NOT A S D E A ULA , R EV 8. 0 U E RJ 2 0 20 F LÁ V IO A L ...falencar/arquivos-flavio-uerj/redes2/redes2-1-LAN-v8.pdfUERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg.14 Cap.1 - LAN Para mapear

N O T A S D E A U L A , R E V 8 . 0 – U E R J 2 0 2 0 – F L Á V I O A L E N C A R D O R Ê G O B A R R O S

Redes de Comunicações 2

Redes Locais e PPP

Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro

E-mail: [email protected]

Capítulo

1

UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg.1

Cap.1 - LAN

Referência Principal:

“Computer Network: A Top-Down Approach Featuring the Internet”

J. F. Kurose, K. W. Ross, 7a.ed., Pearson, 2017


Cap.1 - LAN


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Cap.1 - LAN

Redes locais (LANs) foram padronizadas pelo IEEE comitê 802 (padrão ISO

8802). Vários padrões para acesso ao meio foram estabelecidos, dividindo a camada

enlace em duas subcamadas:

- LLC – padrão IEEE 802.2 que estabelece uma interface única entre usuários e LANs,

independentemente da tecnologia local;

- MAC – padrões IEEE 802.3 (CSMA/CD – Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring),

ANSI X3T9 (FDDI), IEEE 804.4 (Token Bus) e IEEE 802.6 (DQDB) 802.3u (Fast

Ethernet), 802.3z (Gigabit Ethernet), 802.7 (Broadband LAN-TV a cabo), 802.8 (Fiber

Optic CSMA/CD), 802.9 (Integrated Voice and Data Systems), 802.10 (Standard for

Interoperable LAN Security), 802.11 (Wireless LAN, WiFi), 802.12 (Ethernet 100VG-

AnyLAN), 802.16 (WiMax), etc.

Alguns destes padrões caíram em desuso, outros dedicados a redes sem fio

veremos no próximo capítulo. Aqui, estaremos particularmente interessados no padrão

mais popular de rede com fio - Ethernet, e finalmente, o padrão mais popular para

comunicação ponto a ponto dial-up (PPP). Antes, vejamos questões de endereçamento

na camada link.


Cap.1 - LAN

O endereço de LAN (ou endereço MAC ou endereço físico) é pré-gravado (em

PROM) no adaptador de rede (NIC), e não no host. Usa 48 bits e tem organização

plana, sendo expresso em hexadecimal e pode se mover de máquina ao trocar a NIC.

Companhias que fabriquem adaptadores obtêm blocos de 224

(16 milhões) de

endereços. Perceba que esta forma de organização é o contrário da dos endereços

IP, estes de 32 bits desenvolvidos na camada rede, hierárquico e mutável conforme

a mobilidade e o momento de acesso do usuário.

Uma questão natural é o porquê da existência dos dois: endereços MAC e IP.

• LANs são projetadas para qualquer protocolo de rede, não apenas IP (também IPX,

DECnet, etc.);

• Se adaptadores usassem endereço IP, o endereço deveria ser armazenado em RAM

e configurado toda vez que o adaptador se movesse de máquina (ou desligasse);

• A opção de não usar qualquer endereço no adaptador o forçaria passar tráfego

destinado a outro host para a sua estação, gerando desperdícios de processamento.

Para transmissão local broadcast usa-se o endereço FF-FF-FF-FF-FF-FF.


Cap.1 - LAN


Cap.1 - LAN


Cap.1 - LAN

Para mapear endereços MAC em endereços IP no ambiente local existe o protocolo

ARP (Address Resolution Protocol), em todo host ou roteador da LAN.

No slide 1-24 se encontra um exemplo da tabela ARP para o nó 222.222.222.220.

As possibilidades de transmissão para este nó incluem:

a) Envia para nó na mesma rede

a.1) se o nó destino tem registro na tabela ARP, o mapeamento é direto;

a.2) se o nó destino não têm registro na tabela ARP (ex: enviar para

222.222.222.222):

- host constrói um pacote especial ARP contendo endereço IP e endereço MAC

e manda-o ao adaptador;

- adaptador encapsula pacote ARP num quadro de enlace e emite por broadcast;

- todos nós processam o pacote ARP. O nó que “bate” o conteúdo responde o

pedido diretamente;

- o nó requisitante (222.222.222.220) atualiza sua tabela ARP e age a seguir

como em a.1).


Cap.1 - LAN

b) Enviando para fora da LAN

Seja, por exemplo, 111.111.111.111 na LAN1 do slide 1-25 querendo enviar para

222.222.222.222 na LAN2.

- ao perceber que a LAN destino é outra e por não ter o mapeamento na sua tabela,

envia o pacote ao roteador local;

- o roteador local será o “procurador” do host. O roteador determina a interface

correta consultando sua TABELA DE ROTEMENTO, que é um resultado da

camada rede.

- a interface correta está em 222.222.222.220. Esta interface recebe o datagrama e

o passa para seu adaptador;

- o adaptador da interface 222.222.222.220 encapsula o datagrama num quadro da

LAN2 e envia o quadro ao destino.


Cap.1 - LAN


Cap.1 - LAN

O sucesso da Ethernet se deve a uma série de fatores:

b) Foi a primeira tecnologia desenvolvida;

c) Token Ring, FDDI e ATM são mais complexas e caras;

d) CSMA/CD é totalmente descentralizado, e, portanto, mais simples (sem conexão,

sem controle de fluxo, serviço não-confiável) e de baixo custo.

Ethernet pode vir na forma de bus (antigamente) ou estrela (hoje em dia), pode usar

coaxial (fino ou grosso), par trançado ou fibra ótica. Pode transmitir a 10, 100

Mbps até 10 Gbps. Transmite em banda básica (Manchester) e o método de acesso

ao meio é o CSMA/CD.

No slide 01-27 é visto o esquema original da Ethernet desenhado por seu inventor. Toda

lógica do protocolo usado na Ethernet (CSMA-CD) é implementada no controlador, ou

placa de rede (NIC – Network Interface Card).


Cap.1 - LAN


Cap.1 - LAN

Todas as tecnologias Ethernet usam o mesmo formato do quadro mostrado nos

slides 01-29/30. Os campos de endereços e dados são auto-explicativos. Também:

- Tipo – permite “multiplexar” protocolos da camada rede (IP, Appletalk, IPX, mas

também ARP).

- CRC – para detecção de erros;

- Preâmbulo – começa com 10101010, para sincronizar adaptadores receptores, termina

com 10101011.

- Dado – o tamanho mínimo de dados (46 bytes) é o mínimo para detectar uma colisão.

Este valor é “amarrado” pelo limite teórico de 2500 m e quatro repetidores

para a rede:

Quando uma estação detecta colisão, ela emite uma seqüência de 32 bits

(jamming) para “apagar” dados no bus e após isto ela pára. Isto significa transmissão de

96 bits quando detecta colisão (64 bits de preâmbulo, 32 bits de jamming). O pior caso

é quando os hosts em colisão estão o mais separado possível, significando que o emissor

poderá detectar colisão somente após transmitir 512 bytes. Por que este valor?


Cap.1 - LAN

Chamemos de r o retardo para um quadro chegue ao host destino. Se o emissor

começou a transmitir no instante t, o primeiro bit chegará em t + r. Se um instante antes

o host destino ao detectar meio livre começou sua transmissão, seu quadro

imediatamente colidirá com o quadro que já vinha, e o host destinatário promoverá sua

seqüência de jamming. Porém, o emissor original só saberá que houve colisão quando o

jamming chegar, ou seja, t + 2r depois, o que significa que ele precisará transmitir até

este momento para detectar colisão (transmite durante 2r)! Portanto, uma estação numa

rede de 4 segmentos de 2500m operando a taxa de 10 Mbps, com retardo de

propagação de 2/3 da velocidade da luz, precisará transmitir durante 50 msegs

(rigorosamente 51,6 msegs), o que resulta transmitir 500 bits (rigorosamente 512 bits,

64 bytes). Daí, o menor tamanho de dados é de 46 bytes (FAÇA ESTAS CONTAS,

NÃO TENHA PREGUIÇA!). O limite prático do tamanho de redes Ethernet acaba

sendo um pouco menor, por conta dos retardos adicionais que mencionaremos logo a

seguir.

Exercício: Uma mensagem de uma camada superior é dividida em 10 quadros, sendo

que cada quadro tem 80% de chance de chegar sem qualquer erro. Se o

protocolo de enlace não fizer qualquer controle de erros, quantas vezes, em

média, a mensagem deverá ser enviada para que o processo seja concluído?

Se um quadro tem 1500 bits, qual a probabilidade de haver falha de 1 bit?

Compare este último resultado com os valores para transmissão sem fio,

telefonia com par trançado e cabo coaxial (10-3

, 10-4

e 10-6

,

respectivamente).

R: 9.3; 1.5 x 10-4

(solução possivelmente em sala)


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Já vimos em Redes 1 o algoritmo CSMA-CD. Relembrando:


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Algoritmo backoff exponencial binário: Após uma colisão, o tempo é dividido em slots discretos de comprimento

(tempo) igual ao pior caso do RTT (tempo de ida e volta). Após a primeira colisão, cada

estação espera 0 ou 1 slots; após a segunda colisão, cada estação escolhe aleatoriamente

entre 0, 1, 2 e 3 slots (a probabilidade de ocorrer a terceira colisão é de 0.25, certo?);

após a i-ésima colisão, é escolhido um número aleatório de slots entre 0 e 2i – 1, até um

limite máximo escolhido. Chegado este número máximo é hora das estações

"emudecerem", pois é sinal que a carga da rede está excessiva. Naturalmente cessando a

disputa por um emudecimento mais longo, diminui a carga e, conseqüentemente, as

futuras colisões diminuirão ou cessarão.

Padrões Ethernet:


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Alguns retardos típicos introduzidos por dispositivos são:

Cabo coaxial grosso velocidade de propagação de 0,77c

Cabo coaxial fino velocidade de propagação de 2c/3

Repetidores 0,6 msegs (cada)

Transceptores 0,2 msegs (cada)


Cap.1 - LAN


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Alguns exemplos:

10BaseT/100BasT

Ambos são similares, exceto a taxa de transmissão, mas também que a

100BaseT, diferentemente das tecnologias anteriores, não usa Manchester e sim a

codificação 4B5B, onde todo grupo de 5 períodos de clock envia 4 bits de tal forma que

o excesso de transições facilita a sincronização do relógio.

100Base-T é conhecido com FAST ETHERNET, sendo suportados:

- 100Base-TX: 2 pares Categoria 5 UTP ou Tipo 1 STP, banda básica, 100 metros de

comprimento máximo, 100 Mbps.

- 100Base-T4: quatro pares Categoria 3, 4 ou 5 UTP, banda básica, 100 metros de


- 100Base-FX: cabo de fibra ótica multimodo, banda básica, 160 metros de


- Gigabit Ethernet

É uma extensão do padrão 10/100, padrões IEEE802.3z (fibra) e IEEE802.3ab

(UTP). Características:

- usa o mesmo formato Ethernet (já discutido aqui) gozando de compatibilidade

retroativa.

- admite tanto enlaces ponto a ponto (switches) quanto canal broadcast compartilhado

(hubs). No modo normal – full-duplex – os computadores são interconectados por

switches, todas as linhas são bufferizadas e desta forma o emissor NÃO tem que

“sentir” o canal antes de transmitir (veja switch com RAM "on-board" no cartão).

Desta maneira, o comprimento máximo do cabo é determinado pelas questões de

força do sinal e o protocolo de acesso ao meio CSMA-CD não é usado. No modo

hall-duplex, quando os computadores são ligados a um hub, são possíveis colisões,

portanto, é utilizado o CSMA-CD.

- topologia estrela com switch (ou hub) no centro. Serve geralmente como backbone

interconectando várias LANs 10-, 100 Mbps.

- projetado para fibra ótica ou UTP5.


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Exercício: Qual é a taxa de baud da LAN802.3 de 10 Mbps? Considere que a

transmissão é feita usando-se codificação Manchester.

R: 20 M bauds (solução possivelmente em sala)

Para incorporar funções para além de redes locais, o padrão Ethernet evolui com

10 Gigabit Ethernet (LAN-PHY e WAN PHY). Um panorama atual de toda “família” se

encontra no slide 1-38.

Evolução Ethernet

A evolução da Ethernet incorporou algumas características do ambiente. Uma

porta em uma ponte tem que manter uma lista de endereços MAC de todos dispositivos

conectados à rede. Pontes percebem novos dispositivos “farejando” o endereço fonte no

quadro Ethernet quando quadros com destino desconhecidos são encaminhados para


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todas as portas ativas da ponte (inundação). Naturalmente esta solução não é escalável,

conforme o tamanho das redes aumenta. As evoluções partiram daí.

Com 802.1Q se permite particionar uma rede em 4096 espaços virtuais (VLAN

ID ou VID), o que significa que uma porta precisa manter apenas uma lista de endereços

para VLANs a qual ela pertence, o que minora o problema da escalabilidade.

Com 802.1ad (Provider Bridges) acrescenta-se VIDs, reservado para uso dentro

de uma infraestrutura portadora (S-VID), onde se permite VIDs de cliente ser

transportado sobre uma rede portadora.

Com 802.1ah (Provider Backbone Bridges) aumenta-se o número de S-VIDs de

212

para 220

e se define os protocolos necessários para interconectar múltiplas redes

“Provider Bridges”.

Outras novas especificações se tornaram necessárias, por exemplo, para prover

prioridade de tráfego. Estas serão vistas futuramente no capítulo de QoS.

Arquivo de apoio:

Para detalhamento da tecnologia Gigabit Ethernet veja o whitepaper da Gigabit

Ethernet Alliance: gigabitETH.pdf


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Switched Ethernet

Um switch contém vários "cartões", cada qual dando acesso a algumas estações

(10Base-T geralmente) e um backplane de alto desempenho (pode comutar quadros a

vários Gbps). Uma estação transmite um quadro Ethernet para o switch e o quadro

chega ao seu respectivo cartão. Se o destino se encontra no mesmo cartão, o quadro é

copiado para a porta respectiva. Se não, o quadro é enviado pelo backplane para o

cartão da estação de destino. Se duas estações no mesmo cartão tentam transmitir ao

mesmo tempo, se as portas do cartão são ligadas juntas, uma colisão é detectada e

tratada como em CSMA-CD (via algoritmo de backoff exponencial binário),

significando que somente uma estação por cartão pode acontecer, diz-se que cada cartão

forma um domínio de colisão separado, independente entre os cartões. Como temos

uma estação por domínio de colisão, colisões são impossíveis (entre estações de cartões

diferentes) e o desempenho total é mais alto. Neste caso temos um domínio de colisão

por cartão.


Cap.1 - LAN

Uma solução de switch melhor ainda mantém uma RAM "on-board" em cada

cartão, de modo que todas as estações de um mesmo cartão podem transmitir full-duplex


Cap.1 - LAN

para a RAM (portanto, em paralelo). Caso o destino seja em outro cartão, a transmissão

é feita via backplane (pode ser em paralelo entre diversos cartões) e não existe

absolutamente nenhuma colisão, e o desempenho é o maior possível.

Como se vê, o papel do switch se assemelha ao de um concentrador (hub), com a

vantagem adicional de reduzir (ou eliminar) o domínio de colisão. Com a queda de

preço do switch, a tendência é ele substituir totalmente os hubs. É comum a solução

híbrida: portas de switches conectadas a um hub, e este, por sua vez, conectar

(concentrar) um grande número de estações. Se ganha com isto em número de estações

operacionais na LAN, perde-se em probabilidade de colisões.

Perceba nesta seqüência tecnológica da Ethernet a redução do domínio de

colisões: o cabo, o hub, os switches de portas conectadas junto e os switches de RAM

"on-board".


Cap.1 - LAN


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Interconectar diferentes LAN significa reformatar dados de uma rede para uma

rede vizinha, levando em conta diferenças como tempo de CPU, diferentes cálculos de

checksum, ajustes de velocidades, etc. O problema principal, no entanto, é que LANs

diferentes tem diferentes comprimentos máximos de quadros, e dividir quadros em dois

é algo fora de propósito na camada 2 (porém é atividade comum na camada 3!). LANs

de mesmo padrão como Ethernet, Token Bus e Token Ring (todas IEEE802) podem

tirar proveito disto reformatando os dados na própria camada 2.

Outros problemas na inter-redes surgem quando se está tratando com a interface

entre redes com e sem fio. Por exemplo, a segurança é tratada tanto pelo padrão 802.11

quanto pelo padrão 802.16 através do suporte a encriptação na camada link, mas

Ethernet não suporta isto. A solução natural é quebrar a transparência, fazendo que uma

estação 802.11 conheça se está lidando com outra 802.11 ou não. Outro ponto é a

qualidade de serviço. Tanto 802.11 quanto 802.16 lidam com ela de diversas maneiras,

mas em Ethernet não tem este conceito.

Por todas estas razões a interconexão de redes será também assunto no próximo

capítulo, lá serão consideradas questões globais (camada 3), como roteamento,


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encaminhamento e destinação de pacotes. Perceba que aqui na camada 2 esta discussão

é de escopo local, significando basicamente reformatação do pacote a ser enviado de

acordo com as exigências locais de cada rede. Interessa aqui LANs como: redes de back

end (interconectando grandes sistemas como mainframes, supercomputadores e

dispositivos de armazenamento em massa), redes de escritório de alta velocidade, LANs

de backbone, LANs de fábrica e LANs legadas (antigas) de média ou baixa velocidade.

Não analisamos aqui uma classe especial de LANs: as LANs sem fio. Elas

merecerão pela sua especificidade um capítulo à parte.


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PPP é um protocolo orientado a caracteres (bytes) utilizado em enlaces modem

dial-up (existem outros, como o SLIP, mais antigo, que não analisaremos aqui)


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O PPP é composto de dois protocolos, o primeiro é o LCP (Link Control

Protocol), que se incumbe de iniciar o estabelecimento e a finalização de linha,

negociando opções e suportando circuitos síncronos ou assíncronos, bem como

codificações bit- ou byte-orientado. O NCP (Network Control Protocol) é a parte do

protocolo PPP que negocia opções da camada de rede.


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A Internet precisa de um protocolo ponto a ponto seja para lidar com tráfego

roteador a roteador, seja para tráfego entre usuário doméstico final e ISP. PPP é

definido na RFC 1661 para fornecer negociação de IP e autenticação em tempo de

execução, além de outros serviços.


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Depois que o PC estabeleceu conexão com o modem do roteador, ele envia uma

série de pacotes LCP no campo útil (payload) de um ou mais quadros PPP. Estes

pacotes e suas respostas selecionam os parâmetros PPP a serem usados. Se houver

concordância na negociação destes parâmetros da camada de enlace, vários pacotes

NCP são enviados para configurar a camada de rede. O final deste processo é a

designação de um endereço IP para o PC em questão se tornar um host da Internet.


Cap.1 - LAN


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O campo Endereço é sempre colocado com o valor 11111111 para indicar que

todas as estações devem aceitar o quadro. O campo Controle tem o valor default

00000011, que indica um quadro não numerado. Em outras palavras, PPP não oferece

transmissão confiável, coisa que deve ser oferecida em outras camadas (camada de

transporte). Evidentemente em meios não confiáveis como redes sem fio deveria haver

transmissão no modo numerado. O campo protocolo define que espécie de carga está no

payload, existindo códigos para LCP, NCP, IP, IPX, AppleTalk, e outros protocolos.

O campo Info (payload) tem tamanho variável até algum máximo negociado. Se a

opção não é negociada, o default é 1500 bytes. O campo checksum é normalmente 2

bytes, mas um checksum de 4 bytes pode ser negociado.


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Arquivos de apoio:

Para futuro da Internet: descricao-futuro-da-internet.pdf

Para detalhamento da tecnologia Gigabit Ethernet veja o whitepaper da Gigabit

Ethernet Alliance: gigabitETH.pdf

Laboratório previsto: Análise de quadros

Ethernet.

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