Comunicação de Dados

UN ISUL – 20 13 / 1

Comunicação de Dados

Prof. Paulo Villa

Aula 14

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 Interligação de redes locais

 Pontes de árvores de amplitude

 Pontes remotas

 Repetidores, hubs, pontes, switches, roteadores e

gateways

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las

 As LANs podem ser conectadas por dispositivos

chamados pontes, que operam na camada de enlace de

dados

 As pontes examinam os endereços da camada de enlace

de dados para efetuar o roteamento

 Tendo em vista que elas não têm de examinar o campo

de carga útil dos quadros que roteiam, as pontes podem

transportar o IPv4 (usado na Internet hoje), o IPv6 (que

será usado na Internet do futuro), o AppleTalk, o ATM, o

OSI ou quaisquer outros tipos de pacotes

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em pacotes e efetuam o roteamento com base nesses

endereços

 Embora pareça haver uma clara distinção entre pontes e

roteadores, alguns desenvolvimentos modernos, como

o advento da Ethernet comutada, confundiram essas

definições

 Antes de iniciarmos o estudo da tecnologia de pontes,

vale a pena examinarmos algumas situações comuns em

que elas são usadas

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têm suas próprias LANs, principalmente para conectar

seus computadores pessoais, estações de trabalho e

servidores

• Como os objetivos dos departamentos são diferentes, muitos deles escolhem LANs distintas, sem se importar com o que outros departamentos estão fazendo

• Mais cedo ou mais tarde, surge a necessidade de interação

 Por isso as pontes são necessárias

 Neste exemplo, a existência de diversas LANs se deve à

autonomia de seus proprietários

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em vários edifícios separados por distâncias

consideráveis

 Talvez seja mais econômico ter LANs separadas em cada

edifício e conectá-las com pontes e enlaces de laser que

estender um único cabo sobre toda a instalação

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uma única LAN em LANs separadas, a fim de acomodar

a carga

• Por exemplo, em muitas universidades, há milhares de estações de trabalho disponíveis para as necessidades de computação dos funcionários e dos alunos

• Os arquivos normalmente são mantidos em máquinas

servidoras de arquivos e são transferidos por download para as máquinas dos usuários, se solicitarem

• A enorme escala desse sistema impossibilita a colocação de todas as estações de trabalho em uma única LAN — a largura de banda total necessária seria excessivamente alta

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pontes

• Cada LAN contém um grupo de estações de trabalho com seu próprio servidor de arquivos

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multiponto, elas costumam ser implementadas com

maior frequência com hubs ou switches especiais

 Entretanto, um longo cabo multiponto com várias

máquinas conectadas a ele e um hub com as máquinas

conectadas no interior do hub têm funcionalidade

idêntica

 Em ambos os casos, todas as máquinas pertencem ao

mesmo domínio de colisão, e todas utilizam o protocolo

CSMA/CD para transmitir quadros

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adequada em termos de carga, mas a distância física

entre as máquinas mais distantes seria muito grande

• Por exemplo, mais de 2,5 km para o padrão Ethernet

• Mesmo que fosse fácil estender o cabo a rede não funcionaria, devido ao retardo de ida e volta excessivamente longo

• A única solução é particionar a LAN e instalar pontes entre os segmentos

 Usando pontes, a distância física total coberta pode ser

aumentada

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• Em uma única LAN, um nó defeituoso que continua a transmitir um fluxo contínuo de lixo pode danificar a LAN

• As pontes podem ser inseridas em trechos críticos, como as portas corta fogo de um edifício, a fim de evitar que um único nó desativado derrube todo o sistema

• Ao contrário de um repetidor, que apenas copia o que vê, uma ponte pode ser programada para exercer algum critério sobre o que deve encaminhar e o que não deve encaminhar

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organização

• A maioria das interfaces de LANs tem um modo promíscuo, no qual todos os quadros são enviados ao computador, e não

apenas os quadros endereçados a ele

• Os espiões e os intrometidos adoram esse recurso

• Com a inserção de pontes em diversos lugares e tendo cuidado para não encaminhar tráfego de natureza delicada, um

administrador de sistema pode isolar partes da rede, de forma que seu tráfego não possa escapar e cair em mãos erradas

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transparentes

• Significando que deve ser possível mover uma máquina de um segmento de cabo para outro sem alterar qualquer hardware, software ou tabela de configuração

 Além disso, deve ser possível a comunicação entre

máquinas de qualquer segmento e máquinas de

qualquer outro segmento

• Independente dos tipos de LANs que estejam sendo usadas nos dois segmentos ou em outros segmentos situados entre eles

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 Interligação de redes locais

 Pontes de árvores de amplitude

 Pontes remotas

 Repetidores, hubs, pontes, switches, roteadores e

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• O host A de uma LAN sem fio (802.11) tem um pacote a ser enviado a um host fixo B situado em uma rede Ethernet (802.3), à qual a LAN sem fio está conectada

• O pacote desce até a subcamada LLC e adquire um cabeçalho LLC (mostrado em preto na figura)

• Em seguida, ele passa para a subcamada MAC e recebe um cabeçalho 802.11 (além de um final, não mostrado na figura) • Essa unidade continua a se propagar pelo ar e é captada pela estação base, que percebe que ela precisa ir para a Ethernet fixa

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• Quando o pacote chega à ponte que conecta a rede 802.11 à rede 802.3, ele começa na camada física e segue seu caminho ascendente

• Na subcamada MAC da ponte, o cabeçalho 802.11 é retirado • Em seguida, o pacote puro (com o cabeçalho LLC) é levado até

a subcamada LLC da ponte

• Nesse exemplo, o pacote se destina a uma LAN 802.3

conectada à ponte; portanto, ele segue seu caminho pelo lado 802.3 da ponte e prossegue na rede Ethernet

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• Observe que uma ponte conectando k LANs diferentes terá k subcamadas MAC diferentes e k camadas físicas diferentes, uma para cada tipo

• Em um primeiro momento parece ser fácil mover um quadro de uma LAN para outra, mas isso nem sempre é verdade

• Algumas dificuldades são encontradas durante a tentativa de construção de uma ponte entre diversas LANs 802

• Vamos nos concentrar nos padrões 802.3, 802.11 e 802.16, mas também existem outros, cada qual com seus problemas

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• Cada uma das LANs utiliza um formato de quadro diferente

• Diferente do que ocorre entre Ethernet, token bus e token ring, cujas características diferentes se devem a razões históricas e a grandes egos empresariais, aqui as distinções são até certo

ponto legítimas

 Por exemplo, o campo Duração do padrão 802.11 se baseia no protocolo MACAW e não faz sentido na Ethernet

• Como resultado, qualquer processo de cópia entre LANs diferentes reformatação

 O que ocupa tempo da CPU, exige um novo cálculo do total de verificação e introduza possibilidade de erros não detectados devido a bits

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• Um segundo problema é que as LANs interconectadas não funcionam necessariamente na mesma taxa de dados

• Quando se encaminha uma longa sequência de quadros de uma LAN rápida para uma LAN mais lenta, a ponte não

consegue se livrar dos quadros tão rapidamente quanto eles chegam

 Por exemplo, se uma Ethernet de gigabit estiver despejando bits em uma LAN 802.11b de 11 Mbps à velocidade máxima, a ponte terá de

armazená-los no buffer, esperando não esgotar a memória

• Pontes que conectam três ou mais LANs passam por um problema semelhante quando várias LANs estão tentando

alimentar a mesma LAN de saída ao mesmo tempo, ainda que todas as LANs funcionem à mesma velocidade

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• Um terceiro problema e, potencialmente o mais sério de todos, é que todas as LANs 802 têm um tamanho máximo de quadro diferente

• Um problema óbvio surge quando um quadro longo tem de ser encaminhado para uma LAN que não pode aceitá-lo

 Dividir o quadro em fragmentos está fora de questão nessa camada  Todos os protocolos supõem que os quadros chegaram ou que eles não

chegaram

 Não há condição de remontar os quadros em unidades menores  Isso não quer dizer que esses protocolos não possam ser criados  Eles poderiam ser projetados e de fato foram

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• Na realidade, nenhum protocolo de enlace de dados oferece esse recurso, e assim as pontes têm de evitar alterar a carga útil do quadro

• Basicamente, não há solução para o problema

• Quadros grandes demais para serem encaminhados devem ser descartados, porque questão de transparência

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• Outro ponto importante é a segurança

• Tanto o 802.11 quanto o 802.16 admitem criptografia na camada de enlace de dados, a Ethernet não

• Isso significa que os diversos serviços de criptografia

disponíveis para as redes sem fios são perdidos quando o tráfego passa por uma Ethernet

• Pior ainda, se uma estação sem fio usar criptografia da camada de enlace de dados, não haverá como descriptografar os dados quando eles chegarem a uma rede Ethernet

• Se a estação sem fio não usar criptografia, seu tráfego será exposto no enlace aéreo

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• Uma solução para o problema de segurança é usar a criptografia em uma camada mais alta

• Mas então a estação 802.11 terá de saber se está se comunicando com outra estação em uma rede 802.11

(indicando o uso da criptografia da camada de enlace de dados) ou não (o que significa não usar criptografia)

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• Um último ponto importante é a qualidade de serviço

• Tanto o 802.11 quanto o 802.16 oferecem esse recurso em diversas formas, o primeiro usando o modo PCF (Point

coordination function) e o outro usando conexões de taxa de bits constante

• O padrão Ethernet não tem nenhum conceito de qualidade de serviço, e assim o tráfego de qualquer um das outras redes perderá sua qualidade de serviço ao passar por uma rede Ethernet

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 Pontes de árvores de amplitude

 Pontes remotas

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• Em grandes organizações com muitas LANs, o simples fato de interconectá-las gera uma variedade de questões, mesmo que todas elas sejam redes Ethernet

• No caso ideal, deveria ser possível sair e comprar pontes

projetadas para o padrão IEEE, inserir os conectores nas pontes e tudo funcionaria perfeitamente, no mesmo instante

• Não deveria haver necessidade de nenhuma mudança no hardware, nem de alterações no software, nem de

configuração de switches de endereços, nem de baixar tabelas de roteamento ou parâmetros, nada

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• Além disso, a operação das LANs existentes não deveria ser afetada pelas pontes

• Em outras palavras, as pontes deveriam ser completamente transparentes (invisíveis para todo o hardware e software) • Surpreendentemente, isso é de fato possível

• Em sua forma mais simples, uma ponte transparente opera no modo promíscuo, aceitando cada quadro transmitido em todas as LANs com às quais está conectada

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• Como exemplo, considere a seguinte configuração

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• A ponte B1 está conectada às LANs 1 e 2, e a ponte B2 está conectada às LANs 2,3 e 4

• Um quadro que chega à ponte B1 da LAN 1 destinado a A pode ser imediatamente descartado, pois já está na LAN correta

• No entanto, um quadro que chega à LAN 1 com destino a C ou F deve ser encaminhado

• Quando um quadro chega, uma ponte tem de decidir se deve descartá-lo ou encaminhá-lo e, nesse último caso, em que LAN vai colocá-lo

• Essa decisão é tomada, procurando-se o endereço de destino em uma grande tabela (de hash) localizada na ponte

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• A tabela pode listar cada destino possível e informar a qual linha de saída (LAN) ele pertence

• Por exemplo, a tabela de B2 indicaria que A pertence à LAN 2, pois o que B2 precisa saber é em que LAN deve colocar os

quadros destinados a A

• O fato de que posteriormente haverá mais encaminhamentos não é de seu interesse

• Quando as pontes são conectadas pela primeira vez, todas as tabelas de hash estão vazias

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• Nenhuma das pontes sabe onde estão os destinatários • Elas usam o algoritmo de inundação

 Cada quadro de entrada para um destino desconhecido é enviado para todas as LANs às quais a ponte está conectada, com exceção da LAN de que ele veio

• Com o passar do tempo, as pontes aprendem onde estão os destinatários

• A partir do momento em que um destinatário se torna

conhecido, os quadros destinados a ele são colocados somente na LAN apropriada e não são mais difundidos para todas as

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• O algoritmo usado pelas redes transparentes é o de aprendizado reverso

• Como mencionado, as pontes operam no modo promíscuo

• Portanto, elas veem todo quadro enviado em qualquer uma das suas LANs

• Examinando o endereço de origem, elas podem descobrir que máquina está acessível em qual LAN

• Por exemplo, se a ponte B1 vir um quadro na LAN 2 vindo de C, ela saberá que C pode ser alcançada através da LAN 2

• Assim, ela faz uma entrada em sua tabela de hash, indicando que os quadros que vão para C devem usar a LAN 2

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• Qualquer quadro subsequente endereçado a C que chegue na LAN 1 será encaminhado

 No entanto, um quadro para C que chegue na LAN 2 será descartado

• A topologia pode ser alterada à medida que máquinas e pontes são ativadas, desativadas e deslocadas

• Para tratar topologias dinâmicas, sempre que uma entrada de tabela de hash é criada, o tempo de chegada do quadro é

indicado na entrada

• Sempre que chega um quadro cujo destinatário já esteja na tabela, sua entrada é atualizada com a hora atual

• Desse modo, o tempo associado a cada entrada informa a

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• Periodicamente, um processo na ponte varre a tabela de hash e expurga todas as entradas que tenham mais de alguns minutos • Dessa forma, se um computador for desconectado de sua LAN,

levado para outro lugar no prédio e reconectado nesse outro local, dentro de poucos minutos ele estará de volta à operação normal, sem qualquer intervenção manual

• Esse algoritmo também significa que, se uma máquina estiver inativa por alguns minutos, qualquer tráfego enviado a ela terá de ser difundido por inundação, até que ela mesma envie um quadro em seguida

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• O procedimento de roteamento para um quadro de entrada depende da LAN em que ele chega (a LAN de origem) e a LAN em que se localiza o seu destino (a LAN de destino), da forma seguinte:

1. Se a LAN de origem e a LAN de destino forem uma só, o quadro será

descartado

2. Se a LAN de origem e a LAN de destino forem diferentes, o quadro será

encaminhado

3. Se a LAN de destino for desconhecida, o quadro será difundido por

inundação

• À medida que cada quadro chegar, esse algoritmo será aplicado • Existem chips VLSI de uso especial que pesquisam e atualizam a

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 Pontes de árvores de amplitude

 Pontes remotas

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• Para aumentar a confiabilidade, algumas instalações usam duas ou mais pontes em paralelo entre os pares de LANs, como

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• Entretanto essa estratégia também introduz alguns problemas adicionais, porque cria loops na topologia

 Podemos ver um exemplo simples desses problemas observando como um quadro F com destino desconhecido é tratado

 Cada ponte, seguindo as regras normais para tratamento de destinos desconhecidos utiliza o algoritmo de inundação que, nesse exemplo, significa apenas copiar o quadro na LAN 2

 Logo após, a ponte 1 vê F2, um quadro com destino desconhecido, que ela copia para a LAN 1, gerando F3 (não mostrado)

 Da mesma forma, a ponte 2 copia F1 para a LAN 1, gerando F4 (também não mostrado)

 A ponte 1 agora encaminha F4 e a ponte 2 copia F3

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• A solução para essa dificuldade é estabelecer a comunicação entre as pontes e sobrepor a topologia real com uma árvore de amplitude que alcance cada LAN

• Algumas conexões potenciais entre as LANs são ignoradas no sentido de construir uma topologia fictícia livre de loops

• Dessa maneira, existe exatamente um caminho de cada LAN para qualquer outra LAN

• Quando as pontes entram em acordo em relação à árvore de amplitude, tudo o que é encaminhado entre as LANs segue a árvore de amplitude

• Como existe um único caminho de cada origem até cada destino, é impossível haver loops

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• O algoritmo distribuído usado para a construção da árvore de amplitude foi inventado por Radia Perlman

• Ele é o Spanning Tree Protocol e está padronizado como o IEEE 802.1D

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 Interligação de redes locais

 Pontes de árvores de amplitude

 Pontes remotas

 Repetidores, hubs, pontes, switches, roteadores e

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• Um uso comum de pontes consiste em conectar duas (ou mais) LANs distantes

• Por exemplo, uma empresa poderia ter fábricas em várias cidades, cada uma com sua própria LAN

• No caso ideal, todas as LANs devem estar interconectadas, de forma que o sistema completo atue como uma grande LAN • Esse objetivo pode ser alcançado colocando-se uma ponte em

cada LAN e conectando-se as pontes aos pares com linhas ponto a ponto (por exemplo, linhas dedicadas de uma

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• Os algoritmos de roteamento habituais se aplicam aqui • A forma mais simples de ver isso é considerar as três linhas

ponto a ponto como LANs sem hosts

• Assim, teremos um sistema normal de seis LANs interconectadas por quatro pontes

• Nada do que estudamos até agora indica que uma LAN deve conter hosts

• Vários protocolos podem ser usados nas linhas ponto a ponto • Uma possibilidade é escolher algum protocolo de enlace de

dados ponto a ponto padrão como o PPP, inserindo quadros MAC completos no campo de carga útil

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• Essa estratégia funciona melhor quando todas as LANs são idênticas, e o único problema é obter quadros para a LAN correta

• Outra opção é extrair o cabeçalho MAC e o final na ponte de origem e inserir o restante no campo de carga útil do protocolo ponto a ponto

• Então, podem ser gerados novos cabeçalhos e finais MAC na ponte de destino

• Uma desvantagem dessa abordagem é que o total de verificação que chega ao host de destino não é o que foi

calculado pelo host de origem, e assim os erros causados por bits incorretos na memória de uma ponte podem não ser

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 Interligação de redes locais

 Pontes de árvores de amplitude

 Pontes remotas

 Repetidores, hubs, pontes, switches, roteadores e

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• Examinamos diversas maneiras de transferir quadros e pacotes de um segmento de cabo para outro

• Mencionamos repetidores, pontes, switches, hubs, roteadores e gateways

• Todos esses dispositivos são de uso comum, mas diferem em detalhes sutis e não muito sutis

• Esses dispositivos operam em camadas diferentes

• A camada é importante, porque diferentes dispositivos utilizam fragmentos de informações diferentes para decidir como

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(a) Dispositivos presentes em cada camada (b) Quadros, pacotes e cabeçalhos

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• Na parte inferior, na camada física, encontramos os repetidores • Esses dispositivos analógicos estão conectados a dois

segmentos de cabo

• Um sinal que aparece em um deles é amplificado e colocado no outro

• Os repetidores não reconhecem quadros, pacotes ou cabeçalhos, somente volts

• Por exemplo, a Ethernet clássica foi projetada para permitir quatro repetidores, a fim de estender o comprimento máximo de cabo de 500 metros para 2500 metros

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• Em seguida, temos os hubs, os quais possuem portas que ele conecta eletricamente

• Os quadros que chegam em quaisquer dessas linhas são enviados a todas as outras

• Se dois quadros chegarem ao mesmo tempo, eles colidirão, como ocorre em um cabo coaxial

 Em outras palavras, o hub inteiro forma um único domínio de colisão

• Todas as linhas que chegam a um hub devem operar na mesma velocidade

• Como os repetidores, os hubs não examinam o endereços 802 nem os utilizam de forma alguma

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• Na camada de enlace de dados, encontramos pontes e switches • Uma ponte conecta duas ou mais LANs

• Quando um quadro chega, o software da ponte extrai o

endereço de destino do cabeçalho de quadro e examina uma tabela, com a finalidade de verificar para onde deve enviar o quadro

 No caso de uma rede Ethernet, esse endereço é o destino de 48 bits

• Com uma ponte, cada linha (ou porta) é seu próprio domínio de colisão, em contraste com um hub

• Os switches são semelhantes a pontes pelo fato de ambos basearem o roteamento em endereços de quadro

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• Na verdade, muitas pessoas utilizam os dois termos de forma intercambiável

• A principal diferença é que um switch é usado com maior frequência para conectar computadores individuais

• Cada porta do switch normalmente se conecta a um único computador e fornece um espaço de buffer para os quadros que chegam

• Como cada porta é seu próprio domínio de colisão, os switches nunca perdem quadros devido a colisões

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• Porém, se os quadros chegarem com velocidade maior que

aquela em que podem ser retransmitidos, o switch poderá ficar sem espaço de buffer e terá de começar a descartar quadros • Para atenuar um pouco esse problema, os switches começam a

encaminhar quadros tão logo recebem o campo de cabeçalho de destino, mas antes de chegar o restante do quadro

• Esses switches não utilizam a comutação store-and-forward • Às vezes, eles são chamados switches de corte

• Em geral, todo o corte é tratado em hardware, enquanto

tradicionalmente as pontes continham uma CPU real que fazia a comutação store-and-forward em software

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• Contudo, como todas as pontes e switches modernos contêm circuitos integrados especiais para comutação, a diferença entre um switch e uma ponte é hoje mais uma questão de marketing do que técnica

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• Os roteadores, são diferentes de todos os dispositivos anteriores

• Quando um pacote entra em um roteador, o cabeçalho de

quadro e o final são retirados, e o pacote localizado no campo de carga útil do quadro é repassado ao software de roteamento • Esse software utiliza o cabeçalho de pacote para escolher uma

linha de saída

• No caso de um pacote IP, o cabeçalho do pacote conterá um endereço de 32 bits (IPv4) ou de 128 bits (IPv6), mas não um endereço 802 de 48 bits

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• O software de roteamento não vê os endereços de quadro e nem mesmo sabe se o pacote veio de uma LAN ou de uma linha ponto a ponto

• Roteadores fazem parte da camada de rede vista na próxima disciplina

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• Subindo até outra camada, encontramos gateways de transporte

• Esses dispositivos conectam dois computadores que utilizam diferentes protocolos de transporte orientados a conexões • Por exemplo, suponha que um computador que utiliza o

protocolo TCP/IP orientado a conexões precise se comunicar com um computador que utiliza o protocolo de transporte ATM orientado a conexões

• O gateway de transporte pode copiar os pacotes de uma

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• Finalmente, os gateways de aplicação reconhecem o formato e conteúdo dos dados e convertem mensagens de um formato para outro

• Por exemplo, um gateway de correio eletrônico poderia converter mensagens da Internet em mensagens SMS para telefones móveis