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