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Comunicação de Dados IIComunicação de Dados II
Aula 12 - EthernetAula 12 - Ethernet
Prof: Jéferson Mendonça de Limas
Ethernet – Introdução
Ethernet - Tecnologia LAN predominante•A IETF mantém os protocolos e serviços para as camadas superiores do TCP/IP
•Protocolos e serviços da Camada de Enlace do OSI são descritos por várias organizações de engenharia e empresa privadas (protocolos proprietários)
•Os padrões Ethernetdefinem os protocolosda Camada 2 e dastecnologias da Camada 1
•O formato básico deestrutura e esquema deendereço é o mesmopara todas as variedadesdo Ethernet
Ethernet - Introdução
Origem do Ethernet•A primeira LAN do mundo foi a versão original da Ethernet.
•Robert Metcalfe e seus colegas da Xerox a projetaram há mais de 30 anos.
•Primeiro padrão foi publicado em 1980 por um consórcio da Digital Equipament Corporation, Intel e Xerox
“This diagram was hand drawn by Robert M. Metcalfe and photographed by Dave R. Boggs in 1976 to produce a 35mm slide used to present Ethernet to the
National Computer Conference in June of that year. On the drawing are the original terms for describing Ethernet.”
Ethernet – Visão Geral
Padrões IEEE•1985, o comitê de padrões do Institute of Electrical and Electronics Engineers para Redes Locais e Metropolitanas publicou padrões para LANs
•Numeração 802Ethernet é o 802.3 (Física e Sub-camada MAC)
•O Ethernet opera nas duas camadas do modelo OSI: Enlace de dados e Física
Ethernet – Visão Geral
• Camada 1Envolve sinais, fluxos de bits e componentes físicos
Desempenha papel essencial na comunicação entre dispositivos
• Camada 2Compatibilidade tecnológica
Sub-camada MACse relaciona com oscomponentesfísicos utilizadospara realizar acomunicação eprepara os dadospara transmissão
Sub-camada LLC éindependente dos equipamentosfísicos
Ethernet – Visão Geral
Logical Link Control (LLC)•Funções descritas pelo padrão IEEE 802.2
•Lida com a comunicação entre as camadas superiores e o software de rede, e as camadas inferiores, tipicamente o hardware
•Adiciona informações de controle para ajudar a entregar o pacote
•O LLC é implementado em software
• Implementação é independente dos equipamentos físicos
•Em um computador, o LLC pode ser considerado como sendo o driver da Placa de Interface de Rede (Network Interface Card - NIC).
MAC – Entregando os Dados ao Meio Físico•Sub-camada inferior da camada de enlace
•Tipicamente implementado em hardware
Ethernet – Visão Geral
Encapsulamento de Dados•Montagem do quadro antes da transmissão
Adiciona o cabeçalho
Adiciona o trailer
•Análise de quadros em seu recebimento
•Oferece delimitadores no enquadramento para identificar o grupo de bits que compõe um quadro
Este processo oferece sincronização
•Endereçamento da camada de enlace (endereço MAC)
•Detecção de erros (CRC – Cyclic Redundancy Check)
Ethernet – Visão Geral
Controle de Acesso ao Meio Físico•Controla a colocação e remoção de quadros do meio
•Gerencia o controle de acesso ao meio (início de transmissão e recuperação de falhas)
Topologia Lógica•Barramento multi-acesso
•Nós compartilham o meio
•Todos os nós recebem todos os quadros que trafegam no meio
•O método de controle de acesso ao meio para a Ethernet clássica é o Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)
Ethernet – Visão Geral
Implementações Físicas•A Ethernet tem evoluído para atender à crescente demanda por LANs de alta velocidade
•Se adaptou ao meio de fibra óptica
•O mesmo protocolo que transportava 3Mbps pode levar 10Gbps
•O sucesso da Ethernet se deve aos seguintes fatores:
Simplicidade e facilidade de manutenção
Capacidade de incorporar novas tecnologias
Confiabilidade
Baixo custo de instalação e atualização
Ethernet – Visão Geral
Implementações Físicas•Com o Gigabit Ethernet a tecnologia LAN original foi levada para distâncias que fazem da Ethernet uma Metropolitan Area Network (MAN) e um padrão de longa distância
Ethernet – Visão Geral
Ethernet – Comunicação via LAN
História da Ethernet•A base para a tecnologia foi estabelecida em 1970 com o programa chamado Alohanet
•Alohanet – rede de rádio digital projetada para transmitir informações por uma frequência de rádio compartilhada entre as ilhas do Havaí
•Exigia que seguisse um protocolo no qualuma transmissão nãoreconhecida precisassede retransmissão apósum curto período deespera
Primeiros Meios Ethernet•Cabo Coaxial ligados em forma de barramento
Thicknet (10BASE5) - cabo coaxial grosso que permitia distâncias de cabeamento de até 500
Thinnet (10BASE2) - usava um cabo coaxial fino que permitia distâncias de cabeamento de 185 metros.
Ethernet – Comunicação via LAN
Primeiros Meios Ethernet•Migração para novos meios físicos ocorreu com poucas alterações
•Estrutura praticamente intocada do quadro de camada 2
•Meios físicos, o acesso ao meio e o controle do meio evoluíram e contiuam evoluindo
•O cabeçalho e o trailer do quadro ethernet permancem essencialmente constantes
•Primeira implentações em ambientes de baixa largura de banda
•Os cabos UTP eram mais fáceis de trabalhar, leves e mais baratos. E substituíram os coaxiais
•A topologia física foi alterada para uma topologia em estrela usando hubs
Ethernet – Comunicação via LAN
Gerenciamento de Colisões na Rede Ethernet• Ethernet Legada
Redes 10BASE-T – hub como ponto central e meio compartilhado
↑ dispositivos = ↑ tráfego = ↑ colisões
Conexões Half-Duplex
• Ethernet Atual Introdução de switches
Switches passam a controlar o fluxo de dados ao isolar cada portae enviar o quadro apenas ao seudestino adequado
Diminui/minimiza colisões
Conexões Full-Duplex
Ethernet – Comunicação via LAN
Mudança para 1 Gbps•Novas aplicações exigem maior desempenho das redes
•Gigabit Ethernet descreve as implementações ethernet de 1000Mbps
•Capacidade de transmissão full-duplex e uso de tecnologia UTP e Fibra ópticaexistente
•Suporte para maioresdistância (MAN)
•Aumento de desempenhoconsiderável
•Atualização dainfra-estrutura de redenem sempre necessita desubstituição deequipamentos
Ethernet – Comunicação via LAN
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
O Quadro – Encapsulamento do Pacote•Há dois estilos de enquadramento:
O Quadro – Encapsulamento do Pacote•Tamanho do Quadro Ethernet
Mínimo: 64 bytes
Máximo: 1518 bytes
•Os campos Preâmbulo e Delimitador de Início de Quadro não são incluídos quando se descreve o tamanho de um quadro
•O padrão IEEE 802.3ac, emitido em 1998, ampliou o tamanho máximo permitido do quadro para 1522 bytes para acomodar a tecnologia de Rede Local Virtual (VLAN)
•Se o tamanho de um quadro transmitido for inferior ao mínimo ou superior ao máximo, o dispositivo receptor descarta o quadro
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
O Quadro – Encapsulamento do Pacote
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
O Quadro – Encapsulamento do Pacote
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
Endereço MAC da Ethernet• Identificador exclusivo chamado endereço de Controle de Acesso ao Meio (MAC)
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
Endereço MAC da Ethernet•Burned-in address porque é gravado na ROM na NIC
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
Numeração Hexadecimal e Endereçamento•Sistema de numeração de base 16
•Utiliza números de 0 a 9 e letras de A a F
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
Qual o fabricante da sua placa?Veja em http://standards.ieee.org/regauth/oui/index.shtml
Ou http://www.coffer.com/mac_find/
Outra camada de Endereçamento•Camada de Enlace de Dados
Endereço MAC Ethernet é utilizado para transportar o quadro pelo meio local
Não é hierárquico
•Camada de RedeEndereço lógico
Hierárquico
Entendido daorigem ao destino
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
Ethernet Unicast, Multicast e Broadcast•Unicast: é o endereço exclusivo utilizado quando um quadro é enviado de um único dispositivo transmissor para um único dispositivo de destino
•Multicast: O endereço MAC de multicast é um valor especial que começa com 01-00-5E em hexadecimal
•Broadcast: o pacote contém um endereço IP de destino que só possui 1s na parte de host. Em redes Ethernet, o endereço MAC de broadcast possui 48 números 1 exibidos como Hexadecimal FF-FF-FF-FF-FF-FF
Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede
Controle de Acesso ao Meio Ethernet CSMA/CD – O Processo
•Verificação da PortadoraTodos os dispositivos devem ouvir antes de transmitir
Se detectar um sinal no meio, esperará um tempo antes de tentar novamente
Se não há sinal, a mensagem será transmitida
Durante a transmissão o dispositivo continua detectando tráfego ou colisões
Depois de enviar a mensagem, o dispositivo retorna a ouvir o meio
•Multi-acessoDois dispositivos podem transmitir ao mesmo tempo
As mensagens se propogarão pelo meio até se encontrarem
Ao se encontrar, os sinais se misturam e a mensagem é corrompida
O sinal misturado continua se propagando pelo meio
Controle de Acesso ao Meio Ethernet CSMA/CD – O Processo
•Verificação da PortadoraTodos os dispositivos devem ouvir antes de transmitir
Se detectar um sinal no meio, esperará um tempo antes de tentar novamente
Se não há sinal, a mensagem será transmitida
Durante a transmissão o dispositivo continua detectando tráfego ou colisões
Depois de enviar a mensagem, o dispositivo retorna a ouvir o meio
•Multi-acessoDois dispositivos podem transmitir ao mesmo tempo
As mensagens se propogarão pelo meio até se encontrarem
Ao se encontrar, os sinais se misturam e a mensagem é corrompida
O sinal misturado continua se propagando pelo meio
CSMA/CD – O Processo•Detecção de Colisões
Um dispositivo ouvindo o meio, ele pode detectar uma colisão (aumento da amplitude do sinal acima do nível normal)
Quando detectada a colisão, o dispositivo transmissor continuará transmitindo para garantir que todos detectem a colisão
•Jam SignalAo detectar um colisão, os dispositivos transmitidos enviam um Jam Signal
Utilizado para notificar os demais sobre uma colisão e que o algoritmo de backoff seja invocado
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Ambiente de meio físico compartilhado Ethernet•Todos os dispositivos têm acesso garantido ao meio
•Nenhum dispositivo possui prioridade de transmissão
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection•Detectar e tratar colisões
•Gerenciar a retomada da comunicação
•Esquema dedistribuiçãocoordenadapara detectara atividade elétrica nocabo
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
CSMA/CD – O Processo• “Backoff Aleatório”
Algoritmo que faz com todos os dispositivos parem de transmitir por um intervalo de tempo aleatório
Nesse período os sinais de colisão são dissipados
Após o intervalo, os dispositivos retornam ao modo de “espera de transmissão”
Garante que dispositivos não tentem transmitir ao mesmo tempo
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
CSMA/CD – O Processo
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Hubs e domínios de colisão• Independente de se utilizar o CSMA/CD, algumas condições podem resultar no aumento de colisões
Um número maior de dispositivos são conectados à rede
Os dispositivos acessam o meio físico de rede com mais frequência
As distâncias entre os dispositivos aumentam a cada dia
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Sincronização Ethernet• A velocidade aumenta a complexidade no gerenciamento de colisões
• Latência
Tempo que o sinal elétrico leva para se propagar ao longo do cabo
Cada hub ou repetidor no caminho do sinal acrescenta latência
O Atraso acumulado aumenta a probabilidade de ocorrência de colisões
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Sincronização Ethernet• Temporização e sincronização
No modo half-duplex, caso não ocorra uma colisão, o dispositivo de transmissão enviará 64 bits de dados de sincronização (preâmbulo)
O dispositivo enviará então, o quadro completo
Dispositivos Ethernet ≤ 10Mbps são assíncronos
Cada dispositivo receptor usará os 8 bytes dos dados de temporização para sincronizar o circuito de recepção aos dados de entrada e descartará os 8 bytes.
Dispositivos Ethernet 100Mbps ou mais são síncronos(não necessitam de temporização)
Para fins de compatibilidade o Preâmbulo e o Delimitador de início de quadro devem estar presentes
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Sincronização Ethernet• Tempo de bit
intervalo de tempo é exigido para inserção e detecção do bit no meio
Aproximadamente 20,3 centímetros por nanosegundo são normalmente usados para calcular o intervalo de propagação em um cabo UTP. O resultado é que, para 100 metros de cabo UTP, leva-se menos de 5 tempos de bit para um sinal 10BASE-T ser transportado por toda a extensão do cabo
no CSMA/CD Ethernet o dispositivo de transmissão deve prever uma colisão antes de completar a transmissão de um quadro de tamanho mínimo
Em 100 Mbps, a sincronização do dispositivo pode acomodar cabos com algo em torno de 100 metros
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Sincronização Ethernet• Tempo de bit
A 1000 Mbps, são necessários ajustes especiais, pois um quadro de tamanho mínimo não seria inteiramente transmitido antes do primeiro bit atingir a terminação dos primeiros 100 metros do cabo UTP. Por esse motivo, o modo half-duplex não é permitido para Ethernet 10-Gigabit
• Intervalo de Slot
Tempo de propagação do pulso eletrônico no meio entre 2 nós
O intervalo de slot de 512 bits estabelece o tamanho mínimo de um quadro Ethernet de 64 bytes. Qualquer quadro com comprimento menor que 64 bytes é considerado um fragmento de colisão ou runt frame e é automaticamente descartado pelas estações de recepção.
Sincronização EthernetControle de Acesso ao Meio Ethernet
Espaçamento entre quadros e Backoff• Espaçamento entre quadros
O padrão Ethernet requer um espaçamento mínimo entre dois quadros que não colidiram
este intervalo é medido desde o último bit do campo FCS de um quadro até o primeiro bit do preâmbulo do quadro seguinte
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Espaçamento entre quadros e Backoff• Jam Signal
Ao detectar uma colisão, os dispositivos de transmissão transmitem um "jam signal" de 32 bits que repetirá a colisão
Isso assegura que todos os dispositivos da LAN detectem a colisão.
É importante que ojam signal não sejadetectado comoum quadro válido,caso contrário, acolisão não seráidentificada
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Espaçamento entre quadros e Backoff
• Intervalos de backoff Após a ocorrência de uma colisão, dispositivos que colidiram aguaradam
um tempo adicional para tentar a transmissão
Este tempo adicional é aleatório
Após 16 tentativas de transmissão do quadro, a camada MAC desiste e gera um erro à camada de Rede
Controle de Acesso ao Meio Ethernet
Camada Física da Ethernet Visão Geral da Camada Física da Ethernet
Ethernet 10 Mbps• As principais implementações Ethernet de 10 Mbps incluem:
10BASE5 usando cabo coaxial Thicknet
10BASE2 usando cabo coaxial Thinnet
10BASE-T usando cabo de par trançado não blindado Cat3/Cat5
• Codificação Manchester em dois pares
• Topologia física em estrela
• Até 100 metros de extensão
Camada Física da Ethernet
Ethernet 100 Mbps ou Fast Ethernet• As principais implementações Ethernet de 100 Mbps incluem:
100BASE-TX usando UTP Cat5 ou mais recente
100BASE-FX usando cabo de fibra óptica
• Dois passos de codificação separados são usados pela Ethernet 100-Mbps para aprimorar a integridade do sinal
• Topologia física em estrela (100BASE-TX)
• Conexões ponto-a-ponto (100BASE-FX)
Camada Física da Ethernet
Ethernet 1000 Mbps ou Gigabit Ethernet• Ethernet 1000BASE-T
A Ethernet 1000BASE-T fornece transmissão full-duplex
Usa todos os quatro pares do cabo Categoria 5 UTP ou mais recente
• Ethernet 1000BASE-SX e 1000BASE-LX usando Fibra Óptica
Oferece imunidade a ruído, volume físico pequeno, maiores distâncias sem a necessidade derepetição, e largurade banda
Transmissão bináriafull-duplex a 1250Mbps sobre doiscabos de fibraóptica. Overheadleva a taxa dedados para 1000Mbps
Camada Física da Ethernet
Ethernet – Futuras Opções•O padrão IEEE 802.3ae foi adaptado para incluir transmissão de 10 Gbps, full-duplex sobre cabo de fibra óptica
•Está evoluindo para utilização não somente em LANs, mas também em WANs e MANs
•O 10Gbps pode ser comparado a outras variedades Ethernet nas seguintes formas:
O formato do quadro é o mesmo, permitindo interoperabilidade entre todas as variedades
O tempo de bit é agora de 0,1 ns. Todas as outras variáveis de tempo se adaptam de acordo
Pelo fato de que somente conexões de fibra full-duplex são usadas, não existe contenção de meio físico e o CSMA/CD não é necessário
As sub-camadas IEEE 802.3 dentro das Camadas 1 e 2 do modelo OSI tiveram poucas adições para acomodar 40 km de links e interoperabilidade com outras tecnologias de fibra
Camada Física da Ethernet
Legado Ethernet – Usando Hubs•A Ethernet clássica usa Hubs
•Não realiza qualquer tipo de filtragem
•Alto número de colisões
•Problemas no uso de HubsEscalabilidade
Latência
Falha de Rede
Colisões
Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs em uma LAN
Ethernet – Usando Switches
“Os switches permitem a segmentação da LAN em domínios de colisão separados.”
Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs em uma LAN
Ethernet – Usando Switches•Nós são conectados diretamente
Largura de banda dedicada a cada porta
Ambiente livre de colisão
Operação em Full-Duplex
Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs em uma LAN
Switches – Encaminhamento Seletivo•Pode ser considerado como o estabelecimento de uma conexão ponto-a-ponto momentânea entre o receptor e emissor
•Envio Baseado no MAC de DestinoO Switch mantém uma tabela MAC que relaciona o endereço de destino com a porta do switch
Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs em uma LAN
Switches – Encaminhamento Seletivo
Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs em uma LAN
Switches – Encaminhamento Seletivo•O swtich LAN usa 5 operações básicas
Aprendizado
Envelhecimento
Inundação
Encaminhamento
Filtragem
Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs em uma LAN
Protocolo de Resolução de Endereços (ARP) O Processo ARP – Mapeando Endereços
•O protocolo ARP oferece 2 funções básicasResolver Endereços IPv4 para Endereços MAC
Manter uma cache de mapeamentos
O Processo ARP – Destino fora da Rede Local
Protocolo de Resolução de Endereços (ARP)
O Processo ARP – Destino fora da Rede Local•Proxy ARP
Um host poderá enviar uma solicitação ARP buscando mapear um endereço IPv4 fora da faixa da rede local
Para fornecer um endereço MAC para esses hosts, uma interface do roteador poderá usar um proxy ARP para responder em nome desses hosts remotos
O Proxy ARP pode ajudaros dispositivos em uma redealcançarem sub-redesremotas sem a necessidadede configurar o roteamentoou um gateway padrão
“Por padrão, os roteadores Cisco têm o proxy ARP habilitado em interfaces LAN”.
Protocolo de Resolução de Endereços (ARP)
O Processo ARP – Destino fora da Rede Local•Desvantagens do Proxy ARP
Aumenta o tráfego ARP no segmento
Hosts necessitam de tabelas ARP maiores para lidar como mapeamento de endereços
Problemas de segurança. Um dispositivo malicioso pode alegar ser o proxy ARP
Não funciona em redes não baseadas em ARP para resolução de endereços
Protocolo de Resolução de Endereços (ARP)
ARP – Removendo Mapeamento de Endereços
Protocolo de Resolução de Endereços (ARP)
Broadcasts ARP - Problemas
Protocolo de Resolução de Endereços (ARP)
Tira Dúvidas
Instituto Federal Catarinense - Campus Avançado Sombrio
Av. Prefeito Francisco Lummertz Júnior, 930Bairro Januária - Sombrio/SC - CEP 88960-000
Telefones: (48) 3533-4001 | 3533-2712
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