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Comunicação de Dados IIComunicação de Dados II

Aula 12 - EthernetAula 12 - Ethernet

Prof: Jéferson Mendonça de Limas

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 Ethernetdefinem os protocolosda Camada 2 e dastecnologias da Camada 1

•O formato básico deestrutura e esquema deendereço é o mesmopara todas as variedadesdo Ethernet

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.”

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 802Ethernet é o 802.3 (Física e Sub-camada MAC)

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


• Camada 1Envolve sinais, fluxos de bits e componentes físicos

Desempenha papel essencial na comunicação entre dispositivos

• Camada 2Compatibilidade tecnológica

Sub-camada MACse relaciona com oscomponentesfísicos utilizadospara realizar acomunicação eprepara os dadospara transmissão

Sub-camada LLC éindependente dos equipamentosfísicos


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).

MAC – Entregando os Dados ao Meio Físico•Sub-camada inferior da camada de enlace

•Tipicamente implementado em hardware


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)


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)


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


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


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 qualuma transmissão nãoreconhecida precisassede retransmissão apósum curto período deespera

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.


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


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 portae enviar o quadro apenas ao seudestino adequado

Diminui/minimiza colisões

Conexões Full-Duplex


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 ópticaexistente

•Suporte para maioresdistância (MAN)

•Aumento de desempenhoconsiderável

•Atualização dainfra-estrutura de redenem sempre necessita desubstituição deequipamentos


Endereçamento de Camada 2 e o seu Impacto no Desempenho e Operação da Rede

O Quadro – Encapsulamento do Pacote•Há dois estilos de enquadramento:

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


O Quadro – Encapsulamento do Pacote


Endereço MAC da Ethernet• Identificador exclusivo chamado endereço de Controle de Acesso ao Meio (MAC)


Endereço MAC da Ethernet•Burned-in address porque é gravado na ROM na NIC


Numeração Hexadecimal e Endereçamento•Sistema de numeração de base 16

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


Qual o fabricante da sua placa?Veja em http://standards.ieee.org/regauth/oui/index.shtml

Ou http://www.coffer.com/mac_find/

http://standards.ieee.org/regauth/oui/index.shtml

http://www.coffer.com/mac_find/

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 RedeEndereço lógico

Hierárquico

Entendido daorigem ao destino


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


Controle de Acesso ao Meio Ethernet CSMA/CD – O Processo

•Verificação da PortadoraTodos 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-acessoDois 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

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 SignalAo 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

Controle de Acesso ao Meio Ethernet

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 dedistribuiçãocoordenadapara detectara atividade elétrica nocabo


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


CSMA/CD – O Processo


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


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


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


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


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.

Sincronização EthernetControle de Acesso ao Meio Ethernet

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


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 ojam signal não sejadetectado comoum quadro válido,caso contrário, acolisão não seráidentificada


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


Camada Física da Ethernet Visão Geral da Camada Física da Ethernet

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

Camada Física da Ethernet

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)


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 derepetição, e largurade banda

Transmissão bináriafull-duplex a 1250Mbps sobre doiscabos de fibraóptica. Overheadleva a taxa dedados para 1000Mbps


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


Legado Ethernet – Usando Hubs•A Ethernet clássica usa Hubs

•Não realiza qualquer tipo de filtragem

•Alto número de colisões

•Problemas no uso de HubsEscalabilidade

Latência

Falha de Rede

Colisões

Compare o Uso de Switches Ethernet versus Hubs em uma LAN

Ethernet – Usando Switches

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


Ethernet – Usando Switches•Nós são conectados diretamente

Largura de banda dedicada a cada porta

Ambiente livre de colisão

Operação em Full-Duplex


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


Switches – Encaminhamento Seletivo


Switches – Encaminhamento Seletivo•O swtich LAN usa 5 operações básicas

Aprendizado

Envelhecimento

Inundação

Encaminhamento

Filtragem


Protocolo de Resolução de Endereços (ARP) O Processo ARP – Mapeando Endereços

•O protocolo ARP oferece 2 funções básicasResolver Endereços IPv4 para Endereços MAC

Manter uma cache de mapeamentos

O Processo ARP – Destino fora da Rede Local

Protocolo de Resolução de Endereços (ARP)

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 ajudaros dispositivos em uma redealcançarem sub-redesremotas sem a necessidadede configurar o roteamentoou um gateway padrão

“Por padrão, os roteadores Cisco têm o proxy ARP habilitado em interfaces LAN”.


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


ARP – Removendo Mapeamento de Endereços


Broadcasts ARP - Problemas


Tira Dúvidas

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