Capítulo 3 Comunicação em uma Rede Local

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Os três elementos
O principal objetivo de qualquer rede é fornecer um método para comunicar e compartilhar informações. O compartilhamento de informações com outras pessoas é crucial para a evolução humana, desde os seres humanos mais primitivos até os cientistas mais avançados da atualidade.
A comunicação se inicia com uma mensagem (ou informação) que deve ser enviada de um indivíduo ou dispositivo para outro. Os métodos usados para enviar, receber e interpretar mensagens mudam ao longo do tempo com os avanços tecnológicos.
Todos os métodos de comunicação possuem três elementos em comum. O primeiro desses elementos é a origem da mensagem (ou remetente). As origens da mensagem são pessoas ou dispositivos eletrônicos que precisam enviar uma mensagem para outros indivíduos ou dispositivos. O segundo elemento de comunicação é o destino, ou receptor, da mensagem. O destino recebe a mensagem e a interpreta. O terceiro elemento é o meio de transmissão (ou canal). Ele fornece o caminho pelo qual os dados podem trafegar da origem até o destino.
Protocolos de comunicação
A comunicação em nossa vida diária apresenta muitas formas e ocorre em vários ambientes. Temos diferentes expectativas se estamos conversando por meio da Internet ou participando de uma entrevista de emprego. Cada situação tem seus comportamentos e estilos correspondentes esperados.
Antes de começarmos a nos comunicar, estabelecemos regras ou acordos para direcionar a conversa, como mostram as Figuras 1 a 3. Essas regras, ou protocolos, devem ser seguidas para que a mensagem seja transmitida e entendida adequadamente. Entre os protocolos que direcionam a comunicação humana bem sucedida estão:
· Um emissor e um receptor identificados
· Acordo sobre o método de comunicação (cara a cara, por telefone, carta, foto)
· Língua e gramática comum
· Velocidade e ritmo de transmissão
· Requisitos de confirmação ou recepção
As técnicas usadas nas comunicações de rede compartilham esses fundamentos com as conversas humanas.
Pense nos protocolos aceitos normalmente para enviar mensagens de texto para seus amigos. Clique aqui para uma atividade sobre regras de protocolo.
Por que os protocolos são importantes?
Assim como os seres humanos, os computadores usam regras (ou seja, protocolos) para se comunicarem. Os protocolos são necessários para que os computadores se comuniquem corretamente na rede. Em ambientes com e sem fio, uma rede local é definida como uma área onde todos os hosts devem "falar a mesma linguagem" ou, na terminologia dos computadores, "compartilhar um protocolo comum".
Se todas as pessoas em uma sala falarem uma linguagem diferente, não conseguirão se comunicar. O mesmo acontecerá se os dispositivos em uma rede local não usarem os mesmos protocolos.
Os protocolos de rede definem muitos aspectos de comunicação na rede local, como tempo, codificação, formato, tamanho e padrões de mensagem.
Clique em cada sinal de adição (+) na figura para obter mais informações.
A Internet e os padrões
Com o número cada vez maior de novos dispositivos e tecnologias on-line, como é possível gerenciar todas as mudanças e continuar oferecendo serviços como e-mail de maneira confiável? A resposta está nos padrões da Internet.
Um padrão é um conjunto de regras que determina como algo deve ser feito. Os padrões de rede e de Internet asseguram que todos os dispositivos conectados à rede implementem o mesmo conjunto de regras ou protocolos da mesma forma. O uso de padrões permite que diferentes tipos de dispositivos enviem informações entre si pela Internet. Por exemplo, o modo como um e-mail é formatado, encaminhado e recebido por todos os dispositivos segue um padrão. Se uma pessoa enviar um e-mail através de um computador pessoal, outra pessoa poderá usar um celular para receber e ler o e-mail, desde que o telefone celular utilize os mesmos padrões do computador pessoal.
Clique em Play na figura para ver mais informações sobre padrões da Internet.
Empresas de padrões de rede
Um padrão da Internet é o resultado final de um ciclo completo de discussão, solução de problemas e teste. Esses diferentes padrões são desenvolvidos, publicados e mantidos por vários organizações internacionais, como mostrado na figura. Quando um novo padrão é proposto, cada etapa do processo de desenvolvimento e aprovação é registrada em um documento numerado de Solicitação de comentários (RFC), para que a evolução do padrão seja monitorada. As RFCs sobre padrões da Internet são publicadas e gerenciadas pelo IETF (Internet Engineering Task Force).
Você pode acessar o site do IETF em http://ietf.org.
Crescimento
Uma comunicação bem-sucedida entre hosts requer interação entre vários protocolos. Esses protocolos são implementados em software e hardware instalados em cada host e dispositivo de rede.
A interação entre os diferentes protocolos em um dispositivo pode ser representada como uma pilha de protocolos, como mostrado na figura. Uma pilha ilustra os protocolos como uma hierarquia em camadas, com cada protocolo de alto nível dependendo dos serviços dos protocolos mostrados nos níveis inferiores.
A separação das funções permite que cada camada na pilha opere de forma independente das outras. Por exemplo, você pode usar seu notebook conectado a um modem a cabo em casa para acessar seu site favorito ou consultar o mesmo site no notebook usando a rede sem fio da biblioteca. A função do navegador da Web não é afetada por alterações na localização física ou no método de conectividade.
Uso de um modelo de camadas
Os modelos em camadas ajudam a visualizar o funcionamento conjunto dos diversos protocolos para possibilitar comunicações de rede. Um modelo de camadas representa a operação dos protocolos ocorrendo dentro de cada camada, bem como a interação com as camadas acima e abaixo dela. O modelo em camadas tem muitas vantagens:
· Auxilia na elaboração de protocolo, porque os protocolos que operam em uma camada específica possuem informações definidas de que atuam sob uma interface definida às camadas acima e abaixo.
· Estimula a competição porque os produtos de diferentes fornecedores podem trabalhar em conjunto.
· Permite que ocorram mudanças tecnológicas em um nível sem que outros níveis sejam afetados.
· Fornece um idioma comum para descrever funções e habilidades de rede.
O primeiro modelo em camadas para comunicações inter-rede foi criado no início dos anos 1970 e é conhecido como modelo de Internet. Ele define quatro categorias de funções que devem ocorrer para que a comunicação seja bem sucedida. O conjunto de protocolos TCP/IP usado para comunicações de Internet segue a estrutura desse modelo, como mostrado na figura. Por causa disso, o modelo de Internet é comumente chamado de modelo TCP/IP.
Diferentes tipos de modelos de rede
Usamos dois tipos básicos de modelo para descrever as funções que devem ocorrer para que as comunicações de rede sejam bem-sucedidas: modelos de protocolo e modelos de referência.
· Modelo de protocolo – esse modelo corresponde muito bem à estrutura de um conjunto específico de protocolo. Um conjunto de protocolos inclui o conjunto de protocolos relacionados que normalmente fornecem toda a funcionalidade necessária para as pessoas se comunicarem com a rede de dados. O modelo TCP/IP é um modelo de protocolo, visto que descreve as funções que ocorrem em cada camada de protocolos dentro do conjunto TCP/IP.
· Modelo de referência – Este tipo de módulo descreve as funções que devem ser concluídas em uma determinada camada, mas não especifica exatamente como uma função deve ser realizada. Um modelo de referência não deve fornecer um nível suficiente de detalhes para definir com precisão como cada protocolo deve trabalhar em cada camada. A principal finalidade de um modelo de referência é ajudar a entender melhor as funções e os processos necessários para as comunicações de rede.
O modelo de referência inter-rede mais conhecido foi criado pelo projeto Open Systems Interconnection da ISO (International Organization for Standardization). Ele é usado para
elaboração de rede de dados, especificações de operação e resolução de problemas. Esse modelo costuma ser chamado de modelo OSI.
Clique em cada camada na figura para obter mais informações sobre o modelo OSI.
Divisão das tarefas
A movimentação de dados em uma rede pode ser visualizada com as sete camadas do modelo OSI, como mostrado na figura. O modelo OSI divide as comunicações de rede em vários processos. Cada processo é uma pequena parte da tarefa maior.
Por exemplo, em uma fábrica de veículos, o veículo inteiro não é montado por uma única pessoa. Em vez disso, ele passa por várias estações, onde equipes especializadas adicionam componentes específicos. A complexa tarefa de montar um veículo é simplificada pela divisão em tarefas gerenciáveis e lógicas. Esse processo também facilita a solução de problemas. Quando ocorre um problema no processo de fabricação, é possível isolar o problema na tarefa específica em que o defeito aconteceu e corrigi-lo depois.
De maneira semelhante, o modelo OSI ajuda a focar em uma camada para identificar e resolver problemas de rede. As equipes de rede costumam fazer referência às diferentes funções que ocorrem em uma rede pelo número da camada do modelo OSI que especifica essa funcionalidade. Por exemplo, o processo de codificar os bits de dados para a transmissão através da mídia ocorre na Camada 1, a camada física. A formatação de dados para que eles possam ser interpretados pela conexão de rede no notebook ou no telefone é descrita na Camada 2, a camada de link de dados.
Comparação entre os modelos OSI e TCP/IP
Como o TCP/IP é o conjunto de protocolos usado nas comunicações de Internet, por que precisamos conhecer também o modelo OSI?
O modelo TCP/IP é um método para visualizar as interações dos diversos protocolos que compõem o conjunto de protocolos TCP/IP. Ele não descreve as funções de rede que são necessárias, mas que não usam protocolos TCP/IP. Por exemplo: na camada de acesso à rede, o conjunto de protocolos TCP/IP não especifica quais protocolos devem ser usados na transmissão por um meio físico, nem o método de codificar os sinais de transmissão. As Camadas 1 e 2 do modelo OSI discutem os procedimentos necessários para acessar a mídia e o meio físico para enviar dados por uma rede.
Os protocolos que compõem o conjunto de protocolo TCP/IP podem ser descritos em termos do modelo de referência OSI. As funções que ocorrem na camada de Internet do modelo TCP/IP estão incluídas na camada de rede do modelo OSI, como mostrado na figura. A funcionalidade da camada de transporte é a mesma entre os dois modelos. No entanto, a camada de acesso à rede e a camada de aplicação do modelo TCP/IP são divididas no modelo OSI para descrever funções discretas que devem ocorrer nessas camadas.
Por que Ethernet?
Nos primórdios das redes, cada fornecedor utilizava seus próprios métodos de interconectar dispositivos de rede e protocolos de rede. Se você adquirisse equipamentos de fornecedores diferentes, não havia garantias de que eles funcionariam em conjunto. O equipamento de um fornecedor podia não se comunicar com o equipamento de outro.
Com a expansão das redes, foram desenvolvidos padrões que definiram regras para a operação de equipamentos de rede de diferentes fornecedores. Os padrões são vantajosos para as redes porque:
· Facilitam o design
· Simplificam o desenvolvimento de produtos
· Promovem a concorrência
· Fornecem interconexões consistentes
· Facilitam o treinamento
· Oferecem mais opções de fornecedor aos clientes
Não há um protocolo oficial de padrão de rede local, mas, com o tempo, uma tecnologia se tornou mais comum do que as outras: a Ethernet. Os protocolos Ethernet definem como os dados são formatados e transmitidos pela rede com fio. Os padrões Ethernet especificam protocolos que operam nas Camadas 1 e 2 do modelo OSI. Ela passou a ser um padrão de fato, o que significa que a Ethernet é a tecnologia usada por quase todas as redes locais com fio, como mostrado na figura.
Ethernet em constante evolução
O Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE) mantém os padrões de rede, como Ethernet e padrões sem fio. Os comitês do IEEE são responsáveis por aprovar e manter os padrões para conexões, requisitos de mídia e protocolos de comunicação. Cada padrão de tecnologia recebe um número referente ao comitê responsável por aprovar e manter o padrão. O comitê responsável pelos padrões de Ethernet é o 802.3.
Desde a criação da Ethernet em 1973, os padrões evoluíram para especificar versões mais rápidas e flexíveis da tecnologia. Essa capacidade da Ethernet de melhorar ao longo do tempo é um dos principais motivos de ela ter se tornado tão popular. Cada versão da Ethernet tem um padrão associado. Por exemplo, o 802.3 100BASE-T representa o 100 Megabit Ethernet com padrões de cabo de par trançado. A notação padrão significa que:
· 100 é a velocidade em Mb/s
· BASE significa transmissão de banda base
· T significa o tipo de cabo, neste caso, par trançado.
As primeiras versões da Ethernet eram relativamente lentas, a 10 Mb/s. As versões mais recentes da Ethernet operam a 10 Gb/s ou mais. Imagine o quanto mais rápidas são essas novas versões em relação às redes Ethernet originais.
Arraste a barra deslizante na figura pela linha do tempo para ver como os padrões de Ethernet evoluíram ao longo do tempo.
Endereçamento Ethernet
A comunicação exige uma forma de identificar a origem e o destino. A origem e o destino na comunicação humana são representados por nomes.
Quando seu nome é chamado, você ouve a mensagem e responde. Outras pessoas na sala podem ouvir a mensagem, mas a ignoram porque não foi endereçada a elas.
Nas redes Ethernet, existe um método semelhante para identificar os hosts de origem e de destino. Cada host conectado a uma rede Ethernet recebe um endereço físico que serve para identificar o host na rede.
Todas as interfaces de rede Ethernet têm um endereço físico atribuído a elas na fabricação. Esse endereço é conhecido como endereço MAC (Media AccessControl). O endereço MAC identifica cada host de origem e de destino na rede.
Clique em Play na figura para ver quadros sendo enviados entre hosts. 
Encapsulamento
Ao enviar uma carta, quem a escreve usa um formato aceito para garantir que ela seja entregue e compreendida pelo destinatário. Da mesma forma, a mensagem enviada por uma rede de computadores segue regras específicas de formato para que seja entregue e processada.
O processo de colocar um formato de mensagem (a carta) em outro formato de mensagem (o envelope) é chamado encapsulamento. O desencapsulamento ocorre quando o processo é invertido pelo destinatário e a carta é retirada do envelope. Assim como uma carta é colocada dentro de um envelope para ser entregue, no caso das mensagens de computador elas são encapsuladas.
Cada mensagem de computador é encapsulada em um formato específico, chamado de quadro, antes de ser enviada pela rede. Um quadro atua como um envelope: ele fornece o endereço do destino desejado e o endereço do host de origem. O formato e o conteúdo de um quadro são determinados pelo tipo de mensagem que está sendo enviada e pelo canal no qual é comunicada. As mensagens que não são formatadas corretamente não são entregues ao host destino com êxito, nem processadas por ele.
Clique em Play na figura para ver o processo de desencapsulamento.
Estrutura da mensagem
Os padrões do protocolo Ethernet definem muitos aspectos da comunicação de rede, como o formato e o tamanho do quadro, o tempo e a codificação.
Quando as mensagens são enviadas entre hosts em uma rede Ethernet, os hosts as formatam no layout de quadro que foi especificado pelos padrões. Os quadros também são conhecidos como unidades de dados de protocolo (PDUs) da Camada 2. Isso ocorre porque os protocolos que fornecem as regras para a criação e o formato do quadro executam as funções que são especificadas na camada de link de dados (Camada 2) do modelo OSI.
O formato de quadros Ethernet especifica o local dos endereços MAC de destino e
de origem, além de informações adicionais, como:
· Preâmbulo para sequenciamento e tempo
· Delimitador de início de quadro
· Tamanho e tipo de quadro
· Sequência de verificação de quadro para detectar erros de transmissão
Clique no sinal de adição (+) de cada campo do quadro para ver uma descrição resumida.
O tamanho de quadros Ethernet geralmente é limitado a um máximo de 1.518 bytes e um tamanho mínimo de 64 bytes do campo Endereço MAC de destino até a Sequência de verificação de quadro. O preâmbulo e o SFD servem para indicar o início do quadro. Não são usados no cálculo do tamanho do quadro. Os quadros que não corresponderem a esses limites não serão processados pelos hosts receptores. Além dos formatos de quadro, dos tamanhos e do tempo, os padrões de Ethernet definem como os bits que compõem os quadros são codificados no canal. Os bits são transmitidos como impulsos elétricos através de cabos de cobre ou como impulsos de luz através de cabos de fibra óptica.
Por que as redes precisam de um design hierárquico?
Imagine como a comunicação seria difícil se a única forma de enviar uma mensagem para alguém fosse usar o nome da pessoa. Se não houvesse limites de endereço, cidade ou país, entregar uma mensagem a uma pessoa específica no mundo inteiro seria quase impossível.
Clique nos botões na figura para ver uma forma hierárquica de encontrar um local.
Em uma rede Ethernet, o endereço MAC do host é semelhante ao nome de uma pessoa. Um endereço MAC exibe a identidade individual de um host específico, mas não indica onde ele está localizado na rede. Se cada um dos hosts na Internet (milhões e milhões deles) fosse identificado apenas por seu endereço MAC exclusivo, imagine como seria difícil localizar um host específico.
Além disso, a tecnologia Ethernet gera uma grande quantidade de tráfego de broadcast para que os hosts se comuniquem. Os broadcasts são enviados para todos os hosts dentro de uma única rede. Eles consomem largura de banda e reduzem o desempenho da rede. O que aconteceria se todos milhões de hosts conectados à Internet estivessem em uma única rede Ethernet e usassem broadcasts?
Por essas duas razões, grandes redes Ethernet com vários hosts não são eficientes. É melhor dividir redes maiores em redes menores e mais gerenciáveis. Uma forma de fazer isso é usar um modelo de design hierárquico.
Vantagens de um modelo de design hierárquico
Nas redes, o design hierárquico é usado para agrupar dispositivos em várias redes que são organizadas em uma abordagem em camadas. Esse método de projetar redes consiste em grupos menores e mais gerenciáveis que permitem que o tráfego permaneça local. Somente o tráfego destinado a outras redes é movido para uma camada superior.
Um design hierárquico em camadas oferece eficiência, otimização de função e maior velocidade. Ele permite que a rede se expanda conforme necessário porque outras redes locais podem ser adicionadas sem afetar o desempenho das existentes.
Como mostrado na figura, o design hierárquico tem três camadas básicas:
· Camada de acesso – Esta camada fornece conexões a hosts em uma rede Ethernet local.
· Camada de distribuição – Esta camada interconecta redes locais menores.
· Camada do núcleo – Esta camada fornece uma conexão de alta velocidade entre dispositivos da camada de distribuição.
Com um design hierárquico, há necessidade de um esquema de endereçamento lógico que possa identificar a localização de um host. O esquema de endereçamento mais comum na Internet é o Protocolo de Internet versão 4 (IPv4). O Protocolo de Internet versão 6 (IPv6) é o protocolo de camada de rede que está sendo implementado como substituição do IPv4. IPv4 e IPv6 coexistirão no futuro. A partir deste ponto do curso, o termo IP se referirá tanto a IPv4 como a IPv6.
Endereços físicos e lógicos
O nome de uma pessoa geralmente não muda. O endereço de uma pessoa, por outro lado, refere-se ao local onde mora e pode ser alterado. Em um host, o endereço MAC não muda; ele é atribuído fisicamente à NIC do host e é conhecido como endereço físico. O endereço físico permanece o mesmo, independentemente de onde o host está localizado na rede.
O endereço IP é semelhante ao endereço de uma pessoa. Ele é conhecido como endereço lógico porque é atribuído logicamente com base na localização do host. O endereço IP (ou endereço de rede) é atribuído a cada host por um administrador de rede com base na rede local.
Os endereços IP contêm duas partes. Uma parte identifica a rede local. A porção de rede do endereço IP será a mesma para todos os hosts conectados à mesma rede local. A segunda parte do endereço IP identifica o host individual. Dentro da mesma rede local, a porção de host do endereço IP é exclusiva para cada host.
Os endereços MAC físico e IP lógico são necessários para que um computador se comunique em uma rede hierárquica, assim como o nome e o endereço de uma pessoa são necessários para enviar uma carta.
Clique nos dois sinais de adição (+) na figura para ver as duas partes do endereço IP.
Acesso, distribuição e núcleo
O tráfego IP é gerenciado de acordo com as características e os dispositivos associados a cada uma das três camadas do modelo de design hierárquico na rede: acesso, distribuição e núcleo.
Camada de Acesso
A camada de acesso fornece um ponto de conexão à rede para dispositivos de usuário final e permite que vários hosts se conectem a outros hosts por um dispositivo de rede, geralmente um switch ou um access point. Normalmente, todos os dispositivos dentro de uma única camada de acesso terão a mesma porção de rede do endereço IP.
Se uma mensagem é destinada a um host local, com base na porção de rede do endereço IP, a mensagem permanece local. Caso ela seja destinada a uma rede diferente, será passada para a camada de distribuição. Os switches fornecem a conexão para os dispositivos da camada de distribuição, geralmente um roteador.
Camada de distribuição
A camada de distribuição fornece um ponto de conexão para redes separadas e controla o fluxo de informações entre as redes. Normalmente, ela contém switches mais eficientes do que a camada de acesso, além de roteadores para fazer o roteamento entre redes. Os dispositivos da camada de distribuição controlam o tipo e a quantidade de tráfego que flui da camada de acesso para a camada do núcleo.
Camada central
A camada do núcleo é uma camada de backbone de alta velocidade com conexões (de backup) redundantes. Ela é responsável por transmitir grandes quantidades de dados entre várias redes finais. Os dispositivos da camada do núcleo normalmente incluem roteadores e switches de alta velocidade e muito eficientes. O objetivo principal da camada do núcleo é transportar dados rapidamente.
Clique em cada sinal de adição (+) na figura para ver uma foto desse dispositivo associado a cada camada.Figura 1 CAMDA ACESSO: dispositivo SWITCH
Figura 2 CAMADA DISTRIBUIÇÃO: dispositivo ROTEADOR
Figura 3 CAMADA CENTRAL: dispositivo PROCESSADOR DE ROTEAMENTO DE SWITCH
Dispositivos da camada de acesso
A camada de acesso é o nível básico da rede. É a parte da rede em que as pessoas recebem acesso a outros hosts e a arquivos compartilhados e impressoras. A camada de acesso atua como a primeira linha de dispositivos de rede que conectam hosts à rede Ethernet com fio.
Os dispositivos de rede nos permitem conectar muitos hosts entre si e concedem a esses hosts acesso aos serviços oferecidos pela rede. Ao contrário da rede simples que consiste em dois hosts conectados por um único cabo, na camada de acesso cada host está conectado a um dispositivo de rede. Esse tipo de conectividade é mostrado na figura.
Em uma rede Ethernet, cada host pode se conectar diretamente a um dispositivo de rede da camada de acesso usando um cabo Ethernet. Esses cabos são fabricados para atender a padrões Ethernet específicos. Cada cabo é conectado a uma NIC do host e depois a uma porta no dispositivo de rede. Existem vários tipos de dispositivos de rede que podem ser usados para conectar hosts na camada de acesso, como switches Ethernet.
Hubs de Ethernet
As redes Ethernet originais se conectavam a todos os hosts com um único cabo, da mesma forma como os cabos de TV a cabo estão conectados hoje nas residências. Todos os usuários na rede compartilhavam a largura de banda disponível no cabo. Com a popularização das redes Ethernet, conectar todos em um único cabo não era mais prático, nem mesmo possível. Por isso, os engenheiros desenvolveram um tipo diferente de tecnologia de rede que facilitasse conectar e reconectar vários dispositivos à rede. O primeiro desses tipos de dispositivos de rede foi o Hub Ethernet.
Os hubs contêm várias portas que são usadas para conectar hosts à rede. São dispositivos simples, que não têm a eletrônica necessária para decodificar as mensagens enviadas entre hosts na rede. Os hubs não podem determinar qual host deve receber uma mensagem em particular. Eles simplesmente aceitam sinais eletrônicos de uma porta e tornam a gerar (ou repetem) a mesma mensagem para as outras portas. Todos os hosts conectados ao hub compartilham a largura de banda e receberão a mensagem. Os hosts ignoram as mensagens que não são endereçadas a eles. Somente o host especificado no endereço de destino da mensagem processa a mensagem e responde ao remetente.
Apenas uma mensagem pode ser enviada por um hub Ethernet de cada vez. É possível que dois ou mais hosts conectados a um hub tentem enviar uma mensagem ao mesmo tempo. Se isso acontecer, os sinais eletrônicos que compõem as mensagens colidirão entre si no hub. Isso é conhecido como colisão. A mensagem fica ilegível para os hosts e precisa ser retransmitida. A área da rede onde um host pode receber uma mensagem truncada resultante de uma colisão é conhecida como domínio de colisão.
Como retransmissões excessivas podem congestionar a rede e reduzir o tráfego, os hubs passaram a ser considerados obsoletos e foram substituídos por switches Ethernet.
Clique em um host de origem e em um host de destino na figura e depois clique em Send (Enviar) para ver como um hub entrega mensagens.
Switches Ethernet
Um switch Ethernet é um dispositivo usado na camada de acesso. Quando um host envia uma mensagem para outro host conectado à mesma rede comutada, o switch aceita e decodifica os quadros para ler a porção de endereço físico (MAC) da mensagem.
Uma tabela no switch, chamada de tabela de endereços MAC, contém uma lista de todas as portas ativas e dos endereços MAC de host conectados a elas. Quando uma mensagem é enviada entre hosts, o switch verifica se o endereço MAC de destino está na tabela. Se estiver, o switch criará uma conexão temporária, chamada de circuito, entre as portas de origem e de destino. Esse novo circuito fornece um canal dedicado pelo qual os dois hosts podem se comunicar. Outros hosts conectados ao switch não compartilham a largura de banda neste canal e não recebem mensagens que não tenham sido endereçadas a eles. É criado um novo circuito para todas as novas conversas entre hosts. Esses circuitos separados permitem que muitas conversas ocorram simultaneamente, sem a ocorrência de colisões. Os switches Ethernet também permitem o envio e o recebimento de quadros no mesmo cabo Ethernet simultaneamente. Isso melhora o desempenho da rede eliminando colisões.
Na figura, clique em um host de origem e em um host de destino e depois clique em Send (Enviar) para ver como os switches entregam mensagens.
Tabelas de Endereços MAC
O que acontece quando o switch recebe um quadro endereçado a um novo host que não esteja ainda na tabela de endereços MAC? Se o endereço MAC de destino não estiver na tabela, o switch não terá as informações necessárias para criar um circuito individual. Quando o switch não consegue determinar onde o host de destino está localizado, ele utiliza um processo denominado inundação para encaminhar a mensagem para todos os hosts conectados, exceto o host de origem. Cada host compara o endereço MAC de destino na mensagem ao seu próprio endereço MAC, mas apenas o host com o endereço de destino correto processa a mensagem e responde ao remetente.
Como o endereço MAC de um novo host entra na tabela de endereços MAC? Um switch cria a tabela de endereços MAC examinando o endereço MAC de origem de cada quadro enviado entre hosts. Quando um novo host envia uma mensagem ou responde a uma mensagem inundada, o switch descobre imediatamente o endereço MAC e a porta à qual ele está conectado. A tabela é atualizada dinamicamente toda vez que um novo endereço MAC de origem é lido pelo switch. Dessa forma, o switch descobre rapidamente os endereços MAC de todos os hosts conectados.
Clique em Send (Enviar) na figura para ver como os switches descobrem novos hosts.
Afinal, o que são transmissões?
Dentro de uma rede local geralmente é necessário que um host consiga enviar mensagens para todos os outros hosts simultaneamente. Isso pode ser feito usando uma mensagem conhecida como broadcast. Os broadcasts são úteis quando um host precisa encontrar informações sem saber exatamente o que o outro host pode fornecer ou quando um host deseja oferecer informações em tempo hábil para todos os outros hosts da mesma rede.
Uma mensagem pode conter apenas um endereço MAC de destino. Então, como é possível que um host contate todos os outros hosts na rede local sem enviar uma mensagem separada para cada MAC individual?
Para resolver esse problema, as mensagens de broadcast são enviadas para um endereço MAC exclusivo que é reconhecido por todos os hosts. O endereço MAC de broadcast é, na verdade, um endereço de 48 bits todo formado por uns. Devido à sua extensão, os endereços MAC são representados geralmente em notação hexadecimal. O endereço MAC de broadcast em notação hexadecimal é FFFF.FFFF.FFFF. Cada F em notação hexadecimal representa quatro uns no endereço binário.
Clique em Play na figura para ver como as mensagens de broadcast podem ser usadas em uma rede.
Domínios de Broadcast
Quando um host RECEBE uma mensagem endereçada ao endereço de broadcast, ele aceita e processa a mensagem como se ela tivesse sido endereçada diretamente a ele. Quando um host ENVIA uma mensagem de transmissão, os switches desviam a mensagem para cada host conectado na mesma rede local. Por esse motivo, uma rede local (ou seja, uma rede com um ou mais switches Ethernet) também é conhecida como domínio de broadcast.
Se muitos hosts estiverem conectados ao mesmo domínio de broadcast, o tráfego de broadcast poderá ficar excessivo. O número de hosts e a quantidade de tráfego de rede que uma rede local pode comportar é limitado pelos recursos dos switches usados para conectá-los. À medida que a rede cresce e mais hosts são adicionados, o tráfego de rede aumenta, inclusive o tráfego de broadcast. Para melhorar o desempenho, geralmente é necessário dividir uma rede local em várias redes (ou seja, domínios de broadcast), como mostrado na figura. Os roteadores são usados para dividir a rede em vários domínios de broadcast.
Comunicação na camada de acesso
Em uma rede Ethernet local, uma NIC só aceitará um quadro se o endereço de destino for o endereço MAC de broadcast ou corresponder ao endereço MAC da NIC.
A maioria dos aplicativos de rede, entretanto, baseia-se no endereço IP lógico de destino para identificar o local de servidores e clientes. A figura ilustra o problema de um host emissor ter apenas o endereço IP lógico do host de destino. Como o host emissor determina o endereço MAC de destino a ser colocado no quadro?
O host emissor pode usar um protocolo IPv4 chamado ARP (Address Resolution Protocol) para descobrir o endereço MAC de qualquer host na mesma rede local. O IPv6 usa um método semelhante conhecido como Neighbor Discovery.
Como o ARP funciona
O ARP usa um processo de três etapas para descobrir e armazenar o endereço MAC de um host na rede local quando apenas o endereço IPv4 do host é conhecido.
· O host emissor cria e envia um quadro endereçado a um endereço MAC de broadcast. Contido no quadro está uma mensagem com o endereço IPv4 do host de destino pretendido.
· Cada host na rede recebe o quadro
de broadcast e compara o endereço IPv4 na mensagem com o endereço IPv4 configurado. O host com o endereço IPv4 correspondente envia o endereço MAC de volta para o host emissor original.
· O host emissor recebe a mensagem e armazena informações do endereço IPv4 e do endereço MAC em uma tabela chamada de tabela ARP.
Quando o host emissor tem o endereço MAC do host de destino em sua tabela ARP, ele pode enviar quadros diretamente ao destino sem fazer uma solicitação ARP. Como as mensagens ARP dependem de quadros de broadcast para entregar as solicitações, todos os hosts na rede IPv4 local devem estar no mesmo domínio de broadcast.
Clique em Play na figura para ver uma animação do processo de ARP.
 
Laboratório – Protocolo ARP (Address Resolution Protocol - Protocolo de Resolução de Endereços)
Após a conclusão do laboratório, você será capaz de:
Inicie e interrompa a captura de dados do tráfego de ping para os hosts remotos.
Localize informações sobre o endereço IP e MAC em PDUs capturadas.
Analise o conteúdo das mensagens ARP trocadas entre os dispositivos na LAN.
· Acesse o Prompt de Comando do Windows.
· Use o comando arp do Windows para visualizar o cache da tabela ARP local no computador.
Laboratório – Protocolo ARP (Address Resolution Protocol - Protocolo de Resolução de Endereços)
Divisão da rede local
À medida que as redes crescem, geralmente é necessário dividir uma rede de camada de acesso em várias redes de camada de acesso. A divisão de redes pode seguir diferentes critérios, como:
· Contenção de broadcast
· Requisitos de segurança
· Locais físicos
· Agrupamento lógico
A camada de distribuição conecta estas redes locais independentes e controla o fluxo do tráfego entre elas. Ela é responsável por garantir que o tráfego entre hosts na rede local permaneça local. É transmitido somente o tráfego destinado a outras redes. A camada de distribuição também pode filtrar o tráfego de entrada e saída para fazer o gerenciamento de tráfego e segurança.
Os dispositivos de rede que formam a camada de distribuição foram projetados para interconectar redes, e não hosts individuais. Os hosts individuais são conectados à rede por meio de dispositivos de camada de acesso, como os switches. Os dispositivos da camada de acesso são conectados uns aos outros por meio do dispositivo de camada de distribuição, como um roteador.
Clique em cada sinal de adição (+) na figura para obter mais informações sobre interconexão de redes separadas.
Agora, precisamos de roteamento
Na maioria das situações, queremos que os nossos dispositivos possam se conectar além da rede local: a outras residências, a empresas e à Internet. Os dispositivos que estão além do segmento de rede local são conhecidos como hosts remotos. Quando um dispositivo de origem envia um pacote a um dispositivo de destino remoto, é necessária a ajuda de roteadores e do roteamento. O roteamento é o processo de identificação do melhor caminho até um destino.
Um roteador é um dispositivo de rede que conecta várias redes IP de Camada 3. Na camada de distribuição da rede, os roteadores direcionam o tráfego e realizam outras funções essenciais em uma operação de rede eficiente. Os roteadores, como switches, conseguem decodificar e ler as mensagens que são enviadas para eles. Ao contrário dos switches, que tomam uma decisão de encaminhamento com base no endereço MAC da Camada 2, os roteadores fundamentam suas decisões de encaminhamento no endereço IP da Camada 3.
O formato do pacote contém os endereços IP dos hosts de destino e de origem, assim como os dados da mensagem que está sendo enviada entre eles. O roteador lê a porção de rede do endereço IP de destino e a utiliza para descobrir qual das redes conectadas é a melhor forma de encaminhar a mensagem para o destino.
Sempre que a porção de rede dos endereços IP dos hosts de origem e de destino não coincidir, deverá ser usado um roteador para encaminhar a mensagem. Quando um host localizado na rede 1.1.1.0 precisa enviar uma mensagem para um host na rede 5.5.5.0, ele encaminha a mensagem ao roteador. O roteador recebe a mensagem, desencapsula o quadro Ethernet e lê o endereço IP de destino no pacote IP. Em seguida, ele determina para onde deve encaminhar a mensagem. Ele reencapsula o pacote de volta em um novo quadro e encaminha o quadro para o destino.
Clique em Play para ver como são usados os endereços MAC e IP.
Laboratório – Comunicação de rede e endereços IPv4
Neste laboratório, você completará os seguintes objetivos:
· Construir uma rede ponto-a-ponto simples e verificar a conectividade física.
· Atribuir vários endereços IP a hosts e observar os efeitos na comunicação de rede.
Laboratório – Comunicação de rede e endereços IPv4
Seleção de um caminho
Como o roteador determina para qual caminho enviar a mensagem que deve chegar à rede de destino?
Cada porta ou interface em um roteador conecta-se a uma rede local diferente. Cada roteador contém uma tabela de todas as redes localmente conectadas e as interfaces que se conectam a essas redes. Essas tabelas de roteamento também podem conter informações sobre as rotas ou os caminhos que o roteador usa para alcançar outras redes remotas que não estão localmente conectadas.
Quando um roteador recebe um quadro, ele decodifica o quadro para obter o pacote que contém o endereço IP de destino. Ele combina a porção de rede do endereço IP de destino com as redes listadas na tabela de roteamento. Se o endereço de rede de destino estiver na tabela, o roteador encapsulará o pacote em um novo quadro para enviá-lo. (Observe que ele insere também um novo endereço MAC de destino e recalcula o campo FCS, no novo quadro.) Ele encaminha o novo quadro para a rede de destino, fora da interface associada ao caminho. O processo de encaminhamento de pacotes para a rede destino é chamado de roteamento.
As interfaces de roteador não encaminham mensagens que sejam endereçadas a endereços IP de broadcast da rede local. Como resultado, as transmissões da rede local não são enviadas pelos roteadores para outras redes locais.
ENCAMINHAR PACOTES: Se o endereço de rede de destino estiver na tabela, o roteador encapsulará o pacote em um novo quadro para enviá-lo.
BLOQUEAR TRANSMISSÕES: As interfaces de roteador não encaminham mensagens que sejam endereçadas a endereços IP de broadcast da rede local.
Criação das tabelas
Um roteador encaminha um pacote para um destes dois locais: a) uma rede diretamente conectada que contém o host de destino real ou b) outro roteador no caminho para o host de destino. Quando um roteador encapsula o quadro para encaminhá-lo para fora de uma interface Ethernet, ele deve incluir um endereço MAC de destino.
Esse é o endereço MAC do host de destino real, caso o host de destino faça parte de uma rede conectada localmente ao roteador. Se o roteador tiver que enviar o pacote para outro roteador, usará o endereço MAC do roteador conectado. Os roteadores obtêm esses endereços MAC nas tabelas ARP.
Cada interface do roteador faz parte da rede local à qual ele está conectado e mantém sua própria tabela ARP para essa rede. As tabelas ARP contêm os endereços MAC e os endereços IPv4 de todos os hosts individuais naquela rede.
HOST ENCAMINHANDO PACOTES: uma rede diretamente conectada que contém o host de destino real.
HOST ENCAMINHANDO PACOTES: outro roteador no caminho para o host de destino.
Como os roteadores usam tabelas
Os roteadores movem informações entre redes locais e remotas. Para fazer isso, eles têm que usar tabelas de roteamento para armazenar informações. As tabelas de roteamento não estão relacionadas aos endereços de hosts individuais. Elas contêm endereços de redes e o melhor caminho para acessar essas redes. As entradas na tabela de roteamento podem ser feitas de duas maneiras: atualizadas dinamicamente por informações recebidas de outros roteadores na rede ou inseridas manualmente por um administrador de rede. Os roteadores usam as tabelas de roteamento para determinar qual interface deve ser usada para encaminhar
uma mensagem para o destino desejado.
Se o roteador não conseguir determinar para onde encaminhar uma mensagem, ele a removerá. Os administradores de rede configuram uma tabela de roteamento com uma rota padrão para evitar que um pacote seja removido caso o caminho para a rede de destino não esteja na tabela de roteamento. Uma rota padrão é a interface através da qual o roteador encaminha um pacote contendo um endereço de rede IP de destino que é desconhecido. Essa rota padrão normalmente se conecta a outro roteador que pode encaminhar o pacote para a rede de destino final.
Clique em cada sinal de adição (+) na tabela para ver uma descrição da finalidade de cada cabeçalho.
Envio para redes remotas
O método que um host utiliza para enviar mensagens para um destino em uma rede remota difere da forma como um host envia mensagens na mesma rede local. Quando um host precisa enviar uma mensagem a outro host na mesma rede, encaminhará a mensagem diretamente. Um host usará o ARP para descobrir o endereço MAC do host destino. O pacote IPv4 contém o endereço IPv4 de destino, encapsula o pacote em um quadro com o endereço MAC de destino e o encaminha para fora.
Quando um host precisa enviar uma mensagem para uma rede remota, ele deve usar o roteador. O host inclui o endereço IP do host de destino dentro do pacote, exatamente como antes. Entretanto, quando ele encapsula o pacote em um quadro, usa o endereço MAC do roteador como destino do quadro. Dessa forma, o roteador receberá e aceitará o quadro baseado no endereço MAC.
Como o host de origem determina o endereço MAC do roteador? Cada host recebe o endereço IPv4 do roteador através do endereço do gateway padrão definido nas configurações TCP/IP. O endereço do gateway padrão é o endereço da interface do roteador conectada à mesma rede local do host de origem. Todos os hosts na rede local usam o endereço do gateway padrão para enviar mensagens ao roteador. Quando o host conhece o endereço IPv4 do gateway padrão, ele pode usar o ARP para determinar o endereço MAC. O endereço MAC do roteador é colocado no quadro, destinado a outra rede.
É importante que o gateway padrão correto esteja configurado em cada host na rede local. Se não houver um gateway padrão definido nas configurações TCP/IP do host ou se estiver especificado um gateway padrão incorreto, não será possível entregar as mensagens endereçadas aos hosts nas redes remotas.
Clique em cada sinal de adição (+) na figura para ver a configuração IP e o endereço do gateway padrão.
Redes de Área Local
O termo Rede Local (LAN) se refere a uma rede local ou a um grupo de redes locais interconectadas que estão sob o mesmo controle administrativo. No início das redes de computadores, as LANs eram definidas como pequenas redes que existiam em uma única localização física. Embora as LANs possam ser uma única rede local instalada em uma casa ou pequeno escritório, a definição de LAN evoluiu para incluir redes locais interconectadas, consistindo em muitas centenas de hosts, instalados em vários prédios e locais.
É importante lembrar que todas as redes locais dentro de uma LAN estão sob um controle administrativo. Outra característica comum das LANs é que elas normalmente utilizam Ethernet ou protocolos sem fio e comportam altas taxas de dados.
O termo Intranet geralmente é usado para se referir a uma LAN privada que pertence a uma organização e foi projetada para ser acessada somente por membros da organização, funcionários ou terceiros com autorização.
Clique em cada botão na figura para ver tipos diferentes de LAN.
	
Atribuição de hosts a uma LAN
Dentro de uma LAN, é possível colocar todos os hosts em uma única rede local ou dividi-los entre as várias redes conectadas por uma camada de distribuição. A resposta depende dos resultados desejados. Como mostrado na Figura 1, colocar todos os hosts em uma única rede local permite que eles sejam vistos por todos os outros hosts. Isso ocorre porque existe um domínio da transmissão e os hosts usam o ARP para se localizarem.
Em um projeto de rede simples, pode ser vantajoso manter todos os hosts em uma única rede local. Entretanto, à medida que as redes crescem, o aumento de tráfego diminui a velocidade e o desempenho da rede. Nesse caso, pode valer a pena mover alguns hosts para uma rede remota.
Como mostrado na Figura 2, colocar hosts adicionais em uma rede remota diminuirá o impacto das demandas de tráfego. Entretanto, os hosts em uma rede não poderão se comunicar com os hosts na outra sem o uso de roteamento. Os roteadores aumentam a complexidade da configuração de rede e podem introduzir latência (ou seja, atraso) nos pacotes enviados de uma rede local para outra.
Packet Tracer – Saiba como usar o Packet Tracer
Nesta atividade, você completará os seguintes objetivos:
· Desenvolver uma compreensão sobre as funções básicas do Packet Tracer.
· Criar/modelar uma rede Ethernet simples com três hosts e um switch.
· Observar o comportamento do tráfego na rede.
· Observar o fluxo de dados das transmissões ARP e dos pings.
Packet Tracer – Saiba como usar o Packet Tracer – Instruções
Packet Tracer – Saiba como usar o Packet Tracer – PKA
Laboratório - Conexão com o roteador sem fio
Neste laboratório, você completará os seguintes objetivos:
· Conectar um computador a um roteador sem fio usando um cabo de Ethernet
· Configurar o computador com um endereço IP adequado
· Verificar a configuração do PC usando um Prompt de Comando
Laboratório - Conexão com o roteador sem fio
Capítulo 3: Comunicação em uma rede local
Este capítulo começou discutindo os princípios da comunicação em uma rede. Todos esses métodos possuem três elementos em comum:
· a origem da mensagem (ou seja, o remetente)
· o destino (ou seja, o receptor)
· o meio de transmissão (ou seja, o canal)
Os protocolos de rede definem muitos aspectos de comunicação na rede local, como tempo, codificação, formato, tamanho e padrões de mensagem. Os padrões de rede e de Internet asseguram que todos os dispositivos conectados à rede implementem o mesmo conjunto de regras ou protocolos da mesma forma. Um modelo de camadas representa a operação dos protocolos ocorrendo dentro de cada camada, bem como a interação com as camadas acima e abaixo dela. O modelo OSI é usado para projeto de rede de dados, especificações de operação e resolução de problemas. O modelo TCP/IP é um modelo de protocolo, visto que descreve as funções que ocorrem em cada camada de protocolos dentro do conjunto TCP/IP.
As funções que ocorrem na camada de Internet do modelo TCP/IP estão incluídas na camada de rede do modelo OSI. A funcionalidade da camada de transporte é a mesma entre os dois modelos. No entanto, a camada de acesso à rede e a camada de aplicação do modelo TCP/IP são divididas no modelo OSI para descrever funções discretas que devem ocorrer nessas camadas. Os protocolos Ethernet definem como os dados são formatados e transmitidos pela rede com fio. Os padrões Ethernet especificam protocolos que operam nas Camadas 1 e 2 do modelo OSI. Todas as interfaces de rede Ethernet têm um endereço físico atribuído a elas na fabricação. Esse endereço é conhecido como endereço MAC (Media AccessControl). O endereço MAC identifica cada host de origem e de destino na rede.
Cada mensagem de computador é encapsulada em um formato específico, chamado de quadro, antes de ser enviada pela rede. Um quadro fornece o endereço do destino desejado e o endereço do host de origem. Um design hierárquico exige um esquema de endereçamento lógico que possa identificar a localização de um host. O esquema de endereçamento mais comum na Internet é o Protocolo de Internet versão 4 (IPv4). O Protocolo de Internet versão 6 (IPv6) é o protocolo de camada de rede que está sendo implementado como substituição do IPv4. Os endereços IP contêm duas partes: uma identifica a rede local e a outra identifica o host individual. Os endereços IP lógicos e MAC físicos são necessários para que um computador se comunique em uma rede hierárquica.
O tráfego IP é gerenciado
de acordo com as características e os dispositivos associados a cada uma das três camadas do modelo de design hierárquico na rede: acesso, distribuição e núcleo. Um switch Ethernet é um dispositivo usado na Camada de acesso. Quando um host envia uma mensagem para outro host conectado ao mesmo switch, o switch aceita e decodifica os quadros para ler a porção de endereço físico (MAC) da mensagem. Quando um host envia uma mensagem de transmissão, os switches desviam a mensagem para cada host conectado na mesma rede local. O host emissor pode usar um protocolo IPv4 chamado ARP (Address Resolution Protocol) para descobrir o endereço MAC de qualquer host na mesma rede local. O IPv6 usa um método semelhante conhecido como Neighbor Discovery. A camada de distribuição conecta estas redes locais independentes e controla o fluxo do tráfego entre elas. É transmitido somente o tráfego destinado a outras redes. Os dispositivos de rede que formam a camada de distribuição foram projetados para interconectar redes, e não hosts individuais. Os hosts individuais são conectados à rede por meio de dispositivos de camada de acesso, como os switches. Os dispositivos da camada de acesso são conectados uns aos outros por meio do dispositivo de camada de distribuição, como um roteador. Um roteador é um dispositivo de rede que conecta várias redes IP de Camada 3. Na camada de distribuição da rede, os roteadores direcionam o tráfego e realizam outras funções essenciais em uma operação de rede eficiente.
Cada porta ou interface em um roteador conecta-se a uma rede local diferente. Cada roteador contém uma tabela de todas as redes localmente conectadas e as interfaces que se conectam a essas redes. Essas tabelas de roteamento também podem conter informações sobre as rotas ou os caminhos que o roteador usa para alcançar outras redes remotas que não estão localmente conectadas. O termo Rede Local (LAN) se refere a uma rede local ou a um grupo de redes locais interconectadas que estão sob o mesmo controle administrativo. Embora as LANs possam ser uma única rede local instalada em uma casa ou pequeno escritório, a definição de LAN evoluiu para incluir redes locais interconectadas, consistindo em muitas centenas de hosts, instalados em vários prédios e locais. Colocar todos os hosts em uma única rede local permite que eles sejam vistos por todos os outros hosts. Isso ocorre porque existe um domínio da transmissão e os hosts usam o ARP para se localizarem.