Planeamento e Projecto de Redes. Capítulo 6. Breves Considerações sobre Redes Ethernet

Capítulo 6

Breves Considerações sobre Redes

Ethernet

Planeamento e Projecto de

Redes

Introdução

•

A Ethernet foi inventada em 1973 tendo como objectivo interligar

diferentes equipamentos, no âmbito das redes locais de

computadores (LAN, Local Area Networks).

•

A maior parte do tráfego de dados hoje em dia é gerado através de

interfaces Ethernet.

•

A popularidade da Ethernet deve-se ao baixo custo da tecnologia,

tendo a preocupação de baixo custo estado sempre associada a

todos os desenvolvimentos ulteriores.

•

Um LAN ocupa normalmente uma área relativamente restrita, como

seja parte de um edifício, um edifício ou um campus.

•

Nos dias de hoje a aplicação de Ethernet alargou-se às redes

metropolitanas (

Metro Ethernet

) e às redes de núcleo (Carrier

Arquitectura e Modelo OSI

•

A Ethernet foi desenvolvida pelo Grupo de Trabalho IEEE802.3 no

comité IEEE 802 responsável pelo desenvolvimento de normas para

as redes locais e metropolitanas.

Fisica Ligação de dados Rede OSI Fisica MAC LLC Ethernet

MAC: Medium Access Control LLC: Logical Link Control

•

•

A

•

transmissão de informação sem erros. Organiza a sequência de bits recebida em tramas.

•

transmissão/recepção de bits, com as propriedades eléctricas, ópticas e mecânicas, o tipo de fichas, etc. 802.3

802.3

Papel da Sub-camada MAC

•

Em topologias de rede com meio partilhado é responsável pelo

controlo de acesso ao meio entre várias estações usando por

exemplo o protocolo CSMA/CD.

•

Endereçamento MAC

: O endereço MAC constitui o endereço físico

de cada estação ligada à rede. Permite identificar a fonte e o destino

das tramas.

•

Processamento da trama

: Permite identificar os limites e o tipo de

tramas.

•

Detecção e correcção de erros

: Usa códigos de redundância cíclica

para detectar e corrigir erros.

O endereço físico da maioria das estações está impresso na placa de rede da estação (NIC:

Endereço MAC (IEEE802.3)

• O endereço MAC IEEE802.3 é constituído por 6 octetos (48 bits) e apresenta a seguinte estrutura:

• O bit I/G é feito igual a 0 para indicar que a trama é destinada a uma estação individual (endereço unicast), ou igual a 1 quando a trama é destinada a uma grupo de estações (endereço de grupo). O endereço de grupo pode ser

multicast (um grupo determinado), ou broadcast (todas a estações).

• O bit U/L indica se o endereço corresponde a um endereço indicado pelo IEEE (U/L=0), ou atribuído via software por uma organização (U/L=1).

• Normalmente os endereços MAC são representados em hexadecimal. Ex: I/G U/L

46 bits

48 bits

I/G bit “0” = endereço individual, “1” = endereço de grupo

U/L bit “0” = endereço universal “1” = endereço local

Octeto 0 1 2 3 4 5

Representação Binária 0100 0111 0010 0000 0001 1011 0010 1110 0000 1000 1110 1110

Representação Hexadecimal 47- 20 - 1B - 2E - 08 - EE

Formato da Trama (IEEE 802.3)

•

A Ethernet usa o formato da trama representado abaixo. Apesar da

evolução da tecnologia a estrutura das tramas tem-se mantido

inalterada.

•

Preâmbulo: sequência de 7 octetos (0101....) que permite a

sincronização do receptor, pois este opera em modo burst.

•

SFD (Start of Frame): Padrão de 8 bits (10101011) que indica o início

da trama.

•

Endereço de destino e endereço da fonte são campos com 6 octetos.

•

Comprimento/tipo: sequência de 2 octetos que indica o comprimento,

ou o tipo do campo de dados.

•

FCS (

): Conjunto de 4 octetos que contem o

valor do CRC calculado sobre todos os bits da trama com excepção

do preâmbulo e SFD.

FCS

Dados+

)

Especificidades da Trama

•

O campo comprimento/tipo indica um valor entre 0 e 2

_{-1 (65 535).}

•

O campo de dados é o único campo de dimensão variável(46-1500

octetos).

•

No campo de endereços o primeiro bit colocado a zero indica um

endereço unicast (enviado para uma estação),enquanto este bit

colocado a 1 indica multicast (grupo de estações).

Se o valor desse campo estiver situado entre 0 e 1500 indica o comprimento do campo de dados. Se o seu valor estiver situado entre 1536 e 65 535

representa o tipo do campo de dados. O parâmetro tipo é usado por exemplo para identificar as tramas de controlo MAC na operação de controlo de fluxo.

Se o número de octetos do campo de informação for inferior a 46, terão de ser inseridos octetos de enchimento até perfazer esse número.

O número total de endereços unicast (ou multicast) é igual a 247_=1.4×1014_.

Ethernet:Tipos

•

Desde a publicação da norma IEEE 802.3 em 1985 a Ethernet evolui

desde um serviço half-duplex operando a 10 Mb/s, até a um serviço

full-duplex operando a 10 Gb/s.

e

Modo

Débito

Tipo

Half-duplex CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

Topologias das Redes Locais

T coaxial _{Carga adaptada} Cabo coaxial

Bus: _Anel:

HUB Switch

Trama

Estrela (Bus Lógico):

Estrela : PC PC

Topologias: Bus

•

A transmissão é escutada por todas as estações. Cada estação é

identificada através do seu

endereço físico

.

A B C

C

A envia uma trama para C

A B C

C

Não é endereçada a B: é ignorada

A B C

C

A trama é copiada por C

•

Como o meio é partilhado é necessário definir regras de acesso ao

meio, para evitar que uma estação monopolize a rede e para regular a

comunicação em presenças de colisões.

•

Para controlar o acesso ao meio (MAC) em redes em bus usa-se o

protocolo CSMA/CD (

Carrier Sense Multiple Acess with Collision

Topologias: Anel

• Normalmente à topologia física em anel está associada uma topologia lógica também em anel.

• Uma das soluções para o controlo do acesso ao meio é a rede Token

Ring. Periodicamente é enviado de

estação para estação um testemunho (token).

• Uma estação só pode transmitir tramas na posse desse

testemunho. Quando a estação não tem dados a transmitir limita-se a repeti-lo para a estação seguinte.

• No anel as tramas em circulação são retiradas pelo nó emissor.

A _B D C C A _B D C C C

A envia uma trama dirigida para C. A trama passa por B. Este nó ignora a trama.

C

Em C a trama é copiada. Esta continua a circular no anel até A onde é removida.

Topologias: Estrela

• A topologia em estrela usando um

hub ou concentrador, corresponde

a uma topologia lógica em bus.

• Um hub pode ser visto como um repetidor, com múltiplos portos de saída. O hub responsabiliza-se por regenerar o sinal recebido e

retransmiti-lo para todos os outros portos.

• Os switches permitem implementar a Ethernet comutada e estender o modo de operação para full-duplex.

• Contrariamente aos hubs que só operam a nível da camada física, os

switches operam a nível do MAC.

HUB Capacidade Total 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s Switch 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s Capacidade Total N x 100 Mb/s

Rede com Hub: topologia lógica em bus

IEEE 802.3: Ethernet Comutada

• O elemento central é uma comutador (switch) Ethernet que envia os dados só para a estação de destino usando o endereço MAC.

• A rede pode transformar-se num conjunto de ligações ponto-a-ponto com uma topologia física em estrela em substituição do barramento clássico da Ethernet.

Rede Ethernet Comutada com dois níveis hierárquicos Fast Ethernet switch Gigabit Ethernet switch Interfaces:10/100/1000 Base-T 100 Base-Fx/1000 Base X, 10 GbE

Arquitectura da Ethernet P2P e P2MP

Dentro da camada física a camada PCS, corresponde à sub-camada responsável por gerar a codificação

apropriada para a transmissão no meio físico. No caso da Gbit Ethernet usa-se o código 8B10B, o que implica uma transmissão no meio a 1.25 Gbaud. A 10 Gigabit Ethernet usa o código 64B66B, conduzindo a 10.3125 Gbaud

A sub-camada PMA é responsável pela transmissão, recepção, detecção de colisão, recuperação de relógio.

A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e MDI corresponde a um conector (ficha).

Codigos mBnB

•

Na Ethernet usam-se códigos binários de blocos mBnB, que

permitem converter um bloco de m bits de entrada do codificador,

num bloco de n bits na saída.

•

Os códigos de blocos são usados com o objectivo de eliminar a

componente dc e de introduzir um número de transições elevado de

modo a facilitar a recuperação de relógio. O formato dos códigos é

dual, ou seja são usados sequencialmente dois códigos para cada

sequência de entrada

Um dos problemas associados à utilização destes códigos consiste no aumento do débito com que a

informação é transmitida. O débito de símbolo na saída é dado por

Ds=Db×n/m, onde Db é o débito entrada. Ex: Considere-se o código 8B/10 e um sinal a 1Gbit/s. O débito de símbolo na saída será igual a 1.25 Gbaud, ou 1.25 Gsímbolo/s.

Implementações IEEE 802.3

•

Formato usado na designação:

[Valor1] Base [Valor 2]

Valor1 = Débito binário de transmissão: Ex: 100 100 Mb/s Base = Baseband Mode: Transmissão em banda base

Valor 2: Tipo de cabo usado (T: Twisted Pair, F, X: Fibra Óptica)

•

Exemplos:

10 Mbit/s Ethernet

100 Mbit/s Ethernet (PCS: 4B5B)

Gigabit Ethernet (PCS: 8B10B)

10BaseT: Usa pares entrançados UTP de categoria 3 ou 5; max distância = 100 m 10Base F: Usa fibra óptica multimodal

100BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 100Base FX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 2000 m

1000BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 1000Base SX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 275 m 1000Base Fx; Usa fibra óptica monomodal; max distância = 5000 m

Tipos de Pares Entrançados

•

Unshielded Twisted Pair (UTP)

-

- Está sujeito a interferências electromagnéticas externas - Há vários tipos de cabos com diferentes diâmetros

•

Shielded Twisted Pair (STP)

-

Categoria 5: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado na 10 Mb/s e 100 Mb/s Ethernet.

Categoria 6: Largura de banda disponível de 250 MHz. Permite débitos de 1Gbit/s a distâncias maiores do que o 5e

Categoria 7: Largura de banda disponível de 600 MHz. Permite débitos até 10Gbit/s, usando um cabo com quatro pares STP

Exemplos:

Categoria 5e: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado a 100 Mb/s e 1 Gbit/s.

Gigabit Ethernet

• A arquitectura da gigabit Ethernet é a seguinte:

• Normas gigabit Ethernet com fibras ópticas

MAC 1Gb/s PCS GMII PMD PMA PMD RS MDI RS:Reconsiliation Sublayer

GMII: Gigabit Media Independent Interface PCS: Physical Coding Sublayer

PMA: Physical Medium Attachment PMD: Physical Medium Dependent MDI: Medium Dependent Interface

Códificador/Descodificador

8B10B

Serializa/Des-serializa

Recupera o relógio Transmissor Laser/ Receptor óptico Conector de fibra Fibra Não suportado N/A 10 μm SMF 2 a 550 500 50 μm MMF 2 a 500 400 50 μm MMF 2 a 275 200 62.5μm MMF 2 a 220 160 62.5 μm MMF Alcance (metros) Largura de banda (MHZ.km) Tipo de Fibra 1000 BASE- SX (850 nm) 2 a 5000 N/A 10 μm SMF 2 a 550 500 50 μm MMF 2 a 550 400 50 μm MMF 2 a 550 500 62.5μm MMF ---62.5 μm MMF Alcance (metros) Largura de banda (MHZ.km) Tipo de Fibra 1000 BASE- LX (1300 nm) 1000Base-ZX(1550 nm) SM ---até 100 km

1000Base-T( pares de cobre) ---- máx 100 m

Outras normas

A norma 1000 Base T usa como meio de transmissão o UTP de cat. 5e

10 Gigabit Ethernet

• As versões actuais da Ethernet operam a 10 Mbit/s, 100 Mbit/s e 1 Gbit/s. 10 Gbit Ethernet (10GbE) é uma versão mais rápida (10 Gbit/s), cuja primeira norma foi publicada em 2002.

• As aplicações da 10GbE são: curta distância (<100m ): interligação de

equipamento de alta velocidade, e servers com volumes de disco elevados;

distância intermédia (<3 km): interligação de edíficios e campus; longa distância (<10 km): redes metropolitanas, redes empresariais; ultra longa distância (até 80 km): redes dorsais (backbones).

• Arquitectura da 10 GbE MAC 10Gb/s PCS + PMA Relógio 32 linhas de dados+ 4 controlo Relógio 10GMII PMD 4 canais @ 2.5 Gbit/s (3.125 Gbaud com 8B10B) ou

Canais ópticos em paralelo ou em série

MDI

Camadas e Interfaces do Nível Físico

• 10GMII (10-Gigabit Media Independent Interface) : interface normalizada entre a camada MAC e a camada física. Permite que a camada MAC trabalhe com diferentes implementações da camada física.

• PCS (Physical Coding Sublayer): responsável pela codificação/descodificação da informação proveniente da camada MAC. Há vários tipos de códigos que podem ser implementados: 64B66B, baralhamento (scrambling), PAM-5, etc. O PAM-5 é um código multi-nível usado na norma 1000-Base T.

• PMA (Physical Medium Attachment): responsável pela conversão

série/paralelo e vice-versa. A sincronização dos relógios também é efectuada ao nível desta camada.

• PMD (Physical Medium Dependent): responsável pela transmissão do sinal. Têm-se diferentes dispositivos PMD de acordo com o meio de transmissão.

Implementação a Nível Físico

• Há duas alternativas para implementar o 10GbE a nível físico: solução série e solução paralelo. A solução série divide-se em LAN PHY e WAN-PHY.

• A solução série baseia-se no uso de um canal físico operando a 10 Gbit/s.

• Na solução paralelo há vários canais múltiplos, que podem ser implementados usando diferentes fibras, ou diferentes comprimentos de onda (WDM).

Sinal Óptico 10 Gbit/s (sem codificação) MUX Comando de laser Laser Comando de laser 4 Lasers Comando de laser MUX Fibras em paralelo WDM

4 Fibras Ópticas _{4 Lasers}

Débito binário por fibra 2.5 Gbit/s (sem codificação)

MUX WDM

1 fibra óptica

Débito binário por fibra 4×2.5 Gbit/s (sem codificação)

Na solução LAN PHY usa-se um débito binário de 10 Gb/s. Na solução WAN-PHY o sinal depois de codificado (64/66B) deverá ser compatível com o STM-64 (9.953 Gb/s). Para construir a trama SDH usa-se uma sub-camada entre a PCS e a PMA designada por WIN (WAN interface sub-layer).

Propriedades das Tecnologias Usadas

• Na implementação série a operação emissão/recepção é relativamente simples e só requer um laser/receptor óptico. A principal desvantagem é que requer electrónica de alta velocidade e lasers com larguras de banda elevadas. Para reduzir a banda de transmissão requerida pode-se usar uma codificação PAM.

• Na solução paralelo a principal desvantagem é a necessidade de um módulo colector/distribuidor dos diferentes canais e a necessidade de requerer várias fontes/receptores ópticos. A electrónica e as fontes operam, contudo, a

débitos mais baixos, o que implica custos mais baixos.

• As diferentes interfaces para a 10 GbE são as seguintes:

64B/66B (10-PAM) 8B/10B (PAM) 64B/66B 64B/66B 64B/66B PCS 15 m Par simétrico UTP CAT 5 (4 pares)

10GBase-CX4

Laser DFB (1510 nm) VCSEL, FP (1310 nm) VCSEL, ou FP laser (850 nm)

Fonte

Par simétrico UTP CAT 6A ou STP CAT 7 (4 pares)

Fibra Monomodal (1 par) Fibra Monomodal 1 par) Fibra Multimodal (1 par)

Meio 100 m 10GBase-T 40 km 10GBase-ER 10 km 10GBase-LR 100-300 m 10GBase-SR Distância Interface

4 pares × 833Mbaud × 3 bits/Baud = 10Gb/s

Exemplos de Aplicação da 10GbE

•

Interfaces 10 GbE (Nortel)

•

Interfaces Ópticas 10 GbE

(Foundry Networks)

Fonte : Wikipedia

Cabo óptico

Intertace WAN não nomalizada pelo IEEE. Suporta uma distância de 80 km em fibra monomodal

Interface WAN Long Range (10 km em fibra monomodal) Interface LAN Short Range

100 Gigabit Ethernet (100 GbE)

•

Na norma da 100 GbE (IEEE802.3ba) foi aprovada em Junho de 2010

•

A norma só suporta ligações full-duplex e tem os seguintes

objectivos

:

– Preservar o formato da trama 803.3 usando o MAC 802.3;

– Presevar a dimensão máxima e mínima da trama 802.3;

– Suportar uma taxa de erros binários (BER) melhor do que 10-12 _;

– Permitir o transporte sobre ONT ( normalizou-se o OTU-4 para o transporte da 100 GbE).

•

As diferentes interfaces para 100 GbE são as seguintes

.

? 64B/66B 64B/66B 64B/66B PCS 10 m Par simétrico (10 pares)

100GBase-CR10

4 lambdas × 25 Gb/s (1310 nm) 4 lambdas × 25 Gb/s (1310 nm) Cabo com10 pares de fibra (850 nm)

Implementação Fibra Monomodal Fibra Monomodal Fibra Multimodal Meio 40 km 10GBase-ER4 10 km 100 GBase-LR4 100 m 100GBase-SR10 Distância Interface

Arquitectura da 40 GbE/100GbE

Fonte http://www.esnog.net/gore2/gore2-files/higher-speed-ethernet-fernando.pdf

Interface 100Gbase-LR

Fonte http://www.esnog.net/gore2/gore2-files/higher-speed-ethernet-fernando.pdf