Rede

Redes industriais
Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.
Rede Ethernet
Camada de enlace
• As funções que podem ser atribuídas aos
protocolos da camada de enlace são:
• Enquadramento;
• Controle de Erros;
• Controle de fluxo;
• Com exceção do enquadramento, todas
essas outras funções estão presentes em
protocolos de camadas superiores;
Camada de enlace
• No modelo OSI não foi previsto inicialmente
a utilização de meios físicos compartilhados
(redes de difusão ou broadcast);
• A solução foi adicionar uma subcamada – a
subcamada de Controle de Acesso ao Meio
(MAC);
• A subcamada MAC é responsável pela
arbitragem do meio;
Alocação de Canais
• Alocação estática de canais: FDM em
•
•
•
•
•
geral e espectro dividido em N partes - R/N
para cada;
Problemas:
Impossibilidade de usar o serviço se mais
que N usuários pretendem fazê-lo;
Subutilização para um número menor que N;
Tráfego ocorre geralmente em rajadas em
redes de computadores;
Não é adequada para redes locais;
Alocação de Canais
• Alocação dinâmica:
• A estação que está transmitindo utiliza toda a
banda;
• O modelo consiste em N estações
independentes;
• O canal é único;
• Podem ocorrer colisões
(transmissão
simultânea);
• Estações podem detectar colisões;
Alocação de Canais
• Alocação dinâmica:
• A transmissão pode ocorrer em tempo
contínuo ou segmentado (slotted);
• No tempo segmentado há um relógio mestre
que sincroniza todas as estações;
• Detecção de portadora (carrier sense);
• Se houver, a estação é capaz de determinar
se o meio de transmissão está sendo usado
no momento;
Protocolos de Múltiplo Acesso
• ALOHA;
• Protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple
Access);
• Protocolos livres de colisão;
• Protocolos de disputa limitada;
• Protocolos para LANs sem fio;
ALOHA
• Usuários transmitem sempre que possuem
dados;
• Um transmissor pode detectar colisões;
• Retransmissão ocorre após um período de
tempo aleatório;
• Problemas:
• Baixa eficiência (18% dos quadros são
transmitidos corretamente no melhor caso);
ALOHA
Throughput versus tráfego ofertado
(G = tentativas de transmissão)
Protocolos CSMA
• A detecção de transmissões em andamento
permite melhorar o desempenho em relação
aos sistemas ALOHA;
• Estações só transmitem se o meio parecer
livre;
• Tipos:
• CSMA 1-persistente;
• CSMA não persistente;
• CSMA p-persistente;
Protocolos CSMA
• CSMA 1-persistente:
• Se o meio estiver ocupado, a estação
espera até que ele fique ocioso;
• Quando a estação detecta que o meio está
livre, ela transmite o quadro;
• Se ocorrer uma colisão, a estação espera
um tempo aleatório e começa tudo de novo;
• Se o retardo de propagação for grande, a
chance de duas ou mais estações
detectarem o meio livre aumenta;
Protocolos CSMA
• CSMA não persistente:
• Se o meio estiver ocupado, a estação
aguarda um tempo aleatório para “reescutar” o meio;
• Melhor utilização do canal;
• CSMA p-persistente:
• Funciona em canais segmentados;
• Se o canal estiver desocupado, a estação
transmite com probabilidade p e adia para o
próximo slot com probabilidade q=1-q;
Protocolos CSMA
Desempenho de diversos protocolos
CSMA com Detecção de Colisão
• Estações percebem as colisões e abortam
suas transmissões;
• Melhor utilização da banda;
• A detecção de colisão é feita através da
comparação das características do sinal
transmitido com o sinal do meio;
• Potência e características espectrais;
• CSMA/CD é utilizado em redes Ethernet;
CSMA com Detecção de Colisão
• CSMA/CD pode estar em 1 de 3 estados:
disputa, transmissão ou inatividade.
Ethernet
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Apectos das redes Ethernet (IEEE 802.3):
Cabeamento;
Codificação Manchester;
Protocolo MAC;
Algoritmo de Recuo Exponencial Binário;
Desempenho;
Ethernet comutada;
Fast Ethernet e Gigabit Ethernet;
IEEE 802.2: Controle Lógico de Enlace;
Ethernet
• A Ethernet foi originalmente desenvolvida
como um projeto pioneiro da Xerox PARC.
• Foi inventada em 1973, quando Robert
Metcalfe escreveu um memorando para os
seus chefes.
• Convenceu DEC, Intel, e Xerox a trabalhar
juntas.
• Um padrão: publicado em 30/09/1980.
• Competiu com dois sistemas grandemente
proprietários, token ring e ARCNET;
Cabeamento
Codificação Manchester
(a) Codificação binária, (b) Manchester,
(c) Manchester Diferencial.
Formato do Quadro
• Formato dos quadros. (a) DIX Ethernet,
• (b) IEEE 802.3
Formato do Quadro
• Preâmbulo: seqüência de 7 bytes 10101010
seguido de 10101011;
• Onda quadrada (10 MHz) de 6,4 us para
sincronização dos relógios do transmissor e
do receptor;
• Endereços de origem e de destino:
endereço de 48 bits (endereço MAC);
• Tipo e tamanho: Valores menores que 1536
(0x600) são interpretados como tamanho
enquanto que maiores são vistos como tipo;
Formato do Quadro
• Dados: Até 1500 bytes;
• Bits de preenchimento (PAD): são usados
a fim de garantir que os quadros tenham um
tamanho mínimo (64 bytes do endereço de
destino ao checksum) necessário para que
as colisões sejam detectadas;
• Checksum: CRC de 32 bits e;
• Quadro descartado se um erro for detectado;
Protocolo Ethernet
Protocolo MAC (CSMA/CD)
• Detecção de colisão pode levar até 2τ segundos;
• Bits de preenchimento são necessários;
• A colisão de quadros curtos só seria detectada após a
transmissão;
MAC (Media Access Control)
• Endereço de 48 bits, 6 bytes, representado
em hexadecimal.
• O padrão IEEE 802 define 2 formas de
endereçamento MAC:
• Endereços administrados localmente: quem
instala a placa de rede.
• Endereços universais: pelo fabricante;
1
2
3
Código do
Fabricante
4
5
6
Número de
Série
MAC (Media Access Control)
•
•
•
•
•
Endereço único, estabelecido pelo IEEE;
Ex. 00-00-1D - 00-26-A3, onde:
00-00-1D identifica o fabricante (OUI);
00-26-A3 identifica o número de série (placa);
Multicast: para enviar uma mensagens a
vários
dispositivos
numa
rede,
simultaneamente:
• AA-00-80-xx-xx-xx ou AB-00-80-xx-xx-xx
• Broadcast: recebido por todas as estações no
mesmo segmento de rede – ex.: FF-FF-FF-FFFF-FF;
Mapeamento de Endereços
• O
endereços
IP
são
endereços
temporários.
• O verdadeiro identificador da estação para
rede é o
endereço MAC que é endereço
físico associado a placa adaptadora de
rede: NIC - Network Interface Card.
IP (200.17.98.217)
Endereços de 48 bits
(6 bytes)
MAC (00-60-08-16-85-B3)
Métodos de Transmissão
• Unicast: Um único pacote de dados que é
enviado do nó de origem a um único nó de
destino na rede, da seguinte forma:
• 1- O nó de origem envia o pacote usando o
endereço do nó do destino
• 2- O pacote é colocado na rede
• 3- A rede passa o pacote para o dispositivo
de destino.
Métodos de Transmissão
Rede
Métodos de Transmissão
• Multicast: Um único pacote de dados que é
copiado e enviado a um subconjunto de
nós na rede, da seguinte forma:
• 1- O nó de origem envia o pacote usando
um endereço de multicast
• 2- O pacote é colocado na rede
• 3- A rede faz cópias do pacote
• 4- Uma cópia é enviada a cada nó que faz
parte do endereço de multicast.
Métodos de Transmissão
Rede
Métodos de Transmissão
• Broadcast: Um único pacote de dados que é
copiado e enviaram a todos os nós na rede,
da seguinte forma:
• 1- O nó de origem envia o pacote usando o
endereço de broadcast
• 2- O pacote é colocado na rede
• 3- A rede faz cópias do pacote
• 4- Uma cópia do pacote é enviada para cada
nó na rede.
Métodos de Transmissão
Rede
ARP (Address Resolution Protocol)
• O ARP é um protocolo que efetua a
conversão de endereços IP para MAC.
• As mensagens são passadas para a camada
de rede especificando o destinatário através
do endereço IP.
• O protocolo ARP precisa determinar o
endereço MAC do destinatário para passa a
camada de enlace de dados.
ARP (Address Resolution Protocol)
IP ORIGEM
Rede
Enlace de Dados
LLC +MAC
Tipo
MAC de
Origem
MAC de
Destino
IP DESTINO
Dado
Dado
CRC
ARP (Address Resolution Protocol)
• O protocolo ARP compara o endereço IP de
todos os datagramas enviados na ARP
Cache.
• Se ele for encontrado, o endereço MAC é
copiado da cache.
• Se não, um pacote ARP Request é enviado
em broadcast para subrede.
• Se o destinatário final for um endereço IP
externo, o ARP resolve o endereço para o
roteador ao invés do destinatário final.
ARP (Address Resolution Protocol)
Protocolo IP
• O protocolo IP (Internet Protocol) é
o
protocolo da comunicação inter-redes.
• O elemento principal do protocolo IP é que
trata-se de identificador de 32 bits para
interface de hospedeiro (host) e roteador;
• Para isto ele realiza a função de roteamento
que consiste no transporte de mensagens
entre redes;
Protocolo IP
• O protocolo IP utiliza a própria estrutura de
rede dos níveis inferiores para entregar uma
mensagem destinada a uma máquina que
está situada na mesma rede que a máquina
origem.
• Utilizando a função de roteamento IP, enviase uma da mensagem para uma máquina
que executa a função de roteador, que,
repassa a mensagem para o destino ou a
repassa para outros roteadores até chegar
no destino.
Protocolo IP
Protocolo TCP/IP
Protocolo IP
• Os 32 bits do endereço IP são divididos em 4
bytes,que são normalmente representados
pelo número decimal que os representa,
separados por pontos.
• Isto é conhecido como Notação Decimal
Pontuada.
10000000
128
00001010
.
10
00000010
.
2
00011110
.
30
Protocolo IP
223.1.1.1
223.1.2.1
223.1.1.2
223.1.1.4
223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.1.3
223.1.3.1
223.1.3.27
223.1.3.2
Protocolo IP
• Pode-se identificar um tipo de “classe” de
rede apenas observando o primeiro
decimal.
0
7
O
c
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to1
C
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sseA 0
1
5
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sseC 110
C
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sseD 1110
C
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sseE 11110
2
3
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3
1
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tid
Protocolo IP
Protocolo IP
Descrição
Fórmula
Número de Redes
Número de Redes Válidas
Número de endereços
Número de Hosts
2ⁿ
2ⁿ -2
2ⁿ
2ⁿ -2
Classe
8 Bits
8 Bits
8 Bits
8 Bits
A
Rede
Host
Host
Host
B
Rede
Rede
Host
Host
C
Rede
Rede
Rede
Host
D
Multicast
E
Uso futuro/ pesquisa
Sub-redes
• Dispositivo se conecta à mesma parte da
sub- rede do endereço IP;
• Pode alcançar um ao outro fisicamente
sem roteador intermediário.
• Endereço IP:
• Parte da sub-rede (bits de alta ordem);
• Parte do host (bits de baixa ordem) ;
Sub-redes
Classe
Primeiros
Bits
N. de
redes
N. de
hosts
Máscara
A
0
126
16.777.21
4
255.0.0.0
B
10
16.384
65.534
255.255.0.0
C
110
2.097.150
254
255.255.255.0
D
1110
Multicast
E
1111
Uso futuro
Sub-redes
223.1.1.1
223.1.2.1
223.1.1.2
223.1.1.4
223.1.1.3
223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.3.27
sub-rede
223.1.3.1
rede consistindo em 3 sub-redes
223.1.3.2
Sub-redes
• Endereços
Privados
“queimados”
(Categoria 1);
• 1 rede classe A: 10.0.0.0 a 10.255.255.255
• 16 redes classe B: 172.16.0.0 a
172.31.255.255
• 256 redes classe C: 192.168.0.0 a
192.168.255.255;
Sub-redes
• Não podem ser atribuídos a nenhuma
estação:
• Endereço de Loopback: 127.0.0.1
• BroadCast: 255.255.255.255
• Broadcast para uma rede Classe A
• XXX.255.255.255
• Broadcast para uma rede Classe B
• XXX.XXX.255.255
• Broadcast para uma rede Classe C
• XXX.XXX.XXX.255
• Endereço de inicialização (DHCP): 0.0.0.0
Sub-redes
• Obs: atualmente não existe mais o conceito
de classes.
• Um endereço da antiga classe A, como por
exemplo 200.18.160.X pode ser dividido de
qualquer forma por meio da máscara;
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5
5
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2
5
5
.
1
9
2
Sub-redes – Tabela Classe C
• Obs: atualmente não existe mais o
conceito de classes.
• Um endereço da antiga classe A, como
por exemplo 200.18.160.X pode ser
dividido de qualquer forma por meio da
máscara;
Máscara 255.255.255
Número de Sub- redes
Número de redes totais
Números de endereço válidos
0
1
256
254
128
2
128
126
192
4
64
62
224
8
32
30
240
16
16
14
248
32
8
6
252
64
4
2
Enedereço IP
• Como um host obtém um endereço IP?
• Fornecido pelo administrador do sistema em
um arquivo
• Windows:
painel
de
controle->rede
->configuração->tcp/ip->propriedades
• UNIX: /etc/rc.config
• DHCP:
Dynamic
Host
Configuration
Protocol: recebe endereço dinamicamente
do servidor;
Enedereço IP
• P: Como a rede obtém a parte de sub-rede
do endereço IP?
• R: Recebe parte alocada do espaço de
endereços do seu ISP;