RCA – REDES DE COMPUTADORES Avançado

Paulo Furtado Correia – paulojcorreia@yahoo.com

PROGRAMA

• Protocolos de rede – Connection oriented e Connectionless

• Protocolos da internet (DNS, HTTP) –Caracterização e comparação dos layers em que operam para ambos os modelos OSI e TCP/IP.

• Algoritmos de acesso ao meio de transmissão –MAC (Medium Access Control) sublayer do layer de dados OSI – ALOHA, CSMA, Token Ring, Token Bus e FDDI. Comparação entre os algoritmos Slotted e não Slotted.

• Ethernet - Caracterização e elementos da estrutura da trama

• Wireless LANs• Broadband Wireless (WiMax)• Bluetooth como protocolo de transmissão de

dados de curta distância• Layer 3 de rede - Algoritmos de routing ou

encaminhamento• Layer 3 de rede – Algoritmos de controlo de

congestão nas redes• Layer 3 de rede - Qualidade de serviço (QoS)• Internetworking – Como interligar redes

diferentes. Tunneling. Fragmentação de pacotes• IPv4. A estrutura do pacote. Endereços. NAT.

IPv6. Comparações. ARP, DHCP e MPLS• Protocolos de gateway routing de rede interior e

exterior - OSPF e BGP

BIBLIOGRAFIA

1-)Redes de ComputadoresJosé Gouveia, Alberto Magalhães10ª EdiçãoFCA

2-)Comunicação de Dados e Redes de ComputadoresPaulo Mónica1998CTI – centro de tecnologias - Bulhosa

3-)Computer NetworksAndrew Tanenbaum, David Wetherall5th Edition - 2011Pearson

4-) TCP/IP - Teoria e PráticaFernando Boavida / Mário BernardesFCA

5-) Computer Networking- Principles, Protocols and PracticeRelease 0.25Olivier BonaventureSaylor Foundation

6-) Introdução às redes de TelecomunicaçõesRui Sá3ª. EdiçãoFCA

7-) Redes Cisco para profissionaisMário Véstias4ª. EdiçãoFCA

8-) Redes CelularesSérgio PintoFCA

9-) Sites recomendados para leitura complementarEnciclopédia online http://en.wikipedia.orgPublicações da universidade de Aberdeen https://erg.abdn.ac.uk

10-) Cursos gratuitos Cursos gratuitos do MIT http://ocw.mit.edu/courses/index.htmCursos de Networking das melhores universidades mundiais https://www.edx.org/course?search_query=networking

AVALIAÇÃO

Exame escrito – 80%

Participação nas aulas – 20%

Protocolos de rede

Noção de Connection-Oriented e Connectionless

• São serviços que podem ser implementados por vários layers

• Connection Oriented (com conexão end-to-end)– a um determinado layer de OSI, a ligação é estabelecida entre a origem e destino, antes da transferência de informação e após acabar a transferência, a ligação é libertada:• Baseado nas redes telefónicas de voz• O caminho percorrido pelas unidades de informação é sempre o mesmo

porque é previamente estabelecido• A ordem cronologica de chegada é garantida• Associado normalmente ao termo comutação de circuitos ao nivel 3

de OSI• Ex. Aplicação de transferência de ficheiros

• Connectionless (sem conexão end-to-end) – a um determinado layer de OSI, a transferência é iniciada independentemente do caminho percorrido pelas unidades de informação:• Pode haver diferentes caminhos percorridos pelas unidades de

informação• A ordem de chegada das unidades de informação não é garantidamente

sequencial• As unidades de informação têm que conter o endereço de destino• Associado ao termo comutação de mensagens ou de pacotes ao

nivel 3 de OSI• Para poupar tempo na ligação de dados, não existe confirmação da

recepção das unidades de informação• Ex. Aplicação de envio e recepção de emails

TCP Layer 4

HTTP, SMTP, FTP, SNMP, DHCP,

DNS, IMAP, POP3

TCP, UDP

Protocolos da internet

HTTP – utilizado para browsing de paginas da internet, incluindo texto, imagens, videos, links etc

SMTP – utilizado para transferência de emails podendo os servidores utilizarem o serviço POP3 (descarrega os emails para o dispositivo) ou IMAP (centraliza os emails no servidor)

FTP – utilizado para transferência de ficheiros entre máquinas

SNMP – utilizado para gerir remotamente recolhendo informação, os vários equipamentos numa rede, desde os terminais aos outros todos

TCP – protocolo de transporte, connection oriented, que garante que a informação transmitida foi integralmente recebida em Datagrams.

UDP - protocolo de transporte, connectionless, que não garante que a informação transmitida foi integralmente recebida em Datagrams. Menos fiável que o TCP.

IP – protocolo de rede da internet (connectioless)

ARP – Address resolution protocol – serve para tradução de endereços de placas de rede ou rede interna de uma organização (p.ex. Ethernet) em endereços IP lógicos

ICMP – internet control message protocol - protocolo de controlo de pacotes que integrado nos pacotes IP serve para pedir a retransmissão de pacotes que falharam a recepção

IGMP – internet group management protocol - implementa a gestão de informação que circula pela internet via TCP/IP

Ethernet – protocolo de rede e dados adequado para LANs, redes empresariais, etc

DHCP – serve para pedir a atribuição temporária de um endereço IP a um equipamento (normalmente em redes locais Ethernet ou LAN) que não tem um IP fixo do ponto de vista do ISP que atribui endereços IP no serviço de internet que fornece

DNS – traduz endereços IP em dominios/nomes ou caminhos (links) da internet

Algoritmos de acesso ao meio de transmissão (MAC Sublayer)

ALOHA• Competição pelo canal de transmissão partilhado

entre vários computadores• Baseado em rede rádio de pacotes existente no Havai nos

anos 70 – ALOHANET em que havia necessidade de comunicação de utilizadores remotos com computador central de Honolulu

• Todas as estações terminais transmitem à mesma frequência

• Grande probabilidade de colisões• Sistema com eficácia razoável para redes com pequenas

dimensões

Aloha Puro• Os terminais transmitem sempre que tenham dados para

enviar em instantes completamente arbitrários e esperam recepção de ACK durante um tempo de supervisão

• Colisões dão origem a problemas nas tramas recebidas cujo checksum será incorrecto sendo necessário retransmitir, e destruição da informação enviada

• As tramas têm todas o mesmo tamanho em bytesoptimizando o bit rate de transmissão

Aloha temporizado (Slotted)• Variante de ALOHA em que os nós só podem transmitir em

instantes pré-definidos (slots) - exige sincronização entre os nós e que esperem pelo inicio do próximo slot para transmitir

• Maior eficácia: • Eliminação de colisões parciais• Melhor desempenho (capacidade antes de colisões)

ALOHA temporizado - 37 % de sucessoALOHA puro - 18 % de sucesso

Aloha Puro

Algoritmos de acesso ao meio de transmissão (MAC Sublayer)

CSMA – Carrier Sense Multiple Access• Resolve o problema da “surdez” do método ALOHA – porque

antes da transmissão existe verificação da existência de tráfego na rede

• Menor probabilidade de colisões• Restantes características são semelhantes a ALOHA • Método de transmissão aleatório mais popular • Apropriado para LANs:

• Tempos de propagação pequenos• Semelhante entre todos os pares fonte-destino• Estado do canal pode ser detectado rapidamente• Quando computador transmite uma mensagem todos

os outros podem detecta-la rapidamente

CSMA – 1-Persistente (porque a transmissão dá-se com probabilidade 1 do canal estar idle)

• Inicio : Se Canal idle => terminal envia a trama;• Senão (Canal busy) => terminal espera até ficar idle e

envia a trama;• Se existir colisão o terminal espera um tempo aleatório e

reinicia o processo

CSMA não persistente • Inicio : Se Canal idle => terminal envia a trama;• Senão (Canal busy) => terminal espera um tempo

aleatório e reinicia o processo;

CSMA p-persistente (T slotted)• Inicio : Se Canal idle => terminal envia trama com

probabilidade p ou atrasa a transmissão T seg com probabilidade 1-p

• Senão (Canal busy) => terminal espera pelo próximo slot e reinicia o processo

• Se houver colisão, espera um tempo aleatório e reinicia o processo.

• Evita tempo de espera, se canal estiver livre (idle)

• Maior probabilidade de colisões• Existirá colisão se 2 ou mais estações

estiverem simultaneamente à espera de transmitir. Neste caso cada estação espera um tempo aleatório antes de voltar a escutar o meio

Algoritmos de acesso ao meio de transmissão (MAC Sublayer)

CSMA – Carrier Sense Multiple Access

CSMA CD – com Collision Detection

• Base de layer 2 das redes Ethernet

• Terminais escutam o canal enquantotransmitem (se a trama enviada, que oterminal também acaba por ir recebendocomo sinal analógico, for diferente datransmitida, a colisão é imediatamentedetectada - A transmissão é interrompidae espera um tempo aleatório (contenção)e reinicia a transmissão quando o canalestiver livre.

• O tempo de detecção de colisão = tempode transmissão de um terminal para outro.

• Se as tramas tiverem uma duraçãomaior que o tempo de propagaçãoentre extremos, não há colisões. Assimgarante-se um melhor desempenho.

OS protocolos CSMA são melhores que os ALOHA porque escutam o canal e só transmitem se o canal estiver livre.Mas, se 2 terminais iniciarem transmissão em simultâneo, o canal está livre e haverá colisão à mesma.

CSMA-CD CSMA-CA

Actua depois de uma colisão Actua antes de uma colisão

Ausculta o meio e caso detecte uma colisão pára de

transmitir não perdendo mais tempo. Retransmite o resto

da informação depois quando o meio voltar a estar livre

Ausculta o meio e caso esteja ocupado por uma transmissão, aguarda até

estar livre, voltando depois a transmitir

Usado em meios fixos de transmissão

Usado em meios de transmissão sem fios

É possivel detectar colisões em meios fixos

Não é possivel detectar colisões em meios sem fios

Minimiza o tempo de recuperação de uma colisão

Reduz a probabilidade de colisões

Algoritmos de acesso ao meio de transmissão (MAC Sublayer)

Passagem de Token

• Uma mensagem predefinida de sinalização (token) circula continuamente entre os terminais numa ordem predefinida;

• O terminal que tem o token pode transmitir e logo que envie a sua mensagem em “queue”, passa o token;

• Ex.:Token Ring (IEEE 802.5) – a informação circula no sentido oposto ao do token;

• Este algoritmo de passagem de token pode funcionar noutros tipos de topologias como Bus (token bus (IEEE 802.4) ou outro;

FDDI – Fiber Distributed Data Interface

• Idêntico ao Token Ring mas compõe 2 anéis, a transmissão pode dar-se em ambos os sentidos, embora sobre fibra óptica

• Requer mais inteligência na inversão do sentido de transmissão, dada a distância do destino

• Algortimo de passagem de token mais utilizado para MANs

• Existem terminais classe A e B, dependendo se podem transmitir num ou em 2 sentidos.

Algoritmos de acesso ao meio de transmissão - Conclusões

• 2 estratégias de acesso a canal de transmissão em redes broadcast:

• Contenção (ex.Aloha puro ou slotted ou CSMA) –preferivel devido ao baixo atraso – colisões raras

• Sem colisões (token ring ou token Bus) –preferivel para altas cargas embora tenha transmissões mais lentas

• O sucesso da transmissão diminui com o aumento de carga na rede para ambos os tipos de métodos

• Os métodos “slotted” mantêm o sucesso de transmissão dos por competição, para maiores cargas de rede

• O sincronismo no acesso ao meio aumenta a eficiência de transmissão, diminuindo as colisões.

Ethernet (Protocolo layer de dados (2) OSI)

• Norma IEEE 802.3 – Ethernet• Norma IEEE 802.11 – Wireless LAN• 2 tipos :

• Ethernet Clássica (Classic) – 3 a 10 Mbps (em desuso)

• Ethernet Comutada (Switched) – Fast Ethernet(100Mbps) , Gigabit Ethernet (1Gbps) e 10Gigabit Ethernet (10Gbps)

• Quanto maior a velocidade da Ethernet• Mais frequente a utilização de fibra óptica• Menor o comprimento dos troços de ligação entre

equipamentos• Mais frequente a utilização em ligações entre

equipamentos “Core” da rede que têm mais tráfego concentrado

• Requer meios de transmissão com menos perdas como a Fibra óptica, para velocidades maiores

• Os equipamentos mais utilizados neste tipo de rede são os HUB e SWITCH

• De fácil manutenção, sem SW para instalar (excepto os drivers)

• Escalável – facilmente se adicionam novos Hosts

• Interage muito facilmente com TCP/IP porque, tal como o IP, também é connectionless

• Funciona até ao nivel 2 de OSI (MAC sublayer)

• Utiliza o método CSMA-CD 1-persistente

A tipica trama do protocolo Ethernet:

• Preamble = 8 bytes cada um = 10101010 (com excepção do último byte, = 10101011 que assinala o inicio da parte que interessa da trama)

• Destination e Source Address – 6 bytes=48 bits. Se o 1º. bit do Destination Address = 0, a trama destina-se a máquinasúnicas (Unicast), se for = 1 destina-se a Grupos de máquinas(Multicast) ou se todos os bits forem = 1, a trama destina-se a todas as máquinas (Broadcast).

• O Source Address é suposto ser único e atribuído pelo IEEE. Os 3 primeiros bytes referem-se ao fabricante do computador.Os últimos 3 identificam a máquina univocamente no mundo.Este é o vulgarmente chamado MAC ADDRESS – Endereçosutilizados em Ethernet.

• Type ou Length (<0x600 é Length, >0x600 é Type) – Este campo dizqual o tipo de pacote de layer 3 é transportado no interior da trama. P.ex. Se for = 0x0800 a trama contém um pacote IPV4, se for 0x86DD trata-se de um pacote IPv6. Se for Length, tem o número de bytes da trama (IEEE 802.3).

• Como há muitas colisões neste tipo de redes, aparecem muitastramas incompletas. Então para distinguir este “lixo”, de tramascorrectas, a trama deverá ter um comprimento minimo de 64bytes, sem contar com o Preamble. Assim, se Data =0 bytes, o campo PAD é usado para completar a trama com pelo menos 46 bytes.

• Checksum é um código de detecção de erro CRC de 32 bits/4 bytes

Ethernet (Protocolo de layer de dados OSI) IEEE 802.3

• A forma mais vulgar de Ethernet é a que utiliza cabos de cobre com Twisted-Pair Hubs –vantagens de fácil manutenção e aproveitamento do cobre existente.

Fast Ethernet (802.3u)

• Versão de Ethernet com capacidade mais rápida que se consegue melhorando alguns importantes factores:

• Utilizar antes Switches em vez de Hubs –Switched Ethernet

• Utilizar cabos de menor comprimento para reduzir atenuações

• Utilizar Fibra em vez de Cobre Twisted-Pair

mas

Os Hubs não aumentam a capacidade visto que à medida que se aumenta o número de Hosts, a capacidade disponibilizada a cada um é menor, podendo causar a saturação da LAN.

Os Switches enviam tramas apenas para os portos a que se destinam – Cada porto tem um único endereço Ethernet – Não há colisões ! Multiplas tramas podem ser enviadas em simultâneo por diferentes Hosts.

Pode acontecer que um porto tenha que fazer buffering de tramas destinadas ao mesmo Host.

A capacidade de uma rede pode aumentar em 1 a ordem de magnitude (p.ex. de 10Base T para 100Base T)

Evita-se o broadcast promiscuo de informação não segura que acontece em redes ethernet com Hubs que apesar de até poder ser encriptada, é indesejado.

então

Então, com Switched Ethernet

Switched Ethernet

RJ-45 interface

Versões + usuais de

Fast Ethernet

Ethernet (Protocolo de layer de dados OSI)

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ab)

• Performance foi aumentada 10x, de resto tudo se manteve como a Fast-Ethernet

• Ligações Point-to-Point

• Interface Cards Gigabit Ethernet

• Modos de transmissão em Half-Duplex e Full-Duplex (Mais vulgar)

• Como são usados Switches, não é necessário usar CSMA-CD em Full Duplex porque não haverá colisões.

• Caso se usem Hubs, então o modo de transmissão será Half-Duplex e como são possiveis colisões, é necessário usar CSMA-CD

10-Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae)

• Modo de transmissão apenas em Full-Duplex

• CSMA-CD não é necessário

• Apenas pequenos melhoramentos ao nivel físico

• Objectivo • Ser usada interiormente em Datacenters e Centrais para interligar

routers de grande porte, switches e servidores

• Ser usada em links de longa distância ou em Trunks de alto débito entre edificios de escritórios fazendo parte de redes MAN baseadas em Fibra

Vantagens da Ethernet

• Não foi necessário mudar o SW ao longo do aprefeiçoamento dos standards da Ethernet

• Plug-in muito fácil de novos Hosts, escalável

• Manutenção mínima, de operação simples, flexivel

• Barata

• Falhas extremamente raras, desde que se respeitem os standards

DWDM – Diferentes comprimentos de onda

Standard 40-100Gbps – em desenvolvimentoespera-se em 2020...