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5. AULA 5 – ARQUITETURA DE REDES LOCAIS
Objetivos da Aula Compreender os mecanismos de controle de acesso ao meio. Apresentar os padrões para redes locais IEEE 802, principalmente as redes locais Ethernet (IEEE 802.3) e redes locais sem fio (IEEE 802.11). Embora tenham sido apresentadas de forma isolada, as camadas física e de enlace, são bastante interdependentes, principalmente em redes locais. Por essa razão, este capítulo dedica-se ao estudo da arquitetura de redes locais, incluindo-se os mecanismos de controle de acesso ao meio e os padrões mais utilizados pelo mercado.
5.1 Controle de Acesso ao Meio Os mecanismos de controle de acesso ao meio são fundamentais em redes que compartilham o mesmo meio de comunicação (redes multipontos). Basicamente, são métodos que servem para regular qual estação poderá transmitir em determinado instante. No exemplo mostrado na Figura 5.1, em ambos os casos, os dispositivos disputam o mesmo meio, que na Figura 5.1a é um barramento e na Figura 5.1b o ar, e a função do controle é regular esse acesso.
Figura 5.1: Controle de acesso ao meio. Fonte: MAIA, 2009, p. 94.
Os protocolos de controle de acesso estão divididos em três grandes grupos, sendo eles: protocolos de acesso particionado, acesso aleatório e acesso ordenado. Os protocolos de acesso particionado utilizam multiplexação por frequência ou tempo, ou codificação, para dividir o meio de transmissão. Os principais protocolos deste tipo são: FDMA 58
(Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) e CDMA (Code Division Multiple Access). Nos protocolos de acesso aleatório as estações transmitem sempre que há dados a serem transmitidos, sem nenhuma ordenação no acesso. Nesse caso, pode haver um problema chamado colisão, quando dois ou mais dispositivos tentam transmitir ao mesmo tempo. Sempre que há uma colisão, os dados transmitidos são perdidos. Uma solução possível é fazer o dispositivo aguardar um tempo e, em seguida, retransmitir o quadro. Por essa razão, esses protocolos são também chamados de protocolos baseados em contenção. Principais protocolos: ALOHA, CSMA (Carrier Sense Multiple Access), CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) e CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Por fim, o protocolo de acesso ordenado utiliza uma sequência para o acesso ao meio. Assim, os dispositivos somente poderão transmitir os dados quando o protocolo garantir a exclusividade do acesso. Principais protocolos: Polling e Token.
5.2 Modelo IEEE 802 O padrão IEEE 802 trata-se de um conjunto de padrões desenvolvidos pelo IEEE para definir métodos de acesso e controle para redes locais (LANs) e metropolitanas (MANs). A série 802 não foi a única série de padrões de protocolos criadas pelo IEEE, porém a mais importante. O nome dado a série refere-se ao ano e mês de seu inicio (fevereiro de 80). Os protocolos IEEE 802 correspondem às camadas física e de enlace de dados do modelo ISO/OSI, largamente adotado na interconexão de sistemas abertos, porém dividem a camada de enlace em duas subcamadas: Controle de Vínculo Lógico (LLC) e Controle de Acesso ao Meio (MAC). O IEEE, acrônimo de Institute of Electrical and Electronic Engineers, é uma sociedade técnico-profissional internacional, dedicada ao avanço da teoria e prática da engenharia nos campos da eletricidade, eletrônica e computação.
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O resultado do trabalho do comitê 802 é um conjunto de normas que tratam diferentes tecnologias. A tabela 5.1 mostra algumas dessas normas. Tabela 5.1: Normas IEEE 802
Categoria 802.1 802.2
802.3 802.4 802.5 802.6 802.7 802.8 802.9 802.10 802.11 802.12 802.15 802.16 802.17 802.20
Descrição Gerência de Rede. LAN/MAN Managment; Atua no LLC. Padrão de enlace de dados demarcando como a conectividade básica de dados sobre cabo deverá ser feita. Usado com os padrões IEEE 802.3, 802.4 e 802.5; Ethernet Especificações do método de acesso Token Bus da camada física; Especificações do método de acesso Token Ring da camada física; Especificações do método de acesso Dual Bus e de fila distribuída da camada física; MANs de Banda larga; Fibra óptica; Integração de Redes Locais; Protocolo para provimento de segurança em uma MAN. LANs sem fios; Especifica a prioridade de demanda MAC e Física; Especificações Wireless para camadas MAC e Física. Bluetooth entre outros; Interface padrão para faixas Broadband fixas de sistemas de acesso Wireless. WiMax; Especificações do método de acesso do pacote do anel resilient e da camada física; Mobile Wireless Access. Mobile-Fi.
Dentre essas normas, as que obtiveram maior expressão foram as que tratam do padrão Ethernet (802.3) e Redes Locais sem Fio (802.11).
5.3 Ethernet A Ethernet é uma tecnologia de interconexão para redes locais baseada no envio de pacotes. Ela define cabeamento e sinais elétricos para a camada física, e formato de pacotes e protocolos para a camada de enlace. Foi originalmente desenvolvida como um, entre muitos, projeto pioneiro da Xerox PARC - Palo Alto Research Center. Entende-se, em geral, que a Ethernet foi inventada em 1973, quando Robert Metcalfe escreveu um memorando para os seus chefes contando sobre o potencial dessa tecnologia em redes locais. Contudo, o termo Ethernet geralmente se refere ao padrão publicado em 1982, chamado DIX, por ter sido criado pelas empresas DEC, Intel e Xerox, que juntaram forças para desenvolver produtos utilizando esta tecnologia a taxas 60
de transmissão de até 10 Mbps. Posteriormente, a Ethernet foi padronizada pelo IEEE como 802.3. A primeira versão da Ethernet utilizava cabo coaxial como meio de transmissão e o protocolo CSMA/CD para controle de acesso ao meio, suportando 256 estações com taxas de transmissão de até 3 Mbps. Desde então, o padrão ethernet evoluiu consideravelmente, não só pela evolução das taxas de transmissão, mas também pelas mudanças de topologia empregada e cabeamento utilizado. Entretanto, apesar das mudanças, sempre houve a preocupação em se manter a compatibilidade com versões anteriores, simplicidade de instalação e configuração, além do baixo custo.
5.3.1 Quadro Ethernet O quadro Ethernet desenvolvido pelo IEEE 802.3 apresenta algumas diferenças em relação à proposta do DIX Ethernet. Essas diferenças residem nos campos Preâmbulo e Tipo/Tam, como pode ser observado na Figura 5.2, onde a Figura 5.2a apresenta o quadro Ethernet IEEE 802.3, enquanto a Figura 5.2b mostra o quadro DIX Ethernet.
Figura 5.2: Quadros Ethernet. Fonte: MAIA, 2009, p. 108.
Cada quadro começa com um Preâmbulo, o qual é formado por uma sequência de bytes, cada um contendo o padrão de bits 10101010. Este campo serve para sincronizar a interface de rede do receptor e indicar o início do quadro. O campo IQ presente no quadro IEEE 802.3 serve para delimitar o início do quadro; o Ethernet DIX não contém este campo. Os campos Endereço de destino e Endereço de origem servem para especificar o receptor e o transmissor do quadro, respectivamente. Nesses campos, utiliza-se o endereço físico ou endereço MAC, que está associado à interface de rede. A Ethernet permite endereçamentos unicast, multicast e broadcast. Um endereço broadcast típico é 61
o endereço FF-FF-FF-FF-FF-FF, onde todos os bits do endereço de destino estão ligados. O campo Tam, no quadro IEEE, define o tamanho do campo de Dados, que permite no máximo 1500 bytes. Já o campo Tipo, no quadro Ethernet DIX, identifica o tipo de informação que está encapsulada no campo Dados, especificando qual protocolo da camada superior receberá os dados para processá-los. O valor do campo Tipo/Tam foi padronizado para facilitar a distinção entre os quadros IEEE e DIX. Se o valor do campo for menor ou igual a 1500 (decimal), trata-se o quadro como Ethernet IEEE e, conequentemente, o campo como sendo o tamanho dos dados. Mas, se o valor do campo for maior do que 1500, o quadro é DIX e o campo deve ser utilizado como sendo o tipo do protocolo da camada superior. O último campo Checksum é utilizado para a detecção de erro. Caso seja percebido erro em algum quadro, este será descartado. A Ethernet não implementa nenhuma estratégia de correção de erro, dessa forma, cabe às camadas superiores realizar tal tarefa.
5.3.2 Protocolo de Acesso ao Meio O padrão Ethernet utiliza o CSMA/CD (Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora e Detecção de Colisão), como protocolo de controle de acesso ao meio. Resumidamente, O CSMA/CD identifica quando a mídia está disponível para a transmissão. Neste momento a transmissão é iniciada. Simultaneamente, o mecanismo de detecção de colisão verifica a ocorrência de colisão enquanto a estação transmite os dados. Se o mesmo detecta uma colisão, toda transmissão é interrompida. Para evitar colisões sucessivas, o nó espera um período aleatório e tenta transmitir novamente. A Figura 5.3 apresenta um algoritmo que especifica a ação do protocolo CSMA/CD.
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Figura 5.3: Protocolo CSMA/CD. Fonte: MAIA, 2009, p. 101.
5.3.3 Ethernet 10 Mbps Utiliza-se três tipos de meios de transmissão diferentes na Ethernet 10 Mbps, sendo eles: o cabo coaxial, o par trançado e a fibra óptica. As principais alternativas para a camada física são apresentadas na Tabela 5.2. Tabela 5.2: Camada física do Ethernet 10 Mbps. Fonte: MAIA, 2009, p. 112.
Características Meio de transmissão Topologia Tamanho máximo do segmento Estações por segmento Full-duplex
10BASE5 Cabo coaxial grosso de 50 ohm Barra 500 m
10BASE2 Cabo coaxial fino de 50 ohm Barra 185 m
10BASE-T Dois pares UTP cat 3 Estrela 100 m
10BASE-FL Duas fibras multímodo Ponto a ponto 2000 m
100
30
-
-
Não
Não
Sim
Sim
Na representação 10BASE-X, o termo 10BASE significa que a taxa de transmissão é de 10 Mbps e que a sinalização é feita em banda base. O número que segue indica o tamanho máximo do segmento. Por exemplo, no 10BASE2 o tamanho máximo do segmento seriam 200 metros, mas na prática, o tamanho máximo recomendado, é de 185 m. O ‘T’ de 10BASE-T representa o par trançado (Twisted pair), enquanto que o ‘FL’ de 10BASE-FL significa fibra óptica (Fiber Link). O termo full-duplex refere-se à comunicação que tem a capacidade de enviar e receber dados ao mesmo tempo. Já o half-duplex, refere-se à comunicação bidirecional entre transmissor e receptor, porém não simultaneamente. Os padrões 10BASE5 e 10BASE2 se diferenciam pelo tipo de cabo coaxial e conectores empregados. O 10BASE5 utiliza um cabo coaxial bem mais grosso do que o utilizado no 10BASE2, o que dificulta bastante a manuseio e a instalação das estações. Mas também, o 10BASE2 não oferece boa escalabilidade e disponibilidade, nem facilidade de instalação. Outro problema, é que a topologia em barra utilizada pelos dois padrões, não permite a instalação de novos dispositivos sem a interrupção do funcionamento da 63
rede e, ainda, problemas físicos na rede são difíceis de serem encontrados. Por essas razões, os dois padrões caíram em desuso (Figura 5.4).
Figura 5.4: Topologia para 10BASE5 e 10BASE2. Fonte: MAIA, 2009, p. 112.
Com o intuito de resolver as limitações da topologia em barra, o padrão 10BASE-T utiliza o par trançado para fazer a conexão das estações a um equipamento concentrador de rede, Hub ou Switch, formando uma estrela, como mostrado pela Figura 5.5. Dessa forma, novas estações podem ser adicionadas ou retiradas sem comprometer o funcionamento da rede, além de simplificar a resolução de problemas físicos encontrados na rede.
Figura 5.5: Topologia para 10BASE-T. Fonte: MAIA, 2009, p. 112.
Os dispositivos Hubs e Switches trabalham em camadas diferentes. O Hub trabalha na camada física, enquanto que o Switch trabalha na camada de enlace. As características desses dispositivos serão melhores examinadas posteriormente.
5.3.4 Fast Ethernet O padrão Fast Ethernet manteve do padrão Ethernet o endereçamento, o formato do pacote, o tamanho e o mecanismo de detecção de erro. A mudança mais significativa em relação ao padrão Ethernet foi o aumento de velocidade que foi para 100 Mbps, ou seja, dez vezes maior que a velocidade oferecida pela Ethernet original. 64
O padrão Fast Ethernet aceita somente topologia em estrela. Também, não permite o uso de cabo coaxial, apenas par trançado ou fibra óptica como meio de transmissão. A Tabela 5.3 mostra algumas alternativas para a camada física do Fast Ethernet. Tabela 5.3: Camada física do Fast Ethernet Fonte: MAIA, 2009, p. 113.
Características Meio de transmissão Tamanho máximo do segmento Full-duplex
10BASE-TX Dois pares UTP cat 5 100 m Sim
10BASE-FX Duas fibras multímodo 2000 m Sim
Os produtos Fast Ethernet, na sua maioria, implementam um recurso denominado autonegociação. Este recurso serve para manter a compatibilidade e a interoperabilidade com a Ethernet 10 Mbps. Assim, as portas dos Hubs e Switches do padrão Fast Ethernet, podem trabalhar tanto a taxas de 10 Mbps ou a 100 Mbps, dependendo do dispositivo conectado. Estas portas são normalmente chamadas de 10/100. Além disso, a autonegociação define se a estação irá trabalhar em modo half-duplex ou full-duplex, se houver esta possibilidade.
5.3.4 Gigabit Ethernet Este novo padrão agregou valor não só ao tráfego de dados como também ao de voz e vídeo. O Gigabit Ethernet foi desenvolvido para suportar o quadro padrão ethernet, isto significa manter a compatibilidade com a base instalada de dispositivos ethernet e fast ethernet e não requerer tradução do quadro. Possui taxa de transmissão de 1 Gbps, ou seja, dez vezes maior que a velocidade oferecida pela Fast Ethernet, e, na sua essência, segue o padrão ethernet, com detecção de colisão, regras de repetidores e modo de transmissão half-duplex e full-duplex. Algumas mudanças foram necessárias para obter o suporte ao modo half-duplex. A Tabela 5.4 mostra algumas alternativas para a camada física do Gigabit Ethernet. Tabela 5.4: Camada física do Gigabit Ethernet Fonte: MAIA, 2009, p. 114.
Características Meio de transmissão
1000BASE-T Quatro pares UTP cat 5
1000BASE-CX Dois pares STP
1000BASE-SX Duas fibras multímodo
Tamanho máximo do segmento Full-duplex
100 m
2000 m
500 m
1000BASE-LX Duas fibras multímodo ou monomodo 5000 m
Sim
Sim
Sim
Sim 65
5.3.5 Repetidores e Hubs Esses dispositivos podem ser considerados os mais simples envolvidos na comunicação entre as máquinas, uma vez que utilizam apenas os sinais elétricos ou ópticos, sem controle dos dados, erros ou endereços. São dispositivos que funcionam unicamente na camada física. A função principal desses dispositivos é regenerar os sinais, pois estes sofrem atenuação ao percorrer o meio físico. Assim, os limites de distância impostos pelo meio de transmissão podem ser extrapolados (Figura 5.6).
Figura 5.6: Repetidores e Hubs. Fonte: MAIA, 2009, p. 115.
Geralmente, um repetidor possui duas portas, o que permite conectar apenas dois segmentos. Então, o repetidor recebe o sinal de um segmento, amplifica este sinal e o encaminha para o outro segmento. É importante ressaltar que a utilização de repetidores aumenta o domínio de colisão, que é o número de máquinas envolvidas caso ocorra uma colisão. A Figura 5.7 exibe uma rede local formada por três segmentos (A, B e C), ligados por dois repetidores. Nesse exemplo, o domínio de colisão é formado pelos três segmentos, independentemente da localização das estações. Caso uma máquina no segmento A tente transmitir simultaneamente com uma máquina localizada no segmento B, haverá a colisão e ambas perderão os quadros transmitidos.
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Figura 5.7: Repetidores em redes Ethernet. Fonte: MAIA, 2009, p. 116.
Os Hubs possibilitaram a instalação das redes utilizando a topologia em estrela. É formado por várias portas, onde todas as estações estão conectadas a ele, como uma conexão ponto a ponto (Figura 5.8). A função do Hub é propagar o sinal recebido em uma de suas portas para todas as demais, ou seja, se a estação X enviar um quadro para a estação Y, todas as demais estações recebem esse mesmo quadro, porém somente a estação Y irá efetivamente assimilar o conteúdo.
Figura 5.8: Hub ethernet. Fonte: MAIA, 2009, p. 116.
Apesar da mudança de topologia, do ponto de vista lógico o Hub funciona exatamente igual a um barramento, inclusive utiliza o mesmo protocolo de acesso ao meio, o CSMA/CD. Também, é possível criar uma topologia em árvore conectando um Hub ao outro (Figura 5.9). Essa topologia é muito utilizada quando se deseja expandir a rede. Por exemplo, permite conectar salas e andares em um prédio. 67
Figura 5.9: Topologia em árvore utilizando Hubs. Fonte: MAIA, 2009, p. 117.
No exemplo da Figura 5.9, o domínio de colisão passa a ser todos os Hubs que estão conectados na mesma árvore. Além desse conceito apresentado, existe o conceito de domínio de broadcast, que representa o conjunto de estações que receberão um quadro enviado utilizando-se o endereço de broadcast. Então, utilizando repetidores e Hubs, é possível ampliar o domínio de broadcast da mesma forma que se amplia o domínio de colisão.
5.3.6 Pontes e Switches Esses dispositivos atuam nas camadas física e de enlace. Permitem estender a rede e ao mesmo tempo segmentá-la. As pontes e Switches conseguem isolar os domínios de colisão analisando os endereços de origem e destino do quadro Ethernet e, consequentemente, reduzir a taxa de colisão e melhorar o desempenho da rede (Figura 5.10).
Figura 5.10: Pontes e Switches. Fonte: MAIA, 2009, p. 117.
Normalmente, uma ponte (bridge) possui duas portas, o que permite conectar dois segmentos (Figura 5.11). Diferentemente dos repetidores, a ponte, além de estender 68
fisicamente a rede, permite a segmentação lógica da mesma, permitindo que cada segmento forme seu domínio de colisão.
Figura 5.11: Pontes Ethernet. Fonte: MAIA, 2009, p. 118.
Outra função da ponte é conectar redes locais que utilizem protocolos diferentes, fazendo a conversão dos protocolos. Por exemplo, uma ponte pode conectar uma rede Token Ring (IEEE 802.5) a uma rede Ethernet. Já os Switches podem ser considerados como uma ponte de múltiplas portas. Cada porta conecta um dispositivo ponto a ponto, o que permite vários segmentos no formato de uma estrela (Figura 5.12).
Figura 5.12: Switch Ethernet. Fonte: MAIA, 2009, p. 119.
O Switch tem a capacidade de detecção e aprendizagem de endereços que estão em cada interface e somente retransmite os pacotes de dados necessários. Assim, cada porta do
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Switch tem a capacidade de criar seu próprio domínio de colisão, de forma semelhante à ponte, minimizando o tráfego de rede e reduzindo o número de colisões. As vantagens do Switch sobre o Hub residem no fato do Switch permitir a segmentação da rede e melhorar o desempenho da mesma. Além de aumentar significantemente a segurança da rede, uma vez que somente a estação receptora terá acesso ao conteúdo da transmissão. Também, é possível formar uma topologia em árvore utilizando Hubs e Switches, como mostrado na Figura 5.13. Nesta topologia, cada Hub forma um domínio de colisão e, do mesmo modo, é possível criar domínios de colisão exclusivos para os servidores da rede.
Figura 5.13: Configuração com Switch e Hubs. Fonte: MAIA, 2009, p. 119.
5.4 Redes Locais sem Fio As redes locais sem fio (WLANs) constituem-se como uma alternativa às redes convencionais com fio, fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de forma flexível, de fácil configuração e com boa conectividade. Sendo assim, as WLANs permitem a mobilidade do usuário enquanto podem utilizar os serviços e recursos da rede. Existem muitas formas de comunicação sem fio como, por exemplo, rádio freqüência, microondas, satélite, infravermelho e Bluetooth. Mas independentemente da tecnologia empregada, as redes sem fio são mais passíveis a problemas de interferência, 70
produzindo uma taxa de erro maior quando comparadas às redes cabeadas. Por essa razão, a velocidade de transmissão nas redes sem fio é menor. Como os sinais das redes sem fio podem ser captados por outras antenas além da do destinatário, é possível que pessoas não-autorizadas tenham acesso às informações transmitidas, e isto constitui um problema grave. Para minimizar este problema deve-se sempre utilizar algum tipo de criptografia nas transmissões.
5.4.1 Tipos de Redes sem Fio Assim como as redes tradicionais, as redes sem fio podem ser classificadas em diferentes tipos com base nas distâncias através das quais os dados podem ser transmitidos. A Figura 5.14 apresenta os diferentes tipos de redes sem fio disponíveis no mercado.
Figura 5.14: Tipos de redes sem fio. Fonte: MAIA, 2009, p. 121.
As redes pessoais sem fio ou WPAN (Wireless Personal Area Network) permitem que os usuários estabeleçam comunicações sem fio para dispositivos (como PDAs, telefones celulares ou laptops) a pequenas distâncias. No momento, as duas principais tecnologias WPAN são a Bluetooth e a luz infravermelha. As redes locais sem fio ou WLAN (Wireless Local Area Network) permitem que os usuários estabeleçam conexões sem fio em uma área local (por exemplo, em um prédio corporativo ou de um campus, ou em um espaço público, como um aeroporto). As WLANs podem ser usadas em locais onde a instalação extensiva de cabos teria um custo muito elevado, ou para complementar uma LAN existente de modo que os 71
usuários possam trabalhar em diferentes locais, em diferentes horários. O padrão que rege este tipo de rede é o IEEE 802.11, e os produtos que seguem este padrão são chamados de Wi-Fi. O local onde a tecnologia Wi-Fi está disponível é chamado de hotspot. As redes metropolitanas sem fio ou WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) permitem que os usuários estabeleçam conexões sem fio entre vários locais em uma área metropolitana, principalmente para conexão com a Internet. O principal padrão deste tipo de rede é o IEEE 802.16, e os produtos que seguem este padrão são chamados de WiMAX. As redes distribuídas sem fio ou WWAN (Wireless Wide Area Network) permitem que os usuários estabeleçam conexões sem fio em redes remotas privadas ou públicas. Essas conexões podem se sustentar através de grandes extensões geográficas, como cidades ou países, através do uso de sites com várias antenas ou sistemas de satélite mantidos por provedores de serviços sem fio. As principais tecnologias nessa área são o GSM (Sistema Global para Comunicações Móveis) e o CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código), amplamente utilizados por empresas de telefonia celular.
5.4.2 Arquitetura do IEE 802.11 O padrão IEEE 802.11 define as chamadas BSS (Basic Service Set), que corresponde a um grupo de estações da rede sem fio. As estações em uma BSS podem ser organizadas de duas formas distintas: infra-estruturada e ad hoc. A Figura 5.15 mostra estes dois tipos de BSS.
Figura 5.15: Tipos de BSS. Fonte: MAIA, 2009, p. 122.
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Em uma rede infra-estruturada, existe a figura do ponto de acesso ou AP (Access Point), que centraliza a conexão sem fio e permite que vários dispositivos se comuniquem entre si e também com outras redes, inclusive cabeadas, e com a internet. Uma das características que mais distinguem as redes ad hoc é a ausência de infraestrutura fixa. Nesta tecnologia, as estações podem comunicar-se diretamente umas com as outras, sem a necessidade de passar por um dispositivo central.
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