Redes de Computadores

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Redes de Computadores

Tecnologias de redes

locais

Escola Superior de Tecnologia e Gestão Instituto Politécnico de Bragança Maio de 2006

Tecnologias de redes Redes de Computadores 2

Redes de acesso múltiplo

• As LANs são redes de difusão ou de acesso

múltiplo

• Qualquer comunicação passa pela utilização

de um canal único, a partilhar por todos os

utilizadores

• Problema a resolver: definir uma política de

reserva do canal de transmissão

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Tecnologias de redes locais

Redes de Computadores 3

Tecnologias de acesso múltiplo

• Protocolo ALOHA

– ALOHA puro

– Slotted ALOHA

• Protocolo Carrier Sense Multiple Access

(CSMA)

– 1-persistente

– Não persistente

– p-persistente

– CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)

• Técnica de passagem de testemunho

ALOHA puro

• Usado na rede Aloha (packet radio), desenvolvida na Universidade do Hawai

– Estação emissora

• Quando tem uma trama para transmitir, transmite incondicionalmente (talk when you please) • Transmissões simultâneas provocam colisões

– Estação receptora

• Confirma tramas correctamente recebidas

• Detecção de colisões

– Estação emissora espera confirmação positiva (ACK) durante round trip time

• Se receber ACK, pode transmitir nova trama

• Se não receber ACK, ocorreu colisão ou a trama foi corrompida por outra razão - a estação deve retransmitir, podendo tentar um número máximo de vezes pré-definido, após o que desiste

• Retransmissão

– Para minimizar a probabilidade de novas colisões, a estação emissora espera intervalo de tempo aleatório antes de retransmitir uma trama não confirmada

• À medida que o tráfego aumenta, maiores são as probabilidades de colisão; logo maior é o número de retransmissões necessárias

• Na realidade, este esquema usa apenas 18% da capacidade do canal; os restantes 82% são perdidos devido às colisões

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Slotted ALOHA

• Estações sincronizam transmissões pelo início de time slots

– Necessário mecanismo para distribuir às estações um sinal de sincronização de início dos time slots

– Quando uma estação tem uma trama pronta a transmitir, espera pelo início do próximo time slot e transmite incondicionalmente

– Não ocorrem colisões parciais - ou não há colisão ou a colisão é total, pelo que o período de vulnerabilidade é igual a Tframe (ou seja a duração do time slot, desprezando atrasos de propagação)

• O Slotted ALOHA duplica a utilização do canal em relação ao ALOHA

puro

CSMA

• Os protocolos do tipo CSMA, baseados na escuta do meio são

recomendados apenas quando o tempo de propagação entre nós for pequeno quando comparado com o tempo de transmissão de uma trama

• É uma situação comum em muitas LANs, sendo que, uma transmissão é

reconhecida pelas restantes estações durante o período inicial; uma estação não inicia uma transmissão se tiver detectado que outra transmissão está em curso

• A escuta do meio não evita o risco de colisões, mas o período de

vulnerabilidade é muito pequeno comparado com o tempo de

transmissão

• Uma estação escuta (monitoriza) o meio (carrier sense) antes de

transmitir (listen before talk) – defere se o meio estiver ocupado

– transmite se o meio estiver livre e espera ACK durante round trip time

– se não receber confirmação, retransmite a trama após intervalo de tempo aleatório

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CSMA - variantes

• 1-persistente

– se meio livre: transmite

– se meio ocupado: espera até ficar livre e transmite

– Evita desperdício de tempo livre, mas garante colisão quando há pelo menos dois nós a quererem transmitir

• Não persistente

– se meio livre: transmite

– se meio ocupado: espera intervalo de tempo aleatório e repete o algoritmo

• p-Persistente

– slot time = tempo máximo de propagação na rede (usado para atrasar tentativas de acesso)

– (*) se meio livre: transmite com probabilidade p ou atrasa a tentativa de acesso de um slot time com probabilidade 1-p, repetindo então o algoritmo

– se encontrar o meio ocupado continua a auscultá-lo até que se detecte livre e repetir o passo (*)

– se a transmissão foi adiada, então repetir o passo (*)

• Se a estação não receber uma confirmação após round trip time (colisão ou corrupção devida a outra causa) a estação espera intervalo de tempo aleatório para retransmitir a trama, repetindo o algoritmo respectivo desde o início

CSMA/CD

• Simulação em: http://lerci.tagus.ist.utl.pt/applets/csmacd/csmacd.html • Quando há uma colisão, o meio permanece (inutilmente) ocupado durante o

tempo de emissão dos pacotes que colidiram

• Com o CSMA/CD a capacidade desperdiçada é reduzida ao tempo que demora a detectar uma colisão; obtêm-se taxas de utilização do canal que podem chegar aos 95%

• Se fosse possível detectar uma colisão, os nós responsáveis poderiam terminar a emissão dos pacotes, libertando o meio o mais rápido possível

Protocolo de Acesso

• A estação monitoriza o meio (carrier sense)

– Se o meio está livre: transmite

– Se meio ocupado: espera até ficar livre e transmite (persistente)

• Se detectar colisão durante a transmissão

– Reforça a colisão (jamming) – Aborta a transmissão

– Atrasa a retransmissão (intervalo de tempo aleatório) e tenta de novo

• Se não ocorrer colisão durante a transmissão

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CSMA/CD – Modo de operação

CSMA/CD – Modo de operação (2)

• No instante t

₀

o nó A começa a transmitir um

pacote destinado a D

• No instante t

₁

os nós B e C estão prontos para

transmitir; B detecta uma transmissão em curso

e portanto adia a sua transmissão; porém, para

C, o meio está livre, e inicia a sua transmissão

• No instante t

₂

o pacote de A atinge C o qual

detecta a colisão e cessa a transmissão

• No instante t

₃

a colisão é detectada por A o qual

cessa a transmissão

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Passagem de testemunho

• É transmitido, de estação em estação, um quadro de

controlo designado por testemunho

• As estações que pretendam transmitir têm que aguardar

que o testemunho seja recebido

• Quando uma estação recebe o testemunho pode transmitir

um determinado número de quadros ou então durante um

determinado período de tempo

• Overhead do testemunho implica redução da largura de

banda líquida e existência de um tempo de latência

• Variantes:

– Passagem de testemunho numa rede em anel físico

– Passagem de testemunho numa rede com configuração física em bus e configuração lógica em anel

Tecnologias de Redes Locais

• Ethernet

• Token bus

• Token ring

• FDDI – Fiber Distributed Data Interface

• Redes Locais sem Fios

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Comités IEEE 802 para redes

Tecnologias de redes locais Redes de Computadores 13

Ethernet - Evolução

• 1980 – Ethernet (10 Mbps)

– Desenvolvido pela Digital, Intel e Xerox

• 1985 – IEEE 802.3 (10 Mbps)

– Ethernet e IEEE 802.3 são padrões quase

idênticos

• 1995 – Fast Ethernet (100 Mbps)

• 1998 – Gigabit Ethernet (1 Gbps)

• 2002 – 10 Gigabit Ethernet (10 Gbps)

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Ethernet - Introdução

• Ethernet é a tecnologia dominante nas

Redes Locais

• Ethernet é um conjunto de tecnologias,

cujas especificações:

– suportam diferentes meios físicos

– suportam diferentes larguras de banda

– possuem formato dos quadros idênticos

– possuem endereçamento idêntico

Ethernet e modelo OSI

• A Ethernet opera:

– na metade inferior da camada de ligação de dados (subcamada MAC) – na camada física

• A camada 2 usa controlo de ligação

lógica (LLC – Logical Link Control) para comunicar com as camadas superiores independentemente da tecnologia LAN usada e da camada superior

• A camada 2 usa controlo de acesso

ao meio (MAC – Media Access Control) para decidir qual computador vai transmitir e comunicar com a camada física específica da tecnologia LAN usada

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Quadro Ethernet II

• MTU (Maximum Data Transmission Unit): 1500 bytes para a Ethernet • O preâmbulo serve para a sincronização na tecnologia assíncrona a

10Mbps

• As versões Ethernet mais rápidas são síncronas, tornando-se o preâmbulo redundante, mas mantido por questões de compatibilidade

Ethernet - IEEE 802.3

• O controlo do acesso ao meio físico é feito segundo a técnica

CSMA/CD

• Inicialmente desenvolvida para redes com topologia em bus

físico utilizando cabo coaxial

• Suporta actualmente uma grande variedade de meios físicos,

a topologia também deixou de ser bus físico para passar a ser

topologia física em estrela ou árvore

• O suporte de diferentes meios físicos e diferentes velocidades

levou ao aparecimento de diversas variantes de Ethernet,

genericamente designadas por x-Base-y

– x – número que identifica o débito binário (em Mbits)

– y – número ou letras que identificam o tipo de meio físico utilizado ou o comprimento máximo do troço

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Ethernet a 10 Mbps

(Tecnologia obsoleta)

10Base5 (1)

• Primeiro meio físico da Ethernet

• Não recomendado para novas instalações • Topologia física em barramento

• Cabo coaxial grosso (thicknet)

– grande, pesado e de instalação difícil

– semelhante a mangueiras amarelas com marcas todos os 2,5 metros, indicando onde se deve inserir a cavilha (vampire tap) do transceiver até se atingir o núcleo do cabo

• Transceiver desempenha as tarefas de CSMA/CD

• Um cabo (transceiver cable) com 50 metros (no máximo) liga o transceiver a uma placa de interface, no computador

• Nessa placa procede-se à assemblagem dos pacotes antes de serem entregues ao transceiver bem como à verificação de erros sobre os pacotes recebidos

• Segmentos até 500m (principal vantagem) • Só funciona em half-duplex

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10Base5 (2)

10Base2 (1)

• Instalação mais fácil que o 10BASE-5

– cabo menor, mais leve, mais barato e mais flexível

• Topologia física em barramento

• Cabo coaxial fino (thinnet)

• Half-duplex

• Apenas uma estação a transmitir de cada vez

• Até 30 estações por segmento

• Ligações baseiam-se em conectores BNC que formam

junções em T

– Conectores T ligam directamente à NIC

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10Base2 (2)

10BaseT (1)

• Está na base do enorme crescimento das redes Ethernet • Cabo de par entrançado (UTP)

– cat3 ou cat5 (recomendado cat5e) • Mais barato e fácil de instalar que o coaxial

• Topologia física em estrela mas lógica em bus (ligação a um hub) • Half-duplex

• Máximo de 100m entre dispositivos

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10BaseT (2)

Ethernet a 10 Mbps (resumo)

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Ethernet a 100 Mbps

(Fast Ethernet)

Fast Ethernet

• Custo apenas duas vezes superior ao custo da Ethernet a 10Mbps

(aproximadamente)

• Tecnologia desenvolvida a par das soluções comutadas, que

constituíram uma revolução da tecnologia das redes Ethernet

• Estrutura de trama idêntica à norma IEEE 802.3

• Baseada na configuração 10BaseT, mas utiliza concentradores e

comutadores

• Capacidade de auto-negociação

– permite estabelecer à partida os modos de operação para a melhor configuração possível:

• Escolha entre 10Mbps, 100Mbps • Escolha entre half e full-duplex

• As soluções comutadas, em full-duplex, eliminam o problema das

colisões

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Fast Ethernet (100 Mbps)

• Tecnologias mais importantes:

– 100BASE-TX • Cabo UTP cat. 5

• Pinagem idêntica ao 10BASE-T • Suporta full-duplex

– 100BASE-FX

• Fibra óptica multimodo

• Criada para usar em backbones de edifício e ambientes ruidosos

– rapidamente substituída pela Gigabit Ethernet (em cobre e fibra)

• Suporta full-duplex

Fast Ethernet - Arquitectura

• Ligação Fast-Ethernet:

– normalmente entre uma estação e um concentrador/hub (repetidor multi-porta) ou comutador/switch (ponte/bridge multi-porta)

• Repetidor classe I

– alterna entre tecnologias Ethernet (ex: cobre e fibra) – introduz maior latência

• Repetidor classe II

– interliga segmentos com a mesma sinalização

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Ethernet a 100 Mbps (resumo)

Sim Não Sim Suporte de full-duplex 100Mbps 100Mbps 100Mbps Velocidade 320 200 200 Dist. Máx c/rep (m) 160 100 100 Segmento (m) 1 1 1 Hosts/segmento Fibra óptica Multimodo UTP Cat. 3 ou superior, 4 pares UTP Cat. 5, 2 pares Meio Tx

100-Base-FX

100-Base-T4

100-Base-TX

Ethernet a 1 Gbps

(Gigabit Ethernet)

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Gigabit Ethernet - IEEE 802.3z

• Custo bastante superior ao custo das

tecnologias anteriores

• Compatibilidade com as tecnologias anteriores

– Estrutura de trama idêntica à norma IEEE 802.3

• Funcionamento em half-duplex (ligações

partilhadas com repetidores) e full-duplex

(switch-switch e switch-estação), a 1 Gbps

• Método de acesso continua a ser CSMA/CD

• Utilização ao nível do backbone de redes e em

menor escala nas ligações dos servidores

Gigabit Ethernet – Meios físicos

– 1000Base-LX (Long Wavelength) (IEEE 802.3z) • Ligações entre campus (switch a switch)

• Até 5Km usando fibra monomodo

– 1000Base-SX (Short Wavelength) (IEEE 802.3z)

• Backbones dos Campus, Backbones entre andares (switch a switch) • Até 500m usando fibra multimodo

– 1000Base-CX (Short Haul Copper) (IEEE 802.3z) • Clusters de servidores e ligações entre switches • Até 25m usando COAX (twinax)

– 1000Base-T (Long Haul Copper) (IEEE 802.3ab) • Interligação de comutadores

• Ligação de switches a servidores e a postos de trabalho de alto desempenho

• Até 100m usando UTP Categoria 5e ou superior

– Recomendado pelo padrão IEEE 802.3 que o Gigabit Ethernet através de fibra seja a tecnologia para o backbone

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Ethernet - Exemplo de implementação

Ethernet a 10 Gbps

• Objectivos:

– Ligação entre equipamentos activos (Switches, Routers)

• Características:

– Definido na norma IEEE 802.3ae (2002) para fibra óptica multimodo e monomodo – Define apenas modo

Full-Duplex • Permitem: – Interligação de clusters de servidores – Agregação de vários segmentos de 1 Gbps num único link de 10 Gbps – Constituição de backbones a

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Token bus - IEEE 802.4

• Topologia física em bus

• Controlo de acesso ao meio físico por passagem do testemunho • É atribuído a cada estação um identificador lógico

– cada estação tem um Antecessor lógico (do qual recebe o token) e um Sucessor lógico (ao qual envia o token)

• O token tem de ser explicitamente passado entre estações, isto é, tem de ser endereçado (endereço do Sucessor lógico da estação de posse do token)

• Quando de posse do token, uma estação pode transmitir (se tiver tráfego), devendo a seguir libertar o token

• A gestão de uma rede Token Bus é complexa

– inicialização do anel lógico

– adição e remoção de estações do anel lógico

– recuperação de erros (interrupção do anel lógico, conflitos na aquisição do token, perda do token, múltiplos tokens, etc.)

• Tecnologia com pouca implantação

Token Ring IEEE 802.5

• Um protocolo de acesso do tipo Control Token baseia-se na circulação na

rede de uma trama de controlo (Token) que concede a quem a recebe autorização para acesso exclusivo ao meio - o Token funciona como um testemunho que é passado de estação em estação

• Em redes em anel (Token Ring) o Token não precisa de ser endereçado;

na ausência de qualquer transmissão, circula no anel um Token no estado livre, isto é, uma trama constituída apenas por um campo de controlo com os respectivos delimitadores de início e fim

• Uma estação pronta a transmitir espera a passagem do Token livre,

captura-o (isto é, muda o seu estado para ocupado), passando a deter acesso exclusivo ao meio, o que lhe permite iniciar a transmissão de uma ou mais tramas

• Em geral uma trama é apenas copiada pela estação (ou estações) de

destino, sendo removida pela estação de origem, a quem compete a libertação de um novo Token no estado livre, o que permitirá o acesso à estação a jusante mais próxima que tenha uma trama pronta a transmitir

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Token Ring IEEE 802.5 (2)

Token Ring IEEE 802.5 (3)

• Meios de transmissão

– Cabo de par entrançado e fibra óptica

• Taxas de transmissão de 4 ou 16 Mbps

• Custo bastante superior à tecnologia Ethernet

• É necessário um monitor responsável por:

– Detectar a falta do token

– Despejar do anel tramas erradas/orfãs

– Detectar quebras no anel

– Se o monitor é desligado um protocolo de contenda

assegura a eleição de um novo monitor

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FDDI – Fiber Distributed Data

Interface (1)

• Token Ring a 100 Mbit/s • Topologia base - anel duplo

– Utilizado para interligar LANs

– Dois anéis unidireccionais (Primário e Secundário), em sentidos opostos – Número máximo de nós: 1000

– Perímetro máximo (anel Primário): 100 km – Distância máxima entre estações: 2 km

FDDI – Fiber Distributed Data

Interface (2)

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FDDI – Fiber Distributed Data

Interface (3)

• Todas as estações devem ligar-se ao anel Primário. O anel Secundário está normalmente em standby (sem tráfego), sendo usado quando for necessário reconfigurar a rede

• Definem-se dois tipos de estações

– Classe A - ligam-se aos dois anéis

– Classe B - ligam-se apenas ao anel Primário, ficando isoladas no caso de interrupção deste

• Reconfiguração

– Se houver interrupção apenas do Anel Primário, as estações passam a transmitir no Anel Secundário

– Se ocorrer uma interrupção dos dois anéis (no mesmo troço), as estações adjacentes à falha ligam o Anel Primário ao Secundário (o perímetro da rede praticamente duplica)

– Se ocorrerem múltiplas interrupções dos dois anéis, a reconfiguração tem como consequência a formação de várias redes isoladas

Redes sem fios

(Wi-Fi)

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Alguns 802.11’s

• 802.11a

– Banda 5 GHz (5.725 GHz a 5.850 GHz) - ilegal na

Europa

– 54 Mbps

• 802.11b

– Banda 2,4 GHz (2.400 GHz a 2.4835 GHz)

– 11 Mbps

• 802.11g

– Banda 2,4 GHz (2.400 GHz a 2.4835 GHz)

– 54 Mbps

– Compatível com a versão ‘b’

Modo ad-hoc

• Desvantagens

– Menor segurança

– Problemas de

compatibilidade

entre fabricantes

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Modo infra-estrutura

• Ponto de Acesso (AP

– Access Point)

– Actua como um hub

central, com o qual as

placas de rede sem

fios comunicam

– Ligado por cabo à

infra-estrutura de rede

cablada

Roaming

• A área de abrangência de cada AP é designada por célula

• Para permitir a cobertura total de uma determinada área podem ser

necessários vários APs

• As células deverão ter um grau de sobreposição (20-30%), para

permitir o roaming

– Possibilidade de passar de célula em célula sem se perder conectividade

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Pesquisa (Scanning)

• Quando um cliente é activado numa WLAN (Wireless

LAN), começa a procurar (scanning) por um

dispositivo compatível ao qual se possa associar

– Pesquisa activa

• O cliente envia um pedido para se associar a uma rede

• Esse pedido contém a identificação (SSID - Service Set Identifier) da rede a que se quer ligar

• Todos os APs dentro do alcance do nó respondem com o mesmo SSID que recebem o pedido, enviam uma resposta ao cliente

– Pesquisa passiva

• Os APs transmitem periodicamente quadros (beacons) com o SSID da rede

• O cliente está à escuta desses quadros e quando recebe uma com o SSID desejado envia ao AP um pedido para se associar à rede

Tramas WLAN

• Gestão

– Pedido de AP (probe request) – Resposta de AP (probe response) – Beacon

– Autenticação (authentication)

– Pedido de associação (association request) – Resposta de associação (association response)

• Controlo

– Pedido para enviar (request to send - RTS) – Pronto para enviar (clear to send - CTS) – Confirmação (acknowledgment)

• Dados

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Autenticação e associação

• Autenticação

– O cliente envia uma trama request para o AP e a trama será aceite ou rejeitada pelo AP

– O cliente é notificado da resposta através de uma trama authentication response

– O AP poderá também passar o processo de autenticação para um servidor de autenticação que executará um processo de autenticação mais intensivo

• Associação

– Executada após a autenticação

– É o estado que permite a um cliente utilizar os serviços do AP para transferir dados

Métodos de autenticação

• Sistema aberto (open system)

– Apenas é necessário que o SSID seja igual

– A capacidade de sniffers de rede descobrirem o SSID da WLAN é elevada

• Chave partilhada (shared key)

– Utiliza o sistema de encriptação Wired Equivalent Privacy (WEP)

• Algoritmo simples, com chaves de 64 ou 128 bits

– Os clientes devem ter uma chave igual à do AP para aceder à rede através dele

– A chave é atribuída estaticamente

– Permite um maior nível de segurança que o sistema aberto

• Mas não é à prova de ataques…

• Extensible Authentication Protocol (EAP)

– O AP não autentica o cliente, passando a responsabilidade para um dispositivo mais sofisticado

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Processo de autenticação

Comunicação nas WLANs

• Carrier Sense Multiple Access/Collision

Avoidance (CSMA/CA)

– É usado um esquema de escuta do meio – A estação que pretende transmitir envia um sinal

(jam signal)

– Depois de aguardar um tempo suficiente para todas as estações receberem o jam signal a estação pode começar a transmitir a trama

– Enquanto transmite, se a estação detecta um jam signal de outra estação, pára a transmissão por um período de tempo aleatório e tenta novamente – Quando um dispositivo envia uma trama o receptor

responde com uma confirmação (ACK) • Desperdício de 50% da largura de banda

disponível

• Adaptive Rate Selection (ARS)

– Quando o sinal fica mais fraco, o débito vai diminuindo progressivamente