Graduação Tecnológica em Redes de Computadores. Fundamentos de Redes II

Graduação Tecnológica em

Redes de Computadores

Fundamentos de Redes II

Euber Chaia Cotta e Silva

euberchaia@yahoo.com.br

Graduação Tecnológica em

Redes de Computadores

Camada física e de enlace de

dados do modelo OSI e TCP/IP

Euber Chaia Cotta e Silva

euberchaia@yahoo.com.br

Modelo OSI

• OSI: Open Systems

Interconnection;

• ISO: International for Standard

Organization;

• Modelo em 7 camadas;

• Proposto nos anos 80;

• Base conceitual das redes atuais,

não é implementado na prática.

“Todas as redes podem ter compatiblidade entre si, independente das plataformas, fabricantes, softwares, hardwares,... , se estiverem implementando o OSI.”

Camada Física

●

A camada física OSI fornece os requisitos para

transportar pelo meio físico de rede os bits que

formam o quadro da camada de enlace de dados;

●

O objetivo da camada física é criar o sinal elétrico,

ótico ou ondas de rádio que representa os bits em

cada quadro;

Camada Física

Camada Física

Conversão Bit-sinal:

O canal abaixo da camada de

rede é o meio físico, como este não pode transmitir bits

precisamos representar os bits por um sinal

eletromagnético de modo a propagar e a transportar

energia através do meio.

Camada Física

Controle da Taxa de transferência: o meio físico

determina o limite superior da taxa de transferência de

dados, mas a camada física é quem tem o controle

dessa taxa.

Através do projeto de dispositivos da camada física e

da implementação de software de controle fica

determinada a taxa de transferência do meio.

Camada Física

Multiplexação: É o processo de divisão de um link

(meio físico) em canais lógicos para melhorar a

eficiência da transmissão. A camada física utiliza

diversas técnicas para isto. Embora o meio permaneça

o mesmo, o resultado são muitos canais lógicos em vez

de um canal físico.

Camada Física

Comutação: Comutação de circuitos, mensagens e

pacotes. Na maior parte dos casos a comutação de

circuitos é função da camada física.

Camada Física

Camada Física

Sincronização no nível dos bits:

O sincronismo

da transferência dos bits é crucial na comunicação de

dados. A camada física administra a sincronização dos

bits gerando mecanismos de clock que controlam tanto

o transmissor quanto o receptor.

Camada Física

Os padrões de Camada Física que provavelmente se

tornaram

mais

populares

são

aqueles

correspondentes às interfaces RS232C e RS449 (EIA)

e suas adaptações, para redes de telecomunicações,

feita pelo ITU-T (CCITT, na época), o V.24 e X.21.

Camada Física

Os componentes de hardware, como adaptadores de

rede (NICs), interfaces e conectores, materiais e

projeto de cabo estão especificados nos padrões

associados à camada física.

Camada Física

Transmissão serial (um bit por vez):

●

Maiores taxas efetivas de transmissão;

Maior imunidade a ruído (interferências);

Menor custo.

Transmissão paralela (vários bits por vez):

●

Menores taxa efetivas de transmissão;

Menor imunidade a ruído (interferências);

Maior custo.

Camada Física

Sentido de transmissão:

Simplex: a transmissão se dá

somente em um sentido da

comunicação;

Half-duplex (semi-duplex): a

transmissão se dá em ambos os

sentidos,

porém

não

simultaneamente;

●

Full-duplex: a transmissão se

dá em ambos os sentidos, e

possivelmente ao mesmo tempo.

Camada de Enlace de Dados

●

A camada de enlace de dados trata das topologias de

rede, dispositivos como switch, placa de rede, interfaces,

etc., e é responsável por todo o processo de

encaminhamento.

●

O objetivo da camada de enlace é receber os bits, os

converter de maneira inteligível, os transformar em

unidade de dado, subtrair o endereço físico e encaminhar

para a camada de rede que continua o processo.

●

Nesta etapa o PDU recebe o nome de L2PDU ou quadro

Camada de Enlace de Dados

Camada de Enlace de Dados

Encapsulamento:

Os pacotes oriundos de uma

camada superior devem ser empacotados de modo

apropriado na camada de enlace da LAN ou WAN. Os

pacotes desta camada são chamados frames (ou

quadros). Nas WAN ATM são chamados de célula (cell).

Layer 2 SDU Layer 3 (IP) Header

Layer 3 SDU

Upper Layer SDU (Data) Layer 4 (TCP) Header Layer 2 (Ethernet) Header Layer 2 (Ethernet) Footer

Camada de Enlace de Dados

Endereçamento:

O endereçamento da camada de

enlace é físico e recebe o nome de MAC (Media Access

Control ou Controle de acesso a mídia). É utilizado para

determinar o endereço do próximo nó da rede que está

no processo de entrega entre dois nós.

Camada de Enlace de Dados

Controle de erros:

As redes devem ser dotadas da

capacidade de transmitir dados entre dispositivos nela

conectados com total precisão. Como não se está livre

de erros, a camada de enlace de dados pode solicitar

retransmissões e/ou corrigir alguns erros.

Camada de Enlace de Dados

Controle de fluxo:

Serve para garantir que o receptor não

seja inundado com os dados do transmissor. Os protocolos

costumam definir a sequência de procedimentos para que o TX

saiba o momento de transmitir. O RX pode enviar a informação

ao TX para parar a transmissão ou para diminuir o fluxo antes

que a situação limite seja alcançada.

Camada de Enlace de Dados

Controle de acesso ao Meio:

Para prevenir conflitos

ou colisões em uma rede é necessário um método de

controle de acesso.

Camada de Enlace de Dados

Camada de Enlace de Dados

Padrões da Camada 2:

• 802.2: Controle Lógico de Enlace (LLC) • 802.3: Ethernet

• 802.4: Barramento de token • 802.5: Passagem de token

• 802.11: LAN sem fio (WLAN) e mesh (certificação Wi-Fi) • 802.15: Bluetooth

• 802.16: WiMax

ITU-T

• G.992: ADSL

• G.8100 - G.8199: MPLS sobre aspetos de transporte • Q.921: ISDN

• Q.922: Frame relay

ISO • HDLC (High-Level Data Link Control)_{• ISO 9314: Controle de acesso ao meio (MAC) da FDDI}

Camada de Enlace de Dados

Geralmente decomposta em 2 subcamadas (proposta IEEE):

LLC (Logical Link Control): controle lógico de enlace, faz todas

as demais funções e oferece serviços à camada logo acima.

MAC (Medium Access Control): controle de acesso ao meio

(muito importante em redes de difusão);

IEEE 802.2 - LLC

IEEE 802.3 - 1-Persistente CSMA-CD (Ethernet → Xerox)

IEEE 802.4 - Token Bus (Fisico: Barramento, Lógico: Anel)

IEEE 802.5 - Token Ring - Passagem de Ficha em Anel (IBM)

Camada de Enlace de Dados

- Classes de serviços de enlace - Subcamada LLC:

- não há como recuperar quadro perdido;

- usado em sistemas com meio físico pouco sujeito à ruídos ou com controle de erros em outra camada.

- sem conexão com reconhecimento

- controle de perda de quadros: se reconhecimento não recebido antes de time-out, repetir envio.

- com conexão

- garante não perda, não repetição e sequência correta de quadros; - requer 3 etapas: estabelecer conexão, transmitir dados, liberar

Camada de Enlace de Dados

Camada de Enlace de Dados

- Subcamada MAC:

Encapsulamento de dados

Montagem de quadros antes da transmissão e da desmontagem de quadros no recebimento de um quadro;

A camada MAC adiciona um cabeçalho e um trailer à camada de rede PDU.

Fornece três funções principais:

Delimitação de quadros – identifica um grupo de bits que formam um quadro, sincronização entre os nós de transmissão e recepção;

Endereçamento - cada cabeçalho de Ethernet adicionado ao quadro contém o endereço físico (endereço MAC) que permite que um quadro seja entregue a um nó de destino;

Detecção de erro - cada quadro de Ethernet contém um trailer com verificação de redundância cíclica (CRC) do conteúdo do quadro.

Camada de Enlace de Dados

- Subcamada MAC:

Controle de acesso ao meio

Responsável pela colocação de quadros no meio e a remoção de quadros do meio físico;

Comunica-se diretamente com a camada física;

Se vários dispositivos em um único meio físico tentarem encaminhar dados simultaneamente, eles colidirão resultando em dados corrompidos e inutilizáveis;

A Ethernet fornece um método para controlar como os nós compartilham o acesso usando uma tecnologia Acesso Múltiplo com Verificação de Portadora (CSMA).

Camada de Enlace de Dados

- Ethernet:

● Tecnologia de rede local “dominante”;

● Barato: R$ 16,00 por 100Mbs / R$ 30,00 por 1000 Mbps; ● Primeira tecnologia de LAN largamente usada;

● Mais simples e mais barata que LANs com token e ATM;

● Velocidade crescente: 10, 100, 1000, 10000, 40000, 100000 Mbps.

Camada de Enlace de Dados

- Ethernet:

● Serviço sem conexão e não confiável (sem handshake);

● Receptor (adaptador) simplesmente descarta frames com erro (erro de

CRC);

Camada de Enlace de Dados

- Estrutura do quadro Ethernet:

Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote

de protocolo da camada de rede) num

quadro Ethernet.

Camada de Enlace de Dados

Preâmbulo: 7 bytes com padrão 10101010 seguido por um byte (SOF) com

padrão 10101011, usado para sincronizar transmissor e receptor;

Endereços: 6 bytes, quadro é recebido por todos os adaptadores e descartado

se o endereço do quadro não coincide com o endereço do adaptador;

Tipo: Na Ethernet II, este campo contém um código que identifica o protocolo

da camada de rede (IP, IPX, AppleTalk). Em 802.3, este campo especifica o comprimento do campo de dados;

Dados: Este campo contém os dados que são recebidos a partir da camada de

rede no computador de transmissão. Esta informação é então enviada para o mesmo protocolo no computador de destino. Se os dados são muito curtos, um adaptador adiciona uma sequência de bits estranhos ao "pad" do campo no seu comprimento mínimo de 46 bytes;

Sequência de verificação de quadro (FCS): Inclui um mecanismo de controle

Camada de Enlace de Dados

Esboço em portugol do CSMA/CD:

A: examina canal, se em silêncio então {

transmite e monitora o canal;

se detecta outra transmissão

então {

aborta e envia sinal de “jam”; atualiza número de colisões;

espera como exigido pelo algoritmo “exponential backoff”; vá para A

}

senão {quadro transmitido; zera contador de colisões}

}

Camada de Enlace de Dados

Algoritmos usados no CSMA/CD:

Sinal “Jam”: garante que todos os outros transmissores estão

cientes da colisão; 48 bits;

“Exponential Backoff”:

Objetivo: adaptar tentativas de retransmissão para carga atual

da rede (carga pesada: espera aleatória será mais longa).

● primeira colisão: escolha K entre {0,1}; espera é K tempo pré-definido; ● após a segunda colisão: escolha K entre {0,1,2,3}…;

● após 10 ou mais colisões, escolha K entre {0,1,2,3,4,…,1023}; ● K * (512 “bit time”).

Introdução ao ARP

Finalidade ARP:

O nó de envio precisa de uma maneira de localizar o endereço

MAC destino para um link de Ethernet.

O

protocolo

ARP

fornece duas funções

básicas:

Resolver endereços de

IPv4 para endereços

MAC;

Manter uma tabela de

mapeamentos.

Funções/operação do ARP

Tabela ARP:

Usado para encontrar o endereço da camada de enlace de dados que é mapeado ao endereço IPv4 de destino;

Como um nó recebe quadros do meio físico, ele pode registrar o IP fonte e o endereço MAC como um mapeamento na tabela ARP.

Solicitação ARP:

Difusão da Camada 2 para todos os dispositivos na rede local Ethernet; O nó que corresponde ao endereço IP na difusão responderá;

Se nenhum dispositivo responder à solicitação ARP, o pacote é pulado porque um quadro não pode ser criado.

As entradas de mapeamento estático podem ser inseridas

em uma tabela ARP, mas isso raramente é feito.

Funções/operação do ARP



_{Se o host IPv4 destino estiver na rede local, o quadro usará o}

endereço MAC desse dispositivo como o endereço MAC

destino;



_{Se o host IPv4 destino não estiver na rede local, a origem}

usará o processo ARP para determinar um endereço MAC

para a interface do roteador servindo como o gateway;



_{Caso a entrada do gateway não esteja na tabela, uma}

solicitação ARP é usada para recuperar o endereço MAC

associado ao endereço IP da interface do roteador.

Remoção de entradas de uma tabela ARP



_{Um temporizador da cache ARP remove entradas ARP que}

não foram usadas por certo período;



_{Comandos também poderão ser usados para remover}

manualmente todas ou algumas das entradas na tabela ARP.

Classificação dos switches

Quanto ao método de encaminhamento dos pacotes utilizado: store-and-forward, cut-through ou adaptative cut through.

Store-and-Forward

Switches Store-and-Forward guardam cada quadro em um buffer antes de encaminhá-lo para a porta de saída. Enquanto o quadro está no buffer, o switch calcula o CRC e mede o tamanho do quadro. Se o CRC falha, ou o tamanho é muito pequeno ou muito grande (um quadro Ethernet tem de 64 bytes a 1518 bytes) o quadro é descartado. Se estiver tudo OK, o quadro é encaminhado para a porta de saída.

Esse método assegura operações sem erro e aumenta a confiabilidade da rede. Contudo, o tempo gasto para guardar e checar cada quadro adiciona um tempo de latência grande ao processamento dos quadros.

Classificação dos switches

Cut-Through

Os switches Cut-Through foram projetados para reduzir esta latência. Eles minimizam o delay lendo apenas os 6 primeiros bytes de dados do pacote, que contém o endereço de destino, e logo encaminham o pacote, porém, não detectam pacotes corrompidos causados por colisões, nem erros de CRC. Quanto maior o número de colisões na rede, maior será a largura de banda gasta com o encaminho de pacotes corrompidos.

Existe um segundo tipo de switch cut-through, o Fragment Free, que foi projetado para eliminar esse problema. Neste caso, o switch sempre lê os primeiros 64 bytes de cada pacote, assegurando que o quadro tem pelo menos o tamanho mínimo, evitando o encaminhamento de colisões pela rede.

Classificação dos switches

Adaptative Cut-Through

Os switches que processam pacotes no modo adaptativo suportam tanto store-and-forward quanto cut-through. Qualquer dos modos pode ser ativado pelo gerente da rede, ou o switch pode ser inteligente o bastante para escolher entre os dois métodos, baseado no número de quadros com erro passando pelas portas. Quando o número de quadros corrompidos atinge um certo nível, o switch pode mudar do modo cut-through para store-and-forward, voltando ao modo anterior quando a rede se normalizar.

Classificação dos switches

Melhor uso de cada uma das técnicas

Switches cut-through são melhor utilizados em pequenos grupos de trabalho e pequenos departamentos. Nessas aplicações é necessário um bom throughput (velocidade real), mas erros potenciais de rede ficam no nível do segmento, sem impactar a rede corporativa.

Já os switches store-and-forward são projetados para redes corporativas, onde checagem de erros e bom throughput são desejáveis. Apenas os switches store-and-forward, ou adaptative cut-through funcionando no modo store-and-forward possuem a capacidade de suportar mais de um tipo de LAN (como por exemplo Ethernet e Fast Ethernet), pois são os únicos com capacidade de bufferização dos quadros, condição necessária para a posterior conversão do formato do quadro MAC, ou do método de sinalização.

Classificação quanto a forma de

segmentação de sub-redes

Layer 2 Switches

São os switches tradicionais, que efetivamente funcionam

como bridges multi-portas. Sua principal finalidade é de dividir

uma LAN em múltiplos domínios de colisão, ou, nos casos das

redes em anel, segmentar a LAN em diversos anéis.

Classificação quanto a forma de

segmentação de sub-redes

Layer 3 Switches

Além das funções tradicionais da camada 2, incorporam algumas funções de roteamento, como por exemplo a determinação do caminho de repasse baseado em informações de camada de rede (camada 3), validação da integridade do cabeçalho da camada 3 por checksum, suporte aos protocolos de roteamento tradicionais e definição de redes virtuais (VLAN’s), e possibilitam a comunicação entre as diversas VLAN’s, sem um roteador externo.

Classificação quanto a forma de

segmentação de sub-redes

Layer 4-7 Switches

São novos no mercado e geram uma controvérsia quanto a adequada classificação destes equipamentos. São muitas vezes chamados de Layer 3+ (Layer 3 Plus).

Basicamente incorpora às funcionalidades de um switch de camada 3 a habilidade de se implementar a aplicação de políticas e filtros a partir de informações de camada 4 ou superiores, como portas TCP e UDP, ou SNMP, FTP, etc.

Classificação quanto a forma de

segmentação de sub-redes