2.b-Redes locais

Redes de Computadores

1/27Rui SilvaResponsável: Data: Pág.:

2007 / 2008Versão

1.0

2 – Redes locaisTecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais

2 – Tecnologias de redes locais



2007 / 2008Versão

1.0

2.6 – Rede Ethernet

2.6 REDES locaisTecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais



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1.0

IEEE 802 Normalizações LAN e o modelo OSIModelo por camadas normalizado IEEE até ao nível 2 OSI (ligação de dados)

Extende o serviço datagrama oferecido pela camada MAC

•Serviços HDLC do tipo Unacknowleged (LLC tipo1)•Serviços HDLC do tipo orientado à ligação (LLC tipo2)•Permite a troca de informação entre LAN’s com diferentes protocolos MAC

Coordena o acesso ao meio partilhado•Endereça os computadores na rede (MAC Address)•Providencia a transferência dos datagramas modo “connectionless”•Não providenciam mecanismos de controlo de erros (Apenas verificam CRC)

•Mecanismos de controlo de erros e retransmissão

IEEE802 Normalizações LANRedes Locais

Tecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais



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1.0

Meios Físicos transmissãoMeios físicos de transmissão

Par entrançado

•A proximidade entre o cabo de sinal e a massa, leva a que o ruído devido a interferências electromagnéticas externas seja induzido em ambos os condutores, reduzindo o seu efeito na diferença do sinal•O entrelaçamento dos cabos reduz a diafonia

Sem malha de protecção exterior – UTP – “Unshielded twisted pair”

Com malha de protecção exterior – STP – “Shielded twisted pair”

Balanceados


TX+TX-RX+

RX-

NCNC

NCNC



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Meios físicos de transmissãoPar entrançado

•Divisão em categorias UTP – Norma EIA-568-A




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1.0

2.6.1 – Rede Ethernet

2.6.1 Rede EthernetTecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais



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1.0

Rede EthernetHistória•Desenvolvida em meados dos anos 70 por Robert Metcalfe na XEROX para interligar estações de trabalho•No início dos anos 80, foi completado um “standard” pela DEC, IBM e Xerox - DIX operando a 10 Mbpssobre cabo coaxial

•1985–ethernet DIX foi a base para o “standard” IEEE 802.3 (Diferem principalmente no cabeçalho da trama)

((http://http://www.ethermanage.com/ethernet/ethernet.htmlwww.ethermanage.com/ethernet/ethernet.html))Primeiros desenhos de Robert Metcalfe No centro de pesquisa da Xerox de Palo Alto

•Relatório original da ethernet publicado no ACM http://www.acm.org/classics/apr96/

Tecnologias de redes LocaisTecnologias de redes LocaisHistória -DIX



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1.0

A camada físicaNormalização 802.3

Várias configurações para camadas físicas existentes para as redes 802.3

Notação para as diferentes configurações físicas

<Débito Binário em Mbps><Tipo de sinalização><Tamanho máx. segmento em centenas de metro>

Tecnologias de redes LocaisTecnologias de redes LocaisIEEE 802.3 Ethernet Notação



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A camada físicaNormalização 802.3 – Ethernet a 10 Mbps

Nós por segmento

Comprimento máxSegmento (m)

Topologia

Sinalização

Meio Transmissão

33-30100

2000100185500

Ponto a pontoESTRELABUSBUS

Banda Base Codificação Manchester ou On OFF

Banda Base Codificação Manchester



Fibra óptica 850nmPar entrançadoCabo Fino Coaxial 50 Ohm

Cabo Grosso Coaxial 50 Ohm

10BaseF10Base-T10Base210Base5

Especificações 802.3 a 10 Mbps

Várias configurações para camadas físicas existentes para as redes 802.3

10MbpsTecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais



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1.0

Normalização 802.3u – Ethernet a 100Mbps ou Fast Ethernet


Topologia

Sinalização

Meio Transmissão

1002000100100

ESTRELA / PTPESTRELA / PTPESTRELA / PTPESTRELA / PTP

8B6T-NRZ4B5B-NRZI4B5B-NRZI+MLT-34B5B-NRZI+MLT-3

UTP cat 3 4 pares (VoiceGrade)

Fibra Optica MultimodoCabo UTP Cat 5 2 paresCabo STP 2 pares

100BASE-T4100BASE-FX100BASE-TX

Especificações 802.3u a 100 Mbps

A camada física

FastEthernet

- 100BASE-T4. Opera unicamente no modo HALF-DUPLEX- 100BASE-TX/FX. Operam em FULL-DUPLEX.




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1.0

Normalização 802.3z – Ethernet a 1000Mbps ou Gigabit Ethernet

Especificações 802.3z a 1000 Mbps

A camada física

GigabitEthernet

8B10B8B10B8B10B8B10BSinalização


Topologia

Meio Transmissão

100m25m5 Km550m

ESTRELAESTRELAESTRELAESTRELA

Cabo entrançado Cat. UTPCabo Cobre com MalhaFibra óptica monomodoFibra óptica multimodo

1000BaseT1000BaseCX1000BaseLX (Long Wave)

1000BaseSX (Short Wave)




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1.0

A camada físicaNormalização 802.3 –Ethernet

Extensão do segmento

- Comprimento máximo do segmento = 500m (10BASE5) e 185m (10BASE2)- Pode ser estendido recorrendo a repetidores de sinal- Os repetidores não isolam colisões nem broadcasts- Aumentam os atrasos de propagação do sinal




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1.0

A camada físicaNormalização 802.3 – Ethernet

10BASET– Topologia em Estrela

Distância do HUB à Máquina máxima de 100m

<=100m

Fisicamente é um BUS, com 1 único domínio de colisão


HUB (Concentrador de rede)



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1.0

Comutador Ethernet (Switch)A camada física

Switch Ehernet

Permitem evitar completamente as colisõesÉ um comutador de pacotes, para tramas Ethernet que actua ao nível 2 (MAC) do OSI - data linkCada porto é isolado, e cria o seu próprio domínio de colisão

HUB => 1 domínio de colisãoSWITCH => Vários domínios de colisão




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1.0

Subcamada MAC – IEEE 802.3

SubCamada MACTecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais



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1.0

Controlo de acesso ao meioSubcamada MAC – IEEE 802.3

•Utilização CSMA-CD (modo 1-persistente do CSMA modificado. Espera 9.6uS antes

•Cada estação espera até o canal estar desocupado, envia os dados após 9.6us de espera•Durante a transmissão a estação mantêm-se à escuta de colisões (CSMA/CD)

•Caso ocorra colisão, pára imediatamente de transmitir, envia sequência a reportar colisão (JAM)

•Caso não ocorra nenhuma colisão em 2x Tp, a estação captura o canale espera período aleatório de tempo

de transmitir se o meio estiver livre – IFG ou Inter Frame Gap)

= 2x Tp + margem de segurança

Acesso ao meio

Ethernet 802.3 Slot Time (2.69)(2.69)

- O Slot Time limita o tamanho da trama, de modo a ser possível a detecção de colisões




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Subcamada MAC – IEEE 802.3Algoritmo exponencial de Backoff (Truncated Exponential backoff)

•O tempo é seleccionado entre 0 e 12 −k com ( )10,min nk = n nº de retransmissõese

•Não aumenta o tempo após 10ª retransmissão•Desiste após 16 colisões

•Após n Colisões espera um número aleatório entre 0

k Uniformemente distribuído entre n e 10

Algoritmo:•Inicializa Slot Time = 2tp•Após 1ª Colisão espera 0 ou 1 slot times

•Desiste após 16 colisõese 2k-1 slot times

- Algoritmo para cálculo do tempo que uma máquina espera para retransmitir

While Attempts < AttemptLimit

K = min (Attempts, BackoffLimit)

Backoff delay = Random (0, 2K-1) x SlotTime

Tecnologias de redes LocaisTecnologias de redes LocaisExponential Backoff

após uma colisão de tramas



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Diâmetro máximo da rede

AA

BB

Subcamada MAC – IEEE 802.3

Diâmetro da rede

Definidos para a norma mais restritiva: 10BASE5

5 Segmentos ligados por 4 repetidores

3 Segmentos com máquinas1 domínio de colisão com 1024 máquinas2 ligações ponto a ponto entre repetidores (sem máquinas)

CC

S1 S2 S3 S4 S5

R1 R2 R3 R4

Comprimento máximo do segmento Sn = 500m




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1.0


•Tempo máximo de processamento na máquina:

25.6us, ou metade do Slot Time

(2.71)(2.71)

Subcamada MAC – IEEE 802.3AA CC

S1 S2 S3 S5

R1 R2 R3 R4

•Atraso de propagação máximo de cada repetidor:

•Atraso de propagação máximo de cada segmento: svpdSt nnp μ5.2

102500

8)( =×

===

•Tempo de bit = sMbps

tb μ1.010

1==

•Tempo de propagação total

ssssMRSt nnnp μμμμ 9.231.123.245.25245 =×+×+×=++=

sM n μ1.1=sRn μ3.2=

•Margem de segurança: ss μδ 4.3= •Slot Time: st sp μδ 2.512 =+

•Tamanho mínimo de trama: bitsMbpsLsRLtT spx 5122.51102.512 ≥×≥⇔≥⇔+≥ μμδ (2.72)(2.72)

Tecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais Cálculo diâmetro máximo da rede

(2.70)(2.70)



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1.0

•Limitação no tamanho máximo da trama MAC•Caso uma estação capture o canal, garante-se que não haverá colisões, pelo que esta ocuparáo canal só para si enquanto tiver dados para transmitir.

•É especificado um limite máximo de 1518 bytes (excluindo preâmbulo e SD) para 802.3

Subcamada MAC – IEEE 802.3Tecnologias de redes LocaisTecnologias de redes Locais

Carga máxima teórica (aproximada) da rede


•Atrasos aumentam drasticamente com a carga devido às colisões

•Regra empírica de dimensionamento •A carga média na rede nunca deve exceder os 50% da capacidade, sendo boa prática apontar para valores de 30%•Para segmentos de 10Mbps tenho uma carga efectiva de 3Mbps

•O tempo de propagação tem enorme impacto no desempenho da rede etherneta94.001.0 max =⇒= ρa

44.02.0 max =⇒= ρa a44.611

max +≈ρ

Atrasos médios na rede ethernet

Devido ao CSMA/CD

•Análise matemática dos atrasos virtualmente impossível



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1.0

Estrutura da trama MAC

Estrutura da trama

TRAMA MAC IEEE 802.3

(10101010)7

Onda Quadrada para sincronismo

Octetos

Delimitador de trama10101011

Endereçamento camada 2

Comp. Campo Informação

Informação CRC-32

Garante funcionamento do CSMA/CD

Notas:•O tamanho da trama é variável de 64 a 1518 bytes excluindo preâmbulo e SD•O tamanho o campo informação varia entre 46 e 1500 Bytes (Overhead = 18 bytes, exc. Preamb. e SD)•O FCS é calculado sobre todos os campos excepto Preâmbulo, SD e FCS


•Polinómio gerador:



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1.0

Endereçamento

Endereçamento

Endereço 48 bit

OUIOUI HostHost NumberNumber

3 bytes 3 bytes

•Primeiros 3 octetos :OUI – Organizational Unique Identifier – Identifica o fabricante. Ex: 00-00-0C Cisco02-60-8C 3Com

•Permite endereços ( 3 octetos) por OUI (Pode haver vários OUI por fabricante)242

Endereço universal

•Endereço Universal: Sequência de 6 octetos

((http://http://standards.ieee.org/regauth/oui/tutorials/lanman.htmlstandards.ieee.org/regauth/oui/tutorials/lanman.html))


•Endereço MAC (MAC Address)



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1.0

Representação dos endereços

•Forma canónica ou hexadecimal

•Forma não canónica ou binária


- O MAC é representado pela ordem de transmissão dos bits no meio físico

- O MAC é representado pela ordem dos bits em memória. Usada nas redes Ethernet

01-30-B6-01-00-9E

80-0C-6D-80-00-7A

•Passagem da forma canónica a não canónica: Troca do MSB e LSB de cada octeto

Usado nas redes Token Ring e FDDI



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1.0

•I/G bit – 1º bit (o mais à esquerda) na representação binária ou não canónicaEndereçamento

- 0 – Endereço Unicast -> Endereço único da placa do computador de destino- 1 – Endereço Multicast -> Endereço atribuído para uma aplicação multicast. Identifica um grupo de computadores de destino

•U/L bit – 2º bit (o mais à esquerda) na representação binária ou não canónica

- 0 – Endereço Universal -> O adaptador de rede usa o seu MAC Address em ROM- 1 – Endereço Administrado Localmente -> O endereço pode ser alterado pelo administrador: Poderão surgir endereços duplicados

- Significado apenas como Endereço de Destino

- Endereço Broadcast -> Endereço que significa “Todas as estações” representado pelos 6 bit a “1”Hexa: FF-FF-FF-FF-FF-FF




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2.6 Redes LocaisResumo

•Introdução•Normalização IEEE 802•Meios Físicos de transmissão•Rede ethernet

•Nota histórica

•Subcamada MAC IEEE 802.3


•IEEE 802.3•DIX

•IEEE 802.3u Fast Ethernet•IEEE 802.3z GIgabit Ethernet•Hubs e Switches

•Acesso ao meio•Diâmetro da rede•Estrutura da trama•Endereçamento



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ReferênciasReferências


LeonLeon Garcia Garcia –– CommunicationCommunication NetworksNetworks, Cap. VI , Cap. VI

StallingsStallings –– Data Data andand ComputerComputer communicationscommunications Cap. XV (LANCap. XV (LAN’’s)s)TannembaumTannembaum –– ComputerComputer NetworksNetworks Cap.IV (Cap.IV (MediumMedium AcessAcess ControlControl SublayerSublayer))

HALSALL HALSALL –– Data Data communicationscommunications, , ComputerComputer NetworksNetworks andand OpenOpen SystemsSystems (Cap. VI LAN (Cap. VI LAN ProtocolsProtocols))SpurgeonSpurgeon –– EthernetEthernet TheThe definitivedefinitive GuideGuide ((CapCap I, II, IV, V)I, II, IV, V)GilbertGilbert –– EthernetEthernet NetworksNetworks, Design, , Design, ImplementationImplementation, , OperationOperation andand ManagementManagement ((CapCap III, IV)III, IV)



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FIMFIM


Documents

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