UMA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE EMULADORES DE REDES
Elifranio Cruz Elias Barbosa Galvão FAMETRO – Faculdade Metropolitana da Grande Fortaleza
elifranio.cruz@fametro.com.br elias.b.tec@gmail.com
UMA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE EMULADORES DE REDES
RESUMO
Este artigo foi desenvolvido com o intuito de comparar o uso de diferentes ferramentas de simulação/emulação de redes de computadores referente à tarefa de implementação de Redes Locais Virtuais (VLAN), para obter uma segmentação lógica (virtual) em relação ao desempenho de tais ferramentas. Por meio do estudo de suas diversas características e configurações pode-se obter o conhecimento necessário para comparar as diferentes formas de implementação de VLANs em diferentes ferramentas para, de certa forma, escolher a ferramenta que melhor se enquadra na necessidade de seus estudos e/ou projetos. Foram comparados a critério operacional os emuladores GNS3, Cisco Packet Tracer e NS3.
Palavras-chave: VLAN; GNS3; Cisco Packet Tracer; NS.
INTRODUÇÃO
A disciplina de Redes de Computadores é percebida como uma disciplina de fundamental importância no contexto dos cursos de Graduação em Computação. Entretanto, em muitos casos, esta disciplina apresenta muitos conceitos práticos, o que acaba gerando uma necessidade de aulas práticas em relação ao conteúdo desta disciplina. Além disso, a disciplina em questão exige uma boa base em Sistemas Operacionais (SO), Arquitetura de computadores e lógica de programação e em conceitos rudimentares sobre linguagem de programação, sendo que os alunos também apresentam grande dificuldade em assimilar este conteúdo na prática de comunicação entre processos (SO) em rede, que também é utilizado como base para a disciplina de rede de computadores. Para mitigar o problema, uma das ações de melhoria a serem executadas é a utilização de atividades ligadas a monitoria, fazendo com que os alunos possam se motivar e se engajar de forma mais ativa durante as etapas do processo de ensino-aprendizado. Outro fator importante é a grande quantidade de alunos em laboratório, com a monitória podermos agilizar e coordenar as atividades de aulas práticas.
CONEXÃO FAMETRO: ÉTICA, CIDADANIA E
SUSTENTABILIDADE
XII SEMANA ACADÊMICA
ISSN: 2357-8645
Dessa forma, este artigo faz uma análise de emuladores de redes para oferecer mais recursos e oportunidades aos alunos que apresentam dificuldades com a assimilação do conteúdo da disciplina de redes de computadores, sendo uma importante ferramenta de apoio ao docente da disciplina em questão.
A simulação de redes tem um papel decisivo no projeto, principalmente quando as implementações dessas redes são caras e complexas. A simulação de uma rede real deve representar fielmente tal rede a ser simulada.
O custo reduzido faz com cada vez mais seja utilizado ambientes de simulação para estudo e avaliação de redes e/ou sistemas. Esses simuladores desempenham um papel importante na tarefa de desenvolver, analisar e aperfeiçoar protocolos de comunicação.
Para simular o projeto de redes é preciso utilizar uma ferramenta. Existem vários simuladores no mercado, cada um com suas características. Escolher dentre essas ferramentas não é uma tarefa fácil, e preciso levar em consideração o tamanho do projeto e o quão complexo ele é. Sendo assim, irei comparar algumas dessas ferramentas para que, “dependendo do projeto”, fique mais fácil escolher a ferramenta mais adequada.
FUNDAMENTOS DE REDES E VLANs
As redes de computadores são ferramentas importantes na estruturação serviços para web. Uma rede de computador segundo Kurose (KUROSE, 2013) é formada basicamente por três componentes principais, que são: Infraestrutura (Cabos e equipamentos de interconexão), Computadores (Laptops, SmartFones, Tablets e outros) e os Protocolos.
Uma rede de computadores é formada por um ou mais computadores conectados um ao outro por um meio de transmissão, sendo capaz de trocar informações e compartilhar recursos (TANENBAUM, 2003). As redes de computadores são constituídas por um grupo de módulos processadores (MP’s), onde qualquer dispositivo é capaz de notificar através do sistema de comunicação por troca de dados. O sistema de comunicação é constituído de um arranjo topológico interligando vários módulos processadores através de enlace físico (Meios de Transmissão) e de um conjunto de regras para organizar a comunicação baseada em protocolos.
O velho modelo de um único computador atendendo a todas as necessidades computacionais da organização foi substituído pelas chamadas redes de computadores, nas quais os trabalhos são realizados por um grande número de computadores separados, mas interconectados (TANENBAUM 2003).
O surgimento das redes permitiu a redução de custo em empresas, devido ao compartilhamento de recursos caros (Disco rígido, impressoras), facilitou o compartilhamento de informações além de aumentar a eficiência ao utilizar um computador.
Protocolo TCP/IP
É um padrão de comunicação que reúne um conjunto de protocolos populares na internent tais como TCP, IP, FTP (File Tranfer Protocol), TELNET, ICMP, ARP e NFS. As informações que trafegam na rede necessitam do TCP/IP, por isso ele é utilizado como protocolo primário da rede na internet. Este protocolo foi dividido em “camadas” bem definidas, cada uma realizando sua parte na tarefa de comunicação (aplicação, transporte, rede e físico). Este modelo tem a seguinte vantagem: por ter os processos de comunicação bem definidos e divididos em cada camada, qualquer alteração poderá ser feita isoladamente, não precisando reescrever todo o protocolo. O TCP/IP tem como principal característica a transmissão de dados em máquinas que diferem em suas arquiteturas. Como podemos ver na Figura 01 a seguir, o modelo TCP/IP se divide em quatro camadas onde cada uma delas é responsável pela execução de tarefas distintas. Na sequência é explicado o fundamento das camadas. Cada camada tem sua própria unidade de dados, relacionada a seus protocolos (PDU), por exemplo as camadas de: aplicação trata mensagens; de transporte trata de segmentos; de rede trada de pacotes; de Física trata de quadros e bits; Estas são as camadas e PDUs que compõem o modelo TCP/IP
Figura 01 - Modelo TCP/IP (TANENBAUM; WETHERALL, 2011).
Aplicação
Nesta camada são necessários protocolos de transporte para garantir o funcionamento das aplicações reais (DNS, WWW, SMTP, POP, NFS, FTP).
Esta camada trabalha com a porta a qual está ligada a aplicação. Ex: FTP (porta 21), HTTP (porta 80), Telnet (porta 23), etc. Transporte
Utiliza dois protocolos para a comunicação Host-to-Host (TCP/UDP). Esta camada também tem como função organizar e controlar o fluxo de dados transmitidos para que o protocolo não se perca no meio de tantos pacotes.
Rede
A camada chamada de rede ou Internet, tem como principal função direcionar os dados aos seus respectivos endereços. Esta característica é chamada de roteamento, que também tem como vantagem evitar o congestionamento da rede, pois trabalha com endereço IP de origem e destino.
Física
Esta camada está com o seu funcionamento baseado na placa de rede, que dependendo do meio em que está funcionando trabalhará com diferentes padrões.
Virtual Local Area Network
Com a atual topologia de rede existente, além de possibilitar a criação de redes locais de forma física, também é possível a criação de redes virtuais, conhecidas como VLANs (TANENBAUM; WETHERALL, 2011). Uma Virtual Local Area Network, conhecida pela sigla VLAN, é uma rede logicamente conectada que podem ser criadas em switches que forneçam esse tipo de serviço. Em um único switch é possível criar diversas redes lógicas dentro de uma única rede física (MORAES, 2010).
VLAN é uma tecnologia presente em vários dispositivos que permite realizar a separação lógica de uma rede em vários segmentos distintos. Um switch possui várias portas de comunicação. Estas portas são locais onde são inseridos os cabos de rede para realizar a interligação dos equipamentos, sendo que cada porta pode ser conectada a apenas um único dispositivo. O switch realiza a troca de mensagens entre computadores conectados a ele através dos endereços contidos nos pacotes transmitidos para direcioná-los ao destino correto. É possível ainda interligar switches para obter uma infraestrutura que abrigue uma quantidade maior de ativos na rede (TANENBAUM; WETHERALL, 2011).
Criando um Cenário
Para realizar os testes de análise e comparação foi criado um cenário a ser configurado no qual podemos verificar na Figura 02.
Figura 02 - Cenário
O cenário descrito acima, possui 3 desktops, 3 tablets e 3 laptops conectados em VLAN’s diferentes, as quais cada VLAN estará logicamente separada. Para ver estas configurações funcionando eu adicionei um Roteador que irá conhecer todas as redes através de configurações de roteamento e porta Trunk do switch. O cenário supracitado, foi configurado nas 3 (três) ferramentas de simulação - Cisco Packet Tracer, GNS3 e NS2/NS3 - para analisar o desempenho de cada uma delas, visando conhecer e analisar as ferramentas de simulação mais adequadas para o ensino de redes nos domínios dos laboratórios da faculdade Fametro. Na sequência é citado as analises e teorias sobre as ferramentas de simulação supracitadas.
Cisco Packet Tracer
O Cisco Packet Tracer é um programa educacional - produzido pela Cisco - gratuito que permite simular uma rede de computadores, através de equipamentos e configurações presente em situações reais. O programa apresenta uma interface gráfica simples, com suportes multimídia (gráfica e sonora) que auxiliam na confecção das simulações.
O programa Packet Tracer foi construído para o ensino de redes de computadores com simulações baseadas nos níveis de conhecimento exigido para obter uma certificação CCNA da Cisco. Ele oferece ferramentas capaz de visualização de redes, avaliações de medições complexas além da capacidade de criação de novas redes. É possível trabalhar com múltiplos usuário no mesmo projeto através da internet.
Outra funcionalidade do programa é o activity wizard que permite aos instrutores criarem cenários de rede customizados e instruções de feedbacks para avaliar seus alunos. O aluno também poderá aprender o modelo da Cisco, Internetwork Operating System (IOS), uma interface de comando de linha que facilita na configuração dos dispositivos ao invés da interface gráfica. Na sequência é explicitado, por comparação o GNS3.
GNS3
O simulador GNS3 é um software grátis, e que pode ser baixado e utilizado livremente. Ele funciona com imagens IOS da Cisco reais, que são emuladas através de um programa chamado
Dynamips. O GNS3 é um front-end gráfico para o Dynamips que permite gerenciar a simulação de
redes complexas através de simuladores de processadores MIPS, PowerPC e x86. Além dos roteadores Cisco com processador MIPS e PowerPC, existe ainda a possibilidade de simular o firewall Cisco PIX, utilizando o simulador x86 QEMU.
Algumas características de acordo com website do GNS3.
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Design de topologias de redes complexas; Emulação de muitas plataformas de roteadores Cisco router e PIX firewall;●
Simulação de switches ethernet simples, ATM e Frame Relay;●
Conexão da rede simulado com o mundo real; Captura de pacotes utilizando o Wireshark; Para elucidar melhor as funcionalidades e características dos simuladores, adiante é citado o emulador de redes NS.NS
O Network Simulator (NS) é um simulador de redes de computadores orientado a eventos mantido pelo projeto VINT (Virtual InterNetwork Testbed) constituído por pesquisadores de instituições como UC Berkeley, USC/ISI, LBL e Xerox PARC. Pelo fato de ser gratuito e possuir código aberto ele permite a adição de novos módulos ou a alteração dos existentes de acordo com as necessidades do usuário, contribuindo para aproximar configurações reais, essa é uma de suas principais vantagens (VASQUES, ESTEVES, ABELEM, 2004).
O NS dá suporte a simulação de diversas tecnologias de rede: redes baseadas nos protocolos TCP e UDP, redes locais, redes sem fio, satélite, multicast, etc. Atualmente é suportado pelo sistema operacional Unix e sistemas como Linux, SunOS, FreeBSD, Solaris. Também é possível rodá-lo no Windows, através de um emulador do shell do Linux, chamado Cygwin.
O NS tem facilidades de tracing, que é a coleta e registro de dados de cada evento da simulação para análise posterior. Possui um visualizador gráfico para animação da simulação (nam), timers e escalonadores, modelos para controle de erros e algumas ferramentas matemáticas como gerador de números aleatórios e integrais para cálculos estatísticos. Inclui também uma ferramenta de plotagem, o xgraph.
Usando como metodologia o estudo de caso, podemos analisar de forma quantitativa e qualitativa o desempenho de cada ferramenta em relação ao cenário proposto.
No desenvolvimento do cenário será avaliado a curva de aprendizado, complexidade da preparação do ambiente, números de dispositivos disponíveis e a usabilidade.
Levando em consideração os critérios de avaliação descritos acima podemos preparar o ambiente para a configuração da rede a ser simulada em cada ferramenta
ANÁLISE DOS RESULTADOS
Cisco Packet Tracer: Sem dúvida uma das ferramentas mais popular. Ela vem sendo usada tanto para estudo como para projetos de redes. A instalação e preparação do ambiente para começar a configurar suas redes é bem simples, conta com vários dispositivos disponíveis para você já começar a configurar de acordo com seu projeto. Muito fácil de aprender a utilizar a ferramenta, mas ela peca na usabilidade pois suas informações não são bem distribuídas.
GNS3: O GNS3 se mostrou bem mais completo. Você será capaz de montar topologias diversas, com diferentes níveis de complexidade e com as características necessárias para o exame de certificação específico que estiver estudando. Um dos principais pontos negativos é que você irá precisar de IOS Cisco reais. O GNS3 não vem com imagens IOS embutidas no simulador, ou seja, você deverá ter disponível os IOS que irá utilizar e informar o caminho da pasta para o GNS3, caso contrário o simulador não irá funcionar. Outro ponto importante é a quantidade de recurso de CPU e memória RAM consumidos ao se utilizar GNS3. Quanto mais complexa a topologia montada, maior quantidade de memória e CPU será consumida. Portanto, saiba que para rodar esse simulador será necessário um computador com uma certa robustez.
A curva de aprendizado é relativamente alta pois apesar de termos bastante opções ainda temos que instalar e configurar os SOs dos roteadores. A usabilidade não deixa a desejar pois todas as informações são bem divididas e ícones sugestivos. Pelo simples motivo de termos que instalar cada roteador separadamente torna a preparação do ambiente um pouco complexa.
NS: O Network Simulator tem como vantagem o seu pioneirismo e o fato de ser uma ferramenta muito divulgada entre os grupos de redes e de tolerância a falhas. O Network Simulator possui uma rica documentação e é o mais consolidado e antigo. Dispõe de um acervo considerável, para os mais diversos cenários de simulação. Tem como principal desvantagem o fato de não possuir uma interface gráfica para descrição das arquiteturas usando scripts programados em TCL.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A simulação na área da computação em modo geral vem se tornando cada vez mais uma ferramenta poderoso para desenvolvimento de aperfeiçoamento da tecnologia. E com as redes de computadores não é diferente. Tais ferramentas vêm auxiliando tanto em análise de tecnologias existentes quanto no desenvolvimento de novas.
Primeiramente, este artigo apresentou uma revisão bem básica da introdução sobre as redes de computadores e VLAN, dando destaque nas camadas do modelo TCP/IP.
Neste artigo foi configurado um cenário de redes de computadores utilizando VLANs em três diferentes ferramentas de simulação de redes. A que desrespeito a configuração do roteador, switches, laptops outros ativos utilizados no cenário - o que não foi o foco - podemos dizer que não mudou muito. O que realmente foi levado em consideração foi desempenho e facilidade com que a ferramenta se comportaria desde a preparação do ambiente até os testes relacionado ao projeto de redes que foi desenvolvido.
Levando em consideração os resultados obtidos na comparação das ferramentas de simulação de redes utilizando o cenário proposto (configuração de VLANs), pode-se concluir que cada ferramenta tem suas características que pode ou não facilitar no desenvolvimento do seu projeto.
A pessoa que irá desenvolver o projeto deverá analisar o grau de complexidade do projeto, a afinidade que o mesmo tenha com alguma ferramenta e saber se tal ferramenta supri as necessidades do projeto.
REFERÊNCIAS
COMER, Douglas E. Interligação em Rede com TCP/IP: Volume I. 3. ed. Rio de Janeiro: Campus, 2006.
FERREIRA, Hugo Barbosa. Redes de planejamento: metodologia e prática com PERT/CPM e MS PROJECT. Rio de Janeiro: Ciência Moderna, 2005. 272 p.
GEUS, Paulo Lício de; NAKAMURA, Emilio Tissato. Segurança de Redes: em ambientes cooperativos. São Paulo: Novatec, 2007. 482 p.
KUROSE, James F. Redes de computadores e a internet: uma nova abordagem. 6. ed. São Paulo: Addison Wesley, 2013.
MORAES, Alexandre F. Redes de computadores: fundamentos. 7.ed. São Paulo: Érica, 2010.
ROCHOL, Dr. Juergen, SOUZA, Lara D.; SEWALD, Leonardo; FERNANDES, Ricardo Hernandes; MORI, Oscar Núñez – Instituto de Informática – UFRGS. Plataformas de Simulação de Software Livre para Redes Fixas e Móveis: Características, Suporte, Instalação e Validação.
SILVEIRA, Jorge Luis da. Comunicação de dados e sistemas de teleprocessamento. 5. ed. São Paulo: Makron, 2000.
SOARES, Luis Fernando; SOUZA Filho Guido Lemos de; COLCHER Sérgio. Redes de Computadores - Das LAN’s, MAN’s e WAN’s às Redes ATM. 5. ed. São Paulo: Campus, 2003. TANENBAUM, A. S. Computer Networks, /Andrew S. Tanenbaum, David J. Wetherall. 2011. TANENBAUM, ANDREW S. Redes de Computadores. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 2003. VASQUES, A.T., ESTEVES, R.P., ABELEM, A.J.G. . Simulação de Redes de Computadores utilizando o Network Simulator, 2004.
