Comunicação de Dados

UNISUL – 2013 / 1

Comunicação de Dados

Prof. Paulo Villa

Aula 11

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 O protocolo da subcamada MAC Ethernet

 O algoritmo de recuo binário exponencial

 Ethernet Comutada

 Fast Ethernet

 Gigabit Ethernet

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Metcalfe obteve seu título de bacharel no M.I.T. e em seguida consegui u o título de Ph.D. em

Harvard

• Durante seus estudos, ele conheceu o trabalho de

Abramson e ficou tão interessado que, depois de

se graduar em Harvard, decidiu passar o verão no

Havaí trabalhando com Abramson, antes de iniciar

seu trabalho no PARC (Palo Alto Research Center)

da Xerox

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mais tarde seria chamado computador pessoal

 No entanto, as máquinas estavam isoladas

• Usando seu conhecimento do trabalho realizado por Abramson, ele e seu colega David Boggs,

projetaram e implementaram a primeira rede local

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 Alguns desses padrões sobreviveram, mas muitos não

• Entre os sobreviventes estão os padrões 802.3 (Ethernet) e 802.11 (LAN sem fio)

 Temos ainda o 802.15.1 (Bluetooth), 802.16 (MAN sem fio - WiMAX)

• O 802.3 e o 802.11 têm camadas físicas diferentes e subcamadas MAC diferentes, mas convergem

para a mesma subcamada de controle de enlace lógico (definida no padrão 802.2)

 Portanto têm a mesma interface para a camada de rede

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 O protocolo da subcamada MAC Ethernet

 O algoritmo de recuo binário exponencial

 Ethernet Comutada

 Fast Ethernet

 Gigabit Ethernet

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 Quatro tipos de cabeamento são (eram?) usados

comumente

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popularmente chamado Ethernet grosso, surgiu primeiro

 Ele se parece com uma mangueira de jardim amarela, com marcações a cada 2,5 m, para mostrar onde devem ser encaixados os conectores de pressão (ou derivações)

• O padrão 802.3 não exige que o cabo seja amarelo, mas assim o sugere

 Em geral, as conexões são realizadas com conectores de pressão (vampire taps), nos quais um pino é muito

cuidadosamente inserido até a metade na parte central

do cabo coaxial

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utiliza a sinalização de banda básica e pode aceitar segmentos de até 500 metros

 O primeiro número é a velocidade em Mbps

 Em seguida, temos a palavra "Base" (ou, algumas vezes,

"BASE") para indicar a transmissão de banda básica

• No início, existia uma variante de banda larga, a 10Broad36, mas ela nunca teve sucesso no mercado e, portanto,

desapareceu

 Por fim, se o meio for coaxial, seu comprimento será arredondado para unidades de 100 metros depois de

"Base"

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ou Ethernet fino

• Em contraste aos cabos do tipo mangueira de jardim, usados pelo Ethernet grosso, é bem mais flexível

 As conexões para esse cabo são feitas com o uso de conectores BNC padrão para formar junções em T, em vez de usar derivações

• Os conectores BNC são mais fáceis de usar e mais confiáveis

 O Ethernet fino é mais econômico e fácil de instalar,

mas só pode ter 185 metros por segmento, cada um dos

quais pode manipular apenas 30 máquinas

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conectores defeituosos ou conectores frouxos pode representar um grande problema nos dois meios

 Os problemas associados à localização de cabos

partidos levaram os sistemas a utilizarem outro tipo de padrão de fiação, no qual todas as estações têm um

cabo conectado a um hub central

 Nesse hub, todas as estações estão conectadas

eletricamente (como se estivessem soldadas juntas)

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denominado 10Base-T

 Os hubs não armazenam no buffer o tráfego recebido

• Descreveremos mais adiante uma versão aperfeiçoada dessa ideia (os switches) que guardam no buffer o tráfego recebido

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(a) 10Base5 (b) 10Base2 (c) 10Base-T

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10Base-F, que utiliza fibra óptica

 Essa alternativa é cara em função do custo dos conectores e terminadores, mas tem excelente

imunidade a ruídos e representa o método preferido para edifícios ou hubs centrais muito distantes entre si

 São permitidas distâncias de até 1 quilômetro

 Ele também oferece boa segurança, pois é muito mais

difícil montar derivações ("grampos") na fibra do que na

fiação de cobre

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(a) Linear (b) Em espinha (c) Arvore (d) Segmentada

 O repetidor é um dispositivo da camada física

 Ele recebe, amplifica (regenera) e retransmite sinais em

ambos os sentidos

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• Todos os sistemas Ethernet utilizam a codificação Manchester devido à sua simplicidade

• O sinal alto tem +0,85 volts e o sinal baixo tem -0,85 volts, resultando em um valor de tensão CC igual a 0 volts

• A Ethernet não utiliza a codificação Manchester diferencial, mas outras LANs (por exemplo, o token ring 802.5) o utilizam

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• A estrutura original de quadros DIX (DEC, Intel, Xerox) inicia com um quadro contendo um Preâmbulo de 8 bytes, cada um contendo o padrão de bits 10101010

• A codificação Manchester desse padrão produz uma onda quadrada de 10 MHz por 6,4µs, a fim de permitir a

sincronização entre o clock do receptor e o clock do transmissor

• Eles devem permanecer sincronizados durante todo o restante do quadro, usando a codificação Manchester para controlar os limites de bits

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• Formatos de quadros

(a) DIX Ethernet (b) IEEE 802.3

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• O quadro contém dois endereços, um para o destino e um para a origem

• O padrão permite endereços de 2 e de 6 bytes, mas os

parâmetros definidos para o padrão de banda básica de 10 Mbps usam somente os endereços de 6 bytes

• O bit de alta ordem do endereço de destino é 0 para endereços comuns e 1 para endereços de grupos

• Os endereços de grupos permitem que diversas estações escutem um único endereço

• Quando um quadro é enviado para um endereço de grupo, todas as estações do grupo o recebem

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• A transmissão para um grupo de estações é chamada de multidifusão (multicast)

• O endereço que consiste em todos os bits 1 é reservado para difusão (broadcast)

 Um quadro contendo todos os bits 1 no campo de destino é aceito por todas as estações da rede

• Um quadro de multidifusão é transmitido para um grupo selecionado de estações na Ethernet

• Um quadro de difusão é transmitido a todas as estações da Ethernet

• A multidifusão é mais seletiva, mas envolve o gerenciamento de grupos, a difusão é menos seletiva, mas não requer

qualquer gerenciamento de grupos

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• Outra característica interessante do endereçamento é o uso do bit 46 (adjacente ao bit de mais alta ordem) para distinguir

endereços locais de endereços globais

• Os endereços locais são atribuídos pelo administrador da rede e não têm significado fora da rede local

• Os endereços globais, ao contrário, são atribuídos pelo IEEE para assegurar que duas estações de qualquer lugar do mundo nunca tenham o mesmo endereço global

• Com os 48 - 2 = 46 bits disponíveis, existem cerca de 7x10¹³ endereços globais

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• Detalhe do endereço MAC

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• Em seguida, vem o campo Tipo, que informa ao receptor o que fazer com o quadro

• Vários protocolos da camada de rede podem estar em uso ao mesmo tempo na mesma máquina

• Assim, ao chegar um quadro Ethernet, o núcleo tem de saber a qual deles deve entregar o quadro

• O campo Tipo especifica que processo deve receber o quadro

• Também chamado de EtherType

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• Depois, vêm os dados, com até 1500 bytes

• Esse limite foi escolhido de forma um tanto arbitrária na época em que o padrão DIX foi esculpido em pedra, principalmente com base no fato de que um transceptor precisa ter RAM

suficiente para guardar um quadro inteiro e, em 1978, a RAM tinha um custo muito alto

• Um limite superior maior significaria mais RAM e, consequentemente, um transceptor mais caro

• Além de haver um comprimento máximo de quadro, também existe um comprimento mínimo de quadro

• Embora um campo de dados de 0 bytes às vezes seja útil, ele causa um problema

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• Quando detecta uma colisão, um transceptor trunca o quadro atual, o que significa que bits perdidos e fragmentos de

quadros aparecem a todo instante no cabo

• Para tornar mais fácil a distinção entre quadros válidos e lixo, o padrão Ethernet exige que os quadros válidos tenham pelo

menos 64 bytes de extensão, do endereço de destino até o campo de total de verificação, incluindo ambos

• Se a parte de dados de um quadro for menor que 46 bytes, o campo Preenchimento será usado para preencher o quadro até o tamanho mínimo

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• Outra (e mais importante) razão para a existência de um

quadro de comprimento mínimo é impedir que uma estação conclua a transmissão de um quadro curto antes do primeiro bit ter atingido a outra extremidade do cabo, onde ele poderá colidir com outro quadro

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• Se uma estação tentar transmitir um quadro muito curto, é concebível que ocorra uma colisão

• No entanto, mesmo assim, a transmissão será concluída antes que a rajada de ruído retorne no instante τ

• Então, o transmissor concluirá incorretamente que o quadro foi enviado com êxito

• Para evitar que essa situação ocorra, a transmissão de todos os quadros deve demorar mais de τ para ser concluída, de forma que a transmissão ainda esteja acontecendo quando a rajada de ruído voltar ao transmissor

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• Para uma LAN de 10 Mbps com um comprimento máximo de 2500 m e quatro repetidores (de acordo com a especificação 802.3), o tempo de ida e volta (incluindo o tempo de

propagação pelos quatro repetidores) foi calculado em quase 50µs no pior caso

 Portanto, o quadro mínimo deve demorar pelo menos esse tempo para ser transmitido

• A 10 Mbps, um bit demora 100 ns, e assim 500 bits é o menor tamanho de quadro que oferece a garantia de funcionar

• Para acrescentar uma certa margem de segurança, esse número foi arredondado para 512 bits ou 64 bytes

• Quadros com menos de 64 bytes são preenchidos até completar 64 bytes com o campo Preenchimento

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• À medida que a velocidade da rede cresce, o comprimento mínimo de quadro deve aumentar ou o comprimento máximo de cabo deve diminuir proporcionalmente

• Para uma LAN de 2500 m operando a 1 Gbps, o tamanho mínimo de quadro teria de ser de 6400 bytes

• Como alternativa, o tamanho mínimo de quadro poderia ser de 640 bytes, e a distância máxima entre duas estações quaisquer poderia ser de 250 m

• Essas restrições estão se tornando cada vez mais penosas, à medida que migramos em direção às redes de vários gigabits

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• O último campo Ethernet é o Total de verificação

• Ele é efetivamente um código de hash de 32 bits dos dados

• Se alguns bits de dados forem recebidos com erros (devido ao ruído no cabo), o total de verificação quase certamente estará errado, e o erro será detectado

• O algoritmo do total de verificação é um CRC (Cyclic Redundancy Check)

• Ele simplesmente realiza a detecção de erros, não a correção de erros antecipada

• G(x) = x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹²+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1

• Ou, 0x82608EDB

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• Quando ocorre uma colisão é feita uma randomização para tentar acessar o meio novamente

• Depois de uma colisão, o tempo é dividido em slots discretos, cujo comprimento é igual ao pior tempo de propagação de viagem de ida e volta no éter (τ)

• Para acomodar o caminho mais longo permitido pelo padrão Ethernet, o tempo de duração do slot foi definido como 512 períodos de duração de um bit, ou 51,2µs

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• Em geral, depois de i colisões, é escolhido um número aleatório entre 0 e 2 i - 1

• Entretanto, após terem sido alcançadas dez colisões, o intervalo de randomização será congelado em um máximo de 1023 slots

• Depois de 16 colisões, o controlador desiste e informa o erro ao computador

 Qualquer recuperação adicional caberá às camadas superiores

• Esse algoritmo, chamado recuo binário exponencial, foi escolhido para se adaptar dinamicamente ao número de estações que estão tentando transmitir

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• Se o intervalo de escolha do número aleatório para todas as colisões fosse 1023, a chance de duas estações colidirem uma segunda vez seria desprezível, mas o tempo de espera médio depois de uma colisão seria de centenas de períodos de slot, introduzindo um retardo significativo

• Por outro lado, se cada estação sempre esperasse durante 0 ou 1 slot, e se 100 estações tentassem transmitir ao mesmo

tempo, elas colidiriam repetidas vezes até que 99 delas

escolhessem 1 e a estação restante escolhesse 0. Isso poderia levar anos

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• Aumentando-se exponencialmente o intervalo de

randomização à medida que ocorre um número cada vez maior de colisões consecutivas, o algoritmo assegura um baixo

retardo quando apenas algumas estações colidem, mas

também garante que a colisão será resolvida em um intervalo de tempo razoável quando muitas estações colidirem

• A restrição do recuo a 1023 impede que o limite cresça demais

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• À medida que mais e mais estações são acrescentadas a uma rede Ethernet, o tráfego aumenta

 Eventualmente, a LAN ficará saturada

• Uma saída é aumentar a velocidade, digamos, de 10 Mbps para 100 Mbps

 Porém, com o crescimento da multimídia, até mesmo uma rede Ethernet de 100 Mbps ou 1 Gbps pode se tornar saturada

• Felizmente, existe uma outra solução menos drástica para lidar com o aumento da carga: a Ethernet comutada

• O núcleo desse sistema é um switch, que contém um backplane de alta velocidade e espaço para 4 a 32 placas de linha plug-in, cada um a contendo de 1 a 8 conectores

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• Quando deseja transmitir um quadro Ethernet, a estação envia um quadro padrão para o switch

• A placa plug-in que obtém o quadro verifica se ele se destina a uma das outras estações conectadas à mesma placa

• Se esse for o caso, o quadro será copiado

• Do contrário, o quadro será enviado pelo backplane de alta velocidade para a placa da estação de destino

• O que acontecerá se duas máquinas conectadas à mesma placa plug-in transmitirem quadros ao mesmo tempo?

 Depende da forma como a placa foi elaborada

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• Uma possibilidade é que todas as portas da placa estejam fisicamente conectadas por fios, de modo a formar um a LAN local na placa

• As colisões dessa LAN na placa serão detectadas e tratadas da mesma forma que qualquer outra colisão em uma rede

CSMA/CD

• Com esse tipo de placa plug-in, só é possível uma transmissão por placa em um determinado momento, mas todas as placas podem transmitir em paralelo

• Cada placa forma seu próprio domínio de colisão,

independente das outras, com apenas uma estação por domínio de colisão, as colisões são impossíveis, e o

desempenho é otimizado

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• Com o outro tipo de placa plug-in, cada porta de entrada é mantida em um buffer

• Sendo assim, os quadros recebidos são armazenados na RAM on-board da placa, à medida que chegam

• Esse projeto permite que todas as portas de entrada recebam (e transmitam) quadros ao mesmo tempo, em operação

paralela, full-duplex

• Quando um quadro é completamente recebido, a placa pode verificar se o quadro é destinado a outra porta da mesm a placa, ou a uma porta distante

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• A princípio, 10 Mbps parecia ser o paraíso, da mesma forma que os modems de 1200 bps pareciam ser o paraíso para os primeiros usuários de modems acústicos de 300 bps

 Porém, a novidade se dissipou com rapidez

• Como uma espécie de corolário da Lei de Parkinson

 "O trabalho se expande até preencher o tempo disponível para sua conclusão"

 “Work expands so as to fill the time available for its completion”

• Parecia que os dados se expandiam para preencher toda a largura de banda disponível para sua transmissão

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• Para aumentar a velocidade, vários grupos industriais propuseram duas novas LANs ópticas baseadas em anel

• Uma foi chamada FDDI (Fiber Distributed Data Interface —

interface de dados distribuída por fibra) e a outra foi chamada Fibre Channel

• Para encurtar a história, embora ambas fossem usadas como redes de backbone, nenhuma delas teve amplo sucesso

• Em ambos os casos, o gerenciamento da estação era muito complicado, o que levou a chips complexos e preços elevados

• A lição a ser tirada de tudo isso é que devemos manter a máxima simplicidade possível

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• De qualquer modo, o fato das LANs ópticas não terem se

tornado populares deixou um imenso espaço para uma grande variedade de redes Ethernet com velocidades acima de 10

Mbps

• Muitas instalações precisavam de maior largura de banda e tinham diversas LANs de 10 Mbps conectadas por um labirinto de repetidores, pontes, roteadores e gateways

 Embora às vezes parecesse para os administradores de redes que elas estavam conectadas por goma de mascar e tela de arame

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• Foi nesse ambiente que o IEEE reuniu o comitê do 802.3 em 1992, com instruções para produzir uma LAN mais rápida

 Uma das propostas era manter o 802.3 exatamente como estava, e apenas torná-lo mais rápido

 Outra proposta era refazê-lo completamente, para integrar um grande número de novos recursos, como tráfego em tempo real e voz

digitalizada, mas manter o antigo nome (por motivos de marketing)

• Após alguma discussão, o comitê decidiu manter o 802.3 como ele era, simplesmente tornando-o mais rápido

 As pessoas que apoiavam a proposta perdedora fizeram o que qualquer pessoa do setor de informática faria nessas circunstâncias

 Formaram seu próprio comitê e padronizaram sua LAN mesmo assim (eventualmente, como o padrão 802.12)

• Esse padrão fracassou por completo

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• As três principais razões pelas quais o comitê do 802.3 decidiu continuar com uma rede Ethernet aperfeiçoada foram:

1. A necessidade de manter a compatibilidade retroativa com as LANs Ethernet existentes

2. O medo de que um novo protocolo criasse problemas imprevistos 3. O desejo de terminar o trabalho antes que a tecnologia mudasse

• O trabalho foi feito rapidamente (pelas normas dos comitês de padronização) e o resultado, o 802.3u, foi oficialmente

aprovado pelo IEEE em junho de 1995

• Tecnicamente, o 802.3u não é um padrão novo, mas um adendo ao padrão 802.3 existente (para enfatizar sua compatibilidade retroativa)

• Este é chamado de Fast Ethernet

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• A ideia básica por trás do Fast Ethernet era simples: manter os antigos formatos de quadros, interfaces e regras de

procedimentos, e apenas reduzir o tempo de bit de 100 ns para 10 ns

• Tecnicamente, teria sido possível copiar o 10Base-5 ou o

10Base-2 e continuar a detectar colisões a tempo, pela simples redução do comprimento máximo do cabo a um décimo do

comprimento original

• Entretanto, as vantagens do cabeamento 10Base-T eram tão grandes que o Fast Ethernet se baseou inteiramente nesse projeto

 Cabos multiponto com conectores de pressão ou conectores BNC não são permitidos

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• Entretanto, algumas decisões ainda precisavam ser tomadas, sendo a mais importante delas os tipos de fios que seriam aceitos

• Um dos concorrentes era o par trançado da categoria 3

• O argumento a favor dele era que todo escritório do mundo ocidental tinha pelo menos quatro pares trançados da

categoria 3 (ou melhor) instalados entre ele e um armário de fiação telefônica a uma distância máxima de 100 metros

• Desse modo, o uso do par trançado da categoria 3 tornaria

possível conectar computadores de desktop com o emprego de Fast Ethernet, sem a necessidade de refazer a fiação do edifício, uma enorme vantagem para muitas empresas

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• A principal desvantagem do par trançado da categoria 3 é sua incapacidade para transportar sinais de 200 megabauds (100 Mbps com codificação Manchester) por 100 metros

 Distância máxima entre computador e hub especificada para 10Base-T

• Por outro lado, a fiação de par trançado da categoria 5 é capaz de tratar 100 metros com facilidade, e a fibra pode ir muito mais longe que isso

• Decidiu-se permitir as três possibilidades, mas incentivar a solução da categoria 3, para que fosse possível obter a

capacidade de transporte adicional necessária

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• Cabeamento Fast Ethernet original

• O esquema UTP (unshielded twisted pair — par trançado sem blindagem) da categoria 3, chamado 100Base-T4, emprega uma velocidade de sinalização de 25 MHz, somente 25% mais rápida do que os 20 MHz da Ethernet padrão

 A codificação Manchester requer dois períodos de clock para cada um dos 10 milhões de bits, a cada segundo

• Porém, para atingir a largura de banda necessária, o 100Base- T4 exige quatro pares trançados

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• Dos quatro pares trançados, um é sempre destinado ao hub, um sempre vem do hub, e os outros dois são comutáveis no sentido em que estiver sendo realizada a transmissão

 Para obter a largura de banda necessária, a codificação Manchester não é utilizada

• No entanto, com clocks modernos e distâncias curtas como essas, ela já não é mais necessária

• São enviados sinais ternários, durante um único período de clock, o fio pode conter um valor 0, um valor 1 ou um valor 2

• Com três pares trançados orientados no sentido direto e a sinalização ternária, pode-se transmitir qualquer um dos 27 símbolos possíveis, o que torna viável a transmissão de 4 bits com alguma redundância

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• A transmissão de 4 bits em cada um dos 25 milhões de ciclos de clock por segundo fornece os 100 Mbps necessários

• Além disso, há sempre um canal reverso de 33,3 Mbps que utiliza o par trançado restante

• Esse esquema, conhecido como 8B/6T (8 bits mapeados em 6 trits)

• Provavelmente não será premiado por elegância, mas funciona com o esquema de fiação existente

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• Para a fiação da categoria 5, o projeto 100Base-TX é mais

simples, porque os fios são capazes de manipular velocidades do clock de até 125 MHz

• São usados somente dois pares trançados por estação, um que vai para o hub e outro que sai do hub

 Em vez de usar apenas a codificação binária direta, é usado um esquema chamado 4B/5B

 Cada grupo de cinco períodos de clock, contendo um entre dois valores de sinais, produz 32 combinações

 Dezesseis dessas combinações são usadas para transmitir os grupos de 4 bits 0000, 0001, 0010,..., 1111

 Algumas das dezesseis combinações restantes são utilizadas para fins de controle, como a demarcação dos limites dos quadros

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• O 100Base-TX é um sistema full-duplex

• Com frequência, o 100Base-TX e o 100Base-T4 são referidos em conjunto como 100Base-T

• A última opção, o 100Base-FX, utiliza dois filamentos de fibra multimodo, um para cada sentido; por isso, ele também é full- duplex, com 100 Mbps em cada sentido

• Além disso, a distância entre uma estação e o hub pode ser de até 2 km

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• São possíveis dois tipos de dispositivos de interconexão com o 100Base-T: hubs e switches

• Em um hub, todas as linhas de entrada estão logicamente conectados, formando um único domínio de colisão

• Aplicam-se todas as regras padrão, inclusive o algoritmo de recuo binário exponencial, e assim o sistema funciona da mesma forma que o antigo padrão Ethernet

• Em particular, apenas uma estação pode transmitir de cada vez

• Em outras palavras, os hubs exigem comunicação halfduplex

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• Em um switch, cada quadro de entrada é armazenado no buffer e repassado ao destino

• Como os cabos 100Base-FX são longos demais para o algoritmo normal de colisões Ethernet, eles devem ser conectados a

switches, os hubs não são permitidos no padrão 100Base-FX

• Praticamente todos os switches podem manipular uma mistura de estações de 10 Mbps e 100 Mbps, para facilitar a atualização

• À medida que um site adquirir mais e mais estações de trabalho de 100 Mbps, ele só precisará comprar o número necessário de novas placas de linha e inseri-las no switch

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• Na verdade, o próprio padrão oferece um meio para duas

estações negociarem de modo automático a velocidade ótima (10 ou 100 Mbps) e o tipo de comunicação (half-duplex, ou full- duplex)

• A maioria dos produtos de Fast Ethernet utiliza esse recurso para realizar sua própria configuração automática

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• O comitê 802 começou a trabalhar em uma Ethernet ainda mais rápida em 1995

• Ele foi denominado Ethernet de gigabit e foi ratificado pelo IEEE em 1998, com o nome 802.3z

• Esse identificador sugere que a Ethernet de gigabit será o final da linha, a menos que alguém invente uma nova letra depois de z

• Os objetivos do comitê do 802.3z eram essencialmente os mesmos do comitê 802.3u: tornar a Ethernet 10 vezes mais rápida, mantendo a compatibilidade retroativa com todos os padrões Ethernet existentes

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• Em particular, a Ethernet de gigabit tinha de oferecer o serviço de datagrama não confirmado com unidifusão e multidifusão, empregar o mesmo esquema de endereçamento de 48 bits já em uso e manter o mesmo formato de quadro, inclusive os tamanhos mínimo e máximo de quadro

 O padrão final atendeu a todos esses objetivos

• Todas as configurações de Ethernet de gigabit são ponto a

ponto, e não multiponto como no padrão original de 10 Mbps, agora honrado como o título de Ethernet clássica

• Na configuração mais simples de Ethernet de gigabit dois computadores estão diretamente conectados um ao outro

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• Porém, o caso mais comum consiste em um switch ou um hub conectado a vários computadores e possivelmente a switches ou hubs adicionais

• Em ambas as configurações, cada cabo Ethernet individual tem exatamente dois dispositivos conectados a ele, nem mais nem menos

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• A Ethernet de gigabit admite dois modos de operação diferentes: o modo full- duplex e o modo halfduplex.

• O modo "normal" é o modo full-duplex, que permite tráfego em ambos os sentidos ao mesmo tempo

• Esse modo é usado quando existe um switch central conect ado a computadores (ou outros switches) na periferia

• Nessa configuração, todas as linhas são armazenadas no buffer, de forma que cada computador e cada switch é livre para

enviar quadros sempre que quiser

• O transmissor não tem de detectar o canal para saber se ele está sendo usado por mais alguém, porque a disputa é

impossível

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• Na linha entre um computador e um switch, o computador é o único transmissor possível para o switch naquela linha, e a

transmissão tem sucesso ainda que o switch esteja

transmitindo no momento um quadro para o computador (porque a linha é full-duplex)

• Tendo em vista que não é possível nenhuma disputa, o protocolo CSMA/CD não é usado, e assim o comprimento máximo do cabo é determinado pela intensidade do sinal, e não pelo tempo que uma rajada de ruído leva para se propagar de volta até o transmissor no pior caso

• Os switches são livres para se misturar e equipar suas velocidades

• A configuração automática é admitida, como na Fast Ethernet

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• O outro modo de operação, o half-duplex, é usado quando os computadores estão conectados a um hub, e não a um switch

• Um hub estabelece conexões elétricas internas para todas as linhas, simulando o cabo multiponto usado na Ethernet clássica

• Nesse modo, são possíveis colisões e, portanto, é necessário o protocolo CSMA/CD padrão

• Tendo em vista que um quadro mínimo (isto é, de 64 bytes) agora pode ser transmitido 100 vezes mais rápido que na Ethernet clássica, a distância máxima é 100 vezes menor (ou seja, 25 metros), a fim de manter a propriedade essencial de que o transmissor ainda irá transmitir quando a rajada de ruído voltar a ele, mesmo no pior caso

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• O comitê 802.3z considerou um raio de 25 m inaceitável e acrescentou duas características ao padrão para aumentar o raio

• A primeira característica informa ao hardware para adicionar seu próprio preenchimento ao quadro normal, a fim de

estender o quadro a 512 bytes

• Tendo em vista que esse preenchimento é adicionado pelo hardware transmissor e removido pelo hardware receptor, o software não tem conhecimento desse fato, o que significa que não é necessária nenhuma mudança no software existente

• O uso de 512 bytes de largura de banda para transmitir 46 bytes de dados do usuário (a carga útil de um quadro de 64 bytes) tem uma eficiência de linha igual a 9%

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• A segunda característica permite a um transmissor enviar uma sequência concatenada de vários quadros em uma única

transmissão

• Se a rajada total tiver menos de 512 bytes, o hardware a preencherá novamente

• Se houver quadros suficientes esperando pela transmissão, esse esquema será altamente eficiente

• Essas novas características estendem o raio da rede a 200

metros, o que deve ser suficiente para a maioria dos escritórios

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• O cabeamento da Ethernet de gigabit

• A Ethernet de gigabit utiliza novas regras de codificação nas fibras

• A codificação de Manchester a 1 Gbps exigiria um sinal de 2 Gbauds, considerada algo muito difícil e também um grande desperdício de largura de banda

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• Foi escolhido um novo esquema, chamado 8B/10B, baseado em um canal de fibra

• Cada byte de 8 bits é codificado na fibra como 10 bits, daí o nome 8B/10B

• Tendo em vista que existem 1024 palavras de código de saída possíveis para cada byte de entrada, houve uma certa

tolerância na escolha das palavras de código que seriam permitidas

• As duas regras a seguir foram usadas na escolha:

1. Nenhuma palavra de código pode ter mais de quatro bits idênticos em sequência

2. Nenhuma palavra de código pode ter mais de seis valores 0, ou seis valores 1

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• Essas escolhas foram feitas para manter transições suficientes no fluxo, a fim de assegurar que o receptor permanecerá

sincronizado com o transmissor e também para manter o número de valores 0 e 1 na fibra o mais próximo possível da igualdade

• Além disso, muitos bytes de entrada têm duas palavras de código possíveis atribuídas a eles

• Quando o codificador tem a opção de selecionar palavras de código, ele sempre escolhe a palavra de código que o leva na direção da igualdade entre o número de valores 0 e o de

valores 1 transmitidos até o momento

Prof. Paulo Villa

• Essa ênfase em equilibrar os valores 0 e 1 é necessária para manter o componente CC do sinal tão baixo quanto possível, a fim de permitir que ele passe por transformadores sem ser modificado

• Embora os cientistas da computação não gostem que as

propriedades dos transformadores determinem seus esquemas de codificação, às vezes a vida é assim

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• As redes Ethernet de gigabit que utilizam 1000Base-T empregam um esquema de codificação diferente

• Essa solução utiliza quatro pares trançados da categoria 5 para permitir a transmissão de quatro símbolos em paralelo

 Cada símbolo é codificado com o uso de um entre cinco níveis de voltagem

• Esse esquema permite que um único símbolo codifique 00, 01, 10, 11 ou um valor especial para fins de controle

• Desse modo, existem 2 bits de dados por par trançado ou 8 bits de dados por ciclo de clock

• O clock funciona a 125 MHz, permitindo operação a 1 Gbps

 A razão para permitir cinco níveis de voltagem em vez de quatro é ter combinações de sobra para fins de enquadramento e controle

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• Uma velocidade de 1 Gbps é bastante alta

• Por exemplo, se um receptor estiver ocupado com alguma outra tarefa, mesmo durante 1 ms, e não esvaziar o buffer de entrada em alguma linha, poderão se acumular até 1953

quadros nesse intervalo de 1 ms

• Além disso, quando um computador em uma Ethernet de

gigabit estiver transmitindo dados pela linha a um computador em uma Ethernet clássica, serão muito prováveis sobrecargas no buffer

• Como consequência dessas duas observações, a Ethernet de gigabit admite controle de fluxo (como a Fast Ethernet, embora os dois padrões sejam diferentes)

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• O controle de fluxo consiste na transmissão de um quadro de controle especial por uma extremidade para a outra,

informando que a extremidade receptora deve fazer uma pausa durante algum período de tempo predeterminado

 Os quadros de controle são quadros Ethernet normais contendo um tipo de 0x8808

• Os bytes seguintes fornecem os parâmetros, se houver

• Para controle de fluxo, são usados quadros PAUSE, com o

parâmetro informando quanto tempo deve durar a pausa, nas unidades do tempo mínimo de quadro

• Para a Ethernet de gigabit, a unidade de tempo é 512 ns, permitindo pausas de até 33,6 ms

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• Assim que a Ethernet de gigabit foi padronizada, o comitê 802 ficou entediado e resolveu voltar a trabalhar

• O IEEE solicitou que eles começassem a atuar na Ethernet de 10 gigabits

• Após uma busca árdua por uma letra para acompanhar a letra z, o comitê abandonou essa abordagem e passou a usar sufixos de duas letras

• Seus participantes começaram a trabalhar e o padrão foi

aprovado pelo IEEE no ano de 2002, como o padrão 802.3ae

• Será que a Ethernet de 100 gigabits está muito longe?