redes locais aula4 comunicacao rede ethernet

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REDES LOCAIS E COMUTAÇÃO – AULA 4 
 
 
Comunicação em uma rede ethernet 
 
Outras definições clássicas 
 
Unicast 
 
Quando um frame ou quadro é enviado de um nó e seu endereço de destino é um único nó. 
É a transmissão predominante nas LANs. 
 
Os diversos protocolos da pilha TCP/IP fazem uso da transmissão unicast, destinada a um 
único host, no caso do TCP/IP. 
 
Exemplos: HTTP, SMTP, FTP, SSH, Telnet etc. 
DA 
0000.0000.2222
SA 
0000.0000.1111 
Fonte: autor 
 
 
Frame estilizado, transmissão unicast 
Concentrador
L2
0000.0000.1111
0000.0000.2222
0000.0000.3333 0000.0000.4444
0000.0000.5555
 
Fonte: autor 
 
 
 
A figura está levando em consideração que o concentrador camada 2 (L2) conhece a 
interface onde se encontra o destino. 
 
Broadcast 
Quando um quadro ou frame é enviado para todos os nós da rede, destino endereço de 
broadcast. 
 
Há somente um remetente e destino para todos os nós ativos no momento da transmissão 
no domínio de broadcast (LAN). 
 
Exemplo na camada 2: 
Protocolo ARP (Address Resolution Protocol) é o responsável em mapear o endereço lógico 
para o endereço físico. Como não sabe qual o endereço físico do nó de destino, ele realiza 
um broadcast, que é recebido e processado por todos os nós ativos da LAN. Quem possuir o 
endereço responde ao nó que enviou a requisição ARP. 
 
DA 
FFFF.FFFF.FFFF
SA 
0000.0000.1111 ARP Request 
Fonte: autor 
 
 
ARP request é transmitido em broadcast 
Concentrador
L2
0000.0000.1111
0000.0000.2222
0000.0000.3333 0000.0000.4444
 
Fonte: autor 
 
 
 
O frame foi enviado para todas as interfaces ativas no concentrador. 
 
Multicast 
Quando um frame ou quadro é enviado a um endereço que não é atribuído a um nó de rede 
e os nós continuam com seus endereços únicos, porém passam a processar os frames ou 
quadros destinados aos endereços de grupos aos quais são membros. 
 
Exemplo: 
Quando instalamos e configuramos o protocolo de roteamento RIP em um roteador, ele se 
junta (join) ao grupo multicast 224.0.0.9 no IPv4 e grupo multicast de camada 2 
01:00:5E:00:00:09. 
 
DA 
0100.5E00.0009
SA 
0000.0000.1111 Divulgação RIP v2 
Fonte: autor 
 
 
Frame estilizado para envio de divulgação do protocolo de roteamento RIP versão 2. 
Concentrador
L2
0000.0000.1111
0000.0000.2222
0000.0000.3333
0000.0000.4444
0000.0000.555
Grupo multicast 
0100.5E00.0009
Grupo multicast 
0100.5E00.0009
Grupo multicast 
0100.5E00.0009
 
 
Mesmo que seja propagado para todas as portas, o resultado é multicast, uma transmissão 
para todos os membros de um grupo. O respectivo grupo é formado por todos os hosts que 
estão “rodando” o protocolo de roteamento RIP versão 2. 
 
 
Resumindo: 
 Um nó ou estação de rede processa todos os frames destinados ao seu endereço 
único (uniast); 
 Os frames destinados a todos (broadcast – FF: FF: FF: FF: FF: FF); 
 Todos os frames destinados aos grupos dos quais é membro, mesmo que 
temporariamente (multicast). 
 
 
 
Configurações bidirecionais 
 
A rede ethernet implementa duas configurações bidirecionais: 
 Half duplex; 
 Full duplex; 
 
Half duplex 
Comunicação em ambos os sentidos com inversão, não sendo simultaneamente. 
 
Exemplo: 
Walkie-talkies e rádio amador. 
 
Para haver comunicação half duplex tem que implementar o método de acesso ao meio 
CSMA/CD. Se duas estações tentarem transmitir simultaneamente, haverá colisão 
destruindo a transmissão de ambas. 
A comunicação é obrigatória em HUBs e opcional em switches, já que os HUBs não tratam 
colisões como visto anteriormente. 
 
Full duplex 
Comunicação em ambos os sentidos simultaneamente. 
A maioria das NIC (placas de rede) ethernet, Fastethernet e Gigabit ethernet suportam o 
modo full duplex. 
 
 
 
 
Diferentemente da comunicação half duplex, que tem que implementar o método de 
acesso ao meio CSMA/CD, no full duplex o circuito de detecção de colisão é desabilitado. 
As estações e os switches necessitam suportar e estar configurados para esse modo e 
somente uma estação por porta, não podendo interligar nessa topologia qualquer 
equipamento camada 1. Os ativos de rede e as estações utilizam circuitos separados no 
cabo de rede para enviar e receber dados. 
A eficiência da rede ethernet padrão, baseada em equipamentos camada 1 e CSMA/CD, não 
ultrapassa a faixa de 50 a 60% da sua largura de banda de 10Mbps. 
Já a rede Fast ethernet, realizando a comunicação em full duplex, oferece próximo de 
100% de eficiência em ambos os sentidos da sua largura de banda de 100Mbps. 
 
Configurações de porta de switch 
Na maioria dos switches existem 3 opções de configurações possíveis: 
1- AUTO - negociação automática do modo bidirecional. Com a negociação automática 
habilitada, as duas portas se comunicam para decidir o melhor modo de 
funcionamento; 
2- FULL - modo full duplex; 
3- HALF - modo half duplex. 
 
Observação: 
 Portas Fast Ethernet e 10/100/1000, o padrão é AUTO; 
 Portas 100BASE-FX, o padrão é FULL; 
 Portas 10/100/1000: 
 Se definidas 10/100 Mbps, podem funcionar HALF ou FULL; 
 Se definidas 1000 Mbps, somente funciona em FULL. 
 
 
Auto-MDIX 
Se o equipamento não suportar auto-MDIX, necessitamos tomar cuidados na seleção do 
cabo ao interligá-los. 
 
Exemplo: 
A conexão entre dois DCEs, Switch-switch, necessita de um cabo crossover. 
 
 
 
A conexão entre um DCE-DTE, roteador-swwitch, necessita de um cabo straight-through 
(direto). 
Lembrando que equipamentos iguais DTE-DTE ou DCE-DCE necessitam cruzar Rx com Tx e 
vice-versa. 
Já na conexão de equipamentos diferentes, os DTE possuem portas não “X” e os DCEs 
possuem, naturalmente, as portas “X” (cruzadas). 
Alguns switches possuíam um botão relacionado a uma determinada porta para trocar 
manualmente entre MDI e MDIX. Hoje, diversos equipamentos podem ter suas interfaces 
configuradas como auto-MDIX, ativando esse cruzamento automaticamente conforme 
detecção do tipo de cabo metálico necessário à conexãa ethernet e se autoconfigura 
corretamente. 
Passa a ser irrelevante o tipo do cabo de cobre a ser utilizado para interligar os 
equipamentos à porta do switch (crossover ou straight-through), pois a porta se 
autoconfigura. 
A seguir, veremos os pinos destinados à Tx e RX, conforme a norma EIA/TIA 568, na 
conformação MDI e MDIX. 
 
Exemplo de pinagem 10BASE-T e 100BASE-TX RJ45: 
 
Portas configuradas como MDI 
Número 
do pino 
Sinal Função 
1 TxData+ Transmite 
dados 
2 TxData- Transmite 
dados 
3 RxData+ Recebe dados 
4 Não assinalado 
5 Não assinalado 
6 RxData- Recebe dados 
7 Não assinalado 
8 Não assinalado 
Fonte: 3Com SuperStack II Switch 3300 – User Guide 
 
 
 
Portas configuradas como MDIX 
Número 
do pino 
Sinal Função 
1 RxData+ Recebe dados 
2 RxData- Recebe dados 
3 TxData+ Transmite 
dados 
4 Não assinalado 
5 Não assinalado 
6 TxData- Transmite 
dados 
7 Não assinalado 
8 Não assinalado 
Fonte: 3Com SuperStack II Switch 3300 – User Guide 
 
 
 
Métodos de encaminhamento de frames ou quadros do switch 
Os métodos de encaminhamento determinam como o switch recebe, processa e encaminha 
um quadro ou frame ethernet. 
 
Esses métodos podem ser: 
 Comutação armazenar e encaminhar (store and forward); 
 Comutação direta: 
 Comutação fast forward (cut and through); 
 Comutação sem fragmentos (fragmente free). 
 
Comutação armazenar e encaminhar(store and forward) 
Na comutação store and forward, o switch copia cada frame ethernet completamente para 
a memória e processa o CRC Cyclic Redundancy Check para verificar erros. 
Caso um erro de CRC seja encontrado, o frame será descartado e, se não houver erro de 
CRC, o frame será encaminhado. Se existir a informação na MAC Address Table para a 
interface por onde é alcançado o dispositivo de destino. 
 
 
Store and forward acarreta um atraso, pois para cada frame ethernet é calculado o CRC e 
os frames descartados ocuparam parte da largura de banda, diminuindo a largura de banda 
efetiva. 
 A comutação armazenar e encaminhar (store and forward) é obrigatória para a análise da 
Qualidade de Serviço (QoS) em redes convergidas nas quais a classe de serviço para 
priorização de tráfego é necessária. 
Essa priorização será melhor entendida ao estudarmos o enquadramento IEEE802.1q (TAG 
de VLAN). 
 
Exemplo: 
Como exemplo, temos o tráfego de voz sobre IP(VoIP) priorizado em relação ao tráfego de 
dados, como o FTP, HTTP etc. 
 
 
Comutação direta 
A comutação direta tem como objetivo diminuir a latência, tomando decisão 
encaminhamento assim que os dados são recebidos, mesmo que a transmissão não seja 
concluída. 
O switch armazena em buffer a porção suficiente do frame para leitura do endereço MAC 
de destino, consulta a MAC Addres Table (CAM), toma a decisão de encaminhamento do 
frame para a porta onde alcança o dispositivo de destino, na transmissão unicast, ou 
realiza um flooding na transmissão broadcast ou multicast. 
 
Preâmbulo
101010 . . . 10101011
Source Address
0000.0000.1111
Dest. Address
????.????.????
EtherType
0x0806
Informação
11100100001101010001111
FCS
0x0
7 + 1 bytes 6 bytes 6 bytes 2 bytes
de 46 a 1500 bytes
4 bytes
 
Fonte: autor 
 
O endereço MAC está localizado nos 6 bytes após o preâmbulo, conforme figura. 
Observe que fica impossível ou, melhor dizendo, desnecessária a verificação de erros, já 
que o frame foi encaminhado antes de ser totalmente recebido. Com erro ou não ele já foi 
encaminhado, deixando quadros corrompidos passar entre as interfaces. 
Esses quadros corrompidos consomem banda e podem ser de duas formas: por erro de CRC 
ou por colisão ocorrida, em geral, até o byte 64. 
 
 
 
 
Pontos de atenção 
As colisões são inerentes ao método CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Colision 
Detection), previstas e tratadas pelo método de acesso ao meio da ethernet. 
 
Inicialmente, cabe relembrar a regra 5-4-3 padrão da ethernet: 
 
Segmento 1
povoado
Repetidor 1 Repetidor 2 Repetidor 3 Repetidor 4
Segmento 3
povoado
Segmento 5
povoado
Segmento 2 Segmento 4
 
Fonte: autor 
 
Todas as estações participam do mesmo domínio de colisão. E, quando a ethernet 
transmite um frame e não detecta colisão, parte do princípio que o frame foi transmitido 
com sucesso. 
Cabe ressaltar que a rede ethernet presta um serviço sem confirmação. Por esse o motivo, 
detectar a colisão é primordial para saber se a transmissão foi bem sucedida. 
Para ter a certeza de que o frame foi realmente transmitido com sucesso, se faz necessário 
que a estação transmissora tenha bits suficientes a transmitir durante o tempo necessário 
para uma colisão ocorrida no ponto mais distante do domínio de colisão retornar à 
interface dessa estação antes da mesma ter terminado o frame que está sendo transmitido. 
Esse tempo é chamado de slot time da ethernet, que é de 51,2 µs (que, a uma taxa de 
10Mbps, equivale a 512 bits ou 64 bytes). 
 
Veja o cálculo a seguir: 
 
Ethernet 10 Mbps é equivalente a 10.000.000 bits ----- 1 seg 
 
 
 
 
 
 
 
O slot time é o 2 * o RTT (round Trip Time), ou seja, o tempo de ida e volta até o final mais 
distante do maior segmento ethernet possível = 51,2 µs. 
 
10.000.000 bits -----1 seg 
X bits ------------------ 51,2 µs (X bits para eu transmitir durante 51,2 µs) 
 
Transformar µs para segundos 
10.000.000 bits ------------------1 seg 
X bits ------------------ 0,0000512 seg (0,0512 ms e 0,0000512 seg) 
 
 
Resolução de regra de 3 diretamente proporcional 
10.000.000 bits * 0,0000512 seg = X bits * 1 seg 
 
Onde está multiplicando passa para o outro lado dividindo 
10.000.000 bits * 0,0000512 seg = X bits 
 1 seg 
 
Divide seg por seg (corta), o resultado será em bits. 
X bits = 512 bits ou dividido por 8 = 64 bytes 
 
Para uma estação transmitir durante o tempo de slot time da ethernet, é necessário que a 
mesma possua um frame mínimo de 64 bytes. Caso contrário, não teria como sentir a 
colisão do frame sendo transmitido. 
 
Existem duas variantes da comutação direta: 
 
Comutação fast forward (cut through): 
Na comutação cut through, o switch copia para o buffer somente os 6 bytes do endereço de 
destino do frame, antes de analisar sua MAC Address Table e tomar a decisão de 
encaminhamento. 
 
 
 
 
Esse modo de encaminhamento reduz a latência drasticamente, porque o switch inicia o 
encaminhamento do frame ethernet tão rápido quanto lê o MAC de destino e determina a 
porta de saída. 
 
Esse é o método típico de comutação. 
 
Como tudo possui prós e contras, esse método encaminha frames corrompidos e até mesmo 
fragmentos de frames colididos, não tratando erros. 
 
Comutação sem fragmentos (fragmente free): 
A comutação fragmente free é um avanço da comutação cut through, evita encaminhar, 
para outros segmentos, erros como frames menores do que o tamanho mínimo ou 
fragmentos de colisão. 
O cut through lê os 6 bytes do endereço de destino, analisa a MAC Address Table e 
encaminha o frame, mas as colisões podem ocorrer até o byte 64. Colisões após os 64 bytes 
são consideradas como erro (colisão tardia). 
O fragmente free lê os primeiros 64 bytes do frame ethernet, evitando encaminhar 
fragmentos de colisões ou runt frames (frames menores que 64 bytes). 
 
Essa comutação gera um equilíbrio entre latência baixa e integridade do que é repassado. 
 
Um detalhe importante é que alguns switches são configurados para executar a comutação 
direta até que um limite de erro definido pelo usuário seja alcançado e, em seguida, eles 
alteram automaticamente para store and forward. Quando a taxa de erros fica abaixo do 
limite, a porta retorna automaticamente à comutação direta. 
 
Comutação simétrica e assimétrica 
A simetria ou não simetria está relacionada à largura de banda alocada pelas diversas 
portas do switch. 
 
Cabe relembrar que um HUB (equipamento de camada 1) somente trabalha com suas portas 
em velocidade simétrica (todas utilizando a mesma velocidade), já que o mesmo não possui 
buffer para amortecer a rajada de bits para cada porta. 
 
 
A comutação simétrica fornece conexões comutadas entre portas com a mesma largura 
de banda. 
 
A comutação assimétrica fornece conexões comutadas entre portas de largura de banda 
diferente. 
 
Assimétrica 
 
Fonte: autor 
 
 
O HUB coloca todas as suas portas na menor velocidade (10Mbps), o switch trabalha 
assimetricamente, mantendo a porta interligada ao HUB na mesma velocidade (10Mbps) e 
as outras na velocidade de 100Mbps. 
 
Fonte: autor 
 
O switch assinalou maior largura de banda para a porta conectada ao servidor. 
 
A comutação assimétrica permite que mais largura de banda seja dedicada a uma porta de 
switch do servidor para impedir um gargalo. 
 
 
 
Isso permite fluxos de tráfego melhores, em que vários clientes estão se comunicando com 
um servidor ao mesmo tempo. 
O armazenamento em bufferda memória é obrigatório em um switch assimétrico. 
Para que o switch seja compatível com as taxas de dados diferentes em portas diferentes, 
todos os quadros são mantidos no buffer da memória e movidos para a porta um a um, 
conforme necessário. 
 
Simétrica 
 
Fonte: autor 
 
 
No switch simétrico, cada porta é assinalada com a mesma largura de banda, no caso 
100Mbps. 
Em um switch simétrico, todas as portas têm a mesma largura de banda. A comutação 
simétrica é otimizada para uma carga de tráfego distribuída razoavelmente, como em um 
ambiente da área de trabalho ponto a ponto. 
Um gerente de rede deve avaliar a quantidade necessária da largura de banda para 
conexões entre os dispositivos, acomodando o fluxo de dados dos aplicativos baseados na 
rede. 
A maioria dos switches atuais é assimétrica porque esse tipo de switch oferece a maior 
flexibilidade. 
 
 
 
 
 
 
Armazenamento em buffer na memória compartilhada e baseado na porta 
 
Um switch analisa alguns ou todos os pacotes antes de encaminhá-los para o host de 
destino, com base no método de encaminhamento. 
O switch armazena o pacote, enquanto ele está em um buffer de memória. 
 
Como dois tipos de buffers de memória são usados durante o encaminhamento do 
switch? 
 
Um switch ethernet pode usar uma técnica de armazenamento em buffer para armazenar 
quadros antes de encaminhá-los. 
O armazenamento em buffer também poderá ser usado quando a porta de destino estiver 
ocupada devido ao congestionamento. O switch armazenará o quadro até que ele possa ser 
transmitido. 
O uso da memória para armazenar os dados é chamado de armazenamento em buffer de 
memória. Ele é criado no hardware do switch e, diferentemente do aumento da quantidade 
de memória disponível, não é configurável. 
 
 
Dois métodos de armazenamento em buffer de memória 
 
Armazenamento em buffer da memória baseado na porta (port-based memory) 
Os quadros são armazenados em filas vinculadas a portas de entrada e de saída específicas. 
Um quadro só será transmitido para a porta de saída quando todos os quadros à frente dele 
na fila forem transmitidos com êxito. 
É possível para um único quadro atrasar a transmissão de todos os quadros na memória por 
conta de uma porta de destino ocupada. 
Esse atraso ocorre mesmo que os demais quadros possam ser transmitidos para portas de 
destino abertas. 
 
 
 
 
 
 
 
Armazenamento em buffer de memória compartilhada (Shared memory) 
Deposita todos os quadros em um buffer de memória comum, compartilhada por a todas as 
portas do switch. 
A quantidade da memória de buffer exigida por uma porta é alocada dinamicamente. 
Os quadros no buffer são vinculados dinamicamente à porta de destino. 
O switch mantém um mapa do quadro para links de porta que mostra onde um pacote 
precisa ser transmitido. O link de mapa será limpo depois que o quadro for transmitido com 
êxito. 
O número de quadros armazenados no buffer é restringido pelo tamanho de todo o buffer 
de memória, não estando limitado a um único buffer de porta e permitindo a transmissão 
de quadros maiores com menos quadros descartados. 
Isso é importante para a comutação assimétrica, em que os quadros são trocados entre 
portas de taxas diferentes. 
 
Comutação das camadas 2 e 3 
A comutação na camada 2 (enlace de dados) utiliza o endereço físico (MAC address) para 
realizar a comutação e a filtragem. 
Com raras exceções, o switch L2 (layer 2) é transparente, realiza suas funções sem 
qualquer necessidade dos nós de destino e origem tomarem conhecimento de sua 
existência. 
A decisão de encaminhamento é baseada em sua MAC Address Table (CAM – Content-
Addressable Memory), onde ficam registrados VLAN, MAC address, type e Ports, que são as 
interfaces por onde é alcançada a estação e não está explícito o temporizador de cada 
entrada na tabela. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VLAN – Virtual Local Area Network 
 
 
Fonte: autor utilizando o packet tracer 
 
O switch L3 (layer 3) possui funcionamento semelhante a camada 2. Ao invés de somente 
realizar a comutação camada 2 baseada em MAC address pode encaminhar utilizando as 
informações da camada 3 (IP). 
Um switch da camada 3 funciona de maneira semelhante ao switch da Camada 2, mas, em 
vez de usar apenas as informações de endereço MAC da Camada 2 para decisões de 
encaminhamento, um switch da Camada 3 também pode usar as informações de endereço 
IP. 
Em vez de apenas aprender que endereços MAC estão associados a determinadas portas, 
um switch da camada 3 também pode aprender quais endereços IP estão associados às suas 
interfaces. 
Isso permite ao switch da camada 3 direcionar tráfego por toda a rede, com base nas 
informações de endereço IP. 
Os switches da camada 3 também são capazes de executar funções de roteamento da 
camada 3, o que reduz a necessidade de roteadores dedicados em uma rede local. 
Como os switches da camada 3 têm hardware de comutação especializado, eles 
normalmente podem rotear dados com a mesma velocidade do que os comutam. 
 
Comparação entre switch e roteador da Camada 3 (L3) 
O roteamento entre redes locais e a gerência de tráfego dos switches L3 e dos roteadores é 
bastante semelhante. Porém, o switch L3 não consegue substituir totalmente o roteador. 
 
 
Os roteadores são capazes de utilizar protocolos de roteamento avançados, estabelecer 
conexões de acesso remoto com redes e dispositivos remotos e, principalmente, o suporte 
às interfaces de WAN, não suportadas pelo switch L3. 
A grande vantagem do switch L3 é o roteamento em wirespeed e a redução de roteadores 
para interligação das redes locais. 
 
Quadro resumo do comparativo de switch L3 X roteador: 
Característica 
Switch 
camada 3 
Roteador 
Roteamento camada 3 Suporta Suporta 
Gerência de tráfego Suporta Suporta 
Suporta interfaces WIC (WAN Interface 
Card) 
NÃO suporta Suporta 
Protocolos de roteamento avançado NÃO suporta Suporta 
Roteamento velocidade do cabo 
(wirespeed) 
Suporta NÃO suporta 
Fonte: autor adaptado da Cisco.com.