CST em Redes de Computadores

(1)

CST em Redes de

Computadores

Comunicação de Dados II

Aula 12 - Ethernet

(2)

Ethernet – Introdução



_{Ethernet - Tecnologia LAN predominante}

• A IETF mantém os protocolos e serviços para as camadas superiores

do TCP/IP

• Protocolos e serviços da Camada de Enlace do OSI são descritos por

várias organizações de engenharia e empresa privadas (protocolos

proprietários)

• Os padrões Ethernet

definem os protocolos

da Camada 2 e das

tecnologias da Camada 1

• O formato básico de

estrutura e esquema de

endereço é o mesmo

para todas as variedades

do Ethernet

(3)

Ethernet - Introdução



_{Origem do Ethernet}

• A primeira LAN do mundo foi a versão original da Ethernet.

• Robert Metcalfe e seus colegas da Xerox a projetaram há mais de 30

anos.

• Primeiro padrão foi publicado em 1980 por um consórcio da Digital

Equipament Corporation, Intel e Xerox

“This diagram was hand drawn by Robert M. Metcalfe and photographed by Dave R. Boggs in 1976 to produce a 35mm slide used to present Ethernet to the

National Computer Conference in June of that year. On the drawing are the original terms for describing Ethernet.”

(4)

Ethernet – Visão Geral



_{Padrões IEEE}

• 1985, o comitê de padrões do Institute of Electrical and Electronics

Engineers para Redes Locais e Metropolitanas publicou padrões para

LANs

• Numeração 802

_{Ethernet é o 802.3 (Física e Sub-camada MAC)}

• O Ethernet opera nas duas camadas do modelo OSI: Enlace de dados

e Física

(5)

Ethernet – Visão Geral

• Camada 1

_{Envolve sinais, fluxos de bits e componentes físicos}

_{Desempenha papel essencial na comunicação entre dispositivos}

• Camada 2

Compatibilidade tecnológica _{Sub-camada MAC} se relaciona com os componentes físicos utilizados para realizar a comunicação e prepara os dados para transmissão _{Sub-camada LLC é} independente dos equipamentos físicos

(6)

Ethernet – Visão Geral



_{Logical Link Control (LLC)}

• Funções descritas pelo padrão IEEE 802.2

• Lida com a comunicação entre as camadas superiores e o software de

rede, e as camadas inferiores, tipicamente o hardware

• Adiciona informações de controle para ajudar a entregar o pacote

• O LLC é implementado em software

• Implementação é independente dos equipamentos físicos

• Em um computador, o LLC pode ser considerado como sendo o driver

da Placa de Interface de Rede (Network Interface Card - NIC).

(7)



MAC – Entregando os Dados ao Meio Físico

• Sub-camada inferior da camada de enlace

• Tipicamente implementado em hardware

(8)



_{Encapsulamento de Dados}

• Montagem do quadro antes da transmissão

_{Adiciona o cabeçalho} _{Adiciona o trailer}

• Análise de quadros em seu recebimento

• Oferece delimitadores no enquadramento para identificar o grupo de

bits que compõe um quadro

_{Este processo oferece sincronização}

• Endereçamento da camada de enlace (endereço MAC)

• Detecção de erros (CRC – Cyclic Redundancy Check)

(9)



_{Controle de Acesso ao Meio Físico}

• Controla a colocação e remoção de quadros do meio

• Gerencia o controle de acesso ao meio (início de transmissão e

recuperação de falhas)



_{Topologia Lógica}

• Barramento multi-acesso

• Nós compartilham o meio

• Todos os nós recebem todos os quadros que trafegam no meio

• O método de controle de acesso ao meio para a Ethernet clássica é o

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)

(10)



_{Implementações Físicas}

• A Ethernet tem evoluído para atender à crescente demanda por LANs

de alta velocidade

• Se adaptou ao meio de fibra óptica

• O mesmo protocolo que transportava 3Mbps pode levar 10Gbps

• O sucesso da Ethernet se deve aos seguintes fatores:



Simplicidade e facilidade de manutenção



_{Capacidade de incorporar novas tecnologias}



Confiabilidade



_{Baixo custo de instalação e atualização}

(11)



Implementações Físicas

• Com o Gigabit Ethernet a tecnologia LAN original foi levada para

distâncias que fazem da Ethernet uma Metropolitan Area Network

(MAN) e um padrão de longa distância

(12)

Ethernet – Comunicação via LAN



_{História da Ethernet}

• A base para a tecnologia foi estabelecida em 1970 com o programa

chamado Alohanet

• Alohanet – rede de rádio digital projetada para transmitir informações

por uma frequência de rádio compartilhada entre as ilhas do Havaí

• Exigia que seguisse

um protocolo no qual

uma transmissão não

reconhecida precisasse

de retransmissão após

um curto período de

espera

(13)



Primeiros Meios Ethernet

• Cabo Coaxial ligados em forma de barramento

Thicknet (10BASE5) - cabo coaxial grosso que permitia distâncias de cabeamento de até 500

Thinnet (10BASE2) - usava um cabo coaxial fino que permitia distâncias de cabeamento de 185 metros.

(14)



_{Primeiros Meios Ethernet}

• Migração para novos meios físicos ocorreu com poucas alterações

• Estrutura praticamente intocada do quadro de camada 2

• Meios físicos, o acesso ao meio e o controle do meio evoluíram e

contiuam evoluindo

• O cabeçalho e o trailer do quadro ethernet permancem

essencialmente constantes

• Primeira implentações em ambientes de baixa largura de banda

• Os cabos UTP eram mais fáceis de trabalhar, leves e mais baratos. E

substituíram os coaxiais

• A topologia física foi alterada para uma topologia em estrela usando

hubs

(15)



Gerenciamento de Colisões na Rede Ethernet

• Ethernet Legada

 Redes 10BASE-T – hub como ponto central e meio compartilhado

 ↑ dispositivos = ↑ tráfego = ↑ colisões

 Conexões Half-Duplex

• Ethernet Atual

 Introdução de switches

 Switches passam a controlar o fluxo de dados ao isolar cada porta e enviar o quadro apenas ao seu destino adequado

 Diminui/minimiza colisões

 Conexões Full-Duplex

(16)



Mudança para 1 Gbps

• Novas aplicações exigem maior desempenho das redes

• Gigabit Ethernet descreve as implementações ethernet de 1000Mbps

• Capacidade de transmissão full-duplex e uso de tecnologia UTP e

Fibra óptica

existente

• Suporte para maiores

distância (MAN)

• Aumento de desempenho

considerável

• Atualização da

infra-estrutura de rede

nem sempre necessita de

substituição de

equipamentos

(17)

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede



_{O Quadro – Encapsulamento do Pacote}

(18)



_{O Quadro – Encapsulamento do Pacote}

• Tamanho do Quadro Ethernet

_{Mínimo: 64 bytes} _{Máximo: 1518 bytes}

• Os campos Preâmbulo e Delimitador de Início de Quadro não são

incluídos quando se descreve o tamanho de um quadro

• O padrão IEEE 802.3ac, emitido em 1998, ampliou o tamanho máximo

permitido do quadro para 1522 bytes para acomodar a tecnologia de

Rede Local Virtual (VLAN)

• Se o tamanho de um quadro transmitido for inferior ao mínimo ou

superior ao máximo, o dispositivo receptor descarta o quadro

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(19)



O Quadro – Encapsulamento do Pacote

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(20)



O Quadro – Encapsulamento do Pacote

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(21)



Endereço MAC da Ethernet

• Identificador exclusivo chamado endereço de Controle de Acesso ao

Meio (MAC)

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(22)



Endereço MAC da Ethernet

• Burned-in address porque é gravado na ROM na NIC

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(23)



Numeração Hexadecimal e Endereçamento

• Sistema de numeração de base 16

• Utiliza números de 0 a 9 e letras de A a F

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(24)

Qual o fabricante da sua placa?

Veja em http://standards.ieee.org/regauth/oui/index.shtml Ou http://www.coffer.com/mac_find/

(25)



Outra camada de Endereçamento

• Camada de Enlace de Dados

Endereço MAC Ethernet é utilizado para transportar o quadro pelo meio local Não é hierárquico

• Camada de Rede

Endereço lógico Hierárquico Entendido da origem ao destino

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(26)



Ethernet Unicast, Multicast e Broadcast

• Unicast: é o endereço exclusivo utilizado quando um quadro é enviado

de um único dispositivo transmissor para um único dispositivo de

destino

• Multicast: O endereço MAC de multicast é um valor especial que

começa com 01-00-5E em hexadecimal

• Broadcast: o pacote contém um endereço IP de destino que só possui

1s na parte de host. Em redes Ethernet, o endereço MAC de

broadcast possui 48 números 1 exibidos como Hexadecimal

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no

Desempenho e Operação da Rede

(27)

Controle de Acesso ao Meio Ethernet



_{CSMA/CD – O Processo}

• Verificação da Portadora

_{Todos os dispositivos devem ouvir antes de transmitir}

_{Se detectar um sinal no meio, esperará um tempo antes de tentar}

novamente

Se não há sinal, a mensagem será transmitida

_{Durante a transmissão o dispositivo continua detectando tráfego ou}

colisões

_{Depois de enviar a mensagem, o dispositivo retorna a ouvir o meio}

• Multi-acesso

_{Dois dispositivos podem transmitir ao mesmo tempo}

_{As mensagens se propogarão pelo meio até se encontrarem}

_{Ao se encontrar, os sinais se misturam e a mensagem é corrompida} _{O sinal misturado continua se propagando pelo meio}

(28)

Controle de Acesso ao Meio Ethernet



_{CSMA/CD – O Processo}

• Verificação da Portadora

_{Todos os dispositivos devem ouvir antes de transmitir}

_{Se detectar um sinal no meio, esperará um tempo antes de tentar}

novamente

Se não há sinal, a mensagem será transmitida

_{Durante a transmissão o dispositivo continua detectando tráfego ou}

colisões

_{Depois de enviar a mensagem, o dispositivo retorna a ouvir o meio}

• Multi-acesso

_{Dois dispositivos podem transmitir ao mesmo tempo}

_{As mensagens se propogarão pelo meio até se encontrarem}

_{Ao se encontrar, os sinais se misturam e a mensagem é corrompida} _{O sinal misturado continua se propagando pelo meio}

(29)



_{CSMA/CD – O Processo}

• Detecção de Colisões



Um dispositivo ouvindo o meio, ele pode detectar uma colisão

(aumento da amplitude do sinal acima do nível normal)



Quando detectada a colisão, o dispositivo transmissor continuará

transmitindo para garantir que todos detectem a colisão

• Jam Signal

_{Ao detectar um colisão, os dispositivos transmitidos enviam um Jam}

Signal

_{Utilizado para notificar os demais sobre uma colisão e que o algoritmo de}

backoff seja invocado

(30)



Ambiente de meio físico compartilhado Ethernet

• Todos os dispositivos têm acesso garantido ao meio

• Nenhum dispositivo possui prioridade de transmissão



Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

• Detectar e tratar colisões

• Gerenciar a retomada da comunicação

• Esquema de

distribuição

coordenada

para detectar

a atividade

elétrica no

cabo

(31)



CSMA/CD – O Processo

• “Backoff Aleatório”

Algoritmo que faz com todos os dispositivos parem de transmitir por um intervalo de tempo aleatório

Nesse período os sinais de colisão são dissipados

Após o intervalo, os dispositivos retornam ao modo de “espera de transmissão”

Garante que dispositivos não tentem transmitir ao mesmo tempo

(32)



_{CSMA/CD – O Processo}

(33)



Hubs e domínios de colisão

• Independente de se utilizar o CSMA/CD, algumas condições podem

resultar no aumento de colisões

Um número maior de dispositivos são conectados à rede

Os dispositivos acessam o meio físico de rede com mais frequência

As distâncias entre os dispositivos aumentam a cada dia

(34)



_{Sincronização Ethernet}

• A velocidade aumenta a complexidade no gerenciamento de colisões

• Latência

 _{Tempo que o sinal elétrico leva para se propagar ao longo do cabo}  _{Cada hub ou repetidor no caminho do sinal acrescenta latência}

 _{O Atraso acumulado aumenta a probabilidade de ocorrência de colisões}

(35)



_{Sincronização Ethernet}

• Temporização e sincronização

 _{No modo half-duplex, caso não ocorra uma colisão, o dispositivo de}

transmissão enviará 64 bits de dados de sincronização (preâmbulo)

 O dispositivo enviará então, o quadro completo

 _{Dispositivos Ethernet ≤ 10Mbps são assíncronos}

 _{Cada dispositivo receptor usará os 8 bytes dos dados de temporização}

para sincronizar o circuito de recepção aos dados de entrada e descartará os 8 bytes.

 _{Dispositivos Ethernet 100Mbps ou mais são síncronos(não necessitam}

de temporização)

 _{Para fins de compatibilidade o Preâmbulo e o Delimitador de início de}

quadro devem estar presentes

(36)



_{Sincronização Ethernet}

• Tempo de bit

 _{intervalo de tempo é exigido para inserção e detecção do bit no meio}  _{Aproximadamente 20,3 centímetros por nanosegundo são normalmente}

usados para calcular o intervalo de propagação em um cabo UTP. O resultado é que, para 100 metros de cabo UTP, leva-se menos de 5 tempos de bit para um sinal 10BASE-T ser transportado por toda a extensão do cabo

 no CSMA/CD Ethernet o dispositivo de transmissão deve prever uma colisão antes de completar a transmissão de um quadro de tamanho mínimo

 Em 100 Mbps, a sincronização do dispositivo pode acomodar cabos com algo em torno de 100 metros

(37)



_{Sincronização Ethernet}

• Tempo de bit

 _{A 1000 Mbps, são necessários ajustes especiais, pois um quadro de}

tamanho mínimo não seria inteiramente transmitido antes do primeiro bit atingir a terminação dos primeiros 100 metros do cabo UTP. Por esse motivo, o modo half-duplex não é permitido para Ethernet 10-Gigabit

• Intervalo de Slot

 _{Tempo de propagação do pulso eletrônico no meio entre 2 nós}

 O intervalo de slot de 512 bits estabelece o tamanho mínimo de um

quadro Ethernet de 64 bytes. Qualquer quadro com comprimento menor que 64 bytes é considerado um fragmento de colisão ou runt frame e é automaticamente descartado pelas estações de recepção.

(38)



_{Sincronização Ethernet}

(39)



_{Espaçamento entre quadros e Backoff}

• Espaçamento entre quadros

 _{O padrão Ethernet requer um espaçamento mínimo entre dois quadros}

que não colidiram

 este intervalo é medido desde o último bit do campo FCS de um quadro até o primeiro bit do preâmbulo do quadro seguinte

(40)



_{Espaçamento entre quadros e Backoff}

• Jam Signal

 _{Ao detectar uma colisão, os dispositivos de transmissão transmitem um}

"jam signal" de 32 bits que repetirá a colisão

 Isso assegura que todos os dispositivos da LAN detectem a colisão.

 _{É importante que o}

jam signal não seja detectado como um quadro válido, caso contrário, a colisão não será identificada

(41)



_{Espaçamento entre quadros e Backoff}

• Intervalos de backoff

 _{Após a ocorrência de uma colisão, dispositivos que colidiram aguaradam}

um tempo adicional para tentar a transmissão

 _{Este tempo adicional é aleatório}

 _{Após 16 tentativas de transmissão do quadro, a camada MAC desiste e}

gera um erro à camada de Rede

(42)

Camada Física da Ethernet

(43)



_{Ethernet 10 Mbps}

• As principais implementações Ethernet de 10 Mbps incluem:

 10BASE5 usando cabo coaxial Thicknet

 _{10BASE2 usando cabo coaxial Thinnet}

 _{10BASE-T usando cabo de par trançado não blindado Cat3/Cat5}

• Codificação Manchester em dois pares

• Topologia física em estrela

• Até 100 metros de extensão

(44)



_{Ethernet 100 Mbps ou Fast Ethernet}

• As principais implementações Ethernet de 100 Mbps incluem:

 100BASE-TX usando UTP Cat5 ou mais recente

 _{100BASE-FX usando cabo de fibra óptica}

• Dois passos de codificação separados são usados pela Ethernet

100-Mbps para aprimorar a integridade do sinal

• Topologia física em estrela (100BASE-TX)

• Conexões ponto-a-ponto (100BASE-FX)

(45)



_{Ethernet 1000 Mbps ou Gigabit Ethernet}

• Ethernet 1000BASE-T

_{A Ethernet 1000BASE-T fornece transmissão full-duplex}

_{Usa todos os quatro pares do cabo Categoria 5 UTP ou mais recente}

• Ethernet 1000BASE-SX e 1000BASE-LX usando Fibra Óptica

_{Oferece imunidade a ruído, volume físico pequeno, maiores distâncias sem a}

necessidade de repetição, e largura de banda _{Transmissão binária} full-duplex a 1250 Mbps sobre dois cabos de fibra óptica. Overhead leva a taxa de dados para 1000Mbps

(46)



_{Ethernet – Futuras Opções}

• O padrão IEEE 802.3ae foi adaptado para incluir transmissão de 10

Gbps, full-duplex sobre cabo de fibra óptica

• Está evoluindo para utilização não somente em LANs, mas também

em WANs e MANs

• O 10Gbps pode ser comparado a outras variedades Ethernet nas

seguintes formas:

_{O formato do quadro é o mesmo, permitindo interoperabilidade entre}

todas as variedades

_{O tempo de bit é agora de 0,1 ns. Todas as outras variáveis de tempo se}

adaptam de acordo

_{Pelo fato de que somente conexões de fibra full-duplex são usadas, não}

existe contenção de meio físico e o CSMA/CD não é necessário

_{As sub-camadas IEEE 802.3 dentro das Camadas 1 e 2 do modelo OSI}

tiveram poucas adições para acomodar 40 km de links e interoperabilidade com outras tecnologias de fibra

(47)



Legado Ethernet – Usando Hubs

• A Ethernet clássica usa Hubs

• Não realiza qualquer tipo de filtragem

• Alto número de colisões

• Problemas no uso de Hubs

Escalabilidade

Latência

Falha de Rede

Colisões

Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs

em uma LAN

(48)



Ethernet – Usando Switches

“Os switches permitem a segmentação da LAN em domínios de colisão

separados.”

Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs

em uma LAN

(49)



Ethernet – Usando Switches

• Nós são conectados diretamente

Largura de banda dedicada a cada porta

Ambiente livre de colisão

Operação em Full-Duplex

Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs

em uma LAN

(50)



Switches – Encaminhamento Seletivo

• Pode ser considerado como o estabelecimento de uma conexão

ponto-a-ponto momentânea entre o receptor e emissor

• Envio Baseado no MAC de Destino

O Switch mantém uma tabela MAC que relaciona o endereço de destino com a porta do switch

Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs

em uma LAN

(51)



_{Switches – Encaminhamento Seletivo}

Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs

em uma LAN

(52)



Switches – Encaminhamento Seletivo

• O swtich LAN usa 5 operações básicas

Aprendizado

Envelhecimento

Inundação

Encaminhamento

Filtragem

Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs

em uma LAN

(53)

Protocolo de Resolução de Endereços (ARP)



_{O Processo ARP – Mapeando Endereços}

• O protocolo ARP oferece 2 funções básicas

_{Resolver Endereços IPv4 para Endereços MAC} _{Manter uma cache de mapeamentos}

(54)



O Processo ARP – Destino fora da Rede Local

(55)



O Processo ARP – Destino fora da Rede Local

• Proxy ARP

Um host poderá enviar uma solicitação ARP buscando mapear um endereço IPv4 fora da faixa da rede local

Para fornecer um endereço MAC para esses hosts, uma interface do

roteador poderá usar um proxy ARP para responder em nome desses hosts remotos

O Proxy ARP pode ajudar os dispositivos em uma rede alcançarem sub-redes

remotas sem a necessidade de configurar o roteamento ou um gateway padrão

“Por padrão, os roteadores Cisco têm o proxy ARP

habilitado em interfaces LAN”.

(56)



_{O Processo ARP – Destino fora da Rede Local}

• Desvantagens do Proxy ARP

_{Aumenta o tráfego ARP no segmento}

_{Hosts necessitam de tabelas ARP maiores para lidar como mapeamento}

de endereços

_{Problemas de segurança. Um dispositivo malicioso pode alegar ser o}

proxy ARP

_{Não funciona em redes não baseadas em ARP para resolução de}

endereços

(57)



ARP – Removendo Mapeamento de Endereços

(58)



Broadcasts ARP - Problemas

(59)

(60)