que checksum

• Cada bit muda dramaticamente o resultado final.


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3 - Conectividade.

• Estendendo uma LAN– Repetidores (Repeaters)– Pontes (Bridges)– Switches– Roteadores (Routers)– Gateways – Hubs


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Repetidores

• “Pega” um sinal e o repete !

• Não apenas amplifica, tenta também regenerá-lo (eliminando ruídos)

• Corresponde a camada 1 do modelo ISO– Camada Física

• Não tem a mínima noção da idéia de Frame– o sinal é elétrico– portadora


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Bridges

• Mais inteligente que um repetidor– Camada 2 (Data Link) do modelo ISO– Entende o formato do Frame, portanto, é

específica para uma determinada tecnologia– Pode tomar decisões inteligentes

• Filtra Frames – Reduz tráfego na rede


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Filtragem de Frames

• Bridge possui CPU, memória e duas placas de rede.

• Aprendizado adaptativo. (spanning tree algorithm)

• “Observa” a rede em modo promíscuo (aceita para análise todos os frames que chegam a ela).


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Uso de bridge - 1


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Uso de bridge - 2


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Um “ciclo” de Bridges


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Hubs• Inicialmente: um concentrador de fiação• Hubs mais modernos

– stack (pilhas de hubs): max 10 (IBM)– SNMP (Simple Network Management Protocol)

• gerenciamento remoto do hub

– Portas “bufferizadas”: armazena frames– filtragem de pacotes: descarta frames ruins– agem como repetidores– Cada né detém uma porção da largura de banda

total da capacidade de transmissão do HUB !


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HUB


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Switches• Tem a aparência de um hub

– HUB: age como um longo fio compartilhado– SWITCH: simula uma rede com várias bridges!

• Permite comunicação em paralelo• aumentam performance da rede• agem também como um filtro• qd um pacote chega, lê o header e o repassa ao segmento

destino (

– Funcionam na camada 2 e 3 (Layer 3 Switches)– Cada nó tem a capacidade total de transmissão do

Switch

Store-Forward


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Layer 3 Switching

• Incorpora características de roteadores

• Opera no nível 3 (redes) do modelo ISO/OSI

• Opera de modo idêntico a um roteador, mas tem otimização por hardware (tao rápido quanto um switch nível 2)


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Roteadores

• Transfere dados de uma rede para outra (que podem ser fisicamente diferentes - frames diferentes)

• Camada 3 (Redes) do modelo ISO.

• Inteligente: tenta encontrar a melhor rota para o pacote.


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Gateways

• PC: manipulam dados em formato ASCII

• IBM Mainframes: formato EBCDIC

• Conversão exige uma completa re-estruturação dos dados.

• Gateway: dispositivo que atua em qualquer camada do modelo ISO/OSI para vencer “diferenças” entre redes.


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Dispositivo Camada OSI Performance Sofisticação

Repeater Física Rápida Baixa

Bridge Data Link Rápida Também Baixa

Switch Data Link Rápida Complexa

Roteador Network Média Complexa

Gateway Qualquer Devagar Muito Complexa

Dispositivos de Conexão

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