Ethernet Basics - CompTIA Network+ (N10-006)

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Ethernet Basics
Capítulo 3
História
Até ‘73 não existia uma maneira de transferir via rede. Então a Xerox criou a Ethernet, um padrão de tecnologia de rede baseada na topologia Bus transferindo até 3Mbps. 
A tecnologia permaneceu in-house até ‘79 quando a Xerox procurou parceiros tecnológicos para promover a tecnologia como um padrão da indústria. A Xerox se juntou à Digital Equipment Corporation e Intel para criar o padrão DIX (Digital-Intel-Xerox) que conectava os computadores por cabo coaxial de velocidade de 10Mbps.
Essas empresas transferiram o controle do padrão Ethernet para a IEEE, aonde foi criado o subcomitê 802.3.
Toda topologia ETHERNET até ‘90 era um híbrido de star-bus. No meio da topologia utilizavam um HUB (coberto no documento de DEVICES):
FRAMES
Frames = Usado em MAC Address;
Packet = Usado em TCP/IP na layer 3;
Frames resolvem dois problemas importantes; Não monopolizam cabos e facilitam no re-envio de pacotes com erros.
Todo frame básico é composto por 6 partes:
Recipient MAC Address;
Sending MAC Address;
Type (EtherType);
Data itself (Payload);
Pad (SOMENTE SE NECESSÁRIO);
FCS.
Antes de todo frame existe o PREAMBLE (preâmbulo).
Preamble
O preâmbulo é uma série em 7-byte de 0s e 1s alternados seguido de Start Frame de 1 byte. Eles fazem com que a NIC receptora se prepare para receber a informação e para saber exatamente aonde o frame começa. 
Recipient & Sending Mac Address
Cada NIC é referenciada como node (mas existe um momento que um dispositivo pode ter mais de uma NIC, logo é representado por mais de um node), e já vimos que ela recebe um endereço hexadecimal físico único de tamanho 48-bit/6-byte. O exame da CompTIA pode referir-se tanto a 48bit ou 6bytes, fique ligado.
O computador envia um frame para o hub contendo o MAC Address. Todas as máquinas conectadas no HUB recebem o frame e verificam se o MAC Address da NIC bate. Caso o frame não bata, eles dropam o frame. Caso o frame corresponda, ela abre o frame e começa a processar o dado.
Por esse mecanismo de permitir que qualquer sistema possa capturar o dado, redes ethernet apresentam sérios problemas de vulnerabilidade. Uma ferramenta de diagnóstico de rede, sniffer, pode configurar uma NIC para trabalhar em promiscuous mode que habilita a NIC capturar todos os frames trafegados na rede.
Type (Ethertype)
Um frame pode conter diferentes tipos de dados. O tipo ajuda o computador a entender os dados do frame em um nível muito básico.
Data (Payload)
Carrega a informação (payload) propriamente dito. Se o frame carrega um IP Packet, aquele packet irá informar coisas extras como o IP de ambos os sistemas.
Pad
O frame mínimo tem tamanho de 64bytes. Quando o frame não ocupa esse espaço todo, a NIC irá enviar um pad para ocupar a informação necesária.
FCS (Frame Check Sequence)
Permite que os nodes verifiquem o frame para falha de transmissão. A NIC que envia faz uma equação matemática com o frame todo e inclui no FCS. A NIC que recebe realiza a mesma equação e verifica se o FCS é o mesmo. Dessa forma é possível saber se a informação está íntegra.
Essa é a parte final de um frame.
Um de cada vez… ou o CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) determina qual computador deve usar o sistema e em qual momento. 
Cada node verifica o cabo antes de enviar o frame. Caso uma máquina esteja usando o cabo, ele espera alguns milissegundos e faz a tentaiva de reenvio. Caso o cabo esteja livre, ele faz o envio.
Caso ocorra uma colisão a informação não é enviada. Então cada NIC gera um número aleatório e quem gerar o menor número, realiza o envio da informação com prioridade. Uma rede padrão propriamente configurada perde aprox. 10% de seus frames para colisão.
O CSMA/CD é um método de acesso de rede que se referencia o padrão IEEE 802.3.
Carrier Sense: Cada node verifica se o cabo está livre;
Multiple Access: Toda máquinas tem acesso ao cabo. Se o cabo estiver livre, QUALQUER node faz o envio;
Collision Domain: Um domínio de colisão é um grupo de nodes capaz de mandar frames ao mesmo tempo, resultando em colisões. Se o domínio de colisão ficar maior, a rede fica lerda. Por isso dividimos redes em segmentos.
Ethernet Antiga
Bus Ethernet
A primeira ethernet foi a topologia bus. 
Primeiro veio o 10Base5 (Thicknet) que trazia vampire taps. O horror.
A última rede ethernet em bus, 10Base2 (Thinnet) trazia NICs conectas em um único cabo, distribuindo sinal por conectores em T. 
10Base5 (Thicknet) - Barbárico...
10Base2 (Thinnet) - Melhorzinho…??
Ainda existem redes 10Base2 usando cabos coaxias RG-58 com conectores BNC. Uma rede 10Base2 pode chegar só até 185m.
A grande pegadinha das topologias em bus que já vimos é que elas precisam ser terminadas, caso contrário, o sinal se perde. Lembre-se sempre de fechar sua rede com um desses BNC Terminators.
Na prova,cada rede se refere a velocidadeBasebandTipo. Nos modelos antigos é velocidadeBasebandMetros VEZES 10.
10Base5: 10 * 50 metros = Até 500 metros.
10Base2: 10 * 20 metros = Até 185 metros.
10BaseT
Criada em ‘90 pela IEEE 802.3 para modernizar a primeira geração de ethernet, se tornou um dos padrões pioneiros e mais usados até os dias de hoje. Presente em pelo menos 99% das redes do mundo todo em sua versão mais antiga, ou versões mais atuais e rápidas.
A rede clássica 10BaseT estipula que dois ou mais computadores precisam estar conectados a um HUB.
10 = 10 Mbps
Base = Baseband (tipo de sinal)
T = Twisted Pair
HUBs precisam de energia, logo se você encontrar uma rede 10BaseT que todos os computadores pararem de funcionar, sempre verifique o HUB primeiro!
Redes 10BaseT utilizam cabos UTP (unshielded twisted pair) de no mínimo de CAT3 (ou maior CAT) de dois pares. Um par envia, outro recebe.
Pessoas geralmente instalam UTP de 4 pares para acomodar um padrão mais novo de rede.
10BaseT também introduziu conectores RJ-45.
O padrão 10BaseT estipula significado aos pares do cabo. Pinos 1 e 2 mandam, enquanto pinos 3 e 6 recebem.
Ainda que existam pares designados para mandar e receber, um dispositivo conectado não pode mandar e receber ao mesmo tempo por causa da CSMA/CD.
NICs que mandam/recebem de cada vez rodam em half-duplex. NICs que fazem os dois trabalhos simultaneamente rodam em full-duplex.
Para crimpar cabos, a Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Alliance (TIA/EIA), estabeleceu dois padrões: TIA/EIA 568A e TIA/EIA 568B. O novo padrão, que junta os dois MAS NÃO AO MESMO TEMPO, é o ANSI/TIA 568C.
Macete: Os dois padrões usam 1-2 para envio e 3-6 para recebimento. O que muda entre os dois é só a posição; A usa Green-Envio e O-Recebimento. O B inverte. As outras posições continuam as mesmas.
A is GO. B is the real OG.
Como qualquer padrão, o 10BaseT tem sua limitação. Um limite de 100 metros para o node até o HUB, e 1024 máquinas conectadas em um HUB (embora não faça nenhum sentido porque seria caro um HUB desse tamanho).
Sumário...
Speed: 10Mbps;
Signal Type: Baseband;
Distance: 100m do node até o hub;
Node Limit: 1024 nodes em um hub;
Topology: star-bus - physical star & logical bus;
Cable Type: CAT3 (ou melhor) UTP crimpado com RJ-45.
10BaseFL
É uma variante mais atual, em fibra óptica, da 10BaseT. O 10BaseFL utiliza fibras multimode e conectores SC ou ST. Redes 10BaseFL usam um par de fibra, um cabo recebe e o outro realiza o envio.
Por ser fibra óptica, esta ganha em alguns aspectos:
Distância (até 2km dependendo da configuração);
Baixa distorção em EMI (excelente para ambientes com muitos ruídos eletrônicos);
Melhor segurança pois o cabo é difícil de capturar pacote;
Como 10BaseFL ainda transfere frames de ethernet, é comum ver redes topologia star-bus com 10BaseFL e 10BaseT. 
Como os dois tipos de cabos são diferentes, é necessário um aparelho conhecido como media converter para conectar dois tipos de ethernet diferentes.
Sumário…
Speed: 10Mbps;
Signal Type: Baseband;
Distance: 2km do hub até o node;
Node Limit: 1024;
Topology:
star-bus - physical star, logical bus;
Cable Type: fibra óptica multimode com conectores SC ou ST.
Extendendo e Melhorando Redes Ethernet
Couplers
Servem para extender as redes.
Uplink Ports
São portas em dispositivos HUBs ou switches que posibilitam a conexão entre si através diretamente por cabo. Essas conexões devem ser feito “em cascata”, caso feito conectando todas as portas uplink em um hub central não irá funcionar.
Não é possível usar porta UpLink e 2X ao mesmo tempo! Alguns switches possuem botões físicos para habilitar uma ou outra.
A única maneira de conectar vários hubs em pirâmide é fazendo daisy chain.
A maneira apropriada de ligar a UPLink port é conectar um cabo straight-through na porta uplink (MDIX) em um outro HUB com porta comum (MDI).
NÃO CONECTAR UM CABO STRAIGHT-THROUGH EM UMA PORTA MDIX E EM OUTRO HUB CONECTAR EM OUTRA PORT MDIX!!
Se possuir um cabo crossover é só conectar DMI para DMI.
Importante!!!
No N10-006 você vai ler tanto MDI (media dependent interface) que são portas NORMAIS, e MDIX (Media Dependent Interface CrossOver) que são portas UPLINK.
CrossOver Cables
Como vimos, não podem fazer conexão entre HUBs sem que seja pela porta UPLink utilizando um cabo par trançado normal.
Para remediar esse problema, são utilizados cabos crossover que nada mais são cabos com uma ponta TIA/EIA-586A e outra ponta com TIA/EIA-586B.
Com os fios de envio e recebimento invertidos, HUBs conseguem conversar entre si.
O cabo crossover é conectado em uma porta MDI (normal).
Cabos crossover também podem ser usados para conectar duas NICs10BaseT sem HUB.
IMPORTANTE!!!
A CompTIA cobra conhecimento de 3 cabos: straight-through (padrã A OU B), crossover (padrão A E B) e rollover.
Um cabo rollover é um cabo especial com uma ponta RJ-45 e outra DBS-232 (DB-9) usado para conectar um computador ao um switch ou roteador CISCO.
Bridges
Usadas para expandir redes ethernet;
Filtra, direciona e repete o sinal entre segmentos baseado no MAC;
Por se basear no MAC Address, é um dispositivo de layer 2 e de Link/Network no modelo TCP/IP;
Caiu em desuso em redes wired mas ainda é usada em redes wireless;
Desuso pelo switch.
Switches
Switches criam comunicação ponta-a-ponta com as máquinas através do MAC Address (ou sejam, trabalham na layer 2). Quando os frames começam a trafegar no switch, o dispostivo cria uma tabela com os endereços MAC de cada computador conectado, essa tabela é chamada de Source Address Table (SAT).
Assim quando a tabela é criada, o switch pega os frames da rede e faz o devido endereçamento, agindo como uma telefonista. Como switches lidam com a conexão p2p, é como se só existissem aqueles dois computadores na rede, e isso permite eles trabalharem com a banda de 10Mbps só para eles.
Cada porta no switch possui seu próprio collision domain e consegue fazer buffer dos frames. Isso quer dizer que os dois nodes conectados ao switch podem mandar informações ao mesmo tempo e o switch vai lidar com isso sem colisões.
Com switches half-duplex, colisões acontecem e são usadas as regras da CSMA/CD. Essa colisão só acontecem entre o switch e o node!
Com switches full-duplex, não precisamos nos preocupar com isso. Inclusive em switches full-duplex você pode conectar DMI para DMI.
Antigamente broadcasts eram feitas para todos os nodes conectados ao mesmo bus, logo colisões ocorriam. Switches essencialmente eliminaram a colisão entre nodes dentro de um broadcast domain.
Sobre Spanning Tree...
Conexões redundantes em redes são chamadas de bridging loops/switching loops.
Antigamente bridging loops/switching loops travavam a rede porque frames ficavam presos no loop e não eram transferidos. Por isso que foi criado o Spanning Tree Protocol.
Switches com STP (Spanning Tree Protocol) detectam loops, conversam com os outros switches e configuram a porta loopeada para bloqueada. Para isso, esses switches com STP usam um frame chamado Bridge Protocol Data Unit (BPDU) para determinar distância entre eles e perceber quaisquer mudanças na rede.
Com mudanças na rede os switches com STP habilitado receberam frames de um MAC Address que ainda não está cadastrado no Source Address Table (SAT). A partir daí fazem uma query para todas as portas para achar o local do novo dispotivio num processo chamado de flooding. Então todos os switches fazem update na tabela, setam portas para bloqueadas ou encaminhadas e entram convergência, que é um estado estável. O tráfego de rede para manter todos os switches atualizandos dropa constatemente.
O primeiro subcomitê para Spanning Tree Protocol foi o 802.1d, e logo em seguida surgiu o Rapid Spanning Tree Protocol como o 802.1w.
Troubleshooting… Resolvendo pepinos...
Geralmente problemas com switches e HUBs se resumem a 3 coisas:
Dano físico;
Problemas com portas;
Aparelho incosistente/irresponsivo.
“Diagnosing any of these problems follows a similar pattern. First, you recognize that a hub or switch might have problems because a device you’ve plugged in can’t connect to the network.
Second, you examine the switch for obvious damage. Third, you look for link lights. If they’re not flashing, try a different port. Fourth, you look at your cables. If anything looks bent, broken, or stepped on, you should replace it. A bad cable or improper cable type can lead to problems that point to a “failed” hub or switch when the true culprit is really the cable. Finally, you use the tried and true method of replacing the hub or switch or the cable with a known-good device.”