4 – Equipamentos de interligação de redes

Redes de Comunicações
Capítulo 4
4 – Equipamentos de interligação de redes
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Redes de Comunicações
Equipamentos
• Equipamentos passivos: cabos, conectores, distribuidores, …
• Equipamentos informáticos: PC’s e servidores
• Equipamentos activos: repetidores, hubs, switchs, routers
Permitem:
– A ligação de sistemas terminais à rede
– A interligação de vários troços ou segmentos dentro de uma rede
– A interligação de redes distintas
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Redes de Comunicações
Placa de rede/NIC (Network Interface Card)
• Todos os computadores de uma rede
necessitam de placa de rede
– para se poderem ligar à rede
• Cada placa possui um endereço MAC
único
• Os endereços Ethernet (MAC) são de
48 bits (6 bytes), e são
convencionalmente apresentados em
hexadecimal:
-
De 00:00:00:00:00:00 a FF:FF:FF:FF:FF:FF
- Os 3 bytes mais significativos
representam o código do fabricante e
os 3 restantes o número de série
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Repetidores
• Todo o sinal eléctrico recebido numa
das interfaces é regenerado e
transmitido na outra
• Aumento do comprimento máximo
entre terminais
• Baratos, fáceis de instalar
• Limitado o número de repetidores entre
terminais
• Funcionam ao nível da camada física
• Não interpretam as tramas (não têm
funcionalidade de armazenamento)
• Não isolam tráfego
• Erros são propagados (colisões também
são enviadas)
• Introduz atrasos
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Repetidor
Segmento A
Segmento B
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Concentradores/hubs
•
•
•
•
•
Repetidor para múltiplas portas
O sinal numa entrada é regenerado e
transmitido para todas as outras
portas
As estações ligadas ao hub recebem
todo o tráfego que passa através dele
aumentado assim a probabilidade de
ocorrerem colisões
Impossíveis transmissões simultâneas
A capacidade do meio é partilhada
por todas as estações (tal como num
barramento)
Tipos de hubs:
• Activo: regenera o sinal
• Passivo: usado como ponto de ligação
• Inteligente: pode fazer diagnósticos por
exemplo detectar erros
Símbolo lógico:
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Concentradores/hubs (2)
• Hubs são encontrados com 5, 8, 24 e 36
portas
• Podem ter tipos de portas diferentes
– par entrançado, coaxial, fibra óptica
• Podem-se empilhar: hubs “stackable”
– aumentando o número de portas à
medida das necessidades
– possui uma porta de alto débito que
permite o empilhamento
• Podem apresentar gestão remota
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Ligação estação final/Concentrador
• Cabo UTP ou STP directo
• Extremos do cabo
– Interface da estação de
trabalho (porta MDI)
– Porta normal do hub (porta
MDI-X)
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Concentradores em Cascata
• Opção quando número de
portas não é suficiente para
ligar todas as estações
• Introduz atrasos
• Máximo de 4 hubs entre
estações finais (Ethernet)
• Como interligar:
– duas portas quaisquer dos
concentradores com cabo cruzado
(crossover)
– cabo directo entre porta normal do
primeiro hub e porta MDI do
segundo
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Concentradores em Uplink
• Interligação mais eficiente dos
barramentos internos dos
concentradores
• Permite estender a gestão de um
concentrador através das portas
de uplink
• Ligação com cabo directo entre
porta IN de um hub com porta
OUT do outro hub
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Repetidores/Hubs – Vantagens e Desvantagens
• Vantagens:
– interligar diferentes tipos de meios físico, tais como cabos coaxiais, de fibra óptica e par
entrançado
• Exemplo: ligação inter-edifícios
– estender o alcance geográfico da rede até o máximo permitido pelo protocolo de controle
de acesso aos meios físicos
• Exemplo: padrão Ethernet especifica que um sinal pode percorrer um cabo com uma distância
máxima de 500 metros (10Base5)
– usando quatro repetidores para interligar 5 segmentos de cabo, pode-se cobrir uma distância de 2500
metros
• Desvantagens:
– pode-se acabar por obter uma rede local muito sobrecarregada
• comportando um número muito grande de nós
• aumento do atraso de propagação → imposição de um número máximo de repetidores
– Não filtram tráfego
• Uma colisão num segmento da rede local é propagado aos segmentos restantes
– repetidores não podem ser usados para interligar diferentes tecnologias de rede
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Pontes/bridges
• Para além de funções semelhante aos repetidores:
– Interpretam as tramas de rede
– Operam nos níveis 1 e 2
– Tramas podem ser filtradas, sendo enviadas apenas para o segmento onde está o
endereço de destino
– Isolam tráfego entre segmentos, diminuindo a probabilidade de colisão
– Não propagam erros detectados nas tramas
– Existência de buffers para tramas (permite suportar picos de pedidos, p. ex.)
– Possibilidade de interligar redes de nível 2 diferentes (ethernet e token ring)
Símbolo lógico:
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Pontes - funcionamento
•
A ponte mantém uma tabela (cache) dinâmica com os endereços MAC e as portas a eles
associadas
1. Se o endereço de destino da trama pertence está associado à porta de chegada da trama, a
ponte não faz nada
2. Se o endereço de destino da trama está associado à outra porta da ponte, a ponte reencaminha
a trama
3. Se o endereço de destino da trama não está associado a nenhuma porta da ponte é feito um
broadcast
4. Se o endereço de destino é FF:FF:FF:FF:FF:FF é feito um broadcast para todas as portas
•
•
A ponte encaminha ou rejeita os quadros, baseado nas entradas da tabela
Os endereços são aprendidos a partir do endereço de origem
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Pontes – segmentação
•
Segmentação é o processo de substituir concentradores (hubs) por pontes (bridges) ou comutadores
(switches) para aumentar o número de domínios de colisão
– Muitas estações numa LAN => redução da largura de banda
– À medida que distância entre estações aumenta a rede perde eficiência (aumento do round trip delay) –
limite de 2,5 Km para redes 802.3
– Solução segmentação da rede criando várias LAN’s interligadas por uma ponte
•
•
Segurança – Segmentando LAN’s o tráfego não circula fora dos segmentos a que se destina
reduzindo o risco de ser capturado por utilizadores maliciosos
Aumentar a fiabilidade
– Numa única rede local, um nó defeituoso que continua transmitindo um fluxo contínuo de lixo irá danificar
a rede local
– As pontes podem ser inseridas em posições críticas, para evitar que um único nó com problemas possa
fazer cair todo o sistema
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Comutadores/switches
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Operam nos níveis 1 e 2
São semelhantes a bridges multi-porta
Micro segmentação é maior - aumentam o nº de domínios de colisão
Maior circunscrição de erros e colisões
A rede torna-se mais segura e muito mais rápida
Melhor utilização da largura de banda
Mais utilizadores podem comunicar ao mesmo tempo
Mais caros
Encaminha quadros baseado no endereço MAC do destino e na tabela de
encaminhamento
• Aprende a localização de uma estação examinando o endereço de origem dos quadros
Símbolo lógico:
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Switch – Comutação cut-through
•
Lê o endereço MAC (destino) assim que o quadro chega
– Após descobrir a porta destino, envia o quadro para essa porta, antes mesmo de o
receber completamente na porta de origem
•
Poucos switches são totalmente cut-through, pois este modo de comutação não
permite nenhum tipo de correcção de erros
•
Comutação simétrica (porta de origem e de destino operam à mesma taxa)
•
Permite a menor latência através do switch
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Redes de Comunicações
Switch – Comutação store-and-forward
•
Neste método, o switch lê todo o quadro para o buffer, e verifica se existem
erros de CRC
– Se existir algum problema, o quadro será descartado
– Se estiver OK, verifica qual é a porta associada ao endereço MAC de destino
e encaminha o quadro
•
Muitos switches usam cut-through até que um certo nível de erros seja alcançado
– A partir desse momento, passam a operar em store-and-forward
•
Permite diferentes taxas de transmissão para a transmissão e recepção
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Redes de Comunicações
Switch – Comutação fragment-free
• É uma solução intermediária entre os modos cut-through e store-andforward
• Inicia a transmissão depois de receber os primeiros 64 bytes, mas antes
de receber a totalidade do quadro
– permite verificar que não é um fragmento de colisão
• a maior parte dos erros ocorre nos primeiros 64 bytes de um quadro
– verifica a confiabilidade das informações do endereçamento e do protocolo
LLC, garantindo que o destino e o tratamento dos dados estejam correctos
• Utiliza comutação assimétrica
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Estados de um switch
• Switches usam o mesmo mecanismo que as pontes para criar as suas
tabelas de endereços físicos
• Diferentes estados:
– Learning
• Acontece quando um switch lê o endereço MAC origem de um quadro e o
armazena na sua tabela de endereços
– Flooding
• Se um switch não sabe para onde enviar um quadro, ele envia-o para todas as
portas, menos para a porta de origem
– Forwarding
• ocorre quando um switch envia um quadro de uma porta para outra
– Filtering
• os quadros destinados a um mesmo segmento não são propagados para os
restantes segmentos
– Aging
• de tempos em tempos, as entradas na tabela de endereços são removidas
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VLAN – Virtual Local Area Network
• VLAN = agrupamento lógico de
dispositivos e utilizadores
– Por departamento, função, aplicação
• Implementada por software
• Um switch físico pode dar origem
a vários switchs lógicos
• Segurança – Utilizadores ficam
limitados aos recursos da sua
VLAN
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VLAN - características
• Independente da
localização física do
utilizador
• Cada VLAN é um
domínio de difusão
(broadcast) fechado
• Comunicação entre
VLANS diferentes
apenas possível com um
router
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VLANs atravessando mais do que um switch
Protocolo 802.1Q
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Spanning Tree Protocol – 802.1d
• Se os switches A e B tiverem as suas MAC Address Table vazias, e o PC1 quiser enviar
dados para o PC3 originar-se-á um bridging loop
• E se for enviado uma trama de broadcast?
• Redes utilizam redundância de switches
para em caso de avaria haver um
caminho alternativo
• Para evitar broadcast storms e outros
problemas associados ao loop de
topologia, foi criado o STP - Spanning
Tree Protocol, que foi padronizado pelo
IEEE como 802.1d
• O resultado da resolução e eliminação
de loops com a utilização de STP é a
criação de uma árvore hierárquica lógica
sem loops. No entanto, os caminhos
alternativos ainda estarão disponíveis
caso sejam necessários
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Redes de Comunicações
STP - Estados das portas
• Cada switch inicia um procedimento de
descobrimento para determinar quais são os
portas que devem ser activadas para alcançar um
determinado segmento de rede
• Quadros especiais chamados Bridge Protocol
Data Units (BPDU) são trocados entre os
switches
• Cada porta do comutador (a usar STP) está num
estado:
– Blocking: as portas estão bloqueadas (apenas recebem
BPDUs)
– Listening: o switch está à escuta (aprende a topologia)
enviando e recebendo BPDUs podendo participar na
eleição do Root Bridge
– Learning: Envia e recebe BDPUs e constrói a tabela de
endereços MAC
– Forwarding: Envia e recebe dados, envia e recebe
BPDUs e mantém o funcionamento da tabela de
endereços MAC
– Desactivado (desligado administrativamente)
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STP – Como funciona
• Faz-se a eleição de um switch de root (Root Bridge)
• É construído um caminho para cada switch, com início no
Root Bridge
• O caminho escolhido é sempre o de menor custo (DC)
• O custo é calculado com base na velocidade de cada porta
• Os links reduntantes que não fazem parte do caminho mais
curto são bloqueados
• Tramas recebidas nos links bloqueados não são
encaminhadas
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STP – Eleição do Root Bridge
•
Cada switch possui uma identificação conhecida como Bridge ID (BID) - 8 bytes (2 bytes para
prioridade (Bridge Priority) e 6 bytes para o MAC do switch)
•
A eleição do Root Bridge é feita com base no menor BID encontrado na rede
–
Bridge Priority: A faixa de números que poderão compor o Bridge Priority é de 0 a 65.535, sendo o valor por
defeito é 32.768.
•
E se todos possuírem o mesmo Bridge Priority?
– Outro critério deverá ser adoptado para a eleição do Root Bridge: o MAC address
–
MAC address: A porção MAC address possui 6 bytes. O switch que possuir o menor valor numérico para o
MAC address, será escolhido para ser o Root Bridge
•
Inicialmente, ao ser ligado, um switch assume que é o Root Bridge
•
Envia uma BPDU em que ele próprio se considera Root e com prioridade por defeito de 32768
•
Os outros switches da rede recebem o BPDU e substituem o Root BID por um Root BID de
prioridade de menor ordem
•
Os switches a receberem os BPDUs determinam qual o switch da rede que deverá ser o Root Switch
•
O switch que for desempenhar o papel de Root Bridge deverá ser o mais robusto
•
A alteração do Bridge Priority é uma prática correcta para garantir que se verifique o pressuposto
anterior
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Redes de Comunicações
STP – Papel das portas
•
•
Baseado na localização da Root Bridge, os
outros switches determinam quais das suas
portas têm o menor custo para alcançar a Root
Bridge
– Essas portas são chamadas root ports. Cada
switch tem que ter uma e só uma root port
Designated ports - aquela cuja função é
transmitir os BPDUs para uma Root Port. Só
pode haver uma por segmento
– O primeiro exemplo de Designated Port
está no próprio Root Bridge
• Se o custo for o mesmo, o switch com o
menor BID será escolhido
• Se o custo for o mesmo, a porta com o
menor PID será escolhida
•
Non-designated ports e backup ports- são as
portas que estão bloqueadas para um
segmento (blocking state). Essas portas
podem ser activadas, em caso de falha nas
designated ports
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STP – Exemplo
Root Bridge
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STP – Topologia activa
Topologia inicial
Topologia activa resultante
Root Bridge
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Encaminhadores/Routers
• Operam na camada 3
• Encaminham pacotes da origem ao destino
com base no endereço IP e pelo caminho
mais eficiente
• Escolha do caminho é feita com base em
algoritmos de encaminhamento:
– Protocolos de encaminhamento mais utilizados
nas redes TCP/IP:
• RIP, OSPF, IGRP, BGP
• Conduz os pacotes de dados do nó fonte ao
nó destino atravessando vários nós
intermédios
– Um computador pode servir de router instalando
uma ou mais placas de rede adicionais e software
que implementa o protocolo de encaminhamento
– Mais comum é usar routers dedicados
Símbolo lógico:
• por razões de desempenho
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Routers
•
•
•
Ao receber um pacote o router processa-o
– Determina o sistema ao qual deve ser enviado
• O host destino
– Se se encontrar na mesma rede que o router
• Ou outro router
– No caminho para o host destino
O processamento é feito salto a salto e pacote a pacote
Interligam redes distintas
– interligação de redes de diferentes tecnologias
– interligação de redes de diferentes âmbitos
– interligação de sub-redes
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Segmentação de LANs
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Redes de Comunicações
Segmentação de LANs
•
Porquê?
–
Isola o tráfego entre segmentos
–
Atinge-se maior largura de banda por utilizador ao criar domínios de colisão menores
–
Estende o comprimento efectivo de uma LAN, permitindo a ligação de estações mais distantes
•
As LANs são segmentados por dispositivos como bridges, switches e routers
•
Segmentação com pontes:
•
•
–
As pontes aumentam a latência (atraso na chegada do quadro ao destino) numa rede em 10 a 30%
–
Uma ponte é considerado um dispositivo store-and-forward porque tem de receber todo o quadro e calcular o CRC (cyclic
redundancy check) antes de efectuar o reencaminhamento
–
O tempo necessário para desempenhar estas tarefas pode reduzir as transmissões da rede, causando atrasos
Segmentação com switches:
–
Permite a uma LAN trabalhar mais rapidamente e mais eficientemente
–
A largura de banda disponível pode chegar aos 100%
–
Um computador ligado directamente a um comutador Ethernet não pertence a nenhum domínio de colisão, dispondo a
tempo inteiro de 10/100Mbps
Segmentação com routers:
–
Possibilitam o maior nível de segmentação, pela capacidade de fazer determinações exactas de para onde enviar os dados
–
Operam com uma maior taxa de latência
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Broadcast da camada 2
• Endereço MAC de destino: FF-FF-FF-FF-FF-FF
– Todas as máquinas recebem
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Segmentação do domínio de Broadcast
• Apenas feito por routers
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Redes de Comunicações
Referências
• Funcionamento do Spanning Tree Protocol
– http://www.ciscotrainingbr.com/modules.php?name=News&
file=article&sid=56&mode=&order=0&thold=0
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