Modelo ISO/OSI Modelo ISO/OSI

Modelo ISO/OSI
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Modelo ISO/OSI
• O modelo ISO/OSI possui 7 camadas. ISO
corresponde a International Organization for
Standardization, ou Organização Internacional para
Padronização, e OSI corresponde a Open System
Interconection, ou Sistema de Interconexão aberto. A
idéia é "padronizar" para organizar e agilizar os
processos.
• É interessante notar que a ordem numérica das
camadas é decrescente, ou seja, o processo começa na
camada física, onde os sinais elétricos são convertidos
em zeros e uns, e termina na camada de aplicação,
onde atuam protocolos como o FTP por exemplo (File
Tranfer Protocol), protocolo para troca de arquivos.
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Modelo ISO/OSI
Camada
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Descrição
Application Layer – Provê a interface com o usuário.
Presentation Layer – trata da semântica, compressão /
descompressão, criptografia e tradução dos dados.
Session Layer – Gerencia o “diálogo” entre as portas lógicas
e mantém a separação dos dados de diferentes aplicações.
Transporte Layer – Provê a comunicação confiável (ou não) e
executa verificação de erros antes da retransmissão dos
segmentos.
Network Layer – Define e gerencia o enderaçamento lógico
da rede (ex. IP)
Enlace / Link de
Dados
Data-link Layer – Acomoda os pacotes em “quadros” através
do processo de encapsulamento. Detecta erros, porém, não os
corrige.
Física
Physical Layer – Responsável pela movimentação dos bits
entre as pontas e pela definição das interfaces, especificações
elétricas e de pinagem dos cabos.
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Modelo ISO/OSI
• Para facilitar a memorização das camadas que
compõe o modelo OSI, podemos utilizar frases,
uma para os nomes das camadas em português
e outra para os nomes em inglês. Fique a
vontade para criar sua própria frase, caso ache
necessário.
• Lembre-se : as frases ilustram a inicial de cada
camada, partindo da mais alta
(Aplicação/Aplication) e indo para a mais baixa
(Física/Physical)
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Modelo ISO/OSI
• “Amanhã Ao Sair do Trabalho Resolverei Entrar
na Faculdade (português)”
– (Aplicação / Apresentação / Sessão / Transporte /
Rede / Enlace / Física)
• “Amanhã Provavelmente Serei Transportado
Numa Determinada Perua (inglês)”
– (Aplication / Presentation / Session / Transport /
Network / Data-Link / Physical)
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Modelo ISO/OSI
• Principais vantagens em se adotar um modelo
de referência em camadas :
– Divisão de complexas operações de rede em
camadas individualmente gerenciáveis (é mais fácil
focar numa parte que no todo);
– Possibilidade de se alterar elementos de uma
camada sem ter de alterar elementos de outras;
– Definição de um padrão, possibilitando a
interoperabilidade entre os diversos fabricantes.
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Arquitetura de Redes Por
Camadas
Para compreendermos melhor as
vantagens e o funcionamento do
modelo OSI vamos tomar como
exemplo a necessidade de um
diretor de uma empresa, enviar
uma mensagem para o diretor de
outra empresa.
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Arquitetura de Redes Por Camadas
Em comunicação de dados, ocorre a mesma operação.
Utiliza-se uma REDE, para transportar dados entre dois
pontos.
As especificações das funções de cada nível e os
protocolos chama-se de Arquitetura de rede.
Para Interligar dois pontos, as arquiteturas destes pontos
deverão ser compatíveis.
Agora ficará mais fácil de compreendermos o
funcionamento do modelo OSI, que nada mais é do que
uma arquitetura de redes por camadas.
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Modelo OSI
• Na transmissão de um dado cada camada pega
as informações passadas pela camada superior,
acrescenta informações pelas quais ela seja
responsável e passa os dados para camada
imediatamente inferior, como mostra a figura do
slide 10. Esse processo é conhecido como
encapsulamento.
• Na camada 4, Transporte, o dado enviado pelo
aplicativo é dividido em pacotes. Na camada 2,
Link de Dados, o pacote é dividido em vários
quadros. Na recepção de um dado, o processo
é inverso.
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Exemplo
• Um usuário que pede ao seu programa de e-mail baixar
os seus e-mails. Na verdade está fazendo com que o
programa de e-mail inicie uma transmissão de dados
com a camada 7 – Aplicação – do protocolo usado,
pedindo para baixar os e-mails do servidor de e-mails.
• Essa camada processa esse pedido, acrescenta
informações de sua competência, e passa os dados
para a camada imediatamente inferior, a camada 6 –
Apresentação.
• Esse processo continua até a camada 1 – Física enviar
o quadro de dados para o cabeamento de rede, quando,
então, atingirá o dispositivo receptor, que fará o
processo inverso, até a sua aplicação. Nesse exemplo,
um programa servidor de e-mail.
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• A comunicação mostrada no slide 94 é a comunicação
real de um dado através de uma rede. Na prática
acabamos simplificando e falando que uma determinada
camada do transmissor comunica-se diretamente com a
mesma camada do dispositivo receptor.
• Por exemplo, a camada 4 – Transporte, do transmissor
comunica-se diretamente com a camada 4 do receptor e
simplesmente ignoramos as comunicações efetuadas
pelas camadas inferiores existentes.
• Essa comunicação virtual ilustrada no slide 97 é
possível porque cada camada, durante a criação do
pacote que será enviado através da rede, acrescentou o
seu próprio cabeçalho, como ilustrado no slide 94.
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Comunicação Virtual no Modelo OSI
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• A maioria dos protocolos comerciais também
trabalham com o conceito de camadas, porém
essas camadas não necessariamente possuem
o mesmo nome e função das apresentadas no
modelo OSI.
• Normalmente para cada uma dessas camadas
há um protocolo envolvido.
• Dessa maneira, muitos protocolos são, na
verdade, um conjunto de protocolos, cada um
com um papel específico em sua estrutura de
camadas.
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• As camadas do modelo OSI podem ser divididas em três
grupos: aplicação, transporte e rede, como você
confere no slide 16.
• As camadas de rede se preocupam com a transmissão
e recepção dos dados através da rede e, portanto, são
camadas de baixo nível.
• A camada de transporte é responsável por pegar os
dados recebidos pela rede e repassá-los para as
camadas de aplicação de uma forma compreensível,
isto é, ela pega os pacotes de dados e transforma-os em
dados quase prontos para serem usados pela aplicação.
• As camadas de aplicação, que são camadas de alto
nível, colocam o dado recebido em um padrão que seja
compreensível pelo programa (aplicação) que fará uso
desse dado.
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Pacotes x Quadros/Frames
• Até agora estávamos usando os termos pacotes e quadros como
sinônimos, mas estes termos se referem a duas coisas distintas :
•
Um quadro é um conjunto de dados enviado através da rede, de
forma mais "bruta" ou, melhor dizendo, de mais baixo nível. Dentro
de um quadro encontramos informações de endereçamento físico,
como, por exemplo, o endereço real de uma placa de rede. Logo,
um quadro está associado às camadas mais baixas (1 e 2) do
modelo OSI.
• Um pacote de dados se refere a um conjunto de dados manipulados
nas camadas 3 e 4 do modelo OSI. No pacote há informações de
endereçamento virtual.
• Por exemplo, a camada 4 cria um pacote de dados para ser enviado
pela rede e a camada 2 divide esse pacote em vários quadros que
serão efetivamente enviados através do cabo da rede. Um pacote,
portanto, contém a informação proveniente de vários quadros.
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Exemplo : Para elucidar diferença, em uma rede usando
o protocolo TCP /IP, a camada IP adiciona informações
de endereçamento de um pacote (número do endereço
IP da máquina de destino), que é um endereçamento
virtual. Já a camada Controle de Acesso ao Meio (MAC)
- que corresponde à camada 2 do modelo OSI transformará esse pacote em um ou mais quadros e
esses quadros terão o endereço da placa de rede de
destino (endereço real, físico) que corresponda ao
número IP fornecido.
Agora veremos cada uma das camadas do modelo
OSI e suas funções. As explicações são dadas como
se estivéssemos transmitindo um dado do
computador A para o computador B. O processo de
recepção é o inverso do descrito.
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CAMADA 7 - APLlCAÇÃO
• A camada de aplicação faz a interface entre o
protocolo de comunicação e o aplicativo que
pediu ou receberá a informação através da
rede. Por exemplo, se você quiser baixar o seu
e-mail com seu aplicativo de e-mail. ele entrará
em contato com a camada de Aplicação do
protocolo de rede efetuando este pedido.
• Entre os aplicativos que trabalham nessa
camada, poderíamos citar: FTP, HTTP, Banco
de Dados e e-mail. Serve com uma janela em
que os processos da aplicação podem acessar
os serviços de rede.
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CAMADA 6 - APRESENTAÇÃO
•
A camada de Apresentação, também chamada camada de Tradução,
converte o formato do dado recebido pela camada de Aplicação em um
formato comum a ser usado na transmissão desse dado, ou seja, um
formato entendido pelo protocolo usado. Um exemplo comum é a
conversão do padrão de caracteres (código de página) quando, por
exemplo, o dispositivo transmissor usa um padrão diferente do ASCII, por
exemplo. Pode ter outros usos, como compressão de dados e criptografia.
•
A compressão de dados pega os dados recebidos da camada sete e os
comprime (como se fosse um compactador comumente encontrado em
PCs, como o Zip ou o Arj) e a camada 6 do dispositivo receptor fica
responsável por descompactar esses dados. A transmissão dos dados
torna-se mais rápida, já que haverá menos dados a serem transmitidos: os
dados recebidos da camada 7 foram "encolhidos" e enviados à camada 5.
•
Para aumentar a segurança, pode-se usar algum esquema de criptografia
neste nível, sendo que os dados só serão decodificados na camada 6 do
dispositivo receptor.
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CAMADA 5 - SESSÃO
• A camada de sessão permite que duas aplicações em
computadores diferentes estabeleçam uma sessão de
comunicação. Nesta sessão, essas aplicações definem
como será feita a transmissão de dados e coloca
marcações nos dados que estão sendo transmitidos. Se
rede falhar, os computadores reiniciam a transmissão
dos dados a partir da última marcação recebida pelo
computador receptor.
• Por exemplo, você está baixando e-mails de um servidor
de e-mails e a rede falha. Quando a rede voltar a estar
operacional a sua tarefa continuará do ponto em que
parou, não sendo necessário reiniciá-la.
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CAMADA 4 - TRANSPORTE
•
A camada de Transporte é responsável por pegar os dados enviados pela
camada de Sessão e dividi-los em pacotes que serão transmitidos pela
rede, ou, melhor dizendo, repassados para a camada de Rede. No
receptor, a camada de Transporte é responsável por pegar os pacotes
recebidos da camada de Rede e remontar o dado original para enviá-lo à
camada de Sessão. Isso inclui controle de fluxo (colocar os pacotes
recebidos em ordem, caso eles tenham chegado fora de ordem) e correção
de erros, tipicamente enviando para o transmissor uma informação de
reconhecimento (acknowledge), informando que o pacote foi recebido com
sucesso.
•
A camada de Transporte separa as camadas de nível de aplicação
(camadas 5 a 7) das camadas de nível físico (camadas de 1 a 3). Como
você pode facilmente perceber, as camadas de 1 a 3 estão preocupadas
com a maneira com que os dados serão transmitidos e recebidos pela rede,
mais especificamente com os quadros transmitidos pela rede. Já as
camadas de 5 a 7 estão preocupadas com os dados contidos nos pacotes
de dados, para serem enviados ou recebidos para a aplicação responsável
pelos dados. A camada 4,Transporte, faz a ligação entre esses dois
grupos.
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CAMADA 3 - REDE
• A camada de Rede é responsável pelo endereçamento
dos pacotes, convertendo endereços lógicos em
endereços físicos, de forma que os pacotes consigam
chegar corretamente ao destino. Essa camada também
determina a rota que os pacotes irão seguir para atingir
o destino, baseada em fatores como condições de
tráfego da rede e prioridades.
• Como você pode ter percebido, falamos em rota. Essa
camada é, portanto, usada quando a rede possui mais
de um segmento e, com isso, há mais de um caminho
para um pacote de dados trafegar da origem até o
destino.
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CAMADA 2 – ENLACE / LINK DE DADOS
•
A camada de Link de Dados (também chamada camada de Enlace) pega
os pacotes de dados recebidos da camada de Rede e os transforma em
quadros que serão trafegados pela rede, adicionando informações como o
endereço da placa de rede de origem, o endereço da placa de rede de
destino, dados de controle, os dados em si e o CRC (Cyclic Redundancy
Check) .
•
O quadro criado pela camada Link de Dados é enviado para a camada
Física, que converte esse quadro em sinais elétricos para serem enviados
através do cabo da rede.
•
Quando o receptor recebe um quadro, a sua camada Link de Dados
confere se o dado chegou íntegro, refazendo o CRC. Se os dados estão
o.k., ele envia uma confirmação de recebimento (chamada acknowledge ou
simplesmente ack). Caso essa confirmação não seja recebida, a camada
Link de Dados do transmissor reenvia o quadro, já que ele não chegou até
o receptor ou então chegou com os dados corrompidos.
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CAMADA 1 - FÍSICA
•
A camada Física pega os quadros enviados pela camada de Link de Dados e os
transforma em sinais compatíveis com o meio onde os dados deverão ser
transmitidos. Se o meio for elétrico, essa camada converte os Os e 1s dos quadros
em sinais elétricos a serem transmitidos pelo cabo. Se o meio for óptico (uma fibra
óptica), essa camada converte os Os e 1 s dos quadros em sinais luminosos e assim
por diante, dependendo do meio de transmissão de dados.
•
A camada Física especifica, portanto, a maneira com que os Os e 1s dos quadros
serão enviados para a rede (ou recebidos da rede, no caso da recepção de dados).
Ela não sabe o significado dos Os e 1 s que está recebendo ou transmitindo. Por
exemplo, no caso da recepção de um quadro, a camada física converte os sinais do
cabo em Os e 1 s e envia essas informações para a camada de Link de Dados, que
montará o quadro e verificará se ele foi recebido corretamente.
•
Como você pode facilmente perceber, o papel dessa camada é efetuado pela placa
de rede dos dispositivos conectados em rede. Note que a camada Física não inclui o
meio onde os dados circulam, isto é, o cabo da rede. O máximo com que essa
camada se preocupa é com o tipo de conector e o tipo de cabo usado para a
transmissão e recepção dos dados, de forma que os Os e 1s sejam convertidos
corretamente no tipo de sinal requerido pelo cabo, mas o cabo em si não é
responsabilidade dessa camada.
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Padrão IEEE 802
• O IEEE (Institute of Electrical and
Electronic Engineers) criou uma série de
padrões de protocolos.
• A mais importante é a série 802, que é
largamente usada e é um conjunto de
protocolos usados no acesso a rede.
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Camadas dos protocolos IEEE 802
Como você pode ver na figura, os protocolos IEEE 802 possuem três
camadas, que equivalem às camada 1 e 2 do modelo OSI. A camada 2 do
modelo OSI no modelo IEEE 802 é dividida em duas :
•Controle do Link Lógico (LLC, Logic Link Control)
•Controle de Acesso ao Meio (MAC, Media Access Control)
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Modelo de protocolo usado por dispositivos
que usam o protocolo IEEE802
A maioria das redes usa o padrão IEEE 802
para acessar a rede (isto é, o cabeamento),
podemos dizer que o modelo de protocolo é o
mostrado na figura do slide 29. As camadas 3 a
7 do modelo OSI serão preenchidas de acordo
com os protocolos usados pela rede, que
poderão equivaler a uma ou mais dessas
camadas.
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Modelo de protocolo usado por dispositivos
que usam o protocolo IEEE802
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Padrões IEEE
• Existem vários padrões IEEE 802, como IEEE 802.2, IEEE 802.3,
etc. O padrão IEE 802.2 especifica o funcionamento da camada de
Controle do Link Lógico (LLC). Os demais padrões IEEE operam na
camada de Controle de Acesso ao Meio (MAC) e na camada física,
como mostra a figura.
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IEEE 802.3 (Ethernet)
• Entre os padrões 802, o de maior destaque é o
802.3, que usa o conceito de detecção de
colisão chamado CSMA/CD que já estudamos
anteriormente.
• Inicialmente a transmissão de dados desse
padrão era de 10 Mbps, mas como já vimos
existem revisões para suportar taxas de
transmissão mais altas, 100 Mbps (Fast
Ethernet) e 1 Gbps (Gigabit Ethernet).
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• Os padrões IEEE, além de desempenharem
parte do papel da camada 2 do padrão OSI
(através da camada de Controle de Acesso ao
Meio), desempenham também o papel da
camada 1, a camada física. Esses padrões
definem outros detalhes como, por exemplo, o
tipo de conector que será usado pela placa de
rede.
• Em geral quando usamos o termo protocolo de
rede normalmente estamos nos referindo a
protocolos que trabalham nas camadas 3 e 4 do
modelo OSI, como o TCP/IP. O padrão Ethernet
trabalha nas camadas 1 e 2 e, portanto, podem
coexistir com outros protocolos comerciais.
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Representação do que ocorre no mundo real
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Representação do que ocorre no mundo real
• O modelo OSI apresenta um modelo de sete
camadas que em princípio, poderia usar até
sete protocolos (um para cada camada) para
fazer uma rede funcionar. Na prática, para que
computadores consigam trabalhar em rede, uma
série de protocolos são usados, em geral cada
um equivalendo a uma ou mais camadas do
modelo OSI.
• Os protocolos IEEE 802. trabalham nas
camadas 1 e 2 e podem ser usados em
conjunto com outros protocolos comerciais,
como o TCP/IP.
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Camada Física padrão IEEE 802
• A camada física pega os quadros
enviados pela camada de Controle de
Acesso ao Meio e os envia para o meio
físico (cabeamento).
• A camada física do padrão IEEE 802
define também o tipo de topologia usada
pela rede e o tipo de conector usado pela
placa de rede, e conseqüentemente, o tipo
de cabo que será usado.
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• O mais importante a saber sobre a camada física do
padrão IEEE 802 é que ela pega os 0s e 1s enviados
pela camada de Controle de Acesso ao Meio e não os
envia diretamente para o cabo, sendo esses dados
antes codificados.
• Para entendermos melhor como essa codificação
funciona, vamos estudar o funcionamento de um
algoritimo chamado Manchester, ele é usado por redes
Ethernet (IEEE 802.3) operando a 10 Mbps.
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Codificação Manchester
• A Codificação
Manchester transforma
um bit 0 em uma
descida de 1 para 0 e
um bit 1 em uma subida
de 0 para 1, como
mostra a figura.
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Codificação Manchester
• Esse sistema de codificação obriga o dado transmitido a
ter uma inversão de fase (isto é, passar de 0 para 1 ou
de 1 para 0) sempre.
• Exemplo, se o dado a ser transmitido for 00000000,
com essa codificação o dado passará a ter 8 inversões
de fase, enquanto originalmente não haveria nenhuma.
•
• Independentemente do dado que está sendo
transmitido, sempre haverá uma inversão de fase por bit
transmitido. Dessa maneira, é criado um sistema de
sincronismo entre o transmissor e o receptor, isto é, um
sistema de clock, embora teoricamente este sinal não
exista durante a transmissão.
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Codificação Manchester
• No dispositivo receptor esse sinal de clock podeser
criado através de um circuito chamado Digital Phase
Locked Loop (DPLL), que se encarrega de contar
essas variações de fase e gerar um sinal de clock a
partir dessas variações.
• Como a codificação Manchester obriga a ter uma
variação de fase por bit enviado, o receptor, em conjunto
com esse circuito gerador de clock, pode facilmente
receber os bits que estão sendo enviados, isto é, pode
facilmente saber a hora de início e a ahora de término
de cada bit enviado, já que haverá um sinal de
sincronismo.
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Codificação Manchester
• Normalmente em transmissões em sére, se faz
necessário o uso de informações adicionais de
start bit e stop bit (que indicam,
respectivamente, o início e o fim do byte
transmitido) – que se tornam desnecessárias
com esse esquema, tornando a transmissão
mais rápida e mais eficiente.
• No slide seguinte vemos o exemplo de
codificação do dado 01001011 usando esta
técnica. Como você pode contar, há oito
inversões de fase, uma para cada bit.
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Codificação Manchester
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Controle de Acesso ao Meio (MAC)
• Define o uso de um endereço MAC (MAC
Adress) em cada placa de rede.
• Cada placa de rede existente em um dispositivo
conectado à rede possui um endereço MAC
único, que é gravado em hardware e
teoricamente não há como ser alterado (isto é, a
placa de rede vem de fábrica com esse
endereço gravado). Esse endereço utiliza seis
bytes, como por exemplo, 02608C428197.
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Controle de Acesso ao Meio (MAC)
• Os endereços MAC são representados
por números em hexadecimal. Cada
algarismo em hexadecimal equivale a um
número de quatro bits. Dessa forma, um
byte é representado por dois algarismos
em hexadecimal e, como isso, o endereço
MAC é sempre representado como um
conjunto de 12 algarismos em
hexadecimal.
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Controle de Acesso ao Meio (MAC)
•
Estrutura de um endereço MAC :
O IEEE padronizou os endereços MAC como mostrado na figura acima :
• Os três primeiros bytes são o endereço OUI (Organizationally Unique Identifier),
que indicam o fabricante da placa de rede.
•Os três último bytes são controlados pelo fabricante da placa de rede, e cada
placa de rede produzida por cada fabricante recebe um número diferente.
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Controle de Acesso ao Meio (MAC)
• Cada fabricante que quiser produzir placas de
rede deve se cadastrar no IEEE para obter seu
número OUI
• Cada fabricante é responsável por controlar a
numeração MAC das placas de rede que
produz.
• Um mesmo fabricante pode ter mais de um
endereço OUI, evitando assim problema de ter
produzido mais placas que o o número de
endereços disponível que possui para numerar
suas placas.
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Controle de Acesso ao Meio (MAC)
• No quadro enviado a rede, a camada de
Controle de Acesso ao Meio irá incluir o
endereço MAC de origem e de destino.
• A placa de rede contendo o endereço de
destino irá capturar o quadro, enquanto as
demais placas de rede não entrarão em
ação naquele momento.
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Controle de Acesso ao Meio (MAC)
• A Camada de Controle de Acesso ao Meio controla o
uso do cabo. Ela verifica se o cabo está ou não
ocupado. Se o cabo estiver ocupado, o quadro não é
enviado.
• Caso o quadro seja enviado ao mesmo tempo em que
outra máquina, haverá uma colisão, que é detectada
pelas camadas de Controle de Acesso ao Meio das
máquinas envolvidas com a colisão.
• Essa camada então espera o cabo ficar livre para tentar
uma retransmissão, esperando um período aleatório de
tempo, para que não ocorra uma nova colisão.
• Esse processo todo é chamado de CSMA/CD.
• A camada MAC usa usa um driverr para acessar a
camada física, que é justamente o driver da placa de
rede.
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Estrutura de um quadro MAC
• O quadro MAC é passado para a camada física
(através do driver da placa de rede) para ser enviado
para o cabeamento da rede. Os dados presentes no
quadro são fornecidos pela camada Controle do Link
Lógico (LLC), que estudaremos na seqüência.
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24
Estrutura de um quadro MAC
Num quadro MAC encontramos as seguintes informações:
•Preâmbulo : marca o início do quadro. Composto por 7 bytes 10101010.
Junto com o SFD forma um padrão de sincronismo, isto é ao encontrar
sete bytes 10101010 e um byte 10101011 (ver SFD), o dispositivo sabe
estar diante do início de um quadro. Na realidade esse padrão 10101010
gerará, por causa da codificação Manchester, um sinal de clock de 10
Mhz (estamos falando da velocidade padrão Ethernet de 10 Mbps,
utilizado no sincronismo entre o transmissor e o receptor.
•SFD (Start of Frame Delimiter): é um byte 10101011.
•Endereço MAC de destino: Neste campo é incluído o endereço MAC
da placa de rede de destino, que possui seis bytes.
•Endereço MAC de origem: Informa o endereço MAC da placa de rede
que está gerando o quadro, também possui seis bytes.
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Estrutura de um quadro MAC
•Comprimento: Indica quantos bytes estão sento transferidos no campo
de dados do quadro. Como veremos, esse tamanho é variável e não fixo.
•Dados: são os dados enviados pela camada de controlo de Link Lógico
(LLC). Possui um comprimento mínimo de 46 bytes e máximo de 1500
bytes.
•Pad: Se a camada LLC enviar menos do que 46 bytes de dados para a
camada MAC, serão inseridos dados chamados pad para que o campo
de dados atinja o tamanho mínimo de 46 bytes.
•FCS (Frame Check Sequence): Possui informaçoes para o controle de
correções de erro (CRC). Possui 4 bytes. O CRC é o resultado de uma
soma com os dados no campo de dados do quadro MAC.
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Estrutura de um quadro MAC
• Sendo o campo de dados do quadro usado em redes Ethernet
variável, lembrando que ele pode conter entre 46 e 1500 bytes, o
tamanho de um quadro Ethernet também é variável, entre 72
bytes e 1526 bytes.
• Se dois quadros forem enviados em sequência e não ocorrerem
colisões, haverá um “espaço” em brando esse esses dois
quadros, chamado gap, de 9,6 µs
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Estrutura de um quadro MAC
• Vamos supor uma rede Ethernet padrão de com velocidade de 10
Mbps, esse tempo entre os quadros (gap) corresponde a 12 bytes.
• Como chegamos a esse valor ? A conta é uma regra de três : 9,6 µs
x 10.000.000 bps ÷ 1 s ÷ 8 ( a divisão por oito é para obtermos o
resultado em bytes e não em bits )
• Para efeitos de cálculos práticos, devemos levar esse espaço em
consideração, portanto na prática o tamanho mínimo de um quadro
Ethernet é de 84 bytes e o máximo, 1538 bytes.
• O número de quadros por segundo em uma rede Ethernet varia
entre 14880 quadros por segundo (quadro com 46 bytes de dados)
e 812,74 quadros por segundo (quadro com 1500 bytes de dados).
Isso numa rede Ethernet padrão de 10 Mbps. 10 Mbps = 1250000
bytes (10000000 ÷ 8), depois é só dividir pelo tamanho do quadro
que já está em bytes.
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Controle do Link Lógico (LLC)
• Permite que mais de um protocolo seja usado acima dela
(protocolos de camada 3, Rede, no modelo OSI).
• Ela define pontos de comunicação entre o transmissor e o receptor
chamados SAP.
• SAP (Service Access Point, ou Ponto de Acesso a Serviços).
• No próximo slide exemplificamos três conexões entre os
computadores A e B. Essas conexões poderiam ser efetuadas por
três diferentes protocolos na camada superior da pilha de
protocolos que está sendo utilizada nos computadores.
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Controle do Link Lógico (LLC)
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Controle do Link Lógico (LLC)
• O papel da camada de Controle do Link Lógico (LLC) é adicionar
ao dado recebido informações de quem enviou a informação (o
protocolo responsável por passar essa informação) para que, no
receptor, a camada de Controlo do Link Lógico consiga entregar a
informação ao protocolo de destino, que conseguirá ler a
informação corretamente.
• Sem essa camada, caso os computadores estivessem usando mais
de um protocolo de alto nível, o receptou não entenderia o dado
recebido, pois não saberia para qual protocolo (camada 3 no
modelo OSI) ele deveria entregar aquele dado.
• Portanto a camada Controle do Link Lógico serve para endereçar o
quadro de dados a um determinado protocolo da camada 3 do
modelo OSI no computador de destino, permitindo que exista mais
de um protocolo desta camada nos computadores da rede.
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Estrutura do Quadro LLC
• A camada LLC passa para a camada inferior, MAC, um
dado que pode ter um tamanho que varia entre 46 e
1500 bytes. Desses bytes de dados, oito são usados
para armazenar informações de controle inseridas por
esta camada, sendo que os dados são passada da
camada superior (camada de Rede no modelo OSI).
Esses dados adicionados são o endereçamento SAP de
origem e de destino, que como vimos, significa o
protocolo usado na conexão.
• Originalmente, um quadro LLC adicionava apenas 3
byte de controle aos dados recebidos das camada
superior (SAP de origem, SAP de destino e controle).
• O IEEE resolveu padronizar os números SAP (assim
como ocorre com os edereços MAC)
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28
Estrutura do Quadro LLC
• Um determinado grupo de bits significa o
fabricante/desenvolvedor do protocolo e o outro
grupo de bits significa qual é o protocolo.
• A estrutura do endereço SAP seria a seguinte:
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Estrutura do Quadro LLC
• O endereço SAP é um número de um byte,
sendo que dentro dos oito bits disponíveis, dois
são reservados e portanto não podem ser
usados no endereçamento. Com isso sobram
apenas seis bits.
• Dado o grande número de protocolos existentes
ou que venham a existir seis bits é muito pouco,
inclusive para usar a estrutura proposta no slide
anterior, que necessita de cinco bytes (40 bits).
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Estrutura do Quadro LLC
• Para que o endereçamento SAP possa funcionar
corretamente para indicar o protocolo que enviou o dado
a ser transmitido criou-se um novo campo, chamado
SNAP (Sub Network Access Protocol, Protocolo de
Acesso a sub-rede), que utiliza a estrutura apresentada
no slide 60.
• Quando o campo SNAP é utilizado, os campos contento
os endereços SAP de origem e destino são colocados
em 10101010, que indica o uso do campo SNAP para
fazer o endereçamento dos protocolos usados.
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Estrutura de um quadro de controle LLC
Nesse quadro encontramos os seguintes campos:
•DSAP (Destination Service Access Point): Indica o endereço SAP de
destino (possui 1 byte). Se o campo SNAP for usado o valor do DSAP é
fixado em 10101010.
•SSAP (Source Service Access Point): Indica o endereço SAP de oritem
(um byte). Se o campo SNAP for usado, o SSAP é fixado também em
10101010.
•Controle : Também chamado CTL. Pode assumir três valores.
–UI (Unumbered Information): utilizado quando é transmitido dados.
–XID (eXchange IDentification): utilizado para a troca de dados de
identificação entre o transmissor e o receptor.
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30
Estrutura de um quadro de
controle LLC
–Teste: o transmissor envia um dado e o receptor o envia de volta,
para testar a comunicação.
•Código: é o código do fabricante/desenvolvedor do protocolo, definido
pelo IEEE (ver figura do slide 140).
•Tipo: é o código dado pelo fabricante/desenvolvedor ao seu protocolo.
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Comutação (switching)
• Na camada de enlace / link de dados
ocorre a comutação (switching)
• A comutação é baseada no endereço de
hardware, portanto o endereço MAC.
• Existem dois equipamentos que fazem a
comutação na camada de Enlace:
Switches e Bridges.
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Switches x Bridges
• Embora Switches e Bridges sejam definidos na camada
de Enlace/Link de Dados, ambos são dispositivos
bastante diferentes, vamos expandir nesse momento os
conceitos básicos que tinhamos até o momento.
• As principais diferenças entre Switches e Bridges são:
– Bridges possuem processamento baseado em SW. Switches
tem o processamento baseado em HW (chips ASICs).
– Bridges só podem ter uma ocorrência de Spanning Tree já os
Switches podem ter várias.
– Bridges tem no máximo de 16 portas já os Switches podem ter
centenas, pois o hardware é dedicado.
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Switches
• Na camada de enlace um switch tem 3
funções principais:
– Aprendizagem de endereços.
– Decisões de Filtragem / encaminhamento.
– Esquema de inibição de loops.
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Switches
• Importante saber sobre switches:
– Processo de comutação baseado em
hardware, eles utilizam chips chamados
“ASICs”, para montar e manter tabelas de
filtragem (filter tables), que estudaremos na
sequência.
– Velocidade de transmissão limitada ao meio.
– Baixa Latência/espera (low latency).
– Baixo Custo.
– Alta Eficiência.
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Processo de Aprendizagem de endereços
• Tabela MAC – todo switch monta uma tabela, que chamamos de
tabela MAC, ele mapeia os MAC Adress dos dispositivos que estão
conectados às suas portas.
• Quando ligamos um switch pela primeira vez, obviamente, essa
tabela se encontra vazia.
• Se algum dispositivo inicia uma transmissão e uma porta (interface)
do switch recebe um quadro/frame, o switch armazena o Mac
Adress em sua tabela MAC juntamente com a informação da
interface/porta à qual esse dispositivo está conectado.
• Nesse momento o switch “inunda” a rede com esse quadro/frame
pois ele não tem ainda em sua tabela MAC o registro da localização
do dispositivo de destino. (Voltando aos conceitos básicos nesse
momento ele atua como um HUB).
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Processo de Aprendizagem de endereços
• Esse tipo de transmissão, que “inunda” toda a rede com
o quadro/frame é chamada de broadcast.
• Se algum dispositivo responder ao broadcast enviando
um quadro/frame de volta, o switch irá extrair o MAC
Adress do dispositivo e registrá-lo em sua tabela MAC,
associando esse MAC Adress à interface/porta que
recebeu o quadro/frame.
• A tabela MAC do Switch agora possui dois endereços.
Portando o switch pode estabelecer uma conexão ponto
a ponto entre os dois dispositivos.
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Processo de Aprendizagem de endereços
• Portando os quadros/frames dessa transmissão serão
encaminhados apenas a esses dois dispositivos.
Nenhuma outra porta do switch irá receber os frames
dessa transmissão, somente as portas que foram
mapeadas.
• Relembrando os conceitos já estudados, essa é a
grande diferença entre switches e hubs. Se temos uma
rede composta por hubs, os frames/quadros são
encaminhados a todas as portas, o tempo todo, o que
obviamente gera um grande domínio de colisão.
• A tabela MAC é atualizada continuamente, caso ocorra
dos dois dispositivos não se comunicarem com o switch
por um tempo, após um período de tempo ele irá deletar
os endereços de sua tabela MAC.
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Processo de Aprendizagem de endereços
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Processo de Aprendizagem de endereços
• No slide anterior é mostrado o funcionamento do
processo.
• Temos seis computadores interligados por um switch. O
computador 1 quer se comunicar com o computador 6.
O slide mostra exatamente como é feita a comunicação,
notem que a tabela MAC desse switch já está
devidamente montada.
• Embaixo de cada computador temos o MAC Adress de
sua placa de rede e cada um deles estaá conectado a
uma porta do switch (e0, e1, ...).
• Temos também a tabela MAC montada para essa rede.
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Decisões de Filtragrem e Encaminhamento
• Filtragem (frame filtering):
– Quando um quadro/frame chega numa interface/porta de um
switch, o MAC Adress de destino é comparado com os
endereços armazenados na tabela MAC, se o endereço de
destino estiver registrado na tabela, o quadro/frame será
encaminhado apenas para a porta/interface de saída que está
associada a esse endereço. Esse processo preserva a largura
de banda de outros segmentos da rede.
– Entretanto como sabemos pode ocorrer do MAC Adress de
destino não constar na tabela MAC do Switch, quando isso
ocorre o frame/quadro é replicado para todas as
interfaces/portas ativas do switch (broadcasting) com exceção
da interface/porta pela qual ele foi recebido.
– Se após o broadcasting, algum dispositivo responder a
transmissão, a tabela MAC é automaticamente atualizada.
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Inibição de Loops
• Como sabemos as redes de computadores tem
que ter alta disponibilidade, para garantirmos
alta disponibilidade é necessário pensarmos em
redundância, dessa maneira estabelecer
conexões (links) redundantes entre switches se
faz necessário, assim evitamos uma queda
completa de uma rede.
• Entretanto a redundância de links pode nos
trazer alguns problemas. Basta imaginar que
frames/quadros podem ser propagados através
de todos os links redundantes simultâneamente,
a este fenômeno chamamos loop.
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Inibição de Loops
• A redundância de conexões(links) também
pode ocasionar outros problemas:
– Broadcast Storm.
– Um dispositivo receber diversas cópias do
mesmo frame/quadro.
– Tabela MAC não confiável/Confusa
– Múltiplos loops, o que pode até travar a rede.
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Inibição de Loops
• SOLUÇÃO: Protocolo Spanning Tree (STP):
– Criado originalmente pela DEC (Digital Equipament
Corporation) hoje já extinta.
– Algum tempo depois o IEE homologou uma versão
própria do protocolo denominada IEEE 802.1d.
– Função principal : Evitar loops de rede de camada de
Enlace/Lonk de Dados.
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Protocolo Spanning Tree (STP) :
FUNCIONAMENTO
• O protocolo STP monitora a rede e identifica todos os
links ativos.
• Ele evita a ocorrência de loops desativando links
redundantes.
• O protocolo STP desativa links redundantes “elegendo”
um switch-raiz também chamado root bridge.
• O Switch raiz ou root bridge se torna responsável pela
definição de toda a topologia da rede.
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SWITCH RAIZ (ROOT BRIDGE)
• Só pode existir um switch raiz em uma rede.
• Denominamos todas as portas /interfaces do
switch raiz como “portas designadas”
(designated ports)
• As “portas designadas do switch raiz ficam no
modo de operação chamado “modo de
encaminhamento” (forwarding-state).
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E OS OUTROS SWITCHES DA
REDE ?
• São denominados “não raiz” (non-root bridges).
• A porta de “menor custo” ao switch raiz é
chamada de “porta-raiz” (root port).
Nota : o menor custo é determinado pela
largura de banda do link em questão.
• Essa porta raiz estará em modo de
encaminhamento (pode enviar e receber dados)
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• As portas restantes com menor custo ao switchraiz são denominadas “portas designadas”.
• Em uma rede com diversos switches se o custo
de duas ou mais portas for idêntico, o ID do
switch deverá ser usado e será considerada
designada a porta referente ao switch com o
menor ID.
• As demais portas são consideradas portas nãodesignadas e ficarão em modo bloqueio
(blocking mode), não podendo enviar ou receber
dados.
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Determinação do Switch-Raiz
• A troca de informações entre Switches e Bridges rodando STP é
feita através de BPDUs (Bridge Protocol Data Units).
• BPDUs enviam mensagens de configuração via frames/quadros
broadcast.
• O ID de cada switch é enviado aos outros dispositivos através das
BPDUs.
• Na determinação do switch-raiz utilizamos o ID do switch.
• O ID de um switch tem um comprimento de 8 bytes e inclui o valor
de prioridade (priority value) e o MAC Adress.
• O valor de prioridade default para todos os dispositivos rodando a
versão IEEE do STP é 32.768 (IMPORTANTE !)
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Determinação do Switch-Raiz
• Na determinação do switch-raiz, os valores de
prioridade e MAC Adress são combinados.
• Como dois switches terem o mesmo valor de
prioridade é algo bastante comum, então o MAC
Adress é utilizado para a determinação do
switch-raiz.
• O Switch com o ID mais baixo será o switchraiz.
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40
Determinação do Switch-Raiz
• Exemplo:
– Em nossa rede temos dois switches, ambos com o
valor de prioridade default que é 32.768.
– O Switch A tem o MAC Adress 0000.0f11.aab2.1111.
– O Switch B tem o MAC Adress 0000.0f11.aab2.1112.
– Como o Switch A possui o menor ID ele seria definido
como switch raiz (0000.0f11.aab2.1111 <
0000.0f11.aab2.1112, lembrando que nesse caso
ambos possuem a prioridade default que é 32.768.
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Determinação da Porta Designada
• Falamos anteriormente do “custo” do link, para
determinação das portas/interfaces que serão
utilizadas para a comunicação com o switch-raiz
precisamos determinar o custo do link
conectado à porta/interface.
• O protocolo STP determina o custo se
baseando na largura de banda disponível para
cada link.
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Largura de Banda
• Largura de Banda em inglês, bandwitdth. Quantidade
de informação que pode ser transmitida em um
determinado meio de comunicação durante uma
unidade de tempo.
• A largura de uma banda de freqüência eletromagnética
significa quão rápido os dados fluem, seja numa linha de
comunicação ou no barramento de um computador.
Quanto maior a largura de banda, mais informações
podem ser enviadas num dado intervalo de tempo. Pode
ser expressa em bits por segundo (bps), bytes por
segundo (Bps) ou ciclos por segundo (Hz).
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Modos de Operação das Portas de
um Switch
• Blocking:
– Não encaminha frames/quadros.
– Recebe e analisa BPDUs.
– Quando um switch é ligado todas as suas
portas estão em blocking.
• Listening:
– Recebe e analisa BPDUs com o objetivo de
se certificar que não ocorrerão loops na rede
antes de iniciar o encaminhamento de
frames/quadros.
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Modos de Operação das Portas de
um Switch
• Learning:
– Registra os MAC Adress dos dispositivos
conectados as interfaces/portas e monta a
tabela MAC.
– Ainda não encaminha frames/quadros.
• Forwarding:
– Envia e recebe frames/quadros
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Definição de Convergência
• Ocorre quando os switches encerram a alternância entre seus
quatro modos, ou seja vai do modo blocking para o modo
forwarding.
• Durante o processo de convergência não ocorre transmissão de
dados.
• É esse processo que assegura a confiabilidade de todas as tabelas
MAC de todos os switches da rede.
• Em média esse processo demora 50 segundos, o que é
considerado um problema, esse tempo pode ser alterado mas não é
recomendado, pois pode comprometer a confiabilidade das tabelas
MAC.
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Exercício
• Para fixarmos os conceitos apresentados
vamos fazer um exercício. Observem a
ilustração no próximo slide e de acordo com os
conceitos determine explicando :
–
–
–
–
O Switch-Raiz;
A porta-raiz;
As portas designadas;
As portas não-designadas;
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