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REDES DE COMPUTADORES AULA 3 Prof. Luis Rohling 2 CONVERSA INICIAL No processo de comunicação em redes de dados, temos a utilização de diversos protocolos em função dos meios de transmissão utilizados para o envio dos sinais, das topologias das redes LAN e WAN, bem como devido à complexidade e aos requisitos necessários para cada processo de comunicação. Assim, para a definição das atribuições de cada protocolo envolvido no processo de comunicação, temos a utilização dos modelos em camadas, que são o modelo OSI, de sete camadas, e o modelo TCP/IP, de quatro camadas. O modelo TCP/IP também apresenta diversos protocolos que já resolvem algumas das principais tarefas no processo de comunicação em redes de dados, tais como o protocolo IP e o protocolo TCP, que inclusive definem o nome do próprio modelo proposto pelo IETF. Como cada camada possui tarefas distintas, teremos, também, a formação de uma estrutura de dados própria em cada camada, de acordo com as informações que são acrescidas por cada protocolo, sendo que essas estruturas de dados são chamadas, genericamente, de datagramas. Assim, teremos um datagrama formado pelas informações que são recebidas dos protocolos das camadas superiores, acrescidas das informações do protocolo da respectiva camada. Portanto, além de identificar as tarefas realizadas em cada uma das camadas, o modelo OSI, que é o modelo mais genérico e independente de protocolos, também apresenta uma identificação da estrutura de dados em cada uma das camadas, ou seja, uma identificação específica para o datagrama de cada uma das camadas, principalmente nas camadas inferiores. Tal identificação dos dados de protocolo das camadas também é chamada de PDU, que é a abreviação de Protocol Data Unit. Assim, os PDUs das camadas do modelo OSI são identificados como dados, segmentos, pacotes, quadros e bits, conforme mostrado na figura a seguir. 3 Figura 1 – Os PDUs do modelo OSI Fonte: Rohling, 2021. Ao aplicar a identificação dos PDUs quando você fizer referência ao datagrama gerado pelo protocolo IP, por exemplo, você deverá utilizar o termo “pacote IP”, pois o protocolo IP é um protocolo da camada 3. Quando você fizer referência à estrutura de dados gerada pelo protocolo TCP que opera na camada 4, deverá utilizar o termo “segmento TCP”. Inclusive, essa identificação está associada ao processo de camada de transporte, que é a divisão dos dados recebidos da camada de sessão, sendo chamado de segmentação. Ou seja, o processo de segmentação é realizado por meio do PDU da camada superior, que são os dados, gerando o PDU chamado de segmento, na camada de transporte. Cada um desses segmentos será repassado para a camada de rede, que irá gerar um pacote IP, acrescentando o cabeçalho do protocolo de rede a cada um dos segmentos recebidos. Na figura 2, temos o exemplo da formação dos PDUs, considerando a utilização dos protocolos TCP, IP e Ethernet. Em cada camada é formada uma nova estrutura de dados, com o acréscimo do cabeçalho de cada protocolo. APRESENTAÇÃO APLICAÇÃO SESSÃO REDE TRANSPORTE ENLACE DE DADOS FÍSICA 6 7 5 3 4 2 1 Bits Pacotes Segmentos Quadros Dados 4 Figura 2 – Formação dos PDUs Fonte: Rohling, 2021. Nesta aula, estudaremos as duas camadas inferiores do modelo OSI, que consistem nas camadas físicas e de enlace de dados, incluindo os meios físicos mais empregados nas redes, ou seja, os cabos metálicos e as fibras ópticas, bem como as atribuições da camada de enlace e a operação do protocolo mais empregado nas redes LAN, que é o protocolo Ethernet. TEMA 1 – A CAMADA FÍSICA A camada física, que é a camada 1 do modelo OSI, é onde ocorre a codificação dos sinais para que estes sejam transmitidos adequadamente através do meio físico empregado para a conexão entre dois terminais, que pode ser a conexão entre o terminal do usuário e um terminal intermediário, ou entre dois terminais intermediários de rede. Dessa forma, o protocolo a ser utilizado para realizar a codificação dos dados digitais dependerá do meio físico empregado para a conexão dos dispositivos de rede. Essa conexão poderá ser realizada por meio de um dos três meios físicos empregados nas redes, que são os cabos de cobre, wireless ou fibra óptica, sendo que o cabeamento de cobre é o tipo mais comum de cabeamento utilizado nas redes atualmente. Segmentos TCP Pacote IP Quadro Ethernet Dados 5 O tipo de meio físico mais utilizado nas redes locais é o cabeamento metálico, pois os cabos de par trançado são mais baratos e mais fáceis de instalar quando comparados com as fibras ópticas. Porém, apresentam algumas limitações associadas à distância entre os pontos de conexão e à sua susceptibilidade à interferência de sinais externos. O cabo de fibra óptica é o outro tipo de cabeamento utilizado em redes, porém, por ter um custo maior das interfaces ópticas em relação às interfaces para cabos metálicos, não é tão comumente utilizado nas redes LAN como os cabos UTP. Porém, o cabo de fibra óptica tem diversas propriedades que o tornam a melhor opção em determinados cenários e que justificam o investimento nesse tipo de tecnologia. Assim, a fibra óptica já é empregada na comunicação nas redes WAN há muito tempo, pois essas redes devem cobrir grandes distâncias e com grande capacidade de transmissão. Em função da redução do custo das interfaces ópticas, que já eram amplamente empregadas nos equipamentos de redes WAN, essa tecnologia de transmissão óptica também está sendo incorporada pelos equipamentos utilizados nas redes LAN, disseminando o uso das fibras ópticas também nas redes locais. Ao contrário dos fios de cobre, o cabo de fibra óptica pode transmitir sinais com menor atenuação, sendo completamente imune às interferências de EMI e RFI. Assim, em redes LAN, a fibra óptica já vem sendo utilizada para interconectar dispositivos de rede tais como os switches, pois normalmente essas conexões demandam uma maior largura de banda e podem estar também instaladas em ambientes muito afastados. 1.1 Transmissão em cabos de cobre Para a transmissão de dados através dos cabos de cobre são utilizados os sinais elétricos, sendo que a interface de rede de um dispositivo de destino deverá receber o sinal elétrico com uma qualidade que permita que haja decodificação com sucesso, de modo que o sinal digital seja corretamente interpretado. No entanto, quanto maior a distância percorrida através do cabo, maior será a atenuação de sinal, em função da impedância do cabo de cobre, que é uma característica inerente a esse meio. Por essa razão, existirá uma limitação em relação à distância entre os terminais que serão interligados com a utilização desse meio físico, sendo este parâmetro especificado pelas normas de cabeamento estruturado. 6 Assim, ao elaborarmos um projeto de infraestrutura de uma rede, que consiste no chamado cabeamento estruturado, devemos observar esta distância máxima, que, no caso dos cabos utilizados atualmente, é de 100 metros. Porém, essa distância contempla o circuito elétrico entre o transmissor e o receptor, ou seja, a distância total entre as interfaces dos equipamentos. E, como as normas de cabeamento estruturado definem a necessidade da utilização de cabos de manobra, a distância entre as terminações do cabo, ou seja, a distância entre a tomada de conexão do equipamento terminal e o painel de manobra instalado em um rack em um sistema de cabeamento estruturado está limitada a 90 metros, ficando os dez metros restantes como uma reserva para a instalação dos cabos de manobra. Além da atenuação, os sinais transmitidos através dos cabos de cobre também poderão sofrer interferência de duas fontes distintas. • Interferência de fontes eletromagnéticas(EMI) ou de fontes de sinais de radiofrequência (RFI): gerados por ondas de rádio e dispositivos eletromagnéticos, tais como lâmpadas fluorescentes ou motores elétricos. • Crosstalk: perturbação causada pelos campos elétricos ou magnéticos gerados por um sinal transmitido em um condutor adjacente. Como exemplo desse tipo de interferência, temos também o crosstalk nos circuitos telefônicos, também chamado de diafonia, que ocorre quando você está realizando uma chamada telefônica e ouve uma outra conversa de voz, de um circuito adjacente. Isto ocorre porque quando uma corrente elétrica flui através de um condutor, ela cria um campo magnético circular ao redor do condutor, o qual pode ser captado por um condutor adjacente. Para minimizar os efeitos da EMI e da RFI, podemos utilizar os cabos de cobre que são envoltos em uma blindagem metálica e que requerem as conexões adequadas ao sistema de aterramento. Porém, esses cabos são muito mais caros, além de exigirem um processo de instalação muito mais complexo, não sendo, portanto, uma solução usual. Inclusive, com a redução das soluções de comunicações ópticas, nos ambientes em que temos um nível de interferência muito elevado o cabeamento de fibra óptica acaba sendo uma solução mais eficiente e até de menor custo em relação aos sistemas com cabos metálicos blindados. 7 Uma outra solução mais simples empregada para minimizar os efeitos do crosstalk é a torção dos cabos de cobre, o que causa o efeito chamado de cancelamento. Neste caso, o ruído gerado por um campo eletromagnético externo em um segmento do par metálico será cancelado pelo ruído induzido no segmento seguinte do cabo, pois este sinal terá uma direção contrária em relação ao sinal anterior, gerando o seu cancelamento, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 3 – Cancelamento no par trançado Fonte: Rohling, 2021. 1.2 Os tipos de cabos metálicos Quanto à construção dos cabos de cobre utilizados nas redes, podemos ter três tipos diferentes de cabos, que são os cabos de par trançado não blindado, os cabos de par trançado blindado e os cabos coaxiais. Inicialmente, as tecnologias de redes locais empregaram os cabos coaxiais, que, apesar de apresentarem uma alta imunidade ao ruído em função de sua blindagem, demandavam um processo de instalação muito complexo, o que limitava a sua aplicação. Assim, logo foram substituídos pelos cabos de par trançado, que apresentavam um processo de instalação muito mais ágil, além de um menor custo. O cabo de par trançado sem blindagem (UTP – Unshielded twisted-pair) é a mídia de rede mais comumente utilizada, sendo terminado com conectores do tipo RJ-45 e usado para conectar os hosts com os dispositivos intermediários de rede, tais como os switches. Somada à Resultante = ZERO 8 O cabo UTP é formado por quatro pares de fios codificados por cores, que são torcidos juntos e, em seguida, envoltos em uma capa de plástico flexível, que protegerá os pares contra danos físicos. A torção dos condutores minimiza a interferência do sinal que está trafegando nos outros fios ou a de fontes externas, conforme visto anteriormente. Figura 4 – O cabo de par trançado não blindado: UTP Crédito: Zakhar Mar/Shutterstock. Outro tipo de cabo que pode ser empregado nas redes LAN é o cabo de par trançado blindado (STP – Shielded twisted-pair), que fornece uma melhor proteção contra ruídos do que o cabo UTP, porém o cabo STP é significativamente mais caro e difícil de instalar do que o cabo UTP. Do mesmo modo que o cabo UTP, o cabo STP também utiliza um conector RJ-45 para a sua terminação e conexão com os equipamentos. 9 Figura 5 – O cabo de par trançado blindado: STP Crédito: Zayacsk/Shutterstock. Os cabos STP utilizam o recurso de blindagem para minimizar a interferência gerada por EMI e RFI e a torção dos pares para minimizar o crosstalk. Para obter o benefício total da blindagem, os cabos STP deverão ser terminados com os conectores adequados, que também são blindados. Além disso, se o cabo estiver aterrado incorretamente, a blindagem do cabo pode funcionar como uma antena, captando os sinais indesejados. Ou seja, o uso do cabo blindado, sem o correto aterramento, terá o efeito contrário do desejado, aumentando a interferência nos sinais trafegados pelo cabo, aumentando a sua degradação e prejudicando o processo de comunicação. Outro tipo de cabo de cobre é o cabo coaxial, que tem esse nome pelo fato de existirem dois condutores que compartilham o mesmo eixo. O cabo coaxial consiste em um condutor de cobre central utilizado para transmitir os sinais. Ele também possui uma camada de isolamento plástico flexível que envolve o condutor de cobre e uma malha de cobre que atua como o segundo condutor do circuito e como proteção para o condutor interno. Essa segunda camada reduz a quantidade de interferência eletromagnética externa. O acabamento do cabo é feito com uma capa externa para evitar danos físicos. 10 Para a terminação dos cabos coaxiais existem diferentes tipos de conectores, tais como o BNC (Bayonet Neill-Concelman), tipo N e tipo F. Figura 6 – O cabo coaxial Crédito: Ra3rn/Shutterstock. Embora o cabo UTP tenha substituído o cabo coaxial praticamente em todas as instalações atuais de redes Ethernet, o cabo coaxial ainda é utilizado nas seguintes situações. • Instalações de redes sem fio: os cabos coaxiais são utilizados para conectar as antenas aos dispositivos sem fio (Access Points). • Instalações de internet a cabo: os provedores de serviços de internet via cabo (cable) utilizam os cabos coaxiais para fazer a conexão dentro das instalações do cliente até os conversores externos que conectam a rede de cabo coaxial até a rede de fibras ópticas. TEMA 2 – OS CABOS DE PAR TRANÇADO Conforme vimos anteriormente, temos três tipos de cabos de cobre utilizados nas redes, que são: os cabos de par trançado sem blindagem (cabo UTP – Unshielded twisted-pair); os cabos de par trançado blindado (cabo STP – 11 Shielded twisted-pair); e os cabos coaxiais. O cabo mais empregado nas redes é o cabo UTP. O cabo UTP não possui a blindagem para minimizar os efeitos do EMI e do RFI, porém, em vez disso, utiliza outras técnicas para limitar o efeito negativo do crosstalk. • Cancelamento: quando os dois condutores em um circuito elétrico são colocados juntos, os campos magnéticos gerados pela corrente que flui em sentido contrário são exatamente o oposto um do outro. Portanto, os dois campos magnéticos se cancelam e também cancelam qualquer sinal externo de EMI e RFI. • Variação do número de torções por par de fios: para aumentar ainda mais o efeito de cancelamento, o número de torções de cada par de fios em um cabo é diferente dos demais, minimizando o crosstalk entres os pares. O cabo UTP deve seguir rigorosamente a quantidade de torções por metro, garantindo a diferença de torção necessária para assegurar o cancelamento do ruído gerado entre os pares. Na figura 7, vemos que o par laranja possui um trançamento muito maior do que o par azul. Figura 7 – A diferença no trancamento dos pares Crédito: David Schliepp/Shutterstock. 12 Portanto, o cabo UTP dependerá apenas do efeito de cancelamento produzido pelo trançamento dos pares de fios para limitar a degradação do sinal e fornecer efetivamente uma autoblindagem para os pares de fios dentro do cabo de rede. Para a garantia de funcionamento da comunicação entre os equipamentos de redes, é necessário que o cabeamento UTP esteja em conformidade com as normas TIA/EIA, sendo que a norma TIA-568 é que define os padrões comerciais de cabeamento para instalações em redes LAN, que é o padrão mais comumente utilizado em ambientes de cabeamento LAN. Alguns dos elementos definidos pela norma são: • tipos de cabo; • comprimento dos cabos;• conectores; • terminação dos cabos; e • métodos de teste dos cabos. 2.1 Categorias do cabo UTP As características elétricas do cabeamento de cobre são definidas pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), que classifica o cabeamento UTP de acordo com o seu desempenho. Os cabos são classificados em categorias, com base em sua capacidade de transporte, ou seja, das taxas de largura de banda suportadas. O cabo categoria 5, por exemplo, era utilizado nas instalações 100BASE-TX do padrão FastEthernet, sendo que as outras categorias mais atuais são a categoria 5e, a categoria 6 e a categoria 6A. Os cabos de categorias maiores são projetados e construídos para suportar taxas de dados mais altas, à medida que novas tecnologias Ethernet estão sendo desenvolvidas e adotadas. Atualmente, a categoria 5e é o padrão mínimo aceitável, sendo a Categoria 6 o padrão recomendado para novas instalações prediais. Na evolução das categorias de cabos UTP, temos: • a categoria 3 foi originalmente usada para comunicação de voz sobre linhas de voz, mas, posteriormente, foi usada para transmissão de dados; • as categorias 5 e 5e são utilizadas para transmissão de dados, sendo que a categoria 5 suporta 100 Mbps e a categoria 5e suporta 1000 Mbp; 13 • a categoria 6 tem um separador adicional entre cada par de fios para suportar velocidades mais altas, suportando até 10 Gbps; • a categoria 7 também suporta 10 Gbps; e • a categoria 8 suporta 40 Gbps. Assim, caso você ainda esteja utilizando um cabo categoria 5, por exemplo, deve estar ciente de que este cabo poderá funcionar adequadamente para as conexões de 100 Mbps. Porém, caso você substitua o seu computador por um equipamento com interface Ethernet de 1 Gbps, que é o padrão já adotado para a grande maioria dos notebooks, este cabo poderá apresentar problemas. Neste caso, a recomendação é a troca por um cabo categoria 5e. Este é um cenário mais comumente encontrado em empresas que tenham um sistema de cabeamento estruturado mais antigo, uma vez que pode ter sido implementado com os cabos categoria 5. Assim, para que a rede possa operar com a tecnologia Ethernet mais atual, com as conexões em 1 Gbps, será necessária a substituição de todo o sistema de cabeamento. 2.2 O cabo direto e o cabo cruzado Para a conexão com os equipamentos ou para a montagem das tomadas de conexão dos cabos de manobra, o cabo UTP é terminado com um conector identificado como RJ-45, sendo que o padrão TIA/EIA-568 descreve os códigos de cores dos fios para a conectorização do cabo, definindo a conexão dos pinos do conector. Figura 8 – O conector RJ-45 macho Crédito: Peter Kotoff/Shutterstock. 14 Além do conector do cabo, chamado de conector macho, temos também o conector fêmea, que é o componente que será instalado na tomada de parede ou no painel de conexão. Caso seja terminado incorretamente, a conectorização poderá se tornar uma fonte potencial de degradação de desempenho da comunicação. Figura 9 – O conector RJ-45 fêmea Crédito: Bancha_Photo/Shutterstock. Para a conexão dos equipamentos nas redes, podemos encontrar diferentes situações de instalação que podem exigir que os cabos UTP sejam conectados com diferentes sequências de fiação, ou seja, que os fios individuais do cabo devam ser conectados em diferentes ordens, em sua conexão aos pinos dos conectores RJ-45. Assim, podemos encontrar a montagem de dois tipos diferentes de cabos. • Cabo direto (Ethernet Straight-through): é o tipo mais comum de cabo de rede. É comumente utilizado para interligar um computador a um switch, ou um switch a um roteador. • Cabo cruzado (Ethernet Crossover): é utilizado para interconectar dispositivos semelhantes. É usado para conectar um switch a um switch, um computador a um computador ou um roteador a um roteador. No entanto, os cabos de crossover agora são considerados do tipo legados, 15 pois as placas de rede usam o recurso chamado de auto-MDIX para detectar automaticamente o tipo de cabo e fazer a conexão interna correta. Figura 10 – O cabo direto e o cabo cruzado Crédito: In-Finity/Shutterstock. O uso de um cabo crossover ou direto incorretamente, na conexão entre os dispositivos, não irá necessariamente danificar os dispositivos, mas a conectividade e a comunicação entre os dispositivos poderão não ocorrer corretamente. Porém, com a evolução da tecnologia das interfaces dos equipamentos que necessitavam do cabo cruzado, conforme já visto, esses cabos praticamente não são mais utilizados, de forma que, atualmente, esse tipo de problema já não é mais encontrado nas redes atuais. Outro tipo de cabo é o cabo chamado de rollover, que é proprietário da Cisco, utilizado para conectar uma estação de trabalho à porta do console de um 16 roteador ou switch, possuindo um conector RJ-45 macho em uma extremidade e um conector DB9 na outra. Esse cabo é utilizado para a conexão da porta serial do computador com a porta de console do equipamento de rede. A TIA define dois tipos de código de cores a serem utilizados, que são os padrões chamados de T568A e T568B. Assim, para a confecção de um cabo direto, deverá ser adotado o mesmo padrão nas duas extremidades; por sua vez, para a confecção de um cabo cruzado, deve ser adotado o padrão T568A em uma extremidade e o padrão T568B na outra. O código de cores para os dois padrões são mostrados a seguir. Figura 11 – Os padrões T568A e T568B Pino T568A T568B 1 Branco-Verde Branco-Laranja 2 Verde Laranja 3 Branco-Laranja Branco-Verde 4 Azul Azul 5 Branco-Azul Branco-Azul 6 Laranja Verde 7 Branco-Marrom Branco-Marrom 8 Marrom Marrom Fonte: Rohling, 2021. TEMA 3 – OS CABOS DE FIBRA ÓPTICA A fibra óptica é um fio flexível, mas extremamente fino e transparente, fabricado por meio de um vidro extremamente puro, não muito maior que um cabelo humano. Para a transmissão do sinal de dados, os bits são codificados na fibra como impulsos de luz, em que o cabo de fibra óptica atua como um guia de ondas ou "tubo de luz" para transmitir luz entre as duas extremidades, com perda mínima de sinal e sem sofrer interferências do meio externo. 3.1 Os tipos de fibras ópticas As fibras ópticas são fabricadas em dois tipos diferentes de fibras, que são as fibras monomodo (SMF – Single-mode fiber) e multimodo (MMF – Multimode fiber). Tanto para as fibras monomodo quanto para as fibras 17 multimodo a estrutura da fibra óptica é formada por três elementos: o núcleo; a casca; e o revestimento. Os sinais ópticos são propagados através do núcleo e sofrem reflexão na interface entre o núcleo e a casca, sendo este conjunto de núcleo e casca protegido pelo revestimento. A fibra Monomodo (SMF) consiste em um núcleo muito pequeno, na ordem de 9 micrometros, e utiliza a tecnologia laser, que é mais cara, para enviar um único raio de luz no centro do núcleo da fibra. A fibra Monomodo é empregada em redes de longa distância que abrangem centenas de quilômetros, como as exigidas em aplicações de telefonia e de TV a cabo. Figura 12 – A fibra Monomodo Fonte: Rohling, 2021. A fibra óptica do tipo monomodo também é empregada nas tecnologias de acesso à internet, utilizando a tecnologia chamada de GPON, que está substituindo a tecnologia de acesso baseada em cabos telefônicos (ADSL). O outro tipo de fibra óptica é a fibra Multimodo, a qual possui um núcleo maior que a fibra monomodo, que pode ser de 50 ou de 62,5 micrometros. Para a transmissão em fibras multimodo são utilizados os emissores LED para gerar os pulsos de luz que representarão os sinais digitais, sendo que a luz emitida pelo LED será injetada na fibra multimodo em diferentes ângulos. Esse tipo de fibra é amplamente utilizado nas redes LAN, pois utilizam os LEDs de baixo custo. Núcleo Sinal de luz Casca Revestimento 18Figura 13 – A fibra Multimodo Fonte: Rohling, 2021. Uma das limitações do LED é a largura de banda, sendo que as tecnologias de transmissão em redes LAN estavam limitadas à taxa de 100 Mbps. Assim, foram desenvolvidos os dispositivos transmissores chamados de VCSEL, que utilizam tecnologia LASER, mas com um menor custo, atingindo uma largura de banda de até 10 Gb/s e com comprimentos do link de fibra óptica do tipo multimodo de até 550 metros. Outra diferença entre as fibras Monomodo e Multimodo é a dispersão, que está associada à propagação de um pulso de luz ao longo do tempo. Assim, um aumento da dispersão significará uma maior perda de potência do sinal, sendo que a fibra Multimodo apresenta uma dispersão maior que a fibra Monomodo, limitando o seu uso em enlaces de até 500 metros. 3.2 Os cabos e conectores Para a conexão dos cabos de fibra óptica aos equipamentos são utilizados os sistemas de cordões flexíveis, que possuem um conector de fibra óptica em cada uma de suas extremidades, semelhante ao cordão de manobra utilizado pelos cabos UTP. Porém, diferentemente do cabo UTP, que utiliza apenas os conectores RJ-45, em cordões ópticos podemos encontrar uma variedade de conectores de fibra óptica, sendo que as principais diferenças entre os tipos de conectores são as dimensões e métodos de acoplamento. Para a utilização dos sistemas de transmissão ópticos para a comunicação em redes, alguns switches e roteadores possuem portas Núcleo Sinal de luz Casca Revestimento 19 específicas que suportam os módulos para conexão das fibras ópticas, que são os transceptores ópticos chamados de SFP – Small Form-factor Pluggable. Para a conexão dos sistemas de cabeamento óptico, os tipos de conectores que poderemos encontrar nas instalações de redes ópticas são os que se seguem. • Conectores ST (Straight Tip): foram um dos primeiros tipos de conectores utilizados. O conector possui uma trava de segurança, com um mecanismo estilo baioneta "Twist-on/twist-off". • Conectores SC (Subscriber Conector): às vezes são referidos como conectores quadrados ou conectores padrão. Eles são conectores de redes LAN e WAN amplamente adotados, utilizando um mecanismo push- pull para garantir a inserção com segurança. Este tipo de conector é usado com fibras multimodo e de monomodo. • Conectores LC (Lucent Conector) simplex: são uma versão menor do conector SC e sua utilização vem crescendo significativamente devido ao seu menor tamanho. • Conector LC duplex: semelhante a um conector LC simplex, mas usa um conector duplex. Até recentemente, os sistemas de transmissão óptica realizavam a emissão dos sinais ópticos em apenas uma direção na fibra óptica, assim, eram necessárias duas fibras ópticas para suportar a operação duplex. Portanto, os cabos de manobra de fibra óptica, também chamados de cordões ópticos ou de patch-cords, são compostos de dois cabos flexíveis de fibra óptica, que são os terminados com um par de conectores individuais, de acordo com o padrão de conectorização utilizado. Alguns conectores de fibra óptica aceitam tanto a transmissão quanto a recepção de sinais ópticos em um único conector, conhecido como conector duplex, como mostrado na figura 14, em que temos um Conector Duplex do tipo SC. 20 Figura 14 – O conector SC Duplex Crédito: Jeerachon/Shutterstock. Mais recentemente, temos os padrões do tipo BX, tal como o padrão 100BASE-BX, que utilizam diferentes comprimentos de onda para enviar e receber os sinais em uma mesma fibra óptica. Assim, a comunicação DUPLEX é realizada com o uso de apenas uma fibra óptica. Os cabos de manobra de fibra óptica são necessários para interconectar os dispositivos de infraestrutura, sendo que o uso de cores distingue entre cabos de manobra monomodo e multimodo. A cor amarela é para cordões de fibra óptica monomodo, e as cores laranja ou aqua, para cordões de fibra multimodo. Assim, podemos ter diversos cordões de manobra em função do tipo da fibra e do tipo de conectores, conforme listado a seguir: • Patch Cord SC-ST multimodo; • Patch Cord SC-SC multimodo; • Patch Cord LC-LC multimodo; e • Patch Cord LC-LC monomodo. Existem muitas vantagens no uso dos cabos de fibra óptica em comparação com os cabos de cobre. Atualmente, na maioria dos ambientes corporativos, a fibra óptica é usada principalmente como cabeamento de backbone para conexões ponto a ponto de alto tráfego, entre as instalações de distribuição de dados. Também é usada para a interconexão de edifícios em redes com múltiplos edifícios, tais como um campus universitário. E, como os 21 cabos de fibra óptica não conduzem eletricidade e têm uma baixa perda de sinal, eles são adequados para esses tipos de aplicações. TEMA 4 – A CAMADA DE ENLACE DE DADOS A camada dois do modelo OSI, também chamada de enlace de dados ou de link de dados, é responsável pelo controle de acesso ao meio físico e de comunicação com a camada superior, ou seja, com a camada de rede. Inclusive, muitos dos protocolos empregados na camada de enlace de dados acabam também definindo a camada um, pois esse processo de controle de acesso ao meio deverá estar integrado ao meio físico utilizado. Na comunicação nas redes de dados, poderemos ter a troca do protocolo de camada dois diversas vezes ao longo do caminho através da rede, em função da mudança de meio físico no processo de comunicação entre os dispositivos intermediários de rede. Dessa forma, quando você acessa um servidor na internet, estará utilizando um protocolo na rede local que poderá utilizar o meio físico do cabo metálico ou rede wireless, mas, na conexão com o seu provedor de internet, deverá ser utilizado outro protocolo, pois ocorrerá uma mudança de meio físico, utilizando, por exemplo, a fibra óptica. Assim, o roteador deverá suportar esses dois protocolos de camada de enlace, um para a conexão com a rede LAN, e outro protocolo para a conexão com a rede WAN, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 15 – A mudança de protocolo Fonte: Rohling, 2021. Protocolo de camada 2: WiFi Camada física: Wireless Protocolo de camada 2: GPON Camada física: Fibra Óptica 22 Assim, a camada de enlace de dados deverá preparar os dados para que sejam trafegados pela rede física, que, no caso do equipamento do usuário, serão executados pela placa de interface de rede, que é chamada também de NIC – Network Interface Card. Além da preparação dos dados, de acordo com o modelo OSI, a camada de enlace tem outras atribuições, as quais são apresentadas a seguir. 4.1 Atribuições da camada de enlace de dados A camada de enlace deverá permitir que as camadas superiores possam acessar o meio físico, pois os protocolos das camadas superiores não deverão conhecer as características do meio físico que está sendo utilizado para o encaminhamento dos dados. Ou seja, os protocolos que estão sendo utilizados nas demais camadas irão operar independentemente do meio físico utilizado. No exemplo anterior, quando você está acessando um servidor WEB na internet utilizando o protocolo HTTP na camada de aplicação, este processo de comunicação entre o computador do usuário e o servidor ocorrerá sem o conhecimento de quais serão os meios físicos utilizados. Assim, se o seu computador está utilizando a rede wireless ou a conexão via cabo de rede, não ocorrerá nenhuma mudança no processo dos protocolos das demais camadas em função do meio físico empregado. Esse é o principal objetivo do modelo em camadas, ou seja, que os processos de cada camada ocorram de maneira independente das demais camadas. Outra tarefa da camada de enlace é o encapsulamento das informações recebidas da camada 3, que, normalmente, serão os pacotes de IPv4 ou IPv6, que serão inseridos nos quadros da camada 2. Ou seja, o protocolo da camada de enlace dedados deverá receber os pacotes da camada superior e montar o quadro de camada de enlace. No exemplo da figura anterior, a interface wireless do computador dos usuários deverá receber os pacotes IP vindos da camada de rede e encapsular esses pacotes em quadros a serem transmitidos pela rede wireless. 23 Figura 16 – O encapsulamento da camada de enlace Fonte: Rohling, 2021. Como os protocolos de camada de enlace são diferentes, de acordo com os requisitos de transmissão e do meio físico, teremos quadros diferentes para cada link, conforme mostrado na figura 17, porém mantendo o mesmo conteúdo transportado, ou seja, o mesmo pacote IP. Figura 17 – O quadro de camada de enlace Fonte: Rohling, 2021. Na outra extremidade dos links, outra atribuição dos protocolos de enlace de dados será a de desencapsulamento dos quadros e a entrega do conteúdo, que provavelmente será o pacote IP, para a camada de rede. Assim, no exemplo da figura anterior, o quadro recebido pelo roteador através da rede wireless será recebido pela interface LAN do roteador, e o pacote Pacote IP Pacote IP Quadro de Enlace de dados Camada 3 Camada 2 Pacote IP Pacote IP Quadro WiFi Quadro GPON 24 IP será entregue para a camada de rede do roteador. E, através do processo de roteamento do mesmo, que será estudado em outra ocasião, será constatado que esse pacote IP deverá ser encaminhado para a rede WAN, e, assim, deverá ser encapsulado novamente, mas agora pela interface óptica, que irá montar um quadro de acordo com o protocolo dessa interface. Ou seja, o roteador executa as duas tarefas, que são o desencapsulamento do quadro recebido por uma interface e o encapsulamento para o envio através de outra interface. Porém, no caso de um equipamento terminal de rede, temos a execução de apenas uma dessas tarefas, ou seja, ou ele irá montar um quadro, encapsulando o pacote recebido da camada de rede, ou irá receber o quadro, desencapsular o mesmo e encaminhar o pacote para a camada de rede. Assim, temos uma diferença no processo de camada de rede, de acordo com a função do equipamento no processo de comunicação, que será o transmissor, montando e encaminhando o quadro, ou o receptor, recebendo e desencapsulando o quadro. No processo de transmissão dos dados através do meio físico, poderão ocorrer erros, e, assim, uma das atribuições da camada de enlace de dados é a detecção de erros, pois essa é a camada que está logo acima da camada física. Porém, a única atribuição dessa camada é a detecção dos erros, e não a correção destes. Dessa forma, ao ser detectada a recepção de um quadro com erro, esse quadro é descartado, não sendo feito o processo de desencapsulamento do conteúdo do mesmo. 4.2 Controle de acesso ao meio Além do processo de encapsulamento e desencapsulamento dos pacotes recebidos da camada superior da codificação dos dados para a transmissão através do meio físico, outra atribuição da camada de enlace é o controle de acesso ao meio. Assim, como na implementação das redes temos diversas tecnologias que operam baseadas no compartilhamento do meio físico, em que terminais são conectados a uma topologia em barramento, conforme ilustrado na figura 18, é necessário que exista um processo para que os terminais possam utilizar esse meio compartilhado de maneira adequada. 25 Figura 18 – Conexão em barramento Fonte: Rohling, 2021. Assim, nesta topologia, caso o PC1 realize a transmissão de dados no barramento, os demais terminais conectados ao barramento não poderão fazer a transmissão de dados, pois o meio físico compartilhado está ocupado. Esse tipo de topologia era empregado na implementação das redes LAN iniciais, que utilizam um cabo coaxial interligando todos os computadores da rede, consistindo em um meio compartilhado. Mais tarde, as tecnologias de rede LAN passaram a empregar um concentrador, que era o HUB. Porém, esse equipamento era apenas um repetidor do sinal, de forma que quando um terminal estava transmitindo, esse sinal era replicado para os demais, ocupando o meio compartilhado (figura 19). Assim, os demais terminais deviam aguardar a liberação do meio para realizar a transmissão, caso tivessem dados a serem transmitidos através da rede. PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 26 Figura 19 – Conexão em barramento com o HUB Fonte: Rohling, 2021. Atualmente, as redes wireless LAN operam na topologia em barramento, pois o sinal que transporta os dados possui a mesma frequência para todos os dispositivos, de modo que enquanto um terminal está transmitindo, ele ocupa o meio físico, que fica indisponível para os demais terminais. Portanto, o protocolo de camada de enlace deverá implementar um mecanismo de controle ao meio, principalmente em meios compartilhados, sendo que a operação básica desse controle de acesso é a verificação da ocupação do meio, antes do processo de transmissão. Estando o meio livre, poderemos, ainda, ter um mecanismo adicional para garantir a liberação desse meio para um determinado terminal, de forma que ele possa ser efetivamente utilizado, com uma garantia de uso exclusivo. TEMA 5 – O PROTOCOLO ETHERNET Temos diversos padrões utilizados na camada de enlace de dados, de acordo com as necessidades da rede que são publicadas pelas diversas instituições de padronização vistas anteriormente. Assim, para as tecnologias de redes WAN implementadas pelas operadoras dos serviços de telecomunicações, normalmente temos a utilização dos padrões publicados pelo ITU-T. Além das publicações do ITU-T, temos também os padrões publicados pelo IEEE, que são os padrões IEEE 802 aplicados nas redes LAN Ethernet; nas redes LAN sem fio, chamadas da WLAN; nas redes pessoais sem fio, chamadas PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 27 de WPAN; bem como em outros tipos de redes locais e metropolitanas. O padrão IEEE 802 divide a camada de enlace de dados em duas subcamadas, que são as camadas LLC – Logical Link Control e MAC – Media Access Control. A subcamada LLC implementa a comunicação entre o software de rede, executado nas camadas superiores, e o hardware do dispositivo, alocado nas camadas inferiores. Para isso, é inserida no quadro de camada de enlace a identificação de qual protocolo de camada de rede está sendo utilizado. A inserção dessa informação possibilita que vários protocolos da camada 3, tais como o IPv4 e o IPv6, utilizem a mesma interface de rede e o mesmo meio físico. Ou seja, você poderá acessar simultaneamente um servidor que está utilizando o protocolo IPv4 e outro servidor que está utilizando o protocolo IPv6, e essas duas comunicações estão utilizando a mesma placa de rede e o mesmo cabo UTP que conecta o seu computador à rede. Figura 20 – As subcamadas IEEE 802 A outra subcamada é a subcamada MAC, que efetivamente faz o controle de acesso ao meio. Essa camada dependerá do meio físico utilizado. Assim, temos diversos padrões do IEEE que implementam essa subcamada: o IEEE 802.3, o 802.11 ou o 802.15. Essa subcamada é responsável pelo encapsulamento de dados e pelo controle de acesso ao meio. Nela, temos, também, a definição do endereçamento de camada de enlace de dados, que também é chamado de endereço físico, estando relacionado com as várias tecnologias de camada física. Subcamada LLC Subcamada MAC Meio Físico Protocolo de Rede Camada 3 Camada 1 Camada 2 28 5.1 O quadro Ethernet Sendo o protocolo Ethernet um protocolo de camada de enlace de dados, uma de suas atribuições é o encapsulamento dos pacotes da camada de rede, com a formação do quadro Ethernet, que é uma estrutura formada por diversos campos necessários para o processo de encaminhamento do quadro, bem como para a detecção de erro, que é outra atribuição da camada de enlace. O quadro Ethernet deverá ter um tamanho mínimode 64 bytes e um tamanho máximo de 1518 bytes, incluindo todos os bytes dos demais campos, não sendo considerado apenas o campo de preâmbulo na contabilização do tamanho de quadro. Teremos essa variação porque o tamanho da carga a ser transportada, chamada de “Payload”, a qual será provavelmente um pacote IP, poderá ter um tamanho variável. Assim, no processo de verificação dos quadros, qualquer quadro com comprimento menor que 64 bytes ou maior que 1.500 bytes será descartado pelo terminal receptor. Os campos de um quadro Ethernet, de acordo com o padrão IEEE 802, são mostrados a seguir. Figura 21 – O quadro Ethernet IEEE 802 Fonte: Rohling, 2021. No início do quadro Ethernet, temos o campo de Preâmbulo, de 7 bytes, e o campo Delimitador de Quadro Inicial, indicado como SFD – Start Frame Delimiter, de 1 byte, que são utilizados para a sincronização entre os dispositivos transmissor e receptor do quadro. Assim, o receptor poderá identificar o início de transmissão de um novo quadro, bem como verificar qual é a taxa de transmissão, já que as interfaces Ethernet podem operar em taxas de transmissão de 10 Mbps até 1 Gbps. O próximo campo do quadro Ethernet é o Endereço MAC de destino do quadro, de 6 bytes, que é o identificador do destinatário do quadro. O processo Preâm- bulo e SFD Endereço MAC de Destino Endereço MAC de Origem Tipo / Compri- mento DADOS FCS 8 bytes 6 bytes 6 bytes 2 bytes 4 bytes 46 a 1500 bytes 64 a 1518 bytes 29 de encaminhamento dos dispositivos intermediários de rede que operam em camada 2, que são os switches, será realizado com base nesse endereço. As interfaces dos dispositivos terminais de usuário, ao receberem um quadro Ethernet, irão comparar o valor desse campo com o seu próprio endereço MAC para verificar se eles são efetivamente o destinatário do quadro recebido. Se for verificada a correspondência, a interface de rede aceita o quadro e faz o desencapsulamento do mesmo. O outro campo, na sequência do endereço de destino, é o Endereço MAC de Origem, também de 6 bytes, sendo o identificador do remetente do quadro. Assim, a sua placa de rede irá inserir o endereço gravado nessa placa em todos os quadros gerados pela mesma para identificar a origem dos quadros encaminhados na rede. Dessa forma, todas as interfaces conectadas em uma rede deverão possuir endereços distintos para serem corretamente identificadas no processo de comunicação em camada 2. Esse endereço é gerado e gravado pelo fabricante da interface de rede, seja nos dispositivos finais de usuário, seja nos dispositivos intermediários. Após os endereços de origem e destino, teremos, então, o campo, de dois bytes, que pode representar o tamanho do quadro ou o tipo de protocolo de camada 3 que está sendo transportado no quadro. Assim, cada tipo de protocolo de camada 3 terá um identificador específico, que será inserido nesse campo do quadro. Por exemplo, um quadro Ethernet que tem como carga um pacote IPv4 utilizará o valor em hexadecimal igual a 0x0800 no campo Tipo. Porém, se o pacote encapsulado for um pacote IPv6, o campo Tipo conterá o valor 0x86DD, em hexadecimal, identificando que o protocolo de camada 3 é o IPv6. O quinto campo de um quadro Ethernet é o campo de dados, que poderá ter um tamanho variável, de 46 até 1500 bytes, contendo os dados do protocolo da camada superior, que é a camada 3. Como os quadros Ethernet devem possuir um tamanho mínimo de 64 bytes, caso o tamanho do Payload da camada superior seja menor que 46 bytes, esse campo será completado com bits de enchimento até completar esse tamanho mínimo. O tamanho efetivo dos dados da camada 3 que estão encapsulados será indicado pelo campo anterior, que é o campo Comprimento/Tipo, que, nesse caso, está indicando o comprimento dos dados recebidos da camada superior. O último campo do quadro Ethernet é o Campo de Verificação de Sequência de Quadro, também identificado como FCS, de 4 bytes, que é 30 utilizado para detectar erros em um quadro. Para isso, é utilizado o mecanismo chamado de verificação de redundância cíclica, ou CRC – Cyclic Redundancy Check, de forma que o dispositivo que irá enviar o quadro executará esse cálculo de CRC sobre os valores binários do quadro a ser enviado, e, então, incluirá este resultado no campo FCS do respectivo quadro. O dispositivo destinatário do quadro, ao receber o quadro, irá, então, realizar o cálculo do CRC sobre o quadro recebido, identificando se ocorreram erros na transmissão do quadro. Desse modo, se o valor do cálculo corresponder ao conteúdo do campo de FCS, isso significa que não houve erro na transmissão e, dessa forma, o quadro pode ser desencapsulado. Porém, se os valores não coincidirem, isso significa que houve uma alteração dos dados, e o quadro é então descartado. Essa alteração nos dados pode ter sido gerada por uma interferência externa nos sinais elétricos, alterando os valores dos bits transmitidos. 5.2 O endereço Ethernet Uma das funções da camada de enlace é a identificação das interfaces conectadas à rede, cuja identificação no protocolo Ethernet é realizada pelo endereço MAC Ethernet, que consiste em um valor binário de 48 bits, sendo representado em hexadecimal. Assim, o endereço MAC Ethernet de 48 bits pode ser representado por um valor hexadecimal com 12 dígitos hexadecimais, pois cada conjunto de 4 bits é representado por um valor em hexadecimal que varia e 0 até 9 e de A até F, completando, assim, os 16 valores do sistema numérico hexadecimal. Na tabela a seguir, temos a representação dos valores correspondentes nos sistemas hexadecimal, binário e decimal. 31 Tabela 1 – Os valores binários e hexadecimais HEXADECIMAL BINÁRIO DECIMAL 0 0000 0 1 0001 1 2 0010 2 3 0011 3 4 0100 4 5 0101 5 6 0110 6 7 0111 8 8 1000 9 9 1001 10 A 1010 11 B 1011 12 C 1100 13 D 1101 14 E 1110 15 F 1111 16 Fonte: Rohling, 2021. Para diferenciar os valores representados no sistema hexadecimal, é utilizado o valor precedido por “0x”. Assim, o valor 0x0800 utilizado no campo Tipo do quadro Ethernet para identificar o protocolo de camada 3 é um valor expresso em hexadecimal. E, nesse exemplo, se fizermos a conversão desse valor para binário, teremos: 0x0800 = 0000 1000 0000 0000 Dessa forma, temos um valor que é expresso por um conjunto de 16 bits, que correspondem ao tamanho indicado para o campo Tipo, que é de 2 bytes. Temos, também, três tipos diferentes de endereços MAC: o endereço de unicast, de multicast ou de broadcast. O endereço de unicast é aquele identificador atribuído a cada interface de rede, a qual é realizada pelo fabricante do equipamento. Assim, o endereço de unicast é um identificador único e exclusivo de camada 2, atribuído a cada interface conectada em uma rede. O endereço de 32 broadcast é o endereço que identificará o tráfego cujo destinatário são todos os dispositivos conectados a uma rede de camada 2, sendo que esse endereço definido pelo protocolo Ethernet é o endereço formado por 48 bits iguais a 1, que equivale então ao endereço em hexadecimal igual a FF-FF-FF-FF-FF-FF. Dessa forma, ao receber um quadro Ethernet, a interface do seu computador irá comparar o endereço de destino contido no quadro. Se esse endereço for do tipo unicast e corresponder ao endereço da sua placa de rede, ou se o endereço de destino do quadro for o endereço de broadcast, o quadro será então processado, ou seja, será desencapsulado e o seu conteúdo de dados será entregue para a camada superior. Podemos ter, ainda, os endereços de multicast, que são utilizados para o envio de tráfego para um determinado conjunto de destinatários, sendo que no protocolo Ethernet, os endereços de multicast são iniciados por 01-00-5E para o encaminhamento de multicast IPv4, ou iniciados por 33-33 para o encaminhamentode multicast IPv6. FINALIZANDO Na implementação das redes locais, atualmente temos a predominância dos cabos UTP, principalmente nas redes corporativas, pois, conforme vimos nesta aula, este meio físico é mais barato e mais fácil de instalar do que os sistemas ópticos, sobretudo em função do custo das interfaces ópticas. Como os cabos UTP categoria 5e e categoria 6 utilizados atualmente suportam a transmissão de taxas de 1 Mbps e as interfaces Ethernet dos computadores e notebooks também estão limitados a essa velocidade, certamente o cabeamento atual atenderá à demanda de rede por um bom tempo. Nos ambientes das empresas ainda encontramos muitos computadores com placas de rede operando a 100 Mbps, atendendo plenamente à demanda de tráfego desses usuários. Portanto, a utilização dos cabos UTP como meio físico para a implementação das redes LAN, mesmo para a implementação de novas redes, é uma opção plenamente viável, tanto do ponto de vista tecnológico e operacional quanto do ponto de vista financeiro. Uma outra opção de meio físico para as redes LAN é a utilização das tecnologias wireless, que também são amplamente utilizadas nas redes corporativas e nas redes domésticas. Porém, devemos considerar algumas 33 diferenças significativas nesses dois cenários em relação às necessidades distintas de cada uma delas, pois temos basicamente uma única característica comum, que é a necessidade de conexão de dispositivos móveis à rede. Contudo, mesmo em relação a essa mobilidade, devemos considerar que, em uma rede doméstica, teremos a conexão de poucos dispositivos, e, em uma rede corporativa, essa demanda pode chegar à ordem de centenas ou até milhares de terminais. Assim, no projeto de uma solução de rede wireless, a escalabilidade é um requisito essencial, conforme vimos anteriormente. Outro aspecto que também diferencia as redes wireless LAN nos ambientes residências e corporativos é a cobertura dos espaços, pois, em uma residência, eventualmente a área total pode ser coberta com apenas um ou dois Access Points, e, em uma rede corporativa, poderemos ter a necessidade da instalação de muitos equipamentos, incluindo um sistema de gerenciamento centralizado, que é baseado em uma controladora wireless. A segurança da rede certamente exigirá um mecanismo de autenticação diferenciado, ao passo que em uma rede doméstica podemos apenas utilizar uma senha para a autenticação e controle de acesso à rede wireless. Em um ambiente corporativo, devermos utilizar um mecanismo de autenticação baseado em servidores que contêm o banco de dados com as credenciais dos usuários. Portanto, a opção pela utilização das soluções de redes sem fio deve sempre levar em consideração esses requisitos, além do fato de que a topologia das redes wireless é do tipo barramento. Dessa forma, devemos considerar que temos um meio compartilhado que pode ser utilizado apenas por um usuário de cada vez, o que afeta significativamente a velocidade de tráfego dos usuários, principalmente com o aumento da quantidade de terminais conectados à rede. Nesta aula, abordamos as duas camadas inferiores do modelo OSI, inclusive com o estudo do protocolo Ethernet, que é o protocolo mais utilizado nessas duas camadas, podendo utilizar os três meios físicos para enviar os quadros através de cabos UTP, fibras ópticas ou ondas eletromagnéticas. Futuramente, estudaremos os protocolos empregados nas demais camadas do modelo OSI e do modelo TCP/IP. Conversa inicial TEMA 1 – A CAMADA FÍSICA FINALIZANDO
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